CN110456177B - 一种电压瞬变信号检测电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压瞬变信号检测电路及方法，具体涉及电能质量分析技术领域。其中电压瞬变信号检测电路具有三路电压输入信号，每路电压输入信号包括用于慢瞬变信号检测的信号处理电路和普通A/D转换器，以及用于快瞬变信号检测的信号处理电路和高速A/D转换器，普通A/D转换器采集到的数据，除了用于慢瞬变检测之外，还将采集到的数据进行存储，待采集周期结束后，通过握手方式和CPU系统进行通信，将数据送给CPU系统，以进行各种软件算法；普通A/D转换器和高速A/D转换器采集到的数据送给FPGA，在FPGA中进行慢瞬变信号检测和快瞬变信号检测，待电压瞬变检测结束后，将检测到的电压瞬变信息送给CPU系统，在CPU系统中进行电压瞬变信息显示。
Description
技术领域
本发明涉及电能质量分析技术领域，具体涉及一种电压瞬变信号检测电路及方法。
背景技术
近几年，由于电压瞬变、冲击性、不对称性和非线性负荷的不断增加，造成对电网的污染越来越严重，各种精密仪器设备对电网的质量有着严格的要求，由于电能质量问题，而导致的仪器设备损坏也是频频发生。因此，目前电能质量问题也越来越受到人们的关注。
电压瞬变又称为瞬时脉冲或突波，是指两个连续的稳态之间的电压值发生快速的变化，其持续时间很短，可持续数毫秒或更短，电压瞬变幅值可以达到几千伏。电压瞬变根据电压波形的不同可以分为两类：一是电压瞬时脉冲，是指叠加在稳态电压上的任意单方向变动的电压非工频分量；二是电压瞬时振荡，是指叠加在稳态电压的同时包括两个方向变动的电压非工频分量，呈现衰减振荡特性。电压瞬变产生的原因主要有雷击、静态放电、瞬间加入大型感性或者容性负载等情况。为了改善或抑制电压瞬变信号的产生，目前主要有增加隔离变压器或者滤波器、加浪涌放电器和压敏电阻等措施。
电压瞬变信号的特征和判断依据主要有两点：波形快速变化和超过设定的阈值。最早的电压瞬变信号检测是在CPU系统中通过软件算法来实现，但是在电能质量分析仪中，软件工作量非常大，需要完成电压异常、电压闪变、浪涌电流、三相不平衡度、谐波分析、波形显示等工作，如果电压瞬变信号检测也放在软件中实现，将会大大增加CPU系统负担，存在电压瞬变信号漏检测问题。为了解决这个问题，后来的电能质量分析仪基本上都使用FPGA来实现整个电压瞬变信号检测算法，通常设置2段瞬变寄存器，轮流存储发生的电压瞬变信息，每段寄存器的时间约为20ms，CPU系统需要在这段时间内完成全部数据读取工作，这种方法大大降低了电压瞬变信号漏检测的概率，但是在CPU系统需要处理的任务特别多时，仍然会存在电压瞬变信号漏检测现象，并没有从根本上解决这个问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种持续进行数据采集功能，以保证不会出现电压瞬变信号漏检测现象的电压瞬变信号检测电路及方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种电压瞬变信号检测电路，包括三个电压输入信号通道、FPGA和CPU系统，FPGA用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测，CPU系统用于读取FPGA检测的数据以及向FPGA发送控制信号；
每个所述电压输入信号通道包括第一通路和第二通路；
所述第一通路包括第一信号处理电路和普通A/D转换器，第一信号处理电路和普通A/D转换器通过线路连接，用于进行电压慢瞬变信号的采集，以及将采集到的数据送给CPU系统；
所述第二通路包括第二信号处理电路和高速A/D转换器，第二信号处理电路和高速A/D转换器通过线路连接，用于进行电压快瞬变信号的采集。
优选地，所述第一信号处理电路和第二信号处理电路用于处理电压输入信号。
