（检测技术与自动化装置专业论文）基于fpga的电能质量测控装置的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 本文针对当前电能质量亟待提高的现状，以f p g a 技术为核心设计了一种新型的电 能质量测控装置，对电网信号进行高速采集和模拟一数字( a d ) 转换，并利用快速傅里 叶变换( f f t ) 进行谐波分析，检测谐波成分及含量。在此基础上研究如何实时抑制电 网谐波。 本文的主要内容是对采集的电网信号进行a d 转换和谐波分析，同时将分析结果通 过液晶屏显示。本装置利用a c t c l 生产的f u s i o na f s 6 0 0 p q 2 0 8 模数混合芯片对传入的信 号进行a d 转换，在芯片内利用f f t 谐波检测原理对电网谐波进行检测，将a d 转换结 果和f f t 分析结果分时送入a r m 系统，由a r m 系统驱动3 2 寸t f t 彩色液晶屏，显 示监测的数据及信号波形，并设计了液晶显示界面。最后，通过逻辑分析仪分析a d 转 换单元、谐波分析单元、时钟控制单元的输出结果，并通过屏幕显示测量结果。 本装置在电能质量检测中的突出特点是：利用f p g a 技术快速实现a d 转换及谐波 分析，能够检测电网谐波中6 4 次以内的谐波成分及含量；信号的a d 转换和f f t 运算 都在模数混合的f p g a 芯片中进行，数据处理速度快，为谐波的实时抑制奠定了基础； 将f p g a 系统与a r m 系统有效结合，充分利用各自的优势；具有友好的液晶显示界面， 触摸屏和按键共同控制显示内容，灵活方便。 关键词：电能质量，谐波，模拟数字转换，快速傅里叶变换，液晶显示 山东建筑大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fp o w e rq u a l i t ym e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l d e v i c eb a s e do nf p g a g a oc h a o ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yx i ex i u y i n g a b s t r a c t i nv i e wo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no fp o w e rq u a l i t yt oi m p r o v e ，t h ep a p e rh a s d e s i g n e dan e wt y p eo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gd e v i c e s ，u s i n gt h ef p g a a sc o r e t e c h n o l o g y , f o rt h eh i g h - s p e e dc o l l e c t i o no ft h ep o w e r 咖ds i g n a la n dt h ea d c o n v e r s i o n , a n du s i n gt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) f o rh a r m o n i ca n a l y s i sa n d d e t e c ti t sc o m p o n e n t sa n dc o n t e n t o nt h i sb a s i sw ec a l lr e s e a r c ht h er e a l - t i m e s u p p r e s so fp o w e r 鲥dh a r m o n i c s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r et oe x e c u t ea dc o n v e r s i o na n dh a r m o n i c a n a l y s i so nt h ec o l l e c t e dp o w e rg r i ds i g n a l ，w h i l ed i s p l a y e dt h er e s u l t so nl c d s c r e e n t h ed e v i c eu s i n gt h ef u s i o na f s 6 0 0 p q 2 0 8m i x e dc h i pm o d u l ew h i c hw a sp r o d u c e d b ya c t e lt oe x e c u t et h ea dc o n v e r s i o no nt h ei n c o m i n gs i g n a l s ，a n dd e t e c tt h e h a r m o n i ci nt h ec h i pu s i n gf f tt h e o r y , t h e ns e n dt h er e s u l t so fa dc o