电量变送器

摘要

本发明电量变送器，涉及特别适用于特定功能的数据处理设备，是一种基于FPGA现场可编程门阵列结合三模冗余技术的具备容错功能的电量变送器，包括三相信号采集模块、信号调理模块、A/D采样模块、频率测量模块、FPGA控制器模块、CAN总线通信模块和电源模块，克服了现有电量变送器在任意单相变送出错时将直接导致最终变送结果错误，以至引发系统开环或设备误动作，导致整个系统瘫痪的缺陷。

主权项

电量变送器，其特征在于：是一种基于FPGA现场可编程门阵列结合三模冗余技术的具备容错功能的电量变送器，包括三相信号采集模块、信号调理模块、A/D采样模块、频率测量模块、FPGA控制器模块、CAN总线通信模块和电源模块；其中，三相信号采集模块包括三相电压传感器和三相电流传感器，A/D采样模块包括采样通道、ADC芯片和外围电路，三相信号采集模块中的三相电压传感器和三相电流传感器的输出端与信号调理模块的输入端相连接，信号调理模块输出端与A/D采样模块的输入端及频率测量模块的输入端相连接，A/D采样模块中的ADC芯片由FPGA控制器模块中的A/D采样控制模块给予同步控制，指使A/D采样模块的采样通道分别对三相电压传感器的电压信号和三相电流传感器的电流信号进行同时采样，所得的采样数据以并行方式送入FPGA控制模块，频率测量模块的数据也输入FPGA控制器模块，FPGA控制器模块中的CAN总线通信控制模块对CAN总线通信模块进行控制，电源模块对信号调理模块、A/D采样模块、FPGA控制器模块和CAN总线通信模块提供电力；上述FPGA控制器模块为FPGA现场可编程门阵列，包括锁相环模块、A/D采样控制模块、双口RAM模块、DFT变换模块、数据存储模块、参数计算模块、冗余容错模块和CAN总线输出控制模块；上述三模冗余技术即三模冗余方法，是将三相电中每一相电视为一个冗余通道，在FPGA控制器模块内部分别对每相电的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数参量进行并行运算，运算结果以“三取二”投票表决方式对三相参数计算结果进行相互对比，以判断正误，具体方法是：(1)电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数容错设计：A、B、C三相电压和电流有效值变送结果均以16位二进制数字量存储，该电压和电流允许测量最大值分别为U_max＝120v、I_max＝6A，标准值为U_s＝100v、I_s＝5A，三相允许互差值为10％U_s、10％I_s，则电压有效值变送结果的低11位为允许互差位,因此，“三取二”容错方法采取对三相电压、电流计算结果截取高5位进行从高至低逐位三相互比，根据三取二表决方式完成对单相或两相变送出错的错误屏蔽，并对出错相以输出错误代码形式给出提示，以U'_X、I'_X表示x相电压、电流的高5位值，U_X、I_X表示x相电压、电流有效值，P_X表示x相有功功率值，具体容错判断方法如下：(1.1)三相变送均无错，即：U'_A＝U'_B＝U'_C，I'_A＝I'_B＝I'_C，则$U=\frac{U_A+U_B+U_C}{3},I=\frac{I_A+I_B+I_C}{3},$P＝P_A+P_B+P_C，S＝UI；$Q=\sqrt{S^2-P^2},$(1.2)单相变送出错，以A相变送出错为例，B、C同理，即：U'_A≠U'_B＝U'_C或I'_A≠I'_B＝I'_C，则$U=\frac{U_B+U_C}{2},I=\frac{I_B+I_C}{2},P=\frac{2(P_B+P_C)}{3},$S＝UI，$Q=\sqrt{S^2-P^2},$并输出错误代码；(1.3)两相变送出错，以A、C相出错为例，其它情况同理：A相出错：U'_A≠U'_B＝U'_C或I'_A≠I'_B＝I'_C，且C相出错：U'_A＝U'_B≠U'_C或I'_A＝I'_B≠I'_C，则U＝U_B，I＝I_B，P＝3P_B，S＝UI，并输出错误代码，上述式子中，U、I、P、S、Q、分别表示最终输出的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数；(2)频率容错设计：A、B、C三相频率测量结果以16位数字量存储，“三取二”容错设计截取三相频率测量结果的高3位进行三相互比，完成对测量出错通道的屏蔽，并于出错相以输出错误代码形式给出提示，以f表示最终输出频率，f′_x表示x相频率值的高3位数值，f_X表示X相频率的检测值，容错方法如下：(2.1)三相测量均无错，即当三相检测均无故障时，取三相运算结果的平均值作为最终输出，f′_A＝f′_B＝f′_C，则$f=\frac{f_A+f_B+f_C}{3};$(2.2)当三相中某一相变送出错时，以另外两相的计算结果取平均值输出，以A相测量出错为例，B、C相同理，即：f′_A≠f′_B＝f′_C,则并输出错误代码。