基于FPGA的电力谐波检测系统

摘要 随着社会的发展，人们对电力需求特别是电能质量的要求越来越高。但由于非线性负荷大量使用，却带来了严重的电力谐波污染，给电力系统安全、稳定、高效运行带来严重影响，给供用电设备造成危害。如何最大限度的减少谐波造成的危害，是目前电力系统领域极为关注的问题。谐波检测是谐波研究中重要分支，是解决其它相关谐波问题的基础。因此，对谐波的检测和研究，具有重要的理论意义和实用价值。 目前使用的电力系统谐波检测装置，大多基于微处理器设计。微处理器是作为整个系统的核心，它的性能高低直接决定了产品性能的好坏。而这种微处理器为主体构成的应用系统，存在效率低、资源利用率低、程序指针易受干扰等缺点。由于微电子技术的发展，特别是专用集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)设计技术的发展，使得设计电力系统谐波检测专用的集成电路成为可能，同时为谐波检测装置的硬件设计提供了一个新的发展途径。 现场可编程逻辑门阵列FPGA是近年来得到迅速发展和应用的新型可编程器件，其在数字信号处理方面的优越性，使得电子设计的规模和集成度不断提高，同时也给谐波检测系统的设计提供了一种新的设计思想。 本文从谐波检测理论和实现方法上探讨了高精度、高实时性谐波检测数字统的相关问题。深入研究了FFT理论在谐波检测中的应用，并基于Altera的FPGA实现了256点的FFT处理器。 关键字：谐波检测，FFT算法，FPGA，VHDL语言 1.1.1. 课题研究的背景 随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害[1]。 电力系统谐波造成的危害主要有以下几点： (1). 谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至 可能引发火灾。 (2). 谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。 (3). 谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。 (4). 谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。 (5). 谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。 (6). 谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 (7). 谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。 (8). 谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。 谐波带来的影响越来越受人关注，己经严重危及到用电设备、变电站设备和电力系统载波通讯等设备和系统的运行可靠性，针对电力系统电力系统谐波问题的研究，也越来越引起世界各国的关注。 1.1.2. 课题研究的目的和意义 电力系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等。 近年来，发达国家在研制和使用谐波分析仪器方面发展迅速，仪器的性能先进，测量功能齐全，适用范围广，且耐用可靠，但价格昂贵。相比之下国内测量仪器价格较低，但其质量、精度、可靠性方面有很大的差距，主要适用于谐波测量方面，而在波形分析、采样窗口的选择、数据处理及结果输出等方面差距较大。为此，研制一种实用、便携、低成本、能可靠有效的测量配电网各次谐波幅值和相位、且功耗低、具备通讯功能、可以分布式安装的谐波检测装置，不仅有利于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性，丽且大大降低用户的投资，为电力部门提供准确可靠的资料数据[2]。 1.1.? 国内外研究现状 1.1.1. 谐波检测的理论发展 电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。但电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视，谐波检测理论也经历了较大的发展。产生了频域理论和时域理论，形成了多种检测方法[3]。主要的检测方法有以下几种： (1)模拟滤波器。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。模拟滤波器有两种，一是通过滤波器滤除基波电流分量，得到谐波电流分量。二是带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波电流分量，其原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。但这种检测方法有其自身的缺点：误差大，实时性差，电网频率变化时尤其明显：对电路元件参数十分敏感，参数变化时检测效果明显变差，获得理想的幅频和相频特性很困难。 (2)基于Fryze传统功率定义的谐波检测法。Fryze功率理论中心思想是把电流分为有功电流和无功电流，其中有功电流波形与电压相似，仅相差一个比例系数。Fryze功率理论的缺点是：因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时有功电流需要进行～个周期的积分，再加其他运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流"实际是几个周期前的电流值。其在电压无畸变时可以准确检测出三相系统无功电流，而电压有畸变时则不能准确检测出系统无功电流。 (3)基于瞬时无功功率理论的谐波检测法。根据该理论，可以得到瞬时有功功率P和瞬时无功功率q，P和q中都含有直流分量和交流分量。由此可得被检测电流的基波分量，将基波分量与总电流相减即得相应的谐波电流。因为该方法忽略了零序分量，且对于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。所以，该方法只适用于三相电压正弦对称情况下的三相电路谐波和基波无功电流的检测。 (4)基于傅立叶变换的谐波检测法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成，这种方法根据采集到的1个周期的电流值或电压值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数以及各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过傅里叶变换器得出所需的误差信号，再将该误差进行Fourier反变换，即可得补偿信号。