尹其畅 基于FPGA的嵌入式电能质量监测系统的研究与开发.docx

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尹其畅基于FPGA的嵌入式电能质量监测系统的研究与开发

摘要

随着国民经济的迅速发展，用电负荷快速增加，其中非线性负荷更是增加迅猛。

这些负荷在提高生产力的同时，也恶化了电力系统的电能质量，而用电设备对供电电网的可靠性和安全性要求越来越高，因此需要对电网的各种运行参数进行实时监测，并根据检测的数据分析电网的运行质量，来预防因供电质量引起的用电设备故障和生产事故。

本文综述了电能质量相关的概念及标准，根据我国制定的电能质量标准的主要几个方面内容，分析了产生电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变、三相电压不平衡等影响电能质量的原因，及其可能对用电设备造成的危害，详细说明了各电能指标的测量方法，并在此基础上完成了对各电能质量指标参数测量的软件编写。

本系统使用创ⅡERA公司的FPGA作为电能质量监测系统的数据处理器件，FPGA内部模块电路全部使用Verilog．HDL语言编写，同时引入了NiosII软核处理器，使得电能质量分析算法可以完全用C语言实现，简化了应用系统软件的设计，具有较高的灵活性，同时提高了软件的可重用性，减少软件的重复开发，提高了应用算法的研发效率。

本文对FPGA相关的软硬件设计作了详细的介绍。

通过试验证明了软件设计的正确性，同时验证了在电能质量分析装

置中完全采用FPGA作数据处理的可行性。

关键字：

电能质量；FPGA；NiosII；FFT；闪变

TheResearchandDevelopmentofEmbeddedPowerQuality

MonitoringSystemBase011FPGA

ABSTRACT

Thenumberofelectro．10adiSincreasingalongwiththequickdevelopmentofthenationaleconomy,especiallyforthenonlinearload．Buttheloadsaredeterioratingthepowerqualityofthepowersystem，whilethoseloadsincreaseproductivity．Andit’SmoreandmoreimpoIrtantthatthedependabilityandsecurityofsupplyingpowernetworkarerequiredfortheconsumingpowerequipment，whichneedstomonitorallkindsofoperationparametersofthepowernetworkinrealtime，andpreventsthepowerconsumingequipmentfailureandproductionaccidentcausedbypower

supplyqualityaccordingtotherunningqualityofthedataanalysispower

networkmeasured．

Thedefinitionandthestandardofthepowerqualityaredissertedinthepaper．Accordingtoseveralmainlyrespectsofthestandardofpowerqualitymadeinourcountry,thepaperanalyzesthereasonswhythephenomenaofvoltagedeviation，frequencydeviation，harmonycontent，uneveninvoltagethree—phase，voltagefluctuationandflickerwerehappened．Allthesefactorsprobablycausepowerconsumingequipmentfailureandproductionaccident．Themethodsofmeasuringallindexesofpowerqualityarealsointroduceddetailedlyinthepaper．Atthelastpartofthepaper,compilingtheprogramfilesofallindexesofpowerqualityisaccomplished．

FPGAisusedasthedigitalsignalprocessorofthePQMsystem，whichismadeinALTERAcompany．ThehardwaremodelinFPGAiscompiledbyusingverilog—HDLlanguage，thedesignofapplicationsoftwareissimplifiedbyusingClanguagetocompiletheprogramfilesandtheNiosIIprocessor．Theprogramcanbetransplantedeasily,thatishelpfultOlmprovethecompiledefficiencyofthearithmeticandtoimprovethereusedabilityofthesoftwarewhichcanreducethenumberoftherewritingsoftware

Experimentationsprovedtheexactnessofthesoftwaredesign，alldverifiedthefeasibilityofusingFPGAprocessdigitalinthepowerqualityanalyticalinstrument．

