基于sopc的电能谐波测量系统的设计

　　摘要：电力系统谐波测量与分析也已经成为电力系统领域发展的一个重要研究方向。本文以快速傅立叶变换（FFT）为理论依据，将采样取得的N个离散信号通过离散傅里叶变换得到各次谐波分量的频谱，计算出功率、功率因数等各种电力参数，设计了一种基于NiosII的的电力谐波测量分析装置。本设计基于sopc的设计思想，利用sopc builder在一片FPGA上集成了32位NiosII微处理器、逻辑控制单元IP及一些必要的外围组件，给出逻辑控制控制模块的设计实现方案。

　　1 引言

　　电力是国民经济中的支柱产业，是社会生产、生活的命脉。近几十年来，随着各种电力电子装置(主要是一些非线性设备)的广泛应用，使得公用电网的谐波污染日益严重，电能质量不断下降。因此，实时测量和分析电网谐波分量以及非线性用电设备将产生的谐波分量，实时掌握电力系统中谐波的实际情况，对于防止谐波危害、提高电能质量是十分必要的。电力系统谐波测量与分析也已经成为电力系统领域发展的一个重要研究方向。

　　SOPC（System On Programmable Chip）即可编程的片上系统，SOPC 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、DSP 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA 中实现。 Altera 公司Nios II 软核概念的提出及SOPC 的软硬件综合解决方案，可以在Quartus II 和NiosII IDE 中进行软硬件开发，从硬件和软件整体设计上将嵌入式系统设计进行了极大的推动，使得嵌入式系统的硬件电路更加简单、有效，易于理解；软件设计变得轻松，移植性更强。

　　本文以快速傅立叶变换（FFT）为理论依据，设计了一种基于NiosII 的的电力谐波测量分析装置，该装置通过采集三相电压电流信号，以FFT 为运算基础计算出各种电力参数，该装置测量达到了国标的要求。

　　2、基本原理与算法

　　2.1 电力电力系统谐波测量方法

　　谐波测量是谐波问题的一个重要组成部分，也是研究分析谐波问题的主要依据和出发点。电力电力系统谐波测量方法主要有以下几种：采用模拟带通带阻滤波器测量谐波、基于傅里叶变换的测量方法、基于瞬时无功功率理论的测量方法、基于小波变换的测量方法、基于神经网络的测量方法等。

　　基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用多也是广泛的一种方法，广泛应用于谐波测量仪器当中。它由离散傅里叶变换过渡到快速傅里叶变换的基本原理构成。模拟信号经采样，离散化数字序列信号后，经处理器进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。

　　2.2 离散傅立叶变换

　　DFT 是连续傅里叶变换的离散形式，DFT 变换是针对有限长序列信号进行傅立叶变换的一种数值分析方法，它的主要应用之一就是分析连续时间信号的频率成分。

　　设有限长序列信号x(n),n=0,1,…,N-1,则x(n)的DTFT 变换为：

　　X(k)是时间序列的频谱， N W 称为蝶形因子。对于N 点时域采样值，经过上式的计算，就可以得到N 个频谱条，这就是离散傅里叶(DFT)。在N 较大时，DFT 计算量较大，可利用快速傅里叶变换(FFT)算法，它将计算量从N2 数量级降低到NlogN 的数量级，可大大方便DFT 的计算。

　　根据FFT 运算后所得到的各次实部和虚部，即可计算出各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率、无功功率等。

　　2.3 傅里叶变换中存在的问题

　　从严格意义上说，用DFT 变换不能分析连续非周期信号的频谱。对连续周期信号而言，可利用周期信号的特性，只要满足特定的采样条件，对周期信号实现同步采样，或者对DFT 变换进行适当的修正，完全可以用DFT 变换分析其幅度谱。但需要解决混叠现象、泄漏效应和栅栏效应。同步采样技术主要有硬件同步采样技术和软件同步技术两种，硬件同步采样技术利用硬件电路动态锁定连续周期信号的频率，并对周期信号进行分频，用倍频后的输出作为采样启动信号。本设计采用硬件同步采样技术实现。

　　3、硬件实现

　　电路的各功能模块如下图1 所示。

　　图1 电路的各功能模块

　　3.1 数据采集和A/D 转换电路

　　数据采集包括信号调理电路、AD转换和频率测量等三个部分。

　　3.1.1 信号调理电路

　　三相电压和电流分别通过电压传感器和电流互感器隔离后进行交流衰减，衰减部分应尽量减少频率失真，采用了电阻分压电路。图2 是交流信号经互感器隔离后调理电路的原理图。

　　图2 信号调理电路原理图

　　3.1.2 A/D 转换电路

　　AD73360 具有六个模拟量输入通道,每个通道可以输出长度为十六位的数字量，所以特别适合于三相制电力运行参数测控类应用（三个相电压和三个相电流同时采样）系统。这六个通道可同时采样,并且无须CPU 干预,从而有效地减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。由于各个通道都有内置的反混叠滤波器,所以对其输入端反混迭滤波器的要求大为降低,而仅需要简单的一阶RC 滤波器即可。

