本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)質(zhì)量控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：靜止型無功補(bǔ)償設(shè)備svc對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高功率因數(shù)、降低網(wǎng)損、抑制非線性負(fù)荷所引起的諧波干擾、平衡三相負(fù)荷、減小負(fù)序及電壓波動閃變、改善電能質(zhì)量具有重要的作用。目前大多數(shù)svc產(chǎn)品一般由一次系統(tǒng)和二次控制系統(tǒng)組成。一次系統(tǒng)其基本結(jié)構(gòu)包括一組固定并聯(lián)在線路中的電容器（fc）和一組并聯(lián)連接線路中用晶閘管控制的電抗器（tcr），由于采用晶閘管控制電抗器，其感性無功電流可以動態(tài)調(diào)節(jié)，具備反應(yīng)時(shí)間快，運(yùn)行可靠，適用范圍等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)，其主要作用是為svc控制系統(tǒng)提供快速、穩(wěn)定、高精度的同步信號。鎖相環(huán)的性能，關(guān)系到整個(gè)svc控制系統(tǒng)的同步以及晶閘管器件觸發(fā)控制的精準(zhǔn)度，是控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)。為解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)，其特征在于：包括：電壓電流信號采集模塊、fpga控制模塊、cpu處理模塊、開入開出調(diào)理模塊、rs485通信模塊和電源模塊；所述電壓電流信號采集模塊的輸出端連接fpga控制模塊，所述fpga控制模塊與所述cpu處理模塊連接；所述fpga控制模塊包括fpga控制器、鎖相控制器、flash存儲器和dma存儲器；所述電壓電流信號采集模塊的輸出端連接fpga控制器，所述fpga控制器與所述鎖相控制器、flash存儲器和dma存儲器連接，所述fpga控制器的輸出端連接cpu處理模塊；所述cpu處理模塊與開入開出調(diào)理模塊連接，所述cpu處理模塊與rs485通信模塊連接，所述電源模塊與電壓電流信號采集模塊、fpga控制模塊和cpu處理模塊連接為其供電。進(jìn)一步地，所述電壓電流信號采集模塊包括信號傳感器、信號調(diào)理單元和ad轉(zhuǎn)換單元；所述信號傳感器的輸出端通過防護(hù)單元與信號調(diào)理單元連接，所述信號調(diào)理單元的輸出端連接ad轉(zhuǎn)換單元，所述ad轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接fpga控制模塊。進(jìn)一步地，所述電壓電流信號采集模塊還設(shè)置基準(zhǔn)源，所述基準(zhǔn)源通過偏置驅(qū)動模塊與信號調(diào)理單元連接，所述基準(zhǔn)源還與ad轉(zhuǎn)換單元連接。進(jìn)一步地，所述fpga控制模塊與狀態(tài)量監(jiān)視單元連接，所述fpga控制模塊的輸出端連接發(fā)射器及驅(qū)動電路，所述fpga控制模塊還連接時(shí)鐘單元和同步信號提取供電單元，所述同步信號提取供電單元與電源模塊連接。進(jìn)一步地，所述電源模塊包括光電轉(zhuǎn)換單元、主電源切換控制單元和電源系統(tǒng)，外部供電光纖輸入至光電轉(zhuǎn)換單元將光能轉(zhuǎn)換為電能，所述光電轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接主電源切換控制單元和同步信號提取供電單元，所述主電源切換控制單元的輸出端連接電源系統(tǒng)。進(jìn)一步地，所述cpu處理模塊采用mpc8321vrafdc型號的單片機(jī)。進(jìn)一步地，所述fpga控制器采用altera公司出品的cycloneiv系列ep4ce115型號的fpga控制器。進(jìn)一步地，所述開入開出調(diào)理模塊包括開入調(diào)理電路和開出調(diào)理電路，所述開入調(diào)理電路包括：直流隔離電源、光電耦合器、輸入電阻和輸出rc濾波電路，所述直流隔離電源通過輸入電阻與光電耦合器的電源端連接，所述光電耦合器的輸入端與開入信號連接，所述光電耦合器的輸出端通過輸出rc濾波電路與主控制器連接。進(jìn)一步地，所述開出調(diào)理電路采用達(dá)林頓晶體驅(qū)動管uln2803的驅(qū)動電路。進(jìn)一步地，所述rs485通訊模塊采用adm2582e芯片。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明實(shí)施例中，svc控制系統(tǒng)采用基于瞬時(shí)功率理論的鎖相原理，在fpga中實(shí)現(xiàn)鎖相計(jì)數(shù)器替代復(fù)雜的積分環(huán)節(jié)，產(chǎn)生鎖相角，模塊具備自動校準(zhǔn)功能，方便現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試。