基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置的设计

2015-02-07国网四川省电力公司电力科学研究院

电子世界 2015年16期

关键词：谐波高压芯片

国网四川省电力公司电力科学研究院刘睿陈凌

长沙三友仪器设备有限公司万望龙张建国

基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置的设计

国网四川省电力公司电力科学研究院刘睿陈凌

长沙三友仪器设备有限公司万望龙张建国

电力系统的谐波污染对人们的日常生活带来了严重的影响。本文研发了一款电力系统谐波智能检测装置，系统以FPGA芯片EP1C12Q240C8为核心，由CT/PT传感器采集电网谐波信号，经低通滤波器、AD转换电路后，通过FFT检测电网中谐波成分，发送至上位机并通过LCD显示检测结果。经过现场测试，系统稳定可靠。

谐波检测；FPGA；傅里叶变换；Nios II

1 引言

随着科学技术的发展，越来越多的电力电子装置和电力设备作为非线性负载运行在电网中，产生了大量的无功和谐波，因为供电系统和输电线路具有随频率变化的阻抗，各次谐波电流流过电网时就会产生一定的电压降，叠加在供电电压上，引起电网电压波形发生畸变，使供电质量下降，对电网造成了极大的“污染”，给电力系统的安全运行带来了极大的危害。目前国外谐波智能检测装置的生产厂家中，法国施耐德和以色列埃尔斯浦公司主要生产在线监测系统，德国西门子和日本日置公司主要生产便携式监测装置。国内也有一些科研院所和企业对谐波智能检测系统进行研发和制造，与国外相比还存在一定的差距，主要体现在：缺乏统一的行业规范；监测谐波的数据指标不全，缺乏整体的数据整合；人机交互方面还有待改进。基于此，本文设计了一款误差小，实时性强，精度高的电力系统谐波智能检测装置。

图1 系统原理框图

2 系统总体设计方案

系统硬件电路组成如图1所示。主要包括传感器、低通滤波电路、AD转换电路、FPGA最小系统、RS232通信接口电路、键盘显示电路和电源电路等。系统以FPGA为核心，由高精度CT/PT传感器采集电网电压、电流信号，通过低通滤波器对信号进行处理后，经AD转换电路，送FPGA进行谐波分析，利用RS232通讯接口发送至上位机，并通过LCD显示。

3 系统硬件电路的设计

3.1 FPGA最小系统

FPGA模块是系统的核心，主要完成谐波信号的分析处理，与上位机的通信等功能。FPGA器件采用Alters公司的EP1C12Q240C8芯片。该芯片支持Nios II处理器；具有12060个逻辑单元（LE）；52个M4K存储块；234Kbits随机存取存储器（RAM）；2个锁相环；内部有8个全局时钟；173个可用的I/O引脚；支持各种单端I/O标准，如LVCMOS、LVTTL和SSTL-2等；具有在系统编程（ISP）的能力和多次编程能力；具有包括Flash内存访问接口的特性。由于芯片EP1C12Q240C8的内部资源有限，需要扩展片外的存储器，用于存储程序和保存运算结果。本文根据Nios II处理器提供的存储器接口，扩展2片SRAM 和1片FLASH。SRAM采用512K字的芯片IDT7I V416，两片SRAM经过拼接达到512K双字的存储空间。FLASH采用存储空间为8M字节的芯片AM29LV065。芯片内核采用1.5V电压供电，I/O引脚可以根据系统需要选择1.5V、1.8V、2.5V和3.3V四种供电方式，本文将FPGA的I/O引脚选择为3.3 V供电，可以直接与5V的输入信号匹配，对于输出信号则需要设计3.3 V到5V的转换电路。

3.2 传感器电路

本文采用了高性能CT/PT电流、电压互感器将电网信号线性变换为±2.5V的交流电压信号。电网信号为0~± 15A的交流电流信号和±150V~±390V的交流电压信号，互感器采集信号的精度决定了系统的精度等级。因此，对互感器的线性度、线性范围、相移和和高频衰减等指标参数都有严格的要求。按照谐波检测系统的要求，互感器的非线性度须小于0.1%；线性范围须大于系统的输入范围，且有20%的裕量；相移须小于5度。互感器对于高次谐波有较强的衰减作用，通常表现为低通滤波器。按照上述指标要求，本文选用的CT/PT电流、电压互感器有效的防止了波形在采样源头产生的畸变。