n v e r s i o na n d f f ta n a l y s i si n t ot h ea r ms y s t e mt i m e s h a r i n g l y , d r i v et h e3 2 i n c ht f t c o l o rl c d s c r e e nb ya r m s y s t e m , d i s p l a yt h em o n i t o r i n gd a t aa n ds i g n a lw a v e f o r m ，a n dd e s i g n t h el c di n t e r f a c e f i n a l l y ，a n a l y z et h eo u t p u tr e s u l t so fa dc o n v e r s i o nu n i t , h a r m o n i ca n a l y s i su n i ta n dc l o c kc o n t r o lu n i tb yl o g i ca n a l y z e rm o d u l e ，a n do b s e r v e t h ed e t e c tr e s u l t so fi n s t a l l a t i o nt h r o u g ht h el c di n t e r f a c e t h ed e v i c e so u t s t a n d i n gf e a t u r e sa r e u s i n gf p g at e c h n o l o g yt or e a l i z ea d c o n v e r s i o na n dh a r m o n i ca n a l y s i sq u i c k l y ，a b l et od e t e c t 够m o s t 弱6 4t i m e s h a r m o n i c s c o m p o s i t i o na n dc o n t e n t i o n i nt h ep o w e r ；a dc o n v e r s i o na n df f t o p e r a t i o n sa r er u n n i n gi nm i x e df p g ac h i p ，p r o c e s s i n gd a t aq u i c k l y ，b a s i sf o rt h e h a r m o n i c s r e a l t i m es u p p r e s s i o n ；e f f e c t i v e l yc o m b i n et h ef p g as y s t e ma n da r m s y s t e m ，u s i n gt h e i ra d v a n t a g e sf u l l y ；f r i e n d l yi n t e r f a c ew i t hl c d d i s p l a y ，u s i n gt o u c h i i 山东建筑大学硕士学位论文 s c r e e na n db u t t o nt oc o n t r o lt h ec o n t e n t i o nt od i s p l a yf l e x i b l y k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , h a r m o n i c ，a dc o n v e r s i o n , f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ， l c d d i s p l a y i i i 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：盛颧_ o 辱 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师 签名： 日甥讲? 6 日期型f 垒厶 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 电能既是种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种 由电力部门向电力用户提供，并由供、用电双方共同保证质量的特殊产品。在过去很长 段时间内我国的电力供应一直比较紧张，人们把关注的焦点放在电力供应量上面，对 电能质量关注不多【l 】。自从2 0 世纪8 0 年代末以来，随着电力供应紧张局面的逐步缓解、 电能质量的日益恶化以及电力用户对电能质量要求的不断提高，电能质量己经成为电力 部门和用户日益关注的问题。电能质量是供电部门和用户都十分关注的问题，因为它不 仅涉及供电部门的利益，也涉及用户的利益。 近几年来，随着冶金工业、化学工业及电气化铁路的发展，大型电弧炉、电力机车、 整流设备、变频装置等非线性用电设备越来越多。这些非线性负荷及冲击性负荷，对电 力系统的污染日趋严重，造成了电力系统电压、电流波形的严重畸变，三相电压、电流 的不平衡度加大，电能质量下斛2 1 。