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基于SOPC的飞机电能质量检测监测系统设计

发布时间:2018-12-16 16:07:00 文章来源:青岛赶集网    

段富宽 王晓 陈晶 张丽雯 赵斐斐

摘 要:随着科技的迅速发展与国内电力市场的逐步建立,电能质量的好坏与否得到了人们的广泛关注,尤其是在航空运输日益发达的今天,飞机的电能质量情况更是影响到了此产业的发展。其中飞机电源系统由主电源、应急电源和二次电源组成,有时还包括辅助电源。主电源由航空发动机传动的发电机、电源控制保护设备等构成,在飞行中供电。飞行中主电源发生故障时,蓄电池或应急发电机即成为应急电源。为保障飞机的安全飛行,避免在飞行过程中因电力系统的故障发生意外,因此需要对飞机的电力系统进行不定时的监测。目前国内使用的电能质量监测设备主要是单片机结构,此类设备的性能单一,通用性和拓展性差,开发和维护相对复杂,已不能满足市场的需求。文章采用SOPC技术设计电能质量检测系统,利用Quartus II 在FPGA(Field-Programmable Gate Array)上嵌入一个Nios II的软核CPU(Central Processing Unit),因为其多线程流水式数据处理方式,可以大大的提高数据运算的速度和精度。运用SOPC Builder,根据所要想实现的功能手动构建各个控制模块,来实现系统的检测功能。通过配置FPGA内嵌的Avalon总线使各个模块直接与内核连接,来保证数据传递的速度。再利用FFT(Fast Fourier Transformation)模块对电网中的信号进行采样,包括信号的大小,相位,频率等信息,以此来更好地对飞机电能质量进行监测,为飞机电网提供保障。

关键词:飞机电源系统;SOPC;电能质量;监测

中图分类号:V242 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2018)21-0037-03

Abstract: With the rapid development of science and technology and the gradual establishment of the domestic electricity market, the quality of power has been widely concerned, especially in the increasingly developed air transport today. The power quality of the aircraft is affecting the development of this industry. The aircraft power system is composed of main power, emergency power and secondary power, sometimes including auxiliary power. The main power supply is composed of generators driven by aero-engines, power control and protection equipment, etc., and it is supplied with power in flight. When the main power source fails in flight, the accumulator or emergency generator becomes the emergency power supply. In order to ensure the safety of aircraft flight and avoid accidents due to power system failure in the flight process, it is necessary to monitor the aircraft power system from time to time. At present, the power quality monitoring equipment used in China is mainly single-chip microcomputer structure. The performance of this kind of equipment can be single, versatility and expansibility is poor, the development and maintenance will be complex, and can not meet the needs of the market. This paper uses SOPC technology to design power quality detection system, uses Quartus II to embed a soft core CPU (Central Processing Unit) of Nios II in FPGA (Field-Programmable Gate Array), because of its multithread pipeline data processing mode, it can greatly improve the speed and precision of data operation. Each control module is constructed manually according to the function to be realized by using SOPC Builder to realize the detection function of the system. By configuring the Avalon bus embedded in FPGA, each module is directly connected to the kernel to ensure the speed of data transfer. Then the FFT (Fast Fourier Transformation) module is used to sample the signals in the power grid, including the signal size, phase, frequency and other information, in order to better monitor the aircraft power quality and provide support for the aircraft power grid.

Keywords: aircraft power supply system; SOPC; power quality; monitoring

1 概述

随着电气自动化在机载用电设备中的运用越发广泛,直接导致了飞机上用电设备的大规模普及,设备数量急剧增加。那么机载用电设备是否能安全的运行,极大程度上決定了飞机的适航性。既然电气设备成了为了飞机上不可忽略的重要组成部分,那么机载配电系统就成为飞机电能质量监测的首要发展项目。

2 系统总体结构及工作原理

本项目中采用SOPC技术对电能质量进行测试,在一块FPGA片上运用Nios构建一个软核,在这个核心上面集成电能检测所需要的各个模块。

在这些集成模块中,时钟模块可以提供系统所需的时钟信号;AD模块主要用于被检测电路中的数模转换的控制;SDRAM控制模块用于控制外接存储模块;USB Blaster模块用于总线与芯片之间的开发调试;UART模块主要用于RS232串口通讯工作;FFT用于采集电网中的交流信号,包括信号的波形,频率等信息;以上所有模块在内部的所有通讯都是通过Avalon总线来完成数据之间的传输。这种传输形式既灵活,又支持不同类型的模块进行无障碍交流,数据传输量也足够大,可以实现模块间的最佳传递。