优选地，所述普通A/D转换器和高速A/D转换器，用于对电压输入信号进行持续数据采集和电压瞬变信号的检测。
一种电压瞬变信号检测方法，采用如上所述的电压瞬变信号检测电路。
其特征在于，所述普通A/D转换器将采集到的数据送给CPU系统，FPGA采用握手方式进行数据存储和数据读取，FPGA进行数据存储和读取具体包括：
步骤41：执行初始化工作，将各状态位清零；
步骤42：FPGA等待CPU系统发送过来的开始测试信号，若开始测试信号有效，则执行下一步，否则一直等待，直至开始测试信号有效；
步骤43：执行普通A/D转换器的数据采集工作；
步骤44：数据采样周期开始；
步骤45：将普通A/D转换器采集获取的数据进行数据存储；
步骤46：判断采样周期是否结束；
若判断结果为采样周期没有结束，则继续执行数据存储工作；若判断结果为采样周期结束，则继续执行下一步骤；
步骤47：一个采样周期结束，FPGA产生中断信号，并传递至CPU系统；
步骤48：CPU系统接受到FPGA的中断信号后，开始执行数据读取；
步骤49：判断CPU系统读取数据是否结束；
若判断结果为CPU系统读取数据没有结束，则继续进行数据读取工作；若判断结果为CPU系统读取数据结束，则继续执行下一步骤；
步骤410：CPU系统读取数据结束，并向FPGA发送数据读取结束信号，同时CPU系统开始进行数据处理；
步骤411：FPGA接收到CPU系统发送的数据读取结束信号，判断停止测试信号是否有效；
若判断结果为停止测试信号无效，则新一轮的采样周期开始；若判断结果为停止测试信号有效，则本次测试结束。
优选地，所述FPGA进行电压瞬变检测和CPU系统进行各种算法同步进行，具体包括如下步骤：
步骤51：执行初始化工作，将电压瞬变发生个数计数器清零，即i＝0；
步骤52：等待CPU系统向FPGA发送开始电压瞬变检测信号，若开始电压瞬变检测信号有效，则继续执行下一步，否则一直等待，直至开始电压瞬变检测信号有效；
步骤53：执行高速A/D转换器数据采集工作；
步骤54：通过普通A/D转换器采集的数据，执行电压慢瞬变信号检测工作；通过高速A/D转换器采集的数据，执行电压快瞬变信号检测工作；
步骤55：判断是否发生电压瞬变信号；
若判断结果为没有发生电压瞬变信号，则执行步骤58；
若判断结果为发生电压瞬变信号，则继续执行下一步；
步骤56：电压瞬变发生个数计数器i+1；
步骤57：FPGA记录第i个电压瞬变信号信息；
步骤58：判断CPU系统发给FPGA的停止电压瞬变检测信号；
若停止电压瞬变检测信号无效，则执行步骤53；
若停止电压瞬变检测信号有效，则继续执行下一步；
步骤59：CPU系统从FPGA读取电压瞬变信息以及此次检测时间内发生电压瞬变的总次数。
优选地，所述步骤57中的电压瞬变信号的信息包括发生电压瞬变的通道、电压瞬变的类型、电压瞬变的速度、电压瞬变的起点值、电压瞬变的正向最大值、电压瞬变的负向最小值以及发生电压瞬变的时间值。
优选地，所述FPGA中设置两个寄存器，分别用于存放电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器，以及发生电压瞬变的周期数寄存器，具体包括如下步骤：
步骤71：开始执行电压瞬变检测，执行初始化工作，对位置寄存器和周期数寄存器进行清零；
步骤72：执行普通A/D转换器和高速A/D转换器的数据采集；
步骤73：普通A/D转换器和高速A/D转换器每采集一个数据，电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器+1；
步骤74：判断电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器是否等于最大值256；
若判断结果为不等于256，则转到步骤73继续执行；
若判断结果为等于256，则继续执行下一步；
步骤75：发生电压瞬变的周期数寄存器+1；
步骤76：判断发生电压瞬变的周期数寄存器是否等于最大值；
若判断结果为不等于最大值，则转到步骤75继续执行；