不仅给发、供电设备及用户用电设备带来严重危害， 而且给国民经济带来较大损失。 目前，世界各国都十分重视电能质量的管理，电能质量的管理包括三个方面：制订 电能质量的标准，电能质量的测试分析技术，电能质量的治理技术。关于电能质量的标 准，我国已先后颁布了六个有关电能质量的国家标准，包括电力系统频率允许偏差、供 电电压允许偏差、公用电网谐波、三相电压允许不平衡度、电压波动和闪变、暂时过电 压和瞬态过电压。 1 1 1 电能质量相关概念及定义 电能质量是指公用电网供到用户受电端的交流电能的好坏程度，其衡量的指标有： 1 供电频率偏差 电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。 2 供电电压偏差 供电系统在正常运行方式下，某一接点的实际电压与系统额定电压之差对额定电压 的百分数称为该接点的电压偏差。 3 供电电压波动和闪变 电压波动即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变即灯光照度不稳定造成 的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。 山东建筑大学硕士学位论文 4 供电三相电压不平衡度 供电系统在正常运行方式下，电量的负序分量均方根值与正序分量均方根值之比定 义为该电量的不平衡度。 5 电网谐波 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网 基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波， 它是由电网中非线性负荷产生的。谐波频率与基波频率的比值( n = f n f 1 ) 称为谐波次数。 电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量， 使电网受到污染。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其次 数范围一般为2 如 2 5 2 ( 线路断路器i 侧) 1 3 2 5 2 ( 线路断路器i i 侧) 1 4 1 1 0 及2 2 01 3 3 5 6 61 7 3 2 3 1 01 7 5 注：指工频峰值电压，1 op 1 l - = 虬； 1 2 研究电能质量的意义 电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要 标志之一。在满足工业生产、社会和人民生活对电能需求量的同时，提高对电能质量的 要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是信息时代 和信息社会发展的必然结果，是增强用电效率、节能降损、改善电气环境、提高国民经 济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。在电网电能质量各参数中，谐波含 量是对电能质量表征比较明显的参数，因此，对电网谐波的监测和抑制，对改善电能质 量起到决定性的作用。 1 2 1 电网谐波的危害 对谐波进行研究，是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的 效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发 生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成 电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。 对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰【9 】。 谐波污染是目前电力系统存在的最普遍、影响最深远的电能质量指标。对于电力谐 波污染的认识始于1 9 2 0 1 9 3 0 年，问题出自于德国对当时的静态整流器产生的波形畸变 的探讨。到本世纪五、六十年代，随着高压直流输电技术的发展，西方工业化国家对此 进行了全面而深入的研究，但是直到七十年代以来出现的两种情况才促使了世界各国对 谐波问题的广泛重视，并引起了谐波理论方面的重大发展。一是大功率可控硅整流装置 及新型的电力电子器件的开发与实际应用使公用电网的波形严重畸变，影响到电网的安 山东建筑大学硕士学位论文 全运行；二是公用供电系统的谐波引起工业生产电子控制装置的失灵，使重要的生产过 程中断，经济损失巨大。于是人们提出在用电设备投运前以及在制定电网扩建计划时就 考虑谐波的因素并采取必要的措施，但由于没有足够的电网背景谐波原始数据使这一提 议很难实现【1 0 】。 电网的谐波对电力系统和用户都能产生一定的危害，一般有以下几种情况： 1 谐波污染的危害之一就是增加网损。谐波在电网中流动，产生附加的网络损耗， 特别对于非线性负荷比重比较大的电网，这一损耗是非常可观的。 另外，谐波在电网中流动，由于集肤效应影响，将会增大设备的发热，进一步增加 网损，随着电力改革的不断深入，降低网损对供电企业而言将会表现的更加突出和重要。 2 谐波的危害之二是缩短电气设备的使用寿命，增加发电机、电动机、变压器的噪 音和振动，影响开关的开断容量，产生危险的过电压。