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基于FPGA的电力系统谐波分析仪

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2013益 仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor 2013 No.2 第2期 基于FPGA的电力系统谐波分析仪 李明勇,郑恩让,马令坤 (陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021) 摘要:设计了基于FPGA的电力系统谐波分析仪,利用Quartus II78.1软件的SOPC builder模块搭建了Nios软核处理 器,搭建了系统的电号检测、数据处理、显示等硬件部分,以周期图法功率谱估计为基础,用c语言编程实现了按时间 抽选的F丌算法,系统能够较为准确地测出电力系统50次以内的谐波电压/电流含有率、谐波电压/电流含量、基波/谐波 电能、电压/电流总谐波畸变率等指标。通过试验测试表明:系统不仅能够满足实时处理的要求,各测量结果也较为准确。 关键词:谐波分析;FPGA;电力系统;傅里叶变换;AD73360 中图分类号:TP216 文献标识码:A 文章编号:1002—1841(2013)02—0031—03 Harmonic Analyzer for Grid System Based on FPGA LI Ming-yong,ZHENG En—rang,MA Ling—kun (CoHege of Elect ̄c and Information Engineering;Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China) Abstract:A harmonic analyzer for grid system based on FPGA was designed,which has NiosII soft・core processor built with SOPC builder,gad signal detection,data processing,display and other hardware.Besides,based on pefiodogram power spectum es- rtimation,the system’S SOftware was desined wigth C language by DIT一2FFT algorithm.The system can accurately measure gad system’S less than 50 times harmonic parameter,such as harmonic voltage and current value,rate,distortion rate,fundamentl and aharmonic energy.Experimenal test results prove the system is able to meet the requirements of real—time processing,the measure— ment results are accurate. Key words:harmonic analyse;FPGA;grid system;FFT;AD73360 0引言 随着非线性设备在电力系统中广泛应用,由此产生的谐波 对电网也造成了严重的污染,并引起广泛关注。对电网中的谐 波进行检测、分析,为谐波整治提供依据,具有重要意义。文献 [1—3]分别从理论上提出了测量电力系统谐波的方法,文献 [4]设计了一种基于DSP的电网谐波分析仪,设计了相关电路, 但系统设计相对复杂。文中设计了一种基于FPGA的电力系 统谐波分析仪,系统可扩展行较好,具有较高的性价比,并且能 够满足电网谐波检测实时性要求。 1嵌入式电力系统谐波分析仪总体设计 1.1硬件设计 图1系统结构框图 嵌入式电力系统谐波分析仪主要由电压/电流信号采集模 块、A/D采样转换电路、Nios 11软核处理器及液晶显示模块组 成,NiosII软核处理器主要完成FFT运算、谐波相关参数计算和 整个系统的控制。各模块之间的连接关系如图1所示。 1.2参数计算公式 根据《电能质量公用电网谐波》,电网谐波所需估计的参数 √ l厂丽———( u =_r—(——n—) )—————一 Nl z/I(磊“一1 (n) )I・ (1) 式中:U(n)为电力系统中输人的电压信号;Uh为第h次谐波电 压有效值;U 为基波电压有效值。 