基于FPGA的谐波检测设备研究

贾铮

摘 要：基于谐波检测理论及实现方法，研究了一种高效、精准的FPGA平台谐波检测系统，设计了外围电路，依托FPGA平台实现FIR滤波、频率跟踪和1024点基-4FFT运算等功能，仿真结果表明该设备能够满足电网谐波检测要求。

关键词：谐波检测；FFT；FPGA

1.绪论

1.1研究背景

现代电网中，谐波是电力污染的重要部分，综合治理谐波已成为重要话题，而精准高效的检测设备是处理这一问题的前提，也正是本文的研究方向。

1.2检测设备国内外现状

最早的滤波器是电阻、电容和电感组成的模拟滤波器，原理十分简单，可实时检测，但精度和抗干扰性较差 [1]；使用分立原件组建的检测电路在早期使用较为广泛，有功耗低、稳定性强等优点，但不具有编程能力[2]；目前DSP、FPGA发展迅速，它们灵活性好，编程性强，效率高，在电子领域中得到了广泛运用[3]。

西方国家检测设备代表型号有AN2060、3195、NOWA等[4]，比较先进。我国这方面技术研究起步晚，存在较大差距，检测设备的精准度和可靠性也比较落后，也难以在复杂环境中满足测量要求[5]。

1.3主要工作

基于我国检测设备的弱點，本文研究了一种高效、精准的FPGA平台谐波检测系统，

主要工作有：介绍开发环境，设计了FPGA平台外围电路，使用DVDI-001电压传感器截取信号，设计调理电路，采用AD7606芯片完成AD转换，依托FPGA平台实现FIR滤波、频率跟踪、1024点基-4FFT运算等功能，并进行仿真，最后进行工作总结。

2.硬件设计

2.1总体方案

本文设计的检测系统主要完成信号采集与转换、FPGA数字处理、数据分析等功能，总体结构如图2.1：

2.2平台介绍

采用Spartan-6 FPGA开发平台，该平台具有运算速度快、成本低、体积小等优点，非常适合工业控制、多媒体应用等项目开发，结合ISE软件进行输入、综合、仿真等过程，该软件功能全面，实用性强。

2.3电压互感器

使用DVDI-001交流电压互感器提取电网电压信号，它具有精确度高、采样区间大、电压隔离好、焊接简单、结构紧凑等特点，电路设计如图2.2，

当Vin在0?400V时，Iout为0～2.4mA，Vout=Iout×R2，当R2是500?时，Vout范围为-1.2V～+1.2V，C1=3000/ωR 2（?F）=3000/（2×π×50×500）≈0.019?F，其中ω=2πf，f=50Hz。

2.4调理电路

调理电路负责把强电信号转化成符合A/D芯片输入范围的弱电信号，同时也提高了系统安全性，电路如图2.2：

A/D转换器VREF=2.5V时，输入范围为0V～5V，在A/D正负极间设计一个20pf电容防止正负极间产生失调误差。

当VO分别为±10V、±5V、±2.5V时，R9分别为1K?、2K?、4K?，R11分别为5K?、10K?、20K?。

2.5 A/D转换

使用AD7606将模拟信号转换成数字信号输入FPGA平台，它采用5V单电源供电，支持±10V或±5V双极性信号，具备8个采集通道，内置箝位保护、2.5V基准电压及缓冲电路、高速串并行接口等功能，同时其外围电路也比较简单。

2.6 串行接口

使用FPGA平提供的RS232串口将处理结果传输至上位机，该串口采用UART异步通信方式，具有可变的波特率和独立时钟，传输速率高。

3.FPGA功能实现

3.1FIR滤波器

使用Xilinx公司FPGA IP核中的FIR滤波器来减小频谱混叠，启动ISE软件，生成IP软核，设置为二阶滤波器，截止频率为3.1KHz，采样点为1024，那么采样频率=51.2KHz>12.4KHz，大于最高信号频率的四倍，满足采样定理的，从而减小频谱混叠。

3.2 频率跟踪

采用verilog语言编辑过零检测模快实现信号同步，计算流程为：找出与第一个过零点相邻的两个采样点，用线性插值法算出该过零点与其相邻的后一个采样点的间隔T1，同理找出与第二个过零点相邻的两个采样点，算出该过零点与其相邻的前一个采样点之的间隔T3，计算与第一个过零点相邻的后一个采样点和与第二个过零点相邻的前一个采样点的间隔T2，将T1、T2、T3相加，得到半个周期，进而算出整个波形频率f。

3.3 1024点FFT模块

使用Spartan-6开发平台，结合ISE软件，通过FPGA内置 IP软核，实现1024点基4-FFT运算，降低栅栏效应，提高了系统检测精确度。FFT IP内核版本为8.0，选择基4，Burst I/O结构算法，时钟100MHz，用IES软件进行仿真，输入一个矩形窄脉冲信号，完成全部运算耗时为51.28μs。

用MATLAB自带FFT函数设置同样参数进行计算，结果为51.2μs，与仿真结果基本相同。所以总体而言，本方案能够高效准确的计算1024点频域数据值，所得结果可有效用于频谱分析。

4.总结

本文设计了检测设备的外围电路，在电网络一端用DVDI-001电压传感器捕捉信号，通过调理电路传输至AD7606进行转换，依托FPGA平台完成FIR滤波、频率跟踪、1024点基-4FFT运算等功能，并进行仿真，通过结果可以看到，本方案能有效减小频谱泄漏，降低频谱混叠和栅栏效应，提高整个系统精确度，同时也能保障运算速度和成本效益，满足谐波检测的应用要求。

参考文献

[1]王晓毛，冯垛生，张淼.基于DSP的谐波和无功电流检测.电气传动，2002，（3）：39-42.

[2]肖健华，吴令培.电力系统谐波测试仪的设计与实现.吉林大学学报，2000，21（3）：20-23.

[3]韩梅.用PLD实现FFT.电子工程师，2002，5（28）：48-52.

[4]付周兴，赵永秀.电网谐波测量技术的现状与发展[J].工矿自动化，2004，4（2）：18-21.

[5]刘旭东.电力谐波检测算法及检测系统研究[D].沈阳工业大学硕士论文，2009.endprint