若判断结果为等于最大值，则继续执行下一步；
步骤77：达到最大电压瞬变检测时间，停止电压瞬变检测。
FPGA接收到CPU系统发送的停止电压瞬变检测信号后，将此次电压瞬变检测时间内发生的电压瞬变信息发送给CPU系统，在CPU系统中通过计算电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器和发生电压瞬变的周期数寄存器，即可计算出每次发生电压瞬变的时间。
本发明具有如下有益效果：
电压瞬变信号检测电路具有三路电压输入信号，每路电压输入信号包括用于慢瞬变信号检测的信号处理电路和普通A/D转换器，以及用于快瞬变信号检测的信号处理电路和高速A/D转换器，普通A/D转换器采集到的数据，除了用于慢瞬变检测之外，还将采集到的数据进行存储，待采集周期结束后，通过握手方式和CPU系统进行通信，将数据送给CPU系统，以进行各种软件算法；普通A/D转换器和高速A/D转换器采集到的数据送给FPGA，在FPGA中进行慢瞬变信号检测和快瞬变信号检测，待电压瞬变检测结束后，将检测到的电压瞬变信息送给CPU系统，在CPU系统中进行电压瞬变信息显示。
FPGA中设置两个控制信号，测试信号和电压瞬变检测信号，当测试信号使能后，普通A/D转换器开始工作，将采集到的数据通过握手方式和CPU系统进行通信，将数据送给CPU系统，以进行各种软件算法，这种工作方式下，高速A/D转换器不工作，且不进行电压瞬变信号检测。当测试信号和电压瞬变检测信号都使能后，高速A/D转换器才工作，且普通A/D转换器采集到的数据用于电压慢瞬变信号检测，高速A/D转换器采集到的数据用于电压快瞬变信号检测，同时将普通A/D转换器采集到的数据送给CPU系统，以进行各种软件算法，且CPU系统实现各种软件算法和FPGA进行电压瞬变检测同步进行，互不干扰。
与现有技术相比，本发明具有持续进行数据采集功能，以保证不会出现电压瞬变信号漏检测现象；电压瞬变检测和CPU系统实现各种软件算法同步进行，互不干扰；数据存储和数据读取采用握手方式，不会出现数据丢失；电压瞬变检测具有时间测量功能。
附图说明
图1为电压瞬变信号检测电路的原理图；
图2为握手方式数据采集与数据存储方法流程图；
图3为电压瞬变信号检测方法流程图；
图4为发生电压瞬变的时间测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如附图所示，一种电压瞬变信号检测电路，包括三个电压输入信号通道、FPGA和CPU系统，FPGA用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测，CPU系统用于读取FPGA检测的数据以及向FPGA发送控制信号；
每个所述电压输入信号通道包括第一通路和第二通路；
第一通路包括第一信号处理电路和普通A/D转换器，第一信号处理电路和普通A/D转换器通过线路连接，用于进行电压慢瞬变信号的采集，以及将采集到的数据送给CPU系统；
第二通路包括第二信号处理电路和高速A/D转换器，第二信号处理电路和高速A/D转换器通过线路连接，用于进行电压快瞬变信号的采集。
第一信号处理电路和第二信号处理电路用于处理电压输入信号。
普通A/D转换器和高速A/D转换器，用于对电压输入信号进行持续数据采集和电压瞬变信号的检测。
一种电压瞬变信号检测方法，采用以上所述的电压瞬变信号检测电路。
普通A/D转换器将采集到的数据送给CPU系统，FPGA采用握手方式进行数据存储和数据读取，FPGA进行数据存储和读取具体包括：
步骤41：执行初始化工作，将各状态位清零；
步骤42：FPGA等待CPU系统发送过来的开始测试信号，若开始测试信号有效，则执行下一步，否则一直等待，直至开始测试信号有效；
步骤43：执行普通A/D转换器的数据采集工作；
步骤44：数据采样周期开始；
对于待测电压输入信号，1个周期采集256点，设定8个信号周期为1个采样周期，即1个采样周期共采集256*8＝1024点；