另外，谐波还能降低设备的绝缘 系数，加速电器设备的绝缘老化，增大设备运行的事故率。 3 谐波引起的电力事故在国内外都屡见不鲜。1 9 8 9 年3 月，由于加拿大魁北克系 统中地磁感应电流导致系统主变压器饱和并产生大量谐波，系统电压失稳，进而导致整 个魁北克系统崩溃；1 9 9 1 年，在意大利阿尔俾斯山地区，发生两次类似电力事故，一次 是一个2 m w 直流驱动的双缆滑雪缆道工程的验收测试时，引起电网瘫痪，原因是当地 2 0 k v 电网容量相对较小，谐波电流引起1 8 的电压畸变；在美国，中西部电网也曾有 过负载为谐波含量较高的调速系统，虽未超过额定容量，仍引起主变失败的报道。在国 内，哈尔滨局所属阿城变6 6 k v 母线供电给阿钢厂，多年来经常出现负序保护误动，电 容器过负荷跳闸事件，严重影响了电网安全运行及周边负荷的正常生产，而且最终导致 该站6 6 k v 并联补偿损坏；再如：为了配合陕西神府煤田的运输，建成了神朔电气化铁 路，在运行初期，由于其对电网的污染，使附近发电厂自动装置不能正常工作，为了保 证发电机的安全，机组被迫停运。由于谐波，使保护误动或拒动、并联电容鼓肚、爆炸 的事故时有发生。 4 若畸变波电源供电给线性负荷，此时用户多交费。电源为正弦波，用户为非线性 负载，此时用户不仅是谐波污染源，同时还少交费。由于电力系统中电网的谐波主要来 自于用户，因此由此每年电力部门将损失很大一笔电费。 5 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声， 并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐 振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自 山东建筑大学硕士学位论文 动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备 会产生严重干扰。 1 2 2 研究电网谐波的意义 电能作为一种商品，在出售的同时电力部门必须对其质量进行负责，从理论上而言 任何电能质量问题引起用户的损失，用户都应该受消费者权益法保护。随着电力市场的 改革及用户法制意识的增强，此方面的问题将会引起重视。 通过高度智能化的工业监控装置的实时在线监测，不仅能够使我们掌握全网的谐波 水平与状况，了解运行负荷谐波源的分布规律，发现谐波源负荷的动态时间分布特性， 探索不同谐波源负荷的谐波规律，研究电网对不同次谐波的响应特性，观察并联无功补 偿装置吸收、放大、甚至产生并联谐振的机理，同时能够使我们取得大量的、详实的、 不同运行工况的现场数据，从而为谐波污染的分析、控制、治理提供不可缺少的数据支 持。 电能质量监测数据可用于供电、用电双方的双向考核。供电方根据监测数据进行分 析可以发现污染源，要求污染源负荷限期治理，而用电方可以根据监测数据，分析供电 质量，要求供电方提供合乎电能质量要求的电源，避免由于电能质量原因引起经济损失， 提高经济效益。 为了将供电部门的利益与用户利益统一起来，保证国家的整体利益，国家技术监督 局先后颁布了六个电能质量标准，即是供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、公 用电网谐波、三相电压允许不平衡度、电压允许波动和闪变、暂时过电压和瞬态过电压。 对电网的谐波进行检测和研究具有以下意义： 1 降低网损，产生直接经济效益； 2 提高设备使用寿命，拉大投资回报年限； 3 降低、减少电力生产的事故率，确保电力生产安全可靠运行； 4 确保电网计费电表的正常合理的计费； 5 确保电网电能质量，切实为用户负责； 6 电能质量实时监控是电能质量综合治理的基本要求。 对电能质量进行研究，深入了解和认识电能质量，高度重视电能质量下降对供用电 系统运行的危害和影响，能够预防各种能对设备和人身安全构成威胁的事故的发生，保 护国家的财产和利益，对电能质量进行综合治理具有极其重要的社会意义和经济意义。 山东建筑大学硕士学位论文 1 3f p g a 技术简介 目前数字电路系统设计领域公认的基础性技术分别是c p u 、d s p 和f p g a 。其中 f p g a 技术发展迅速，正在融合c p u 和d s p 的功能。f p g a 不仅可以解决电子系统小型 化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格又不断下降。正 是因为这些优势，f p g a 已经被广泛应用于各类电子产品的设计之中，从高端的通信系 统设备，如无线基站、千兆网络路由器等，到低成本、大批量的消费类产品，如智能手 机、便携式产品、数码相机等领埘12 1 。 f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、 c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域 中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门 电路数有限的缺点【1 3 1 。