基于FPGA的电力谐波检测系统的设计
基于FPGA的电力谐波检测系统的设计
摘要：本文给出一种基于FPGA的新型谐波检测系统的设计方案。在该方案中，采用FPGA实现快速的FFT运算，采用数字锁相环来同步被测信号，以减小由非同步采样所产生的误差并给出实现的设计实现。数字锁相环和FFT算法用VHDL语言设计实现，该方案能提高谐波分析的精度以及响应速度,同时大大地精简了硬件电路, 系统升级非常方便。
关键词：FPGA ，VHDL， 谐波分析， FFT
Abstract: This paper presents a new FPGA-based Harmonic Analyzer design. In the scheme, using the FFT for fast FPGA computing, digital phase-locked loop to synchronize the measured signal to reduce the non-synchronous sampling error arising from implementation of the design and implementation are given. Digital PLL and FFT algorithm are designed and implemented using VHDL language, the program can improve the accuracy of harmonic analysis and response speed, while greatly streamlining the hardware circuit, the system is very easy to upgrade. Keywords: FPGA VHDL FFT harmonic analysis
Keywords: FPGA ,VHDL ,FFT ,harmonic analysis
1.引言
电力系统自诞生以来，就孪生了电力系统谐波，随着电子装置的广泛应用，谐波问题变得日益严重，电力谐波已经成为电力系统的公害。谐波检测是谐波研究中的一个重要的分支，是解决其他相关谐波问题的基础，因此进行谐波检测的研究具有重要的理论意义和实用价值。随着节能技术和自动化技术的推广，电力电子装置如变频设备、变流设备等，容量日益扩大，数量日益增多，使电网中的谐波污染日益严重，给电力系统和各类用电设备带来危害，轻则增加能耗，缩短寿命，重则造成用电事故，影响安全生产。因此，消除谐波污染，把谐波含量控制在允许范围内，已成为主管部门和用电单位的共同奋斗目标。电力系统谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压和产生的电流不成线性（正比）关系而造成波形畸变。
本论文主要是从谐波分析理论和实现方法上探讨了高精度、高实时性谐波分析数字系统的相关问题。 论文中阐述了电力系统谐波的相关概念，并分析了电力谐波的特点。在理论上，本文采用FFT理论来计算谐波含量，研究了FFT在谐波检测中的应用，描述了FFT分析过程中的频谱泄漏现象，并从理论上研究了频谱泄漏的根源。 为了解决频谱泄漏问题，本文提出了采用锁相倍频技术方法，跟踪电力系统工频频率变化，从而有效减少频谱泄漏。在谐波分析中，FFT运算量很大、对速度和精度要求苛刻，本文探讨了应用FPGA实现FFT信号处理的方法。
2 系统整体结构及硬件构成
2.1系统的整体结构
该系统由电压电流互感器、A/D采样单元、FFT运算处理单元、锁相环同步采样控制单元等组成。系统使用FPGA内部的NIOS软核嵌人式处理器作为主控器，控制8位高速A/D采样及数据输出显示等功能。该系统可并行地对6路工频输人信号进行FFT运算处理。A/D采样单元使用16位高速A/D采样芯片实现对6路信号同时扫描采样功能，并利用锁相环实现同步采样。
微处理控制
图1 系统硬件结构图
系统的工作原理：当系统启动完成各单元初始化后，由CT/TP传感器单元获得要检测的3相电压和3相电流信号，并利用其中一相电压信号，经鉴相倍频同步电路跟踪实时的电力线路的工频频率，并通过倍频信号，使微处理控制系统获得控制AD/转换的准确信号，当A/D完成转换，微处理芯片启动FPGA，由FPGA内部控制模块读取A/D转换的数据，然后经过FFT蝶形运算单元进行数字信号的处理，分析出各次谐波，转换结束后，由微处理控制系统读取分析结果，存储于EEPORM单元中，供微处理器读出。键盘电路主要用于用户对系统一些参数的设置，数字显示电路中采用的是128*64的液晶屏，对分析出的谐波的幅值和相位的结果进行显示。
2.2 系统硬件设计
2.2.1 CT/PT传感器单元设计
要对电压和电流进行采样，必须先将电网电压和电流变化成适合于A/D采样的电压和电流。本系统采用DVDI-001型电压电流互感器。它是该系统的关系环节之一，其性能直接决定整个系统能达到的精度等级。对其性能的主要需求有非线性度、相移、线性范围、小信号响应和高频衰减。非线性度、相移、线性范围