步骤45：将普通A/D转换器采集获取的数据进行数据存储；
步骤46：判断采样周期是否结束；
若判断结果为采样周期没有结束，则继续执行数据存储工作；若判断结果为采样周期结束，则继续执行下一步骤；
步骤47：一个采样周期结束，FPGA产生中断信号，并传递至CPU系统；
步骤48：CPU系统接受到FPGA的中断信号后，开始执行数据读取；
步骤49：判断CPU系统读取数据是否结束；
若判断结果为CPU系统读取数据没有结束，则继续进行数据读取工作；若判断结果为CPU系统读取数据结束，则继续执行下一步骤；
步骤410：CPU系统读取数据结束，并向FPGA发送数据读取结束信号，同时CPU系统开始进行数据处理；
步骤411：FPGA接收到CPU系统发送的数据读取结束信号，判断停止测试信号是否有效；
若判断结果为停止测试信号无效，则新一轮的采样周期开始；若判断结果为停止测试信号有效，则本次测试结束。
FPGA进行电压瞬变检测和CPU系统进行各种算法同步进行，具体包括如下步骤：
步骤51：执行初始化工作，将电压瞬变发生个数计数器清零，即i＝0；
步骤52：等待CPU系统向FPGA发送开始电压瞬变检测信号，若开始电压瞬变检测信号有效，则继续执行下一步，否则一直等待，直至开始电压瞬变检测信号有效；
步骤53：执行高速A/D转换器数据采集工作；
步骤54：通过普通A/D转换器采集的数据，执行电压慢瞬变信号检测工作；通过高速A/D转换器采集的数据，执行电压快瞬变信号检测工作；
步骤55：判断是否发生电压瞬变信号；
若判断结果为没有发生电压瞬变信号，则执行步骤58；
若判断结果为发生电压瞬变信号，则继续执行下一步；
步骤56：电压瞬变发生个数计数器i+1；
步骤57：FPGA记录第i个电压瞬变信号信息；步骤57中的电压瞬变信号的信息包括发生电压瞬变的通道、电压瞬变的类型、电压瞬变的速度、电压瞬变的起点值、电压瞬变的正向最大值、电压瞬变的负向最小值以及发生电压瞬变的时间值。
步骤58：判断CPU系统发给FPGA的停止电压瞬变检测信号；
若停止电压瞬变检测信号无效，则执行步骤53；
若停止电压瞬变检测信号有效，则继续执行下一步；
步骤59：CPU系统从FPGA读取电压瞬变信息以及此次检测时间内发生电压瞬变的总次数。
FPGA中设置两个寄存器，分别用于存放电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器location_count，以及发生电压瞬变的周期数寄存器peirod_count，具体包括如下步骤：
步骤71：开始执行电压瞬变检测，执行初始化工作，对位置寄存器location_count和周期数寄存器peirod_count进行清零；
步骤72：执行普通A/D转换器和高速A/D转换器的数据采集；
步骤73：普通A/D转换器和高速A/D转换器每采集一个数据，电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器+1；
步骤74：判断电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器是否等于最大值256；
若判断结果为不等于256，则转到步骤73继续执行；
若判断结果为等于256，则继续执行下一步；
步骤75：发生电压瞬变的周期数寄存器+1；
步骤76：判断发生电压瞬变的周期数寄存器是否等于最大值；
若判断结果为不等于最大值，则转到步骤75继续执行；
若判断结果为等于最大值，则继续执行下一步；
步骤77：达到最大电压瞬变检测时间，停止电压瞬变检测。
FPGA接收到CPU系统发送的停止电压瞬变检测信号后，将此次电压瞬变检测时间内发生的电压瞬变信息发送给CPU系统，在CPU系统中通过计算电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器和发生电压瞬变的周期数寄存器，即可计算出每次发生电压瞬变的时间。