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个概念，内部包括 可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u t b l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分【1 4 】f 15 1 。f p g a 的基本特点主要有： 1 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2 f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 3 f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 4 f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5 f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 1 4 主要研究内容及章节安排 本课题主要是利用f p g a 技术的快速运算能力设计一个电能质量测控装置，利用 a c t e l 公司的f u s i o na f s 6 0 0 系列芯片实现对电信号的采集和处理，然后计算得到各参数 值，并利用嵌入式f f ti p 核对采集的信号进行f f t 变换，计算出各次谐波含量。通过 v e r i l o g 语言编程，对各个环节进行时序控制和计算、传输处理。利用a r m 系列芯片 s t m 3 2 f 1 0 3 i m t 6 来实现一些计算和控制液晶屏的显示界面。 主要的研究内容包括： 1 利用f p g a 芯片实现对电信号的采集和a d 转换： 2 利用f p g a 芯片对a d 转换结果进行f f t 变换； 山东建筑大学硕士学位论文 3 通过v e r i l o g 编程来实现对采集与转换的时序控制，并编程实现对各模块输出数 据的存储； 4 利用a r m 处理器将f p g a 输出的数据进行计算，并编程显示所需数据，如：电 压值，电流值，谐波含量，波形，频率等； 5 利用f p g a 实现p w m ，并利用i g b t 等器件产生所需波形，注入电网，从而对 电网谐波进行有效抑制。 本文共5 章，各章节主要内容和结构概括如下： 第一章绪论，主要介绍本课题的研究背景及设计内容。首先介绍了电能质量的基本 概念，标准及要求，研究电能质量及抑制谐波的意义，然后对f p g a 进行了简单的介绍。 第二章首先对电信号采集和a ，d 转换的方法进行比较，选取其中比较合理的一种。 然后对谐波分析及检测技术的各种算法进行比较，然后选择f f t 算法进行谐波分析。最 后介绍利用p w m 脉宽调制技术驱动i g b t 产生波形来抑制谐波的原理。 第三章对电能质量测控系统进行系统设计，包括信号的a d c 转换单元，f f t 谐波 检测单元，数据存储单元，时钟控制单元及谐波抑制单元的设计，并利用l i b e r oi d e 内 部的仿真软件对各部分设计进行仿真分析，然后设计系统硬件电路，对a r m 系统进行 软件设计，搭建系统平台。 第四章对f p g a 设计的a d c 转换单元，f f t 谐波检测单元，时钟分频控制单元及 谐波抑制单元进行实验验证和效果分析，利用液晶显示部分显示测控结果。 第五章是对全文的总结与展望，总结了全文的工作，并提出下一步的研究方向。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章电能质量测控技术的研究 2 1 电网信号检测算法的研究 随着电力系统的发展，各行各业对电力的需求不仅仅体现在量的增加上，还体现在 对质量要求的提高，这就要求对电能质量进行实时检测，使电网电能达到大部分需求单 位的质量要求。通过对电力参数进行实时而准确的检测，就能在电力故障影响或危害到 用户之前，及时的做出反应，通过各种措施，来对电能质量进行有效改善。 2 1 1 常用电网信号检测算法分析 电力参数中最基本的就是电网电压和电流。对电网电压和电流的计算，可采用如下 几种算法【1 6 】。 1 半周期积分法 一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分是一个常数s ，也就是说积分值与起始 角a 无关。根据这一原理，我们得到半周期积分法。 rr s = f , s u f s i n ( o t + a ) l d t = f 面s i n t o t d t = 2 , f 2 u c o ( 2 1 ) u = 黔 ( 2 2 ) 由梯形法求得： s ( 三i i + 警1 i ”。i + 三l “w ：i 互 c 2 3 ， 式中l g o 为采样起始点的值，n 为一个周期中采样点的点数，z l k 为第k 次采样值；互 为采样周期。当采样的频率足够高时，根据梯形法求出的s 值就很近似于积分值。从而 得出电压的有效值： u ：s c o 2 1 - 2( 2 4 ) 半周期积分法有一定抗高频干扰的能力，算法的运算量小，硬件实现上简单。在要 求不高的场合可以采用这一算法。 2 积分和法 相电压有效值的计算公式为： u = 肝 ( 2 5 ) 坐奎堡篁奎兰堡主兰堡笙塞一一 一一一- _ 一 一_ 一 根据电压的采样值，得到电压有效值的近似计算公式： u ： ( 2 6 ) 上式中：为一个周期内采样的次数；r 为采样的周期，l i k 为第七次的采样值。 