基于FPGA的新型谐波分析仪设计

    关键词：FPGA Verilog HDL Nios 谐波分析仪 实时操作系统

引言

随着节能技术和自动化技术的推广，电力电子装置如变频设备、变流设备等，容量日益扩大，数量日益增多，使电网中的谐波污染日益严重，给电力系统和各类用电设备带来危害，轻则增加能耗，缩短寿命，重则造成用电事故，影响安全生产。因此，消除谐波污染，把谐波含量控制在允许范围内，已成为主管部门和用电单位的共同奋斗目标。

目前，电力系统中的谐波源，不但类型多，而且分布广，用户电网中的谐波电流可能来自本身的非线性设备，也可能来自外线路，如不加以区分将给谐波治理造成困难。因此进行谐波治理之前，必须要了解电网中谐波的次数及其含量，即必须进行谐波的测试。谐波测量是谐波问题的一个重要分支，它是谐波问题研究的主要依据，也是研究分析问题的出发点。

当前谐波测量的主要方式有3种。

图1

    （1）采用模拟滤波器的谐波测量

最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。即采用带阻滤波器将基波分量滤波，得到谐波分量；或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测量相减得到谐波分量。该检测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。但也有很多缺点，如精度不高、误差较大等。

（2）基于傅里叶变换的谐波测量

随着计算机和微电子技术的发展，基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广的一种方法。它的核心理论建议在傅里叶变换的基础上。根据傅里叶变换理论，将模拟信号采信变成离散化数字序列信号后，输入微型计算机进行傅里叶变换，计算得到基波和频率为基波频率整数倍的多次谐波的幅值和相位，然后将计算获得的数据显示在屏幕上或存放在磁盘中供将来统计使用。

（3）利用小波分析方法的谐波测量

小波分析作为调和分析的重大进展，克服了傅里叶变换的频域完全局部性，而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域同时具有局部性。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，利用多分辨的概念，将低频段（高尺度）上的结果看作不含谐波的基波分量。基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，同时由于其计算速度快，能快速跟踪谐波的变化。小波变换应用在谐波测量方面尚处于初始阶段。

图2

    目前市场主流的谐波测量仪器均基于快速傅里叶变换理论基础。将输入的模拟量电流电压通过A/D采样环节变换成离散的数字量，然后进行快速傅里叶变换，计算获得基波和各次谐波的复数值，然后根据国家标准计算相应的谐波指标并显示最终结果。基于FFT的谐波时域测量仪器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。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。其缺点在于成本过高、难以扩展输入通道数、运算时消耗系统资源大。就广大电力系统用户而言，对成本低廉、运算快速、易于进行通道扩展的谐波分析仪有强烈的市场需求。

本文给出了种基于FPGA的新型谐波测量仪，该仪器集成了A/D采样单元、FFT运算处理单元、显示单元和网络通信单元。系统使用FPGA内部实现的处理器Nios作为系统的嵌入式处理器，来控制14位高速A/D采样芯片、FFT运算核和实现网络通信功能、显示功能。其FFT运算处理单元核心为基于FPGA的FFT运算核，采用先进的多层并行流水线技术，可以在200μs内完成1024点的标准单精度浮点数FFT运算，理论上可以实现8路工频输入信号的FFT运算处理；A/D采样单元使用14位高速A/D采样芯片实现8路信号扫描采样功能，并利用锁相环实现同步采样；显示单元为LCD显示屏；网络通信基于Ethernet和RS485，使用RFC 1600规范。该系统成本低廉，易于扩展、处理能力强大、可测量8路输入信号50次以内谐波，精度可以达到GB/T 17626.7规定的A级测量仪器精度要求。

1 系统总体设计

系统总体结构如图1所示。

该系统从结构上分为CT/PT变送单元、A/D采样单元、FFT运算处理单元、控制单元、显示单