谐波电压含有率HRU 为: HRU^=了u h×100%=lFFT [h 3 I/IFFr [1]I×100%(2) u1 有谐波电压/电流含有率、谐波电压/电流含量、电压/电流总谐 波畸变率、基波电能和谐波电能。各参数的计算公式如下: 谐波电压含量U 为: 电压总谐波畸变率THDs为: THD = uH×100% u1 (3) UH √ =√  /1Ⅳ  I5oIFFr “[日 /]l /√ l√亩0FFT [[]1 ・f U =基波功率P 和谐波功率P 分别为: 基金项目:温州市科技计划项目(H20080001) 收稿日期:2012—08—25收修改稿日期:2012—09—12 P1=U-,-;PH= ∑^ 厶 (4) 类似地,将式(1)、式(2)、式(3)中电压换成电流,可得到 32 Instrument Technique and Sensor Feb.2013 谐波电流含量、谐波电流含有率、电流总谐波畸变率等参数。 2嵌入式电力系统谐波分析仪硬件设计 2.1 电网电压电流信号采集模块 电网电压信号采集采用电压互感器GPT一206B,电网电流 信号采集采用电流互感器GCT一201A。 电压互感器GPT一206B的原边输入电流为2 mA时,副边 耦合输出的电流也为2 mA,相位差为7 ,电压信号采集完成以 后,通过两级运放将信号调理成峰值为1.2 V左右的电压信 号,然后再接入低通滤波部分。 由于电网电压频率为50 Hz,需要测量50次以内的谐波, 采样信号的最高频率为2.5 kHz,因而低通滤波器的截止频率 应该大于2.5 kHz,对于低通滤波MAX293来说,其振荡频率与 CLK引脚外接电容C满足如下关系: = (5) 其截止频率与振荡频率之间的关系满足: ,nsc … 而 【o) 根据上述的关系可以得出CLK引脚外接电容C应小于 133 pF,为了保证一定的裕量,这里取电容C为68 pF.图2为电 网电压电流信号采集模块电路连接图。 图2 电压信号采集原理图 电流信号采集的原理与电压信号采集原理类似,这里不再 重复说明。 为了保证每次采样电号的一致性,在该模块中增加了 过零检测电路。 2.2 A/D采样电路 A/D采样电路使用的A/D转换芯片为AD73360,AD73360 具有6个模拟输入通道,各通道可以同时采样,输出数据为16 位,采样频率可编程等优点,特别适合于电力系统谐波测量仪 器的设计,由于各通道同时进行采样可将转换间的时间(相位) 延迟降至极低水平。图3为处理后的电压、电流信号输入 AD73360的电路连接图以及其和FPGA接口连接图。 2.3 A/D控制器设计 由于AD73360通信方式为串行通信,直接用程序时序对 AD73360进行控制不能够满足系统实时f生要求,采用Verilog语 言设计了一个A/D控制器,该控制器由3部分组成,如图4所 示,分别是:配置字部分AD—config—data、配置部分AD—config和 图3 AD73360电路连接图 串并转换部分shift。配置字部分存储AD73360的相关配置数 据;配置部分完成对AD73360的配置,使之按指定的工作方式 工作;串并转换部分将16位串行数据转换为16位并行数据, 待转换完成以后产生一个标志位,NioslI软核检测到此标志位 后,进人中断将A/D数据读回。为了避免配置数据在写入控制 寄存器之前被随机数据覆盖,可将帧同步输出端SDOFS与帧同 步输入端SDIFS的帧同步直接连接起来。 (b) 图4设计的AD73360控制器及其控制时序 在上一部分中已经说明,采样信号的最高频率为2.5 kHz, 根据香农采样定理可知,采样频率应高于最高频率的2倍,即5 kHz,为了保证裕量,设置AD73360采样频率为6.4 kHz,采样点 数为512点,AD73360主时钟信号MCLK为13.107 2 MHz,则 AD73360的8个配置字如表1所示。 表1 AD'/3360的配置字 第2期 李明勇等:基于FPGA的电力系统谐波分析仪 33 AD73360的配置过程如下:系统初始化后,AD73360默认 为配置模式,A/D控制器先将寄存器B一寄存器H中的数据取 出,经SDI引脚将数据逐位移送至AD73360内部寄存器,最后 再移送寄存器A的数据,将AD73360配置为数据模式,时钟分 频为默认模式。配置完成以后,AD73360按指定的方式开始工 据处理,待数据处理完毕以后送到LCD320x240液晶显示。具 体流程如图5所示。 ( 塑) r— r_—_1 l=系统初始化l =I= 作,待一个周期转换完成以后,16位A/D数据逐位从SDO引脚 移至串并转换部分,16位数据移位完成以后,给出一个标志位, 然后开始移送下一通道的l6位数据,直到全部数据移送完毕 I按键扫描I 兰 后,再开始下一点的采样。 2.4 Nios1I软核及外围电路设计 NiosⅡ软核及外围电路设计以DE2开发板为平台,利用 Quartus II8.1软件的SOPC builder模块搭建了Nios软核处理 器,并设计了Flash存储单元、SRAM存储单元、按键输入、 LCD320x240接口、usart通信接口等部分。 Nios 1I软核处理器主要完成快速F丌运算、谐波相关参数 计算等数据处理以及对整个系统进行控制;Flash存储单元有2 部分,一部分为epes lfash,另一部分为cfi flash,其中epcs flash 用于存储系统搭建的硬件部分,即采用Quartus II8.1软件设计 生成的.pof文件,eft lfash用于存储软件程序,即采用NioslI8.1 软件设计生成的.sof文件;SRAM存储单元用于存储数据,包括 采样的电网的电压/电流参数、数据处理过程生成的数据以及 其他数据;按键输入主要用于用户操作,系统提供4个按键:系 统复位、AD73360复位、电压/电流选择、曲线/数据模式选择; LCD320x240接口可以连接LCD320x240液晶,用于显示相关参 数,参数可以以数据模式或者曲线的模式显示,Usart通信接口 可以使系统与上位机连接,并将相关参数在PC机上显示。 3嵌入式电力系统谐波分析仪软件设计 软件设计工具为NiosII 8.1,采用c语言编写。系统程序 由3部分组成,分别为A/D采集、数据处理、LCD显示。在A/D 采集过程中采用中断触发方式,并设计了512点的链表, AD73360控制器与NiosⅡ软核通过16位数据总线和1位中断 信号线相连接,当AD73360控制器将16位串行A/D数据转换 为16位的并行数据后,中断信号线产生一个高电平,这个高电 平触发NioslI软核的中断,在中断函数中,NiosII软核将数据输 入内部寄存器,并存储在所设计的链表中,链表指向下一个节 点,然后在继续采样下一个点,直到512个点采样完成以后开 始进行FFT运算。数据处理包括快速FFT运算和相关参数的 计算。快速F丌运算采用C语言编程实现,谐波参数主要包括 电力系统50次以内的谐波电压/电流含有率、谐波电 电流 含量、基波/谐波电能、电压/电流总谐波畸变率等,其计算公式 按照《电能质量公用电网谐波》标准进行计算。LCD显示电网 50次以内的谐波电压/电流含有率、谐波电压/电流含量、基波/ 谐波电能、电压/电流总谐波畸变率。 系统启动以后,进行初始化,然后根据按键设置来确定系 统模式,接着系统等待电号正向过零,一旦正向过零,系统 开始采集电号,直到采样512个点以后,系统开始进行数 N N N 一 一 N 图5软件设计流程图 4试验分析 为了测试嵌入式电力系统谐波分析仪测量结果的准确性, 需进行试验测试,测试负载为功率可调的锅炉,其功率有500 W、800 W、1 300 W、1 600 W和2 100 W 5个档位,在这些档位 下,得到了如下的测试结果。谐波电压、电压总畸变率分别为 6.2 V、2.65%;谐波电流、电流总畸变率分别为0.14 A、 2.38%,基波功率、谐波功率分别为1 271 W、25 W。表2为电 网电压的谐波分析的结果,考虑到篇幅有限,这里仅列出了前 20次谐波的结果。 表2电网谐波相关参数 % 序号 序号 2 0.21 0.34 12 O.08 0.O5 3 1.O5 1.44 13 0.22 O.13 4 0.14 0.15 14 0.O3 O.O2 5 1.87 1.06 15 0.26 0.22 6 0.08 0.15 16 0.03 0.06 7 1.42 0.94 17 0.14 0.1O 8 O.08 0.09 18 0.O5 O.O6 9 0.42 0.58 19 O.17 0.14 10 0.08 0.14 2O 0.O1 O.O2 11 O.52 1.15 5结束语 采用CycloneⅡ2C35系列FPGA作为主控(下转第45页) 第2期 吉华等:基于激光测距的车载沙石体积测量系统 45 L _-Pl co ! P 2 il 一 (6) 式中:1为下标的表示第1个特征点的数据;i为下标的表示其 他特征点的数据。 在测量过程中,测量从测距仪处于垂直位置开始,由于要 求汽车停在沙石体积测量仪下方,可以保证此时测量数据为有 效数据,所以以第一个特征点的数据P。为判断依据。 