电压瞬变信号检测电路包括三个电压输入信号通道，FPGA和CPU系统，每个电压输入信号通道包括用于慢瞬变信号检测的信号处理电路和普通A/D转换器，以及用于快瞬变信号检测的信号处理电路和高速A/D转换器；普通A/D转换器采集到的数据，除了用于慢瞬变信号检测之外，还将采集到的数据进行存储，待采集周期结束后，通过握手方式和CPU系统进行通信，将数据送给CPU系统，以进行各种软件算法；普通A/D转换器和高速A/D转换器采集到的数据送给FPGA，在FPGA中进行慢瞬变信号检测和快瞬变信号检测，待电压瞬变检测结束后，将检测到的电压瞬变信息送给CPU系统，在CPU系统中进行电压瞬变信息显示。
本发明在FPGA中设置两个控制信号，测试信号和电压瞬变检测信号，当测试信号使能后，普通A/D转换器开始工作，将采集到的数据通过握手方式和CPU系统进行通信，将数据送给CPU系统，以进行各种软件算法，这种工作方式下，高速A/D转换器不工作，且不进行电压瞬变信号检测。当测试信号和电压瞬变检测信号都使能后，高速A/D转换器才工作，且普通A/D转换器采集到的数据用于电压慢瞬变信号检测，高速A/D转换器采集到的数据用于电压快瞬变信号检测，同时将普通A/D转换器采集到的数据送给CPU系统，以进行各种软件算法，且CPU系统实现各种软件算法和FPGA进行电压瞬变检测同步进行，互不干扰。
在测试信号和电压瞬变检测信号都使能后，FPGA记录检测时间内发生电压瞬变的次数，以及每次电压瞬变的相关信息，包括发生电压瞬变的通道、电压瞬变的类型、电压瞬变的速度、电压瞬变的起点值、电压瞬变的正向最大值、电压瞬变的负向最小值以及每次发生电压瞬变的时间值。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种电压瞬变信号检测方法，采用电压瞬变信号检测电路，电压瞬变信号检测电路包括三个电压输入信号通道、FPGA和CPU系统，FPGA用于同时进行电压慢瞬变信号和电压快瞬变信号检测，CPU系统用于读取FPGA检测的数据以及向FPGA发送控制信号；
每个所述电压输入信号通道包括第一通路和第二通路；
所述第一通路包括第一信号处理电路和普通A/D转换器，第一信号处理电路和普通A/D转换器通过线路连接，用于进行电压慢瞬变信号的采集，以及将采集到的数据送给CPU系统；
所述第二通路包括第二信号处理电路和高速A/D转换器，第二信号处理电路和高速A/D转换器通过线路连接，用于进行电压快瞬变信号的采集；所述第一信号处理电路和第二信号处理电路用于处理电压输入信号；所述普通A/D转换器和高速A/D转换器，用于对电压输入信号进行持续数据采集和电压瞬变信号的检测；
其特征在于，电压瞬变信号检测方法包括：所述普通A/D转换器将采集到的数据送给CPU系统，FPGA采用握手方式进行数据存储和数据读取，FPGA进行数据存储和读取具体包括：
步骤41：执行初始化工作，将各状态位清零；
步骤42：FPGA等待CPU系统发送过来的开始测试信号，若开始测试信号有效，则执行下一步，否则一直等待，直至开始测试信号有效；
步骤43：执行普通A/D转换器的数据采集工作；
步骤44：数据采样周期开始；
步骤45：将普通A/D转换器采集获取的数据进行数据存储；
步骤46：判断采样周期是否结束；
若判断结果为采样周期没有结束，则继续执行数据存储工作；若判断结果为采样周期结束，则继续执行下一步骤；
步骤47：一个采样周期结束，FPGA产生中断信号，并传递至CPU系统；
步骤48：CPU系统接受到FPGA的中断信号后，开始执行数据读取；
步骤49：判断CPU系统读取数据是否结束；
若判断结果为CPU系统读取数据没有结束，则继续进行数据读取工作；若判断结果为CPU系统读取数据结束，则继续执行下一步骤；
步骤410：CPU系统读取数据结束，并向FPGA发送数据读取结束信号，同时CPU系统开始进行数据处理；
步骤411：FPGA接收到CPU系统发送的数据读取结束信号，判断停止测试信号是否有效；