　　数据采集主要完成A/D转换器的控制，该模块由用户逻辑来实现，可利用其灵活的可定制性和重配置的特性，实现参数可修改的ADC控制器。ADC控制器根据ADC转换器(ad73360)数据手册的操作时序设计。ADC控制器是由状态机控制的周期性的重复事件，采样操作完成后等待采样脉冲，以便开始下的采样。AD采样控制器的结构组成如图3所示。

　　图3 A/D采样控制器的结构框图

　　3.1.3 频率测试部分

　　频率的测量采用测量周期的方法，通过硬件电路检测输入信号的过零点，控制计数器计一个周期的长度，通过求倒数得到待测的频率。可利用数字倍频器得到ADC控制器的采样触发脉冲，将跟踪电网频率的方波信号作为倍频器的输入信号，经过内部倍频后得到电网频率整数倍的脉冲信号作为A/D采样的触发信号。整个测频模块可以在Quartusll内用图形输入完成。

　　3.2 FFT 运算单元

　　FFT 模块利用Altera 公司提供的FFT IP 核兆核函数实现，在使用时对其参数进行设置，可构成针对本文应用的硬件功能模块。Altera FFT 兆核函数2.2.1 版是一个高性能、参数化快速傅里叶变换( FFT)处理器，对于Altera StratixII,S tratixGX,Stratix 以及Cyclone 器件系列已经进行了设计优化。FFT 兆核函数可以完成高性能复数FFT 或逆FFT。

　　3.3 利用SOPC Builder 建立和生成系统

　　Altera 公司推出的Nios 嵌入式处理器软核，通过软件编程的方法可灵活地实现嵌入式处理器的功能，并且针对FPGA 进行性能优化，可大大提高系统性能。它还具有片上调试功能，便于系统的设计和调试。进行SOPC 设计的环境是SOPC Builder，集成在Altera 公司开发的EDA 工具Quartus II 里。进行SOPC 设计的关键是使用IP 核。使用SOPC 技术可以进行快速样机设计。SOPC Builder 中所有集成的IP 模块如图4 所示。

　　图4 SOPC Builder中所有集成的IP模块

　　4、系统软件部分的设计

　　在用SOPC Buider 系统集成软件进行硬件设计的同时，就可以编写C/C++软件。在Nios II IDE 中建立新的软件工程时，IDE 会根据SOPC Buider 对系统的硬件配置自动生成　一个定制HAL 系统库。这个库能为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序。NiosII 处理器系统的软件功能主要分为数据后继处理、显示、键盘输入和通信等四大部分。

　　软件系统完成的主要任务是测量电网电压、电流的各项电力参数，包括各相电压、电流的有效值、功率、电度、功率因数及谐波总畸变率等。由任务要求可知，软件设计的重点是电网电压、电流的数据采集和数据处理，这些程序设计的优劣直接影响仪表的测量和运算速度。数据处理模块的工作是根据A/D 转换得到的结果进行快速傅里叶变换(FFT)及采用FFT 变换得到的各次谐波幅值计算出各种电力参数。在进行谐波计算时，可以得到各次谐波的实部和虚部，从而得到各次谐波相角的正切函数值，即用快速傅里叶变换既可以得到各次谐波的幅值，也可以求出它们对应的相角。

　　数据通讯模块主要完成和上位机的通讯及各种参数及图表的显示。复杂的人机交互和通信功能则由内嵌的Nios处理器系统来实现，可充分发挥微处理器采用软件实现复杂控制功能的优越性。程序流程图如图5 所示。

　　图5 程序流程图

　　5、结束语

　　本文的创新点是在一片FPGA 内部实现了整个控制和信号处理的功能，替代了传统的MCU+DSP 模式，这是传统的设计方案无法做到的。正是因为NiosII 是一款软核32 位高性能微处理器，可以在FPGA 内部配置，才实现了可编程片上系统的功能。目前在国内，，电力系统的电能表应用技术领域不断扩展，提出许多具有电力特点的技术要求，电能表也面临新的产品设计改进和技术创新机遇。而据有关部门统计我国对电能表的年需求量稳定在8000 万～9000 万台，新型电能表芯片及测量仪器的研制具有非常广阔的应用空间和巨大的经济效益。本设计通过自己设计的AD 采集板，利用Altera 的Cyclone II 开发套件，在Quartus II 和NiosII 环境下调试验证，基本达到设计要求。SOPC 代表了嵌入式系统的发展方向，我们有理由相信，不久的将来，SOPC 的身影就像今天的单片机一样随处可见。

  

参考文献:

[1]. AD73360  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD73360+_249767.html.