基于FPGA的電力系統諧波智能檢測裝置的設計

國網四川省電力公司電力科學研究院 劉 睿 陳 凌

長沙三友儀器設備有限公司 萬望龍 張建國

基于FPGA的電力系統諧波智能檢測裝置的設計

國網四川省電力公司電力科學研究院 劉 睿 陳 凌

長沙三友儀器設備有限公司 萬望龍 張建國

電力系統的諧波污染對人們的日常生活帶來了嚴重的影響。本文研發了一款電力系統諧波智能檢測裝置，系統以FPGA芯片EP1C12Q240C8為核心，由CT/PT傳感器采集電網諧波信號，經低通濾波器、AD轉換電路后，通過FFT檢測電網中諧波成分，發送至上位機并通過LCD顯示檢測結果。經過現場測試，系統穩定可靠。

諧波檢測；FPGA；傅里葉變換；Nios II

1 引言

隨著科學技術的發展，越來越多的電力電子裝置和電力設備作為非線性負載運行在電網中，產生了大量的無功和諧波，因為供電系統和輸電線路具有隨頻率變化的阻抗，各次諧波電流流過電網時就會產生一定的電壓降，疊加在供電電壓上，引起電網電壓波形發生畸變，使供電質量下降，對電網造成了極大的“污染”，給電力系統的安全運行帶來了極大的危害。目前國外諧波智能檢測裝置的生產廠家中，法國施耐德和以色列埃爾斯浦公司主要生產在線監測系統，德國西門子和日本日置公司主要生產便攜式監測裝置。國內也有一些科研院所和企業對諧波智能檢測系統進行研發和制造，與國外相比還存在一定的差距，主要體現在：缺乏統一的行業規范；監測諧波的數據指標不全，缺乏整體的數據整合；人機交互方面還有待改進。基于此，本文設計了一款誤差小，實時性強，精度高的電力系統諧波智能檢測裝置。

圖1 系統原理框圖

2 系統總體設計方案

系統硬件電路組成如圖1所示。主要包括傳感器、低通濾波電路、AD轉換電路、FPGA最小系統、RS232通信接口電路、鍵盤顯示電路和電源電路等。系統以FPGA為核心，由高精度CT/PT傳感器采集電網電壓、電流信號，通過低通濾波器對信號進行處理后，經AD轉換電路，送FPGA進行諧波分析，利用RS232通訊接口發送至上位機，并通過LCD顯示。

3 系統硬件電路的設計

3.1 FPGA最小系統

FPGA模塊是系統的核心，主要完成諧波信號的分析處理，與上位機的通信等功能。FPGA器件采用Alters公司的EP1C12Q240C8芯片。該芯片支持Nios II處理器；具有12060個邏輯單元（LE）；52個M4K存儲塊；234Kbits隨機存取存儲器（RAM）；2個鎖相環；內部有8個全局時鐘；173個可用的I/O引腳；支持各種單端I/O標準，如LVCMOS、LVTTL和SSTL-2等；具有在系統編程（ISP）的能力和多次編程能力；具有包括Flash內存訪問接口的特性。由于芯片EP1C12Q240C8的內部資源有限，需要擴展片外的存儲器，用于存儲程序和保存運算結果。本文根據Nios II處理器提供的存儲器接口，擴展2片SRAM 和1片FLASH。SRAM采用512K字的芯片IDT7I V416，兩片SRAM經過拼接達到512K雙字的存儲空間。FLASH采用存儲空間為8M字節的芯片AM29LV065。芯片內核采用1.5V電壓供電，I/O引腳可以根據系統需要選擇1.5V、1.8V、2.5V和3.3V四種供電方式，本文將FPGA的I/O引腳選擇為3.3 V供電，可以直接與5V的輸入信號匹配，對于輸出信號則需要設計3.3 V到5V的轉換電路。

3.2 傳感器電路

本文采用了高性能CT/PT電流、電壓互感器將電網信號線性變換為±2.5V的交流電壓信號。電網信號為0~± 15A的交流電流信號和±150V~±390V的交流電壓信號，互感器采集信號的精度決定了系統的精度等級。因此，對互感器的線性度、線性范圍、相移和和高頻衰減等指標參數都有嚴格的要求。按照諧波檢測系統的要求，互感器的非線性度須小于0.1%；線性范圍須大于系統的輸入范圍，且有20%的裕量；相移須小于5度。互感器對于高次諧波有較強的衰減作用，通常表現為低通濾波器。按照上述指標要求，本文選用的CT/PT電流、電壓互感器有效的防止了波形在采樣源頭產生的畸變。