由a t = 吖得： 同理可得电流有效值的 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 3 傅里叶变换法 假定被采样的模拟信号是时间的周期函数，且满足d i r i c h l e t 条件，则可以展开成如 下的傅里叶级数形式： 厂( f ) = + ( c o $ 1 l c o t + b s i n 以研) ( 2 9 ) 其中：口o = 亍1r ( f p ，是信号的直流分量；口n = 季r 厂( f c o s n t o t d f ，是各次谐波 正弦项的幅值，6 n = 彳2r 厂( f ) s i n 咒国础，是各次谐波余弦项的幅值。 4 电力参数测量方法 假设电压序列为“( f ) ，将”( f ) 分解成基波和各次谐波的形式，得到它们的正弦分量 相余弦分重明l 瞄但刀： 吼= 彳2r “( f ) c 。s 七缈m f ( 2 1 。) 钆= 亍2r 甜( f ) s i n 后缈m f ( 2 1 1 ) 其中足代表谐波的次数，k = - i ，2 ，3 。将积分离散化z 。，1 0 ： 口。=；羔材(n)c。s(足r)；=专姜“(，1)c。s(kcot)n-o 0 ( 2 。2 ， 口k = 睾材( n ) c o s ( 足f ) 七= 专“( ，1 ) c o s ， 、 | i ” ”h 2 ( 12 ) = 专扣脚等和= 专扣灿c 等刎 一口 广x。晤腻鼯 算 u 计 ， 山东建筑大学硕士学位论文 钆= 昙扣) s i n ( 万2 1 r 砌) 那么第k 次谐波电压的有效值为： 仉= 辱丽 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 非正弦周期信号的有效值等于信号中各次谐波有效值的平方和的平方根。由此得到 电压总的有效值为： = 辱 ( 2 1 5 ) 2 1 2 基于快速傅里叶变换的谐波检测算法分析 1 谐波检测理论概述 谐波检测理论主要是围绕频域理论和时域理论【1 7 1 。 早期的谐波检测方法都是基于频域理论，即采用模拟滤波原理。该方法的优点是实 现电路简单、造价低、输出阻抗低、品质因素易于控制。该方法有许多不足，突出的缺 点是： ( 1 ) 实现电路的滤波中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获 得理想的幅频和相频特性。 ( 2 ) 电网频率波动不仅影响检测精度，而且检测的谐波中含有较多的基波分量。 ( 3 ) 当需要检测高次谐波分量时，实现电路变得复杂，其电路参数设计难度也随之 增加。 ( 4 ) 运行损耗大，由于频域理论存在上述较严重的缺陷，随着电力系统谐波检测要 求的提高以及新的谐波检测方法的日益成熟该方法己经不再优先选用。 目前国际上有关谐波的研究主要活跃在时域理论领域，较为广泛使用的谐波测量方 法有以下几种： ( 1 ) 基于瞬时无功功率的谐波测量。该方法实时性较好，在检测谐波电流时延时最 多不超过一个电源周期，常用于无功补偿和有源滤波时的谐波测量【1 8 】。由于其检测结果 为总的畸变电流值，若要得到各次谐波值，必需进行分离，硬件电路较复杂。 ( 2 ) 基于神经网络的谐波测量。近年来随着人工神经元网络( a n n ) 研究的日益广泛 和深入，有学者尝试将其应用到谐波测量领域。神经网络具有很强的学习能力，对基波 山东建筑大学硕士学位论文 电流的跟踪在一个周期内就能达到很好的效果【l9 1 ，因此能满足实时性要求。由于神经网 络的硬件实现还是一个比较薄弱的环节，限制了其在实际中的应用。 ( 3 ) 基于小波变换的谐波测量。小波变换能对局部频域进行精确分析，实时性和动 态性能较好，故较适用于突变的和时变的非平稳谐波检测与时频分析。但它应用于谐波 检测时，也存在固有的缺陷，主要体现在窗口能量不集中，出现频率混迭现象。必须找 到分频严格，能量集中的小波函数，目前这种理想的小波函数还未出现【l9 】。 ( 4 ) 基于傅里叶变换的谐波测量。该方法可以同时得到谐波的幅值和相位，而且功 能较多，计算方便，因此是当今应用最多也是最广泛的一种方法【2 0 1 。 2 基于快速傅里叶变换的谐波检测算法 傅里叶变换就是以时间为自变量的“信号和以频率为自变量的“频谱 函数之间 的某种变换关系。由于它需要进行大量的计算，使其应用受到了限制。但是快速傅立叶 变换( f f t ) 解决了这一问题，它通过合理安排和存储变换中的中间运算结果，来达到 减少运算的次数的目的【2 l 】，大大缩短了运算所需时间。 有限长序y u x ( n ) ) 及其频域表示 x ( 后) ) 可由以下离散傅立叶变换得出： w - - i 石( 刀) = i d f t x ( k ) = i l 厶 叫k j n - - i l k ，( 0 刀一1 ) ( 2 1 6 ) n - i x ( 七) = 胛玎x ( ，z ) 】= z x ( n ) w 产，( 0 k 感器后送模拟电流的输入端：a c 0 ，a c l 和a c 2 。