fpga实现的电力系统谐波检测

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1、1.2.2基于FFT的谐波检测的实现技术目前，市场上主流的谐波检测系统都是基于快速傅立叶变换理论的，快速傅立叶变换理论在电力系统谐波检测中已经趋于成熟。其基本原理是：将待测电压、电流经过调理电路后，由A/D采样环节将模拟量转换为数字量，然后进行快速傅立叶变换，得到基波和各次谐波的幅值和相位，然后根据相应标准计算出谐波指标并显示最终结果。基于快速傅立叶变换的谐波检测系统一般采用两种方式实现：工业PC机或者高档嵌入式系统。工业PC机中计算核心为通用CPU，没有硬件浮点数单元，在进行FFT计算时耗时较长，而且工业PC机体积较大，不适合做成便携式设备。因此，大部分谐波分析仪都

2、是采用高档嵌入式设备，较多的是基于DSP的谐波分析设备。DSP是微处理器的一种，采用哈佛结构，即地址总线和数据总线分开，因此相对于通用微处理器，其实时运行速度要快很多。DSP芯片发展到今天，技术非常成熟，而且开发简单，但是它作为微处理器的这一本质决定了，它只能单条指令顺序执行，在运行固定的并行算法时，如FIR滤波器和FFT算法时，占用CPU的时间较多，性能受限。FPGA近年来发展非常迅速，基于FPGA的谐波检测技术也正在蓬勃发展。而且，FPGA也越来越多地应用在多种DSP中。这里的DSP是指数字信号处理，而不是某一种芯片。用FPGA做DSP成为了热点，究其原因，主要是

3、FPGA相对于传统的DSP芯片有以下几大优势：1）FPGA的并行处理结构。FPGA内包含几百个运算单元可以同时进行运算。一个主频250MHz的基于FPGA的DSP在进行FFT计算时，可能要比一个主频为1GHz的传统DSP芯片快上几倍甚至几十倍。2）FPGA是硬件可编程的。DSP需要外部硬件与之配合，电路设计时更复杂。而FPGA由于硬件可编程，对外设要求较低，可以使硬件设计更加简单化，在做便携式设备时更容易控制体积。3）FPGA的I/O带宽。除了部分专用引脚外，FPGA上的绝大部分引脚都可以供用户配置使用。这就使得基于FPGA的数字信号处理系统具有非常高性能的I/O带宽

4、。4）FPGA的存储量大。在进行FFT运算时需要存储大量的数据，DSP处理时是将数据存储在外接存储器中，这样就使得运算速度下降，同时又增加了电路的复杂性和不稳定性。而高档的FPGA中有高速存储器，进行FFT运算速度更快，电路集成度和可靠性也大大增加。5）FPGA的开发手段多样灵活。以Xilinx公司为例，随着新产品的不断上市，Xilinx公司的整体设计工具套件ISE已经发展至今天的ISEDesignSuite11.4版本，涵盖逻辑设计、DSP处理以及嵌入式应用三大方面。无缝集成了系统级设计、IP4核、RTL设计、功能设计、功能验证、RTL综合、布局布线、功率分析、Ch

5、ipScope调试、嵌入式系统软硬件设计以及完善的第三方EDA工具。此外，Xilinx公司还开发了在Matlab/Simulink环境下的工具箱-SystemGeneratorforDSP。用SystemGenerator进行数字信号处理系统设计时更加直观，本文将在第三章详细阐述。1.2.2电力系统谐波检测的研究发展趋势近年来谐波检测在理论与实际中已经取得了丰硕的成果，然而随着电力系统的飞速发展以及电能质量要求的逐渐提高，对谐波检测方法及其实现技术也提出了更高的要求。未来谐波检测的主要发展趋势如下[6]：1）谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐波检测。

6、2）谐波检测算法向复杂化、智能化发展；谐波的求解方法向复杂的数值分析与信号处理方向发展，为解决非稳态波形畸变等问题寻找新的算法。3）充分利用现有各种谐波检测方法的优点，并且完善现有的谐波检测理论体系，研究探索新方法，实现快速、暂态谐波跟踪，是保障电力系统安全运行的需要。4）谐波检测实现技术研究将从模拟电路技术和不可编程器件技术转向高精度的可编程器件技术尤其是ARM技术与DSP技术。近年来，这两项技术已成为主流的谐波检测实现技术。5）谐波检测理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论较少关注各次谐波间产生的畸变功率问题与非稳态谐波问题，面对电力系统

7、的发展，其已经不能完全适应，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论与新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，也是解决电力系统谐波问题的客观要求。1.3本文的主要工作本文选用基于快速傅立叶变换的谐波检测理论，以硬件同步采样法来保证检测的精度,以SystemGenerator为主要设计工具，提出了一种基于FPGA实现谐波检测的设计方法,并在Xilinx公司的Spartan-3ADSP系列的FPGA开发平台上完成了硬件实现。本论文共6章，各章具体内容如下：第1章阐述课题的研究背景和意义，谐波检测理论的发展，基于FFT算法的谐波检测技术现状以及本文的主要