鎖相環(huán)的主要作用是為svc控制系統(tǒng)提供快速、穩(wěn)定、高精度的同步信號。其性能關(guān)系到整個(gè)svc控制系統(tǒng)的同步以及晶閘管器件觸發(fā)控制的精準(zhǔn)度，是控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。利用clarke變換，對任意工況下三相電路中不同功率及相應(yīng)電流進(jìn)行完整的分析和實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)補(bǔ)償要求，實(shí)時(shí)地分辨出電路中不和需求的電流分量并進(jìn)行消除。cpu處理模塊采用了mpc8321vrafdc作為處理器，結(jié)合cycloneiv系列中的ep4ce115，具備強(qiáng)大的可編程能力和并行計(jì)算能力，能夠?qū)⒂|發(fā)精度控制在0.005°的范圍之內(nèi)。實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能?？蓪?shí)現(xiàn)快速連續(xù)的動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，具有反應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定，適用范圍廣。附圖說明圖1為本發(fā)明提出的基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明提出的所述電壓電流信號采集模塊結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明提出的所述fpga控制模塊結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明提出的所述開入調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明提出的所述開出調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖；圖6為本發(fā)明提出的所述rs485通迅模塊電路結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。參見圖1，為本發(fā)明提出的基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，基于fpga實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的svc控制系統(tǒng)，其特征在于：包括：電壓電流信號采集模塊、fpga控制模塊、cpu處理模塊、開入開出調(diào)理模塊、rs485通信模塊和電源模塊；所述電壓電流信號采集模塊的輸出端連接fpga控制模塊，所述fpga控制模塊與所述cpu處理模塊連接；所述fpga控制模塊包括fpga控制器、鎖相控制器、flash存儲器和dma存儲器；所述電壓電流信號采集模塊的輸出端連接fpga控制器，所述fpga控制器與所述鎖相控制器、flash存儲器和dma存儲器連接，所述fpga控制器的輸出端連接cpu處理模塊；所述cpu處理模塊與開入開出調(diào)理模塊連接，所述cpu處理模塊與rs485通信模塊連接，所述電源模塊與電壓電流信號采集模塊、fpga控制模塊和cpu處理模塊連接為其供電。本發(fā)明實(shí)施例中，svc控制系統(tǒng)采用基于瞬時(shí)功率理論的鎖相原理，在fpga中實(shí)現(xiàn)鎖相計(jì)數(shù)器替代復(fù)雜的積分環(huán)節(jié)，產(chǎn)生鎖相角，模塊具備自動校準(zhǔn)功能，方便現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試。鎖相環(huán)的主要作用是為svc控制系統(tǒng)提供快速、穩(wěn)定、高精度的同步信號。其性能關(guān)系到整個(gè)svc控制系統(tǒng)的同步以及晶閘管器件觸發(fā)控制的精準(zhǔn)度，是控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。利用clarke變換，對任意工況下三相電路中不同功率及相應(yīng)電流進(jìn)行完整的分析和實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)補(bǔ)償要求，實(shí)時(shí)地分辨出電路中不和需求的電流分量并進(jìn)行消除。cpu處理模塊采用了mpc8321vrafdc作為處理器，結(jié)合cycloneiv系列中的ep4ce115，具備強(qiáng)大的可編程能力和并行計(jì)算能力，能夠?qū)⒂|發(fā)精度控制在0.005°的范圍之內(nèi)。