系统的整体框图如图所示。

通过电压电流传感器采集电网中的电能信号,将采集到电网的模拟信号信号通过基于SOPC的电能质量检测系统所控制的AD模块,以数字信号的形式输出,最后将得到的数字信号经过处理在LCD屏幕上显示出来。电压电流检测模块,AD转换模块统称为前端处理模块,LCD1602为输出结果的液晶显示屏。

其中SOPC平台的综合开发就是整个硬件系统的核心,整个硬件设计围绕SOPC展开。该综合平台的功能包括:(1)控制AD进行数据转换;(2)数据接收,接收前端处理模块返回的信号;(3)数据处理,对采集到的数据进行处理;(4)数据存储,将数据储存到预留的空间;(5)数据输出,将数据输送到LCD屏并且正常显示;(6)完成其它拓展功能。

3 参数计算

3.1 电压偏差

供配电系统改变运行方式和负荷缓慢地变化会使供配电系统各点的电压也随之变化,这时各点的实际电压与系统标称电压之差△U称为电压偏差,如式(1)。

3.2 频率误差

供电频率偏差是电能质量的基本指标之一,是电力系统能够安全并且稳定运行的至关重要因素之一。它的定义为电网的实际频率对于额定频率的偏离程度,计算公式为:

△f=f-fs

其中,△f为频率偏差,f为实际频率,fs为额定频率50Hz。

电网供电频率通过周期的测量来实现。常用方法为测量正弦稳态交流的单相电压信号在一定的时间间隔(一般为1秒)内的周期数。对周期测量一般采用的方法较多,大多是采用硬件检测输入波形的过零点,并控制计数器计数。此法编程较简单,但受到一些干扰时,如谐波过多或噪声,就会使得误差较大。另一种方法是先对数据进行数字滤波,得到基波后测量它过零点的时刻来求对应的周期,再求周期的倒数便可得到电网的频率。要得到相对精确的频率,只要相应的提高采集速率即可。还有FFT方法,此方法不受谐波分量的影响,但对截断信号的周期延拓有可能会引入频谱的扩散效应。

国家标准规定,电力系统正常允许偏差值为±0.2Hz

3.3 三相不平衡度

三相平衡是指三相相量的大小、频率相同、相位相差120度,然而,由于负荷不同,每项阻抗值也不尽相同,还有调谐不好等都会导致三相不平衡。电力系统的三相不平衡时电能状况的主要指标之一,一般情况下超过标准值的2%,就会影响到供电的可靠。

4.1 频率的标定与测量

飞机电网的频率一般为400HZ,因此在实验中取399.4HZ-400.7HZ。

由于本次设计选用的ADS8364采样频率为250KHZ则对于电网额定频率400HZ的单个信号周期其采样点数为250KHZ/400HZ=625,其最大允许误差为400HZ/625=0.64HZ,可见测试结果符合预期,达到精度要求。

4.2 电压的标定与测量

飞机电网中电压一般为115V,因此实验中采取标准值为114。

由于本次设计选用的ADS8364为16位其采样精度为115V/2^16=0.00175V,而在进行电压有效值计算时采用分组平均并归算的数据,因此精度有所降低,其最大允许误差为115V/2^16*39=0.068V,可见测试结果符合预期,达到精度要求。

5 结束语

基于SOPC技术的电能质量监测系统的设计,它克服了过去在单片机基础上设计的电能质量监测系统的缺陷。该系统具有集成度高,开发周期较短,设计工程成本第等优点,且具有可重构性。使得系统具有更大的灵活性和更好的可拓展性,并且运算速度较传统的系统更快速,为飞行运输的提供了进一步的保障。

参考文献:

[1]徐丽清.飞机配电系统汇流条电能质量谐波监测[J].计算机测量与控制,2005.

[2]李明,周元钧,王永,等.民机供电系统[Z].2015.

[3]汪国强.SOPC技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]于效宇.基于FPGA的FFT处理器的实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2005.

[5]林海雪.电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M].中国电力出版社,2001.

科技创新与应用 2018年21期

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