基于FPGA的電力諧波檢測(cè)設(shè)計(jì)

基于FFT算法的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)裝置，大多采用DSP芯片設(shè)計(jì)。DSP芯片是采用哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種CPU，運(yùn)算能力很強(qiáng)，速度很快;但是其順序 執(zhí)行的模式限制了其進(jìn)行FFT運(yùn)算的速度。而現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)在近年來(lái)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前已成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺(tái)之一。與DSP相比，FPGA最大的優(yōu)勢(shì)就是可以進(jìn)行并行計(jì)算。在進(jìn)行FFT 這類并行運(yùn)算為主的算法時(shí)，采用FPGA的優(yōu)勢(shì)不言而喻。用FPGA實(shí)現(xiàn)FFT算法進(jìn)行諧波檢測(cè)成為了一大熱點(diǎn)。

以往FPGA的設(shè)計(jì)主要依靠硬件描述語(yǔ)言來(lái)完成。Xilinx公司推出了專門針對(duì)實(shí)現(xiàn)DSP的設(shè)計(jì)軟件—System Generator。在使用FPGA為原型平臺(tái)運(yùn)行算法時(shí)，它不僅能夠?qū)τ布恼鎸?shí)情況進(jìn)行仿真，還能夠自動(dòng)生成硬件實(shí)現(xiàn)所需要的硬件描述語(yǔ)言代碼。與語(yǔ) 言設(shè)計(jì)相比，使用System Generator有三大優(yōu)勢(shì)：第一，圖形化操作，簡(jiǎn)單易用;第二，實(shí)現(xiàn)的算法能確保與仿真結(jié)果相符;第三，無(wú)需為仿真和實(shí)現(xiàn)建立不同的模型。因此，利用 System Generator可以大幅度減少用FPGA設(shè)計(jì)DSP的工作量，縮短開發(fā)周期[1,2]。

1 基于FPGA的諧波檢測(cè)模型的設(shè)計(jì)[3-5]

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)采樣電路部分：包括互感器及濾波電路、鎖相倍頻電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。

待測(cè)電壓、電流信號(hào)經(jīng)互感器調(diào)理電路轉(zhuǎn)化成便于采樣的低壓信號(hào)，經(jīng)濾波器濾除檢測(cè)范圍外的高次諧波、高頻干擾信號(hào)和噪聲;然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路，電壓、電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以用于計(jì)算的數(shù)字信號(hào)。鎖相倍頻電路用于跟蹤待測(cè)信號(hào)的頻率變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整周期采樣。

(2)如圖1所示，虛線框內(nèi)部分由FPGA實(shí)現(xiàn)。最主要部分就是控制單元和FFT模塊。控制單元主要由狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收到鎖相倍頻電路送來(lái) 的倍頻信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。A/D轉(zhuǎn)換器完成一次采樣，先將數(shù)據(jù)送入到FIFO模塊暫存，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到進(jìn)行FFT計(jì)算所需點(diǎn)數(shù)后，狀態(tài)機(jī)控制 FIFO模塊將數(shù)據(jù)送入FFT模塊進(jìn)行計(jì)算。為保證數(shù)據(jù)由A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入FPGA時(shí)的同步，A/D轉(zhuǎn)換電路中的時(shí)鐘由FPGA對(duì)開發(fā)板上的時(shí)鐘分頻后 提供。

FPGA部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。在Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，如圖2所示。模型的核心部分是FFT計(jì)算模塊(FFT v4_1)，圍繞它設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)data_in、數(shù)據(jù)輸出子系統(tǒng)(data_out)和控制單元模塊(st_ctr)。用simulink中的信 號(hào)模塊模擬出電壓u(t)、電流信號(hào)i(t)，考慮到后續(xù)數(shù)據(jù)輸出控制的設(shè)計(jì)，預(yù)留了中斷信號(hào)輸入INT(signal 3)，為便于仿真，其間隔時(shí)間與采樣時(shí)間同步。數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)主要用于對(duì)采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和暫存, 數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)的主要包括scale模塊、convert模塊和FIFO模塊。數(shù)據(jù)輸出子系統(tǒng)用于對(duì)FFT計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算出電壓、電流基波 及各次諧波的幅值和相位。

然后，搭建三相的電壓、電流諧波檢測(cè)模型(圖3)，其中包括了控制模塊(ST_MA、da_out_ctr)和三個(gè)子系統(tǒng)A、B、C，每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi) 均有一個(gè)單相諧波檢測(cè)模型?？刂颇KST_MA實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模型運(yùn)行時(shí)序的控制以及對(duì)硬件采樣電路的控制;da_out_ctr用于控制數(shù)據(jù)的輸出。