實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能?？蓪?shí)現(xiàn)快速連續(xù)的動態(tài)無功功率調(diào)節(jié)，具有反應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定，適用范圍廣。參見圖2，為本發(fā)明提出的所述電壓電流信號采集模塊結(jié)構(gòu)圖；如圖2所示，電壓電流信號采集模塊包括信號傳感器、信號調(diào)理單元和ad轉(zhuǎn)換單元；所述信號傳感器的輸出端通過防護(hù)單元與信號調(diào)理單元連接，所述信號調(diào)理單元的輸出端連接ad轉(zhuǎn)換單元，所述ad轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接fpga控制模塊。本發(fā)明設(shè)計(jì)的svc控制模塊選用目前業(yè)界可靠性、功能和處理能力最有優(yōu)勢的嵌入式cpu、dsp和大容量的fpga進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速以太網(wǎng)和iec標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集的光纖通道作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，內(nèi)部采用高可靠、高實(shí)時(shí)、高效率的數(shù)據(jù)交換接口。ad采樣芯片采用adi公司ad8553，采樣率800k，自帶采樣保持電路，使用外部參考電壓、外部時(shí)鐘、低功耗、低噪音、三態(tài)輸出；作為實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的控制邏輯單元，fpga采用altera公司出品的cycloneiv系列ep4ce115，具備強(qiáng)大的可編程能力和并行計(jì)算能力。電壓電流信號采集模塊還設(shè)置基準(zhǔn)源，所述基準(zhǔn)源通過偏置驅(qū)動模塊與信號調(diào)理單元連接，所述基準(zhǔn)源還與ad轉(zhuǎn)換單元連接。參見圖3，為本發(fā)明提出的所述fpga控制模塊結(jié)構(gòu)圖；如圖3所示，fpga控制模塊與狀態(tài)量監(jiān)視單元連接，所述fpga控制模塊的輸出端連接發(fā)射器及驅(qū)動電路，所述fpga控制模塊還連接時(shí)鐘單元和同步信號提取供電單元，所述同步信號提取供電單元與電源模塊連接。進(jìn)一步地，所述電源單元包括光電轉(zhuǎn)換模塊、主電源切換控制模塊和電源系統(tǒng)，外部供電光纖輸入至光電轉(zhuǎn)換模塊將光能轉(zhuǎn)換為電能，所述光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接主電源切換控制模塊和同步信號提取模塊，所述主電源切換控制模塊的輸出端連接電源系統(tǒng)。本發(fā)明實(shí)施例中，高速同步采集轉(zhuǎn)換模塊對一次傳感器送入的測量電流和測量電壓進(jìn)行采集，通過信號調(diào)理單元對采集的信號進(jìn)行調(diào)理，通過ad轉(zhuǎn)換單元將調(diào)理后的模擬電壓和電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過spi接口傳送給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元對接收的電壓和電流信息進(jìn)行分析處理通過輸出，并通過發(fā)射器及驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)光纖信號發(fā)送出去。通過同步信號提取單元與電源單元連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理單元的供電，通過時(shí)鐘單元實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。進(jìn)一步地，所述cpu處理模塊采用mpc8321vrafdc型號的單片機(jī)。進(jìn)一步地，所述fpga控制器采用altera公司出品的cycloneiv系列ep4ce115型號的fpga控制器。altera公司出品的cycloneiv系列ep4ce115，具備強(qiáng)大的可編程能力和并行計(jì)算能力。電源模塊包括光電轉(zhuǎn)換單元、主電源切換控制單元和電源系統(tǒng)，外部供電光纖輸入至光電轉(zhuǎn)換單元將光能轉(zhuǎn)換為電能，所述光電轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接主電源切換控制單元和同步信號提取供電單元，所述主電源切換控制單元的輸出端連接電源系統(tǒng)。