3.3 低通滤波电路

为了完整地采集所需信号，本文设计了一个二阶有源低通滤波器减少高频信号的混叠误差。电路如图2所示。

截止频率：

电压放大倍数：

品质因素：

即：采样频率是信号最高频率信号的8倍以上，可以进一步减小高频信号的混叠误差。

图2 低通滤波电路

3.4 AD转换电路

本文的A/D转换电路采用了ADI公司的芯片AD7656，该芯片内置了六个16位的低功耗逐次逼近型ADC，每个通道转换时间的最大值为3.1uS，采样频率为250kSPS，内置了低噪声、宽带宽采样保持放大器，可处理输入信号的频率最高为12MHz。具有一个高速并行接口和高速串行接口。内置2.5V片内基准电压源，也允许连接外部参考电压。可采用±5V电压供电。将芯片3个CONVST引脚连在一起，由FPGA芯片的PLL信号控制，可以实现六个ADC进行同步采样。当BUSY信号变为低电平时表示数据转换结束，FPGA选通和信号（/B= 0），通过并行总线依次读出六通道的A/D转换值。

4 系统软件的设计与测试

系统软件的功能主要是完成谐波的分析和有效值计算等工作，运算的数据量大而且要求速度快，适合采用FPGA来完成此类工作。人机交互和通信功能由Nios II处理器系统来完成。系统程序流程如图3所示。

系统初始化包括FPGA初始化、数据存储、传输串口、液晶初始化和AD转换初始化。数据采集程序主要是控制A/D转换器对CT/PT互感器输出的模拟信号进行采样，再将A/D转换器输出的数字信号送给数据处理程序，完成FFT运算、有效值计算和谐波分析等，从而得到电压、电流有效值，以及各次谐波幅值等电网参数值，最后将运算结果存入RAM中，等待Nios II处理器的访问。

本文利用Quartus II自带的FFT IP核完成FFT运算，采样数据的长度为512点，采用I/O数据流结构，不需要停止FFT IP核数据流的进出，允许输入数据连续处理，输出连续的复数流结果。系统初始化后，完成8个周波采样点再进行第一次FFT运算，每次利用最新的1个周波采样点和之前的7个周波采样点完成下一次的FFT运算，这样1秒就可以完成50次电网基波和谐波各项参数的检测。

Nios II处理器系统的程序包括数据的后处理程序、设置程序、显示程序和通信程序等。数据的后处理程序主要是完成对用户逻辑区域的数据处理模块结果进行处理，得到数据对应的真实值。设置程序主要是针对按键做出响应，包括设定供电电压的偏差，设定电网谐波电压的限值(%)、设定电力系统频率的偏差和三相电压的不平衡度。显示程序将所测各个电参量的结果显示在液晶显示屏上。通信程序根据上位机的命令按要求将计算结果通过RS232协议发给上位机，上位机利用Matlab中的串行通信接口接收数据并做相应的处理。

图3 程序流程图

本文设计的产品已经通过实际测试，测试选用XL813标准谐波源，幅值为220V，频率为50Hz的基波电压，并在基波上叠加3~19次谐波，测试结果如表1所示。

表1 谐波信号检测结果（电压单位：V）

从表1可以看出，所测数据的误差均满足要求，符合GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》标准中B级测量仪器的精度要求，能较好的进行公共电网中谐波的检测与分析处理工作。

5 小结

电力系统谐波检测的速度和精度受多方面因素的影响，其中速度的主要因素就是所采用处理器的性能，而影响精度的主要因素是非同步采样所造成的误差。本文设计的基于FPGA的电力系统谐波智能检测装置很好的解决了上述两个问题。该装置由高精度的CT/PT传感器采集电网谐波信号，经低通滤波器、AD转换电路后，送FPGA检测电网中谐波成分，将检测结果发送至上位机并通过LCD显示。经过现场测试，该系统稳定可靠，抗干扰能力强，测试数据准确，可以实时更新，具有一定的实用价值。

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