3.3 低通濾波電路

為了完整地采集所需信號，本文設計了一個二階有源低通濾波器減少高頻信號的混疊誤差。電路如圖2所示。

截止頻率：

電壓放大倍數：

品質因素：

即：采樣頻率是信號最高頻率信號的8倍以上，可以進一步減小高頻信號的混疊誤差。

圖2 低通濾波電路

3.4 AD轉換電路

本文的A/D轉換電路采用了ADI公司的芯片AD7656，該芯片內置了六個16位的低功耗逐次逼近型ADC，每個通道轉換時間的最大值為3.1uS，采樣頻率為250kSPS，內置了低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理輸入信號的頻率最高為12MHz。具有一個高速并行接口和高速串行接口。內置2.5V片內基準電壓源，也允許連接外部參考電壓。可采用±5V電壓供電。將芯片3個CONVST引腳連在一起，由FPGA芯片的PLL信號控制，可以實現六個ADC進行同步采樣。當BUSY信號變為低電平時表示數據轉換結束，FPGA選通和信號（/B= 0），通過并行總線依次讀出六通道的A/D轉換值。

4 系統軟件的設計與測試

系統軟件的功能主要是完成諧波的分析和有效值計算等工作，運算的數據量大而且要求速度快，適合采用FPGA來完成此類工作。人機交互和通信功能由Nios II處理器系統來完成。系統程序流程如圖3所示。

系統初始化包括FPGA初始化、數據存儲、傳輸串口、液晶初始化和AD轉換初始化。數據采集程序主要是控制A/D轉換器對CT/PT互感器輸出的模擬信號進行采樣，再將A/D轉換器輸出的數字信號送給數據處理程序，完成FFT運算、有效值計算和諧波分析等，從而得到電壓、電流有效值，以及各次諧波幅值等電網參數值，最后將運算結果存入RAM中，等待Nios II處理器的訪問。

本文利用Quartus II自帶的FFT IP核完成FFT運算，采樣數據的長度為512點，采用I/O數據流結構，不需要停止FFT IP核數據流的進出，允許輸入數據連續處理，輸出連續的復數流結果。系統初始化后，完成8個周波采樣點再進行第一次FFT運算，每次利用最新的1個周波采樣點和之前的7個周波采樣點完成下一次的FFT運算，這樣1秒就可以完成50次電網基波和諧波各項參數的檢測。

Nios II處理器系統的程序包括數據的后處理程序、設置程序、顯示程序和通信程序等。數據的后處理程序主要是完成對用戶邏輯區域的數據處理模塊結果進行處理，得到數據對應的真實值。設置程序主要是針對按鍵做出響應，包括設定供電電壓的偏差，設定電網諧波電壓的限值(%)、設定電力系統頻率的偏差和三相電壓的不平衡度。顯示程序將所測各個電參量的結果顯示在液晶顯示屏上。通信程序根據上位機的命令按要求將計算結果通過RS232協議發給上位機，上位機利用Matlab中的串行通信接口接收數據并做相應的處理。

圖3 程序流程圖

本文設計的產品已經通過實際測試，測試選用XL813標準諧波源，幅值為220V，頻率為50Hz的基波電壓，并在基波上疊加3~19次諧波，測試結果如表1所示。

表1 諧波信號檢測結果（電壓單位：V）

從表1可以看出，所測數據的誤差均滿足要求，符合GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》標準中B級測量儀器的精度要求，能較好的進行公共電網中諧波的檢測與分析處理工作。

5 小結

電力系統諧波檢測的速度和精度受多方面因素的影響，其中速度的主要因素就是所采用處理器的性能，而影響精度的主要因素是非同步采樣所造成的誤差。本文設計的基于FPGA的電力系統諧波智能檢測裝置很好的解決了上述兩個問題。該裝置由高精度的CT/PT傳感器采集電網諧波信號，經低通濾波器、AD轉換電路后，送FPGA檢測電網中諧波成分，將檢測結果發送至上位機并通過LCD顯示。經過現場測試，該系統穩定可靠，抗干擾能力強，測試數據準確，可以實時更新，具有一定的實用價值。

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圖7 110kV文三變實施實例

4 結論

高壓帶電顯示裝置是防止電氣誤操作的必要技術措施，文章介紹了一種基于避雷器泄漏電流式高壓帶電顯示裝置的設計原理、裝置組成以及裝置特點。針對該類型高壓帶電顯示裝置，總結以下幾點優缺點供施工人員參考：

（1）避雷器泄漏電流型高壓帶電顯示安裝簡單、維護方便：只需旁路避雷器引下線即可，不需要停電；穩定可靠：信號源從傳感器中間穿過，能夠不受相鄰相或者相鄰線路的電場的影響，可靠、準確地指示所測線路或設備的帶電狀態，杜絕了誤動和拒動；

（2）由于其信號源取自避雷器泄漏電流，對于未裝設避雷器線路間隔無法正常安裝施工；

（3）對于組合電器設備，電場感應型設備無法通過線路側閘刀進線感應電壓安裝高壓帶電顯示裝置，而避雷器泄漏電流型高壓帶電顯示裝置可以彌補此空白。

參考文獻

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劉睿（1973—），女，高級工程師，從事電氣設備狀態評價。