Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

FPGA v analyzátorech kvality elektřiny ENA450/ENA460

Společnost ELCOM, a. s., je výrobcem řady analyzátorů kvality elektřiny, mezi nimi i přístroje využívajícího platformu Compact RIO od firmy National Instruments. Komponenty skupiny Compact RIO patří mezi produkty označované Programable Automation Controller (PAC), které se používají jako rychlejší alternativa k PLC a také k realizaci speciálních měřicích systémů. Sestavu Compact RIO používanou v analyzátorech ENA450/ENA460 (obr. 1, obr. 2) tvoří řídicí jednotka, tedy počítač s procesorem Freescale PowerPC a operačním systémem reálného času VxWorks. Řídicí jednotka je připojena ke sběrnici obsahující programovatelné logické pole Xilinx, k němuž se připojují vstupní moduly. K měření kvality elektrické energie se jako vstupní moduly používají NI 9225 (3× 300 V; Uef) a NI 9227 (4× 5 A; Ief).
 
Firmware přístroje ENA450/ENA460 pro řídicí jednotku i pro FPGA je vytvořen v prostředí LabView. Řídicí část je odobná přístrojům s vestavěným PC. Provádí výpočty statistických veličin, spekter měřených signálů a zajišťuje komunikaci s okolním světem. Část obsahující FPGA sbírá data a vykonává některé časově náročné operace na každém vzorku měřených signálů (point-by-point). Mezi tyto operace patří digitální filtrace nebo převzorkování jinou frekvencí vzorkování (resampling), které by řídicí jednotce trvaly neúměrně dlouho, popř. by vyžadovaly velmi výkonný a drahý procesor.
 
Přístroje ENA450/ENA460 pracují s pevnou frekvencí vzorkování měřeného signálu, což je dáno hardwarovou konstrukcí vstupních modulů. Co se týče měření kvality elektrické energie, je třeba přesně měřit úrovně harmonických. To lze jen tehdy, je-li zajištěno, že ve vyhodnocovacím okně na vstupu do algoritmu Fourierovy transformace je celistvý počet period síťového kmitočtu. Protože je síťový kmitočet proměnný, je třeba buď adaptivně měnit frekvenci vzorkování, nebo digitálně převzorkovat měřený signál, jako to dělá ENA450/ENA460. Obě metody vyžadují přesné měření frekvence první harmonické síťového kmitočtu. Přístroj ENA450/ENA460 měří frekvenci pomocí detekce průchodů měřeného signálu nulou. Aby bylo měření přesné, je třeba digitálním filtrem ze signálu odstranit všechny frekvenční složky nesouvisející se základní harmonickou. Digitální filtrace i převzorkovávání, které je také založeno na digitální filtraci, jsou v přístroji ENA450/ENA460 v FPGA realizovány filtry typu FIR (Finite Impulse Response). Jejich předností je numerická stabilita (nemají zpětnou vazbu) a konstantní skupinové zpoždění, což umožňuje kompenzovat zpoždění filtru pouze posunutím časové značky. Vlastní výpočet probíhá v datovém typu s pevnou desetinnou čárkou (fixed-point) se vstupním a výstupním rozlišením 24 bitů.
 
Přínosem použití FPGA v přístrojích pro měření kvality elektrické energie jsou větší možnosti v práci s měřeným signálem bez nutnosti zvyšovat výkon hlavního procesoru, zejména je-li software realizován v prostředí LabView, které je svým přirozeným paralelismem velmi blízké principu fungování FPGA.
Ing. Jan Šíma, ELCOM, a. s.
 
Obr. 1. Analyzátor kvality elektřiny ENA450 (provedení s vestavěnými obvody přizpůsobení signálu na vstupu)
Obr. 2. Analyzátor kvality elektřiny ENA460 (samostatné provedení)