然后利用时钟对a d c 转换单元进行 控制，a d c 转换单元是按每5 0 h z - i - 频周期采样1 2 8 点进行信号采集，然后将a d c 的 山东建筑大学硕士学位论文 输出信号送到存储器a ，采满1 2 8 点后，利用e l k5 0 时钟信号启动f f t 的输入允许信号， 将存储器a 中1 2 8 点的数据通过f f t 模块的数据输入端到f f t 单元进行f f t 分析，传 送开始时启动计数器。当1 2 8 点数据传送完毕时，计数器计数到1 2 8 则触发f f t 开始信 号，对数据进行f f t 分析后，通过f f t 的数据输出端，传送到存储器b 和存储器c 。通 过控制信号来控制f p g a 传到a r m 的数据，通过e l kl 与i f o yv a l i d 两个信号控制存储 器a 、存储器b 和存储器c 的信号传输到a r m 系统的数据输入管脚。当c l k1 处在上 升沿状态且i f o yv a l i d 无效时将存储器a 中的数据送入a r m ，当i f o yv a l i d 有效时依次 将存储器b 和存储器c 的数据传输到a r m 系统。在a r m 系统内通过数组，存储a d c 转换数据，供液晶显示电网的波形时调用。接收到电网谐波数据之后，存到a r m 中的 数组，然后对两个数组中对应的数据进行平方相加，然后再开平方，即可得到各次谐波 的模值，并可求出各次谐波的含量。同时在f p g a 中利用p w m 调制技术驱动开关器件 i g b t 将采集到的模拟电信号中的基波滤除，将得到的谐波分量取反，然后进行功率放 大后注入电网，将电网中的谐波分量抵消，从而滤除电网谐波。 3 4f p g a 系统设计 3 4 1 电信号采集及a d 转换单元设计 电网中的信号电压都是2 2 0 w 3 8 0 v 电压或是更高，利用现有的电子装置进行测量， 无法进行直接测量，因此需要利用电压及电流互感器将电网信号变为可测的低压信号传 送到装置中。本设计中电压互感器选择电流型的精密微型电压互感器，一次输入端最大 电压为6 0 0 v ，二次负载端最大输出电压为1 5 v ，适合装置的要求，匝数比为4 0 0 ：1 。 电流互感器选用l c t a 2 1 c e 4 0 a 2 0 m a 立式穿芯微型精密电流变换器，输入端额定电流 为4 0 a ，输出端额定电流为2 0 m a ，适合装置要求，匝数比为l ：2 0 0 0 。 因为选用的是a c t e lf u s i o n 系列芯片，里边有自带的a d 转换功能，而自带的a d 转换功能要利用硬件描述语言和l i b e r o 开发环境对芯片进行设计。 要获得精确的测量结果，采样频率的选择很重要。如果采样频率选择得过高，即采 样间隔小，则每个周期旱采样点数过多，造成数据存储量过大和计算时间太长；但如果采 样频率过低，会给有效值的近似计算带来误差。并且，在进行谐波分析时会造成f f t 运 算在频域混淆现象，造成频谱失真，使之不能真实反映原来的信号【l 。本设计对电信号 进行每周期采样1 2 8 个数据点，以便对电网各参数进行精确测量。 f u s i o na f s 6 0 0 芯片内有一个模拟模块负责完成a d 转换。模拟模块主要由模拟 山东建筑大学硕士学位论文 q u a d ，实时计数器( r t c ) 、模数转换器( a d c ) 以及模拟配置多路选择器( a c m ) 组 成，所有这些部件都集成在一个模拟模块宏单元上。模拟q u a d 是f u s i o n 器件独有的， 类似于一个模拟的区域，每个q u a d 由3 个数字输入电路、1 个电流监控电路、1 个温度 监控电路、1 个门驱动电路、3 个预分频电路以及一个电流监控放大电路组成。一个模拟 q u a d 中的a v 、a c 、a t 作为模拟输入管脚，可以承受1 2 v - 0 或者肌1 2 v 的输入；a g 可以通过门驱动实现大功率m o s f e t 的驱动，并且驱动能力可调，管脚可以承受2 5 m a 、 1 v 的电压。模拟q u a d 是一个4 通道系统，在将模拟信号通过a d c 转换成数字信号前， 可以使用它来对模拟信号进行预处理。 f u s i o n 器件模拟系统的核心是一个可编程的逐次逼近型模数转换器a d c 。a d c 可 以支持8 位，1 0 位和1 2 位操作模式，在1 2 位操作模式下，a d c 单个通道的采样率最 高可达5 0 0 k s p s ，如果是多个通道同时使用则平分采样速率。 f u s i o na d c 有3 2 个通道输入，通过一个3 2 ：l 的模拟多路选择器( 揪) 来选择。 通道0 与f u s i o n 器件的1 5 v 内核电压相连，监控内核电压；通道3 l 与内部的一个温度 二极管相连，可以监控f u s i o n 器件本身的温度，其余3 0 个通道可自定义。多个采样通 道输入时，采用时分复用方式循环采样，共享采样带宽。3 2 个采样通道通过模拟多路选 择器( d ( ) 来选择当前采样的通道。 m u x 的输入端与模拟q u a d 的输出端相连，其输出端和a d c 的输入端相连。为了 使能内部的温度控制器，它必须通过模拟模块宏单元的t m s t b i n t 管脚来使能。另外通 过c h n u m b e r 4 ：0 来选择当前采样的通道。