图7现场应用实例 [2]ZHANG W J,WU T.Remote 3D measurement&visualization system based on laser scanning&3D reconstruction.Proceedings of the 2010 图6边界判断 IEEE Symposium on Photonics and Optoelectronic(SOPO),Chengdu, 6结论 China,2010:1—4. (1) —Y平面旋转与Y— 平面偏转机构配合运动实现了 [3]逢永涛,张爱武.自由曲面三维激光测量系统设计与开发.系统仿 激光测距仪对沙石表面若干特征点的沙石高度的有效测量,同 真学报,2008,20(9):341—343. 时使得车载沙石体积测量装置的体积小,安装方便,工业应用 [4] 王菽芳,邱自学,袁江,等.集成激光位移传感器与线性编码器的 成为可能。由于轴编码器的应用,使得测量精度得到保证。 自由曲面测量方法及系统.仪表技术与传感器,2010(7):4—5. [5] 李健,王文,陈子辰.基于激光测头和数控机床集成的非接触测量 (2)延时策略简单有效,使电机运动与激光测距仪协同工 系统开发.机床与液压,2005(10):3O一31. 作;车载沙石的边界判断能有效筛除无效数据。 [6]范海英,李畅,赵军.三维激光扫描系统在精准林业测量中的应 (3)系统核心模块封装在计算机控制软件中,有利于系统 用.测绘通报,2010(2):29—31. 的升级更新;采用动态链接库封装,使得核心模块既可单独使 [7] 马有良,李占峰.三维激光扫描仪在曲面逆向工程中的应用研究. 用,又可实现与ERP系统集成,成为ERP系统的有益模块。 机械设计与制造,2009(1O):85—87. 车载沙石体积激光测量系统为典型机电一体化设备,机械、控 [8] 屈玉福,浦昭邦,赵慧洁.基于单目视觉的自由曲面三维坐标测量 制、测量协同完成了对车载沙石的体积测量,解决了车载沙石体积 方法.仪器仪表学报,2006,27(10):1318—1321. 测量这一瓶颈问题,目前为止,测量系统在全国获得10余例应用, [9]HO C C.Machine Vision Based 3D Scanning System.Proceedings of 取得良好效果,图7为装置在杭州某搅拌站应用实例。 the 2009 International Conference on Electronic Measurement and In— 参考文献: sturments(ICEMI),Beijing,China,August 16—18,2009:445—449. [1] 姜伟民,潘建梦.预拌混凝土企业成本控制的途径和方法.混凝 作者简介:吉华(1972一),副教授,博士,主要研究领域:过程装备控制 土.2009(8):87—88. 技术。E—mail:jihua@SCU.edu.cn (上接第33页)制器的嵌入式电力系统谐波分析仪能够满足电 [2] 夏向阳,罗安,李刚.两种电网谐波分频检测方法的对比.高电压 力谐波分析的要求,检测结果准确。通过使用Verilog语言设计 技术,2007,33(6):151—155. A/D控制器直接控制AD73360,节约CPU处理时间,降低程序 [3] 曾晶昭,王耀南.一种高精度的电力系统谐波分析方法.湖南大学 设计复杂程度,并提高了系统的实时性;两种显示模式不仅可 学报:自然科学版。2008,35(2):52—55. 以自由切换,还可以将数据通过Usart接口与Pc机通信。试验 【4] 李红伟,王洪诚.基于TMS320F2812的电力系统谐波分析装置.电 验证表明基于FPGA的电力谐波分析系统能够检测出电力系 力自动化设备,2006,26(8):89—91. [5] 肖继学,陈光踽,谢永乐.FFT处理器的算术测试与可测性设计. 统中95%的谐波,满足电网谐波标准,系统具有较大的实用价 值,下一步将重点实现对电力系统有功功率、无功功率的检测, 仪器仪表学报,2007,28(4):657—662. [6] 刘东,郑恩让,马令坤.基于FPGA的AD73360数据采集方法.计 并提高系统的稳定性能。 算机测量与控制,2010,18(1):223—226. 参考文献: 作者简介:李明勇(1987一),硕士研究生,从事光伏并网及电网谐波检 [1]伍小洁,符晓,赵冰洁,等.基于FPGA的特定谐波消除法数字实 测方向研究。E—mail:549767979@qq.corn 现.电力自动化设备,2012,32(2):67—70. 

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