图2 FFT 的并行结构
是最基本的性能指标，按照该系统的精度需求，非线性度必须小于0.1%；相移必须小于5；线性范围必须大于系统的输入范围并20%的余量。小信号响应主要针对于CT，因输入电流从0～15A变化，当输入电流非常小时仍然需要精确变换，因此对CT的小信号性能需求较高。高频衰减指标主要对高次谐波，通常传感器对于高频率信号有较强的衰减作用，表现为低通滤波器。
2.2.2 基于FGPA的FFT实现
谐波检测算法采用快速傅立叶变换FFT. 算法的实现采用FPGA硬件实现。基于傅立叶变换的谐波分析算法要求信号同步采样即采样频率必须与信号频率同步。然而实际电网电压的频率本身就是一个波动的量，要实现采样信号周期的严格同步是很困难的。在实际的非同步采样情况下，仅用FFT来分析电力系统谐波会存在栅栏效应和频谱泄漏现象，导致计算出的信号参数即幅值和相位不准，无法满足测量精度的要求，因此采用加Hanning窗法对FFT进行修正的方法。算法简单、编写程序易于实现，所以目前应用比较广泛。在本课题中，FFT运算单元的硬件结构采用并列结构方式，既满足在硬件开销上的合理要求，又因为FFT运算单元的一级运算中的各个蝶形单元并行运算，保证了FFT单元高速的数字信号处理能力，完全可以满足谐波检测的设计要求。FFT的并行结构如图2所示.。
2.2.3 鉴相倍频电路
频谱泄漏是造成谐波检测误差的重要原因，因此要进行高精度的谐波检测，必须解决频谱泄漏的问题，必须要实现检测系统采样的频率和电力系统的工频同步。
本次设计采用锁相环电路，实现采样的定时和速率，从而达到同步采样的目的。锁相环的基本原理是:它是一个相位负反馈的闭合环路，相位比较器对输入信号和压控振荡器的输出信号进行比较，当输入信号和压控振荡器信号频率与相位相同时，相位比较器的输出为零;当两信号的频率和相位不同时，相位比较器的输出就产生一个误差电压，这个误差电压经过滤波环节，控制压控振荡器，使其输出频率和相位与输入信号的频率和相位绝对匹配，锁相环路既实现了“锁相”。
3.主要芯片的选择
3.1. AD芯片的选择
TLC5510是8bit高速并行AD转换芯片。由于TLC5510采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下TLC5510的功耗仅为13mw。由于TLC5510不仅具有高速的AD转换功能，而且还带有内部采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计;同时，由于其内部带有了标准分压电阻，因而可以从+5V的电源获得2V满刻度的基准电压。
3.2 FPGA芯片的选择
在FPGA芯片的选择上，本着既能满足系统性能的要求，又要方便实用，性价比高。控制器采用Altera公司的Cyclone系EP1C12Q240C8，拥有12 060个LE(逻辑单元)、52个4 kB存储块、2个锁相环、249个可用的I/O脚，系统频率可达到100 MHz。控制单元核心为使用FPGA实现的NIOS32位软核处理器，其主要包括一个CPU微处理器、I/O中断申请、计时器、UART口及大量的通用寄存器。NIOS的数据总线和地址总线宽度由用户定义(最大为32位)，也可以根据具体需求增加并行输入输出端、连接外设的接口逻辑等。NIOS只占用FPGA芯片很少的资源，可以嵌入FPGA中与PLD模块同步运行。在高速数字系统中，使用直接整合在FPGA芯片中的处理器具有优越的性能。
4.小结
本文论述了电力系统谐波检测系统的硬件设计方法。鉴相倍频同步技术可有效的实现工频频率的同步跟踪，解决频谱泄漏问题;基于FPGA的FFT变换的专门模块的设计，可以进行高精度、高速度的FFT变换，提高系统的实时性;高速8位AD/转换和缓存电路，保证了系统的协调运行，可以实现高精度、高实时性的电力系统的谐波检测，并可以实现控制检测结果的显示、存储和上传。通过本课题的设计，表明以FPGA为硬件实现的电力系统谐波检测是可行的。在实际的谐波检测中具有重要的理论意义和实用价值。
参考文献
【1】谐波抑制和无功补偿.北京:机械工业出版社，王兆安.
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【4】电力系统谐波检测方法及其实现技术的发展 粟时平，郑小平，金维字．长沙理工大学电气与信息工程学院
【5】电力系统谐波有效检测与抑制 李世博 扬州大学能源与动力工程学院
【6】基于F P G A 可编程单片系统的新型谐波分析仪 梅杨 程辉 河南工程学院 河南郑州
【7】高速数据采集与谐波分析仪的设计 李绍铭,杨伟翰.
【8】基于FPGA硬件实现的谐波检测方法 范必双，王英健，王玉凤 长沙理工大学电气与信息工程学院
【9】H a n n i n g窗在电力系统谐波分析中的应用 高索丹，巴鹏 沈阳理工大学机械工程学院
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