基于NiosⅡ的電能質量監測系統設計

在電力系統的電能質量參數檢測中，利用可編程邏輯器件的可在線編程特點和SoPC的技術優勢，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ軟核系統，探討了處理諧波數據的FFT算法和硬件系統結構的設計，可實現對電能信號的采集、處理、存儲與顯示等功能，達到了實時系統的要求。

　　引言

　　電能質量監測系統大多以微控制器或(與)DSP為核心的軟硬件平臺結構以及相應的設計開發模式，存在著處理能力不足、可靠性差、更新換代困難等弊端。本文將SoPC技術應用到電力領域，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ軟核系統。可實現對電能信號的采集、處理、存儲與顯示等功能，實現了實時系統的要求。

　　1 系統概述

　　1.1 電能質量檢測系統的基本原理

　　電能質量監測主要是對電能質量各參數進行實時監測和記錄，其功能流程為：把電網中的電壓、電流經過PT、CT變成-5～+5 V的電壓信號、1～2 mA的電流信號，預處理后進行采樣，對采樣值進行數據處理，處理結果可以存儲在數據存儲單元，也可以通過通信模塊與計算機終端進行通信，根據需要控制且查看處理結果。其系統基本原理方框圖如圖1所示。

　　1.2 算法介紹

　　本文在處理諧波數據時，采用基2的DIT方式的FFT算法。傳統的基2算法的蝶形圖中輸入采用的是按碼位顛倒的順序排放的，輸出是自然順序。同一位置不同級的蝶形的輸入數據的位置不固定，難以實現循環控制，用FPGA編程時難以并行實現，通過對傳統的基2蝶形圖分析，調整其旋轉因子的位置，使得各級蝶形圖一致，如圖2所示，可以實現循環控制。

　　這種結構的輸入是順序的，而輸出是位反碼的，每級的旋轉因子都是放在FPGA的片內ROM里的。調整后的旋轉因子的尋址有一定規律，對于N點的FFT(N=2k，K為級數)，旋轉因子有，…，，共N/2個，將他們按位碼倒序的形式排成一個含有N/2個元素的數組，記為：，，則第i級(i=O.1，2，…，K-1)的旋轉因子排列順序是W(O)，W(1)，W(2)，…，W(2i)重復2k-i-l次得到的。其特點是每級的輸入、輸出數據的順序是不變的，因此每級幾何結構是固定的。用這種結構尋址方便，易于用FPGA編程，實現內部并行的FFT硬件結構，從而明顯加快FFT的運算速度。

　　2 電能質量檢測系統硬件設計

　　2.1 A/D轉換器

　　根據實測數據，如果采用12位分辨率的A/D轉換芯片，對15次諧波而言至少會引起1.67%的誤差，而在實際諧波測量中一般測到30次或更多次諧波，因此現場監測單元中A/D轉換器的分辨率應保證為14位或14位以上。本文采用AD73360作為采樣系統的模數轉換芯片。它的六路輸入通道可被分為三對，以分別對應電力系統中的三相。該芯片可以8 kHz，16 kHz，32 kHz，64 kHz的采樣速率同時進行六通道的信號采樣。AD73360可滿足裝置對高速采樣的要求。AD73360與FPGA的連接如圖3所示。

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