若判断结果为停止测试信号无效，则新一轮的采样周期开始；若判断结果为停止测试信号有效，则本次测试结束；
所述FPGA进行电压瞬变检测和CPU系统进行各种算法同步进行，具体包括如下步骤：
步骤51：执行初始化工作，将电压瞬变发生个数计数器清零，即i＝0；
步骤52：等待CPU系统向FPGA发送开始电压瞬变检测信号，若开始电压瞬变检测信号有效，则继续执行下一步，否则一直等待，直至开始电压瞬变检测信号有效；
步骤53：执行高速A/D转换器数据采集工作；
步骤54：通过普通A/D转换器采集的数据，执行电压慢瞬变信号检测工作；通过高速A/D转换器采集的数据，执行电压快瞬变信号检测工作；
步骤55：判断是否发生电压瞬变信号；
若判断结果为没有发生电压瞬变信号，则执行步骤58；
若判断结果为发生电压瞬变信号，则继续执行下一步；
步骤56：电压瞬变发生个数计数器i+1；
步骤57：FPGA记录第i个电压瞬变信号信息；
步骤58：判断CPU系统发给FPGA的停止电压瞬变检测信号；
若停止电压瞬变检测信号无效，则执行步骤53；
若停止电压瞬变检测信号有效，则继续执行下一步；
步骤59：CPU系统从FPGA读取电压瞬变信息以及此次检测时间内发生电压瞬变的总次数；
所述步骤57中的电压瞬变信号的信息包括发生电压瞬变的通道、电压瞬变的类型、电压瞬变的速度、电压瞬变的起点值、电压瞬变的正向最大值、电压瞬变的负向最小值以及发生电压瞬变的时间值；
所述FPGA中设置两个寄存器，分别用于存放电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器，以及发生电压瞬变的周期数寄存器，具体包括如下步骤：
步骤71：开始执行电压瞬变检测，执行初始化工作，对位置寄存器和周期数寄存器进行清零；
步骤72：执行普通A/D转换器和高速A/D转换器的数据采集；
步骤73：普通A/D转换器和高速A/D转换器每采集一个数据，电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器+1；
步骤74：判断电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器是否等于最大值256；
若判断结果为不等于256，则转到步骤73继续执行；
若判断结果为等于256，则继续执行下一步；
步骤75：发生电压瞬变的周期数寄存器+1；
步骤76：判断发生电压瞬变的周期数寄存器是否等于最大值；
若判断结果为不等于最大值，则转到步骤75继续执行；
若判断结果为等于最大值，则继续执行下一步；
步骤77：达到最大电压瞬变检测时间，停止电压瞬变检测；
FPGA接收到CPU系统发送的停止电压瞬变检测信号后，将此次电压瞬变检测时间内发生的电压瞬变信息发送给CPU系统，在CPU系统中通过计算电压瞬变发生在当前信号周期的位置寄存器和发生电压瞬变的周期数寄存器，即可计算出每次发生电压瞬变的时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 233010 no.1300, Yinghe Road, Yuhui District, Bengbu City, Anhui Province Applicant after: CLP kesiyi Technology (Anhui) Co.,Ltd. Address before: 233010 no.1300, Yinghe Road, Yuhui District, Bengbu City, Anhui Province Applicant before: CETC INSTRUMENTATION (ANHUI) Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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