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且当信号频率和采样频率不一致时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应。 (5)基于神经网络的谐波检测法。神经网络应用于谐波检测，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选择。采用神经网络原理的谐波测量模型主要有：基于自适应线性神经源的谐波测量方法：基于多层BP网络的谐波测量方法和基于径向基函数网络的谐波测量方法等几种。用人工神经网络实现谐波与无功电流检测不仅对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能而且对各种非周期变化的电流也能进行快速跟踪，对高频随机干扰有良好的识别能力。但是神经网络用于工程实际还有很多问题，例如：没有规范的NN构造方法，需要大量的训练样本，如何确定需要的样本数没有规范方法，NN的精度对样本有很大的依赖性，等等。 (6)基于小波分析的谐波检测法。小波分析是一个时间和频率的局域变换，因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度细化分析。小波分析能算出某一特定时间的频率分布并将各种不同频率组成的频谱信号分解为不同频率的信号块，因而通过小波变换，可以较准确地求出基波电流，进而求得谐波。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。 1.1.2. 谐波检测技术应用现状 谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波有着重要的指导作用，对谐波的分析和测量是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是对继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提[4]。准确、实时的检测出电网中瞬态变化的畸变电流、电压，是众多国内外学者致力研究的目标。 由于快速傅立叶交换理论在电力系统谐波检测中己经趋于成熟，目前市场主流的谐波测量系统均基于快速傅立叶变换理论。其基本原理是将输入的电压和电流模拟量经过调理电路后，再由AD采样环节变换成离散的数字量，然后进行快速傅立叶变换，计算获得基波和各次谐波的幅值和相位，然后根据国家标准计算相应的谐波指标并显示最终结果[5]。 1.1.3. 谐波检测技术应用前景 基于FFT的谐波时域测量系统一般采用两种实现方式：使用工业PC机或者采用高档嵌入式系统。这两类实现方式性能可靠，运算快速，技术成熟，是目前市场的主流产品。工业PC机使用的为通用CPU，没有硬件浮点数单元，在实现浮点数运算时是同规模的整数运算时间的6~9倍，且工业PC机体积较大，不适合做成便携式设备，因此除了一些工业现场对电能质量的监测外，大部分谐波分析仪采用的是基于高档嵌入式设备。目前使用较多地是基于DSP的谐波分析设备，其进行谐波分析检测时，必须使用带有硬件浮点数单元的高档DSP以满足FFT运算过程中的巨大浮点数运算量，并且需要使用高效的编程算法利用有限的系统资源实现FFT运算，为了提高测量的精度，需要选择片内AD单元采样精度在14位以上，采样速率超过240KHz的高档DSP或者在片外扩展相同档次的AD采样芯片，从而使得系统成本高昂。且DSP抗外界干扰性能较差，在较差的环境下使用会影响整个检测系统的稳定性。而国外使用高档DSP芯片的A级单通道谐波检测产品市场售价高达几万元一套，可见设计成本低廉、处理能力强大、系统稳定性好、通道数目易于扩展的谐波测量系统有着广阔的应用市场前景[6]。 和DSP相比，FPGA用于电力谐波检测系统的设计中具有以下的优势： (1). FPGA实现数字信号处理最显著的特点就是高速性能好。FPGA有内置的乘法器和加法器，尤其适合于乘法和累加等重复性的数字处理任务。 (2). FPGA的存储量大。DSP内部一般没有大容量的存储器，但是FFT实时处理需要存储大量的数据，只能外接存储器，这样往往会使运算速度下降，同时电路更复杂和不稳定。目前，高档的FPGA中有巨量的高速存储器，不用外接存储器。实现FFlr实时处理运算，其速度更快，电路更简单，集成度和可靠性也大幅度。 (3). FPGA是硬件可编程的，比DSP更加灵活。DSP往往需要外部的接口和控制配合工作，FPGA则不需要，这样使得硬件更简单和小型化。 (4). 在比较FPGA和DSP时，一个极为重要的系统参数是输入/输出(I/O)带宽。一些专用引脚外，FPGA上几乎所有的引脚均可供用户使用，这使得FPGA信号方案具有非常高性能的I/O带宽。大量的I/O引脚和多块存储器可让系统在设计优越的处理性能。 随着IC技术的发展，SoPC技术的出现以及FPGA芯片的发展，使解决以上问题有了新的途径和方法。SOPC技术配合m核的复用，具有系统开发周期短，设计效率高的特点，再配以FPGA芯片作为实现平台，充分发挥了FPGA芯片的并行处理及高速的特点，是针对谐波检测设备的很好的设计组合，成为目前谐波检测技术发展的一个方向。 1.2.? 本文研究内容 电力系统谐波检测要求系统的运算速度快且测量精度高，本课题是针对目前目前市场上谐波检测系统中设计中的出现的一些问题，研究一种基于FPGA和FFT变换理论的谐波检测系统的实现方法。为谐波检测系统得设计提供一种新的思路。 本论文共6章，各章的具体内容如下： 第1章主要阐述谐波检测理论的发展、谐波检测仪器的应用现状及选题的意义和论文的内容。 第2章探讨DFT和FFT算法原理以及其在电力系统谐波检测中的应用。 第3章主要讨论FPGA结构、VHDL语言及开发环境的相关内容。主要介绍Altera公司的Cyclone系列产品的主要电路结构以及开发流程。 第4章阐述应用FPGA实现谐波检测系统的硬件系统设计。硬件设计分为总体设计部分，电流电压互感器，二阶有源滤波器，A/D输入调理及转换电路设计等。 第5章主要介绍基于FPGA设计的基-4 FFT的原理及设计实现，分析了基-2，基-4，分裂基FFT算法，以及256点基-4 FFT的实现和仿真。 第6章对整个论文进行总结，以及对所涉及的工作进行展望。