c h n u m b e r 4 ：0 是五位二进制数，由 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 。 f u s i o n 器件内部的a d c 参考电压是2 5 6 v ，由于模拟的i o 引脚都可以承受士1 2 v 的输入，所以为了使a d c 能够采样外部大于2 5 6 v 电压的信号，使用预处理器来对输 入的模拟电压进行预处理，处理的级别有：士1 6 v ，士8 v ，a ：4 v ，士2 v ，士i v ，士o 5 v ，士o 2 5 v 和士o 1 2 5 v ，对应的调整因子为：0 1 5 6 2 5 ，0 3 1 2 5 ，0 6 2 5 ，1 2 5 ，2 5 ，5 ，1 0 ，和2 0 。如 果外部输入的是正电压8 v ，并且选择的调整因子是0 3 1 2 5 ( 0 0 1 ) ，那么预处理器输出到 a d 输入的电压应该是0 3 1 2 5 x 8 v = 2 5 v ；如果外部输入为负电压0 5 v ，并且选择的调整 因子为5 ( 1 0 1 ) ，那么从预处理器输出到a d 输入的电压应该是5 x 0 5 v = 2 5 v 。因此最后 将得到的a d c 转化结果换算到电压值后，再除以调整因子才是外部的实际电压值。 模拟配置多路选择器( a c m ) 如同一个桥梁连接在f p g a 内核与模拟模块与实时计 数器之间，通过该接口，f p g a 的内核可以实时配置模拟模块的参数，包括参数的初始 山东建筑大学硕士学位论文 化、寄存器的赋值等。对配置数据功能位进行定义如下： 位0 - , 2 ：预分频器，选择最高输入为8 v ，、d e f i n ep r e s c a l e r 8 v 8 0 1 。 位3 4 ：模拟多路选择器和电流监控器开关，选择a d c 与预分频器直接相连，、d e f i n e a n a l o g s e l _ p r e s c a l e r 8 0 0 。 位5 ：直接模拟输入开关选择关闭，d e f i n ed i r d i g i t a l _ o f f 8 0 0 。 位6 ：模拟管脚的极性，选择极性为正，、d e f i n e a n a l o g p o s i t i v e 8 0 0 。 位7 ：预分频的运放模式，选择正常运行，d e f i n ep r e s c a l e ro n 8 8 0 。 定义监控的通道常数： d e f i n ea v x0 。 输出到a d c 的通道号常数：d e f i n ev o l t a g e c h a n e ll + 3 a v x 。 定义各个监控对象在a c m 中的配置寄存器地址：d e f i n ea c m a d d r r a g e 1 + 4 扩a v x 。 利用v e r i l o gh d l 语言编写的部分程序如下： s a m p l e _ v o l t a g e ： b e g i n c h n u m b e r = v o l t a g e c h a n e l ； a d c s t a r t _ l ；启动a d c 的一次转换 a d c s t a t e = s a m p l e _ v o l t a g e _ d e l a y ； e n d s a m p l e _ v o l t a g e d e l a y ： b e g i n a d c s t a r t - o ； a d c s t a t e = s a m p l e _ o k ； e n d s a m p l e o k ： b e g i n i f ( ( b u s y o ) & ( d a t a ：、俏l i d = = 1 ) ) 等待输出有效数据 b e g i n a d o u t = a d c _ r e s u l t ； 锁存转换后的结果 c h a n e l - v o l t a g e c h a n e l ； 锁存相应的采样通道号 a d c s t a t e = c h e c k _ c o n f i g ；继续采样 2 7 山东建筑大学硕士学位论文 a d c 转换单元通过v i e w d r a w 生成的模块如图3 3 所示。对a d c 模块引脚的说明 如表3 1 所示。 图3 3 a d c 模块 表3 1a d c 模块的管脚说明 管脚名称方向描述 e l k4 8 m 输入系统4 8 m h z 时钟，上升沿有效 p r e s e t 输入系统复位信号 斟q 输入模拟电压的输入端 a d c r e s e t 输入a d c 转换复位信号 v a i 砸f 输出参考电压输入输出 a d c s t a i u 输出a d c 启动信号 s a m 吧l e输出a d c 采样进行信号 b u s y输出a d c 忙信号 d a l 、，a l e d输出a d c 转换结果有效标志信号 c h a n e l输出 采样通道选择 a do u t 输出a d c 转换结果 利用l i b e r oi d e 软件得a d c 转换单元占用的f p g a 资源报告如图3 4 所示。 一 些蔓壅璺查兰堕主兰堕堡皇 c 。魁 1 0 脚c l o c k s ) d i f f e r e n t