電源模塊通過上位機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)源輸出不同的標(biāo)準(zhǔn)測試量供給電壓電流信號采集模塊，電壓電流信號采集模塊采集模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，通過接收板卡傳遞給設(shè)置fpga控制模塊的上位機(jī)。上位機(jī)同時(shí)比對電壓電流信號采集模塊所采集的數(shù)字信號與標(biāo)準(zhǔn)信號，通過一定的校準(zhǔn)算法計(jì)算得到校準(zhǔn)系數(shù)后，通過相關(guān)的下載通道將電壓電流信號采集模塊的修正系數(shù)寫入到該電壓電流信號采集模塊的硬件板卡內(nèi)部。參見圖4和圖5，其中圖4為本發(fā)明提出的所述開入調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明提出的所述開出調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖。如圖4和圖5所示，開入信號采集單元包括直流隔離電源、光電耦合器、輸入電阻和輸出rc濾波電路，所述直流隔離電源通過輸入電阻與光電耦合器的電源端連接，所述光電耦合器的輸入端與開入信號連接，所述光電耦合器的輸出端通過輸出rc濾波電路與主控制器連接。直流隔離電源采用5v轉(zhuǎn)5v的電壓轉(zhuǎn)換器，光電耦合器u16是一個(gè)含有4路通路的光電耦合器，直流隔離電源輸入端的kr和gnd_kr經(jīng)隔離后輸出vcc_5v0和mcu_kr獨(dú)立電源,直流隔離電源的輸出端vcc_5v0和mcu_kr為光電耦合器u16提供光耦輸入端的電源和地，耦合后的vkr_5v0和mcu_kr為光耦輸出端提供電源和地，以此方式實(shí)現(xiàn)光耦輸入與輸出端的絕對隔離，每個(gè)光耦芯片可接4路開入信號。開入調(diào)理電路為了實(shí)現(xiàn)cpu同開入信號之間的隔離，采用了光隔離芯片，隔離開入信號通過調(diào)理電阻（選10kω）輸入到光隔芯片，感光導(dǎo)通時(shí)，直接通過cpu的gpio引腳實(shí)現(xiàn)開入量測量功能。開出調(diào)理電路采用了達(dá)林頓晶體驅(qū)動管uln2803設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路，增強(qiáng)cpu的gpio驅(qū)動能力，保證了繼電器線圈能夠正常吸合，實(shí)現(xiàn)開出控制功能。參見圖6，為本發(fā)明提出的所述rs485通迅模塊電路結(jié)構(gòu)圖。如圖6所示，rs485通訊模塊將主控制器的ttl電平信號通過線圈磁隔離后轉(zhuǎn)為rs485差分信號，rs485通訊單元u13為adm2582e芯片，該芯片內(nèi)部集成有隔離電源，輸入vcc_5v0和dgnd經(jīng)隔離后輸出vcc_485和gnd_485獨(dú)立電源。從主控制器輸出的ttl電平發(fā)信號：mcu_485_txd、收信號：mcu_485_rxd，方向控制信號：mcu_485_dir經(jīng)過adm2582e后，輸出隔離后的差分信號rs485_a和rs485_b。電容c123、c124、c127和c128為輸入端退耦電容、電容c125和c126為輸出端退耦電容，電阻r107和r152為匹配電阻，目的是保護(hù)信號穩(wěn)定性。由于模塊應(yīng)用于工業(yè)控制等環(huán)境中，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，本模塊選用了adi公司的adm2582器件，其單個(gè)封裝內(nèi)集成了一個(gè)三通道隔離器、一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動器、一個(gè)差分輸入接收機(jī)和一個(gè)isopowerdc/dc轉(zhuǎn)換器。器件采用5v單電源供電，從而實(shí)現(xiàn)了完全隔離的rs-485，保證了通信的穩(wěn)定可靠。本發(fā)明實(shí)施例中，模塊之間的通信協(xié)議采用通用的modbus協(xié)議，選用查詢和設(shè)置兩種命令集，數(shù)據(jù)幀格式如表一所示，模塊通信的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系如表二所示。表一表二序號邏輯單元名稱邏輯單元地址放大倍數(shù)說明1開入信號1~4/4路開入2開出控制11~14/4路開出3交流電壓信號21~23100三相abc3路電壓信號4交流電流31~33100三相abc3路電流信號5參數(shù)41~481000基準(zhǔn)角、延時(shí)角等上面結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍可以做出許多其他改變和改型。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于特定的實(shí)施方式，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。當(dāng)前第1頁12