Keywords：

Powerquality；FPGA；NiosII；FFT；Flicker

目录

第一章结论……………………………………………………………………………………4

1.1课题研究背景和意义……………………………………………………………4

1.2电能质量监测技术的发展现状…………………………………………………5

1.3本文研究的主要内容……………………………………………………………7

第二章电能质量的各项指标及测量…………………………………………………………8

2.1电能质量相关概念…………………………………………………………………8

2.2电能质量的标准……………………………………………………………………9

2.2.1IEEE电能质量标准…………………………………………………………9

2.2.2IEC电能质量标准…………………………………………………………9

2.2.3我国电能质量标准………………………………………………………9

2.3电能质量各项指标的测量方法…………………………………………………10

2.3.1电压测量偏差的测量…………………………………………………11

2.3.2频率偏差的测量………………………………………………………11

2.3.3谐波的测量………………………………………………………………12

2.3.4波动与闪变的测量………………………………………………………14

2.3.5三相电压不平衡度得测量………………………………………………17

第三章电能质量监测系统的硬件设计………………………………………………………19

3.1硬件设计整体方案…………………………………………………………………20

3.1.1选择FPGA的优势……………………………………………………………21

3.1.2嵌入式微处理器的选择……………………………………………………21

3.2硬件模块设计………………………………………………………………………22

3.2.1数据采集电路设计…………………………………………………………22

3.2.2外部存储器扩展电路设计…………………………………………………24

3.3基于FPGA的嵌入式系统……………………………………………………………25

3.3.1NiosⅡ处理器系统………………………………………………………25

3.3.2SOPC设计流程………………………………………………………………27

3.4NiosⅡ软核的设计………………………………………………………………28

3.5FPGA内部模块的设计………………………………………………………………29

3.5.1频率测量模块………………………………………………………………30

3.5.2ADS0控制器…………………………………………………………………30

3.5.3ADS1控制器…………………………………………………………………32

第四章电能质量监测系统的软件设计………………………………………………………34

4.1软件设计整体方案…………………………………………………………………36

第五章结束语…………………………………………………………………………………38

第1章绪论

随着科学技术和社会经济的飞速发展，电能作为现代社会中最为重要的二次能源，应用越来越广泛，其应用程度已经成为一个国家发展水平的主要标志之一，与此同时，各行各业对电力系统供电质量的要求也越来越高，电能质量对电力系统电网和电气设备的安全、经济高效运行，产品质量保证以及维护人们日常生产和生活的正常秩序都有着重要意义，因此电能质量问题也越来越受到人们的关注。

1．1课题研究的背景和意义

一方面，由于高压直流输电系统的应用和大量的变频器、整流器、电弧炉等非线性负荷的接入，使得电网中的谐波污染情况日益严重，谐波含量不断增加；由于电气化铁路、电弧炉和电焊机等单相大容量负荷在三相系统中的容量和电气位置的分布不合理，使得局部电网的三相不平衡情况比较严重；由于大容量轧钢机、电弧炉等冲击性负荷的接入，使得电网中电压波动与闪变现象时有发生。

这些问题的存在使电力系统的电能质量受到了严重的影响和威胁，使公用电网供电质量日益恶化，甚至发生因谐波干扰而引发的安全事故，严重地威胁着电力系统的安全和经济运行。

另一方面，近年来大量对电能质量敏感的精密仪器和设备在电力系统中得到了广泛的应用，由电能质量低劣造成的经济和社会损失日益增加。

例如，半导体制造业对于当今经济社会是十分重要的，一个芯片的生产过程需要较长的时间，其中一个持续80毫秒的电压暂降就会造成上百万美元的损失。

与我们日常生活息息相关的塑料、化工行业，需要使用大容量的电机及驱动装置，生产工艺过程需要连续不断地运行，一旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需要花费很长的时间来重新启动，在这个过程中可能会造成数十万美元的损失。

而电能质量对于商业及数据处理中心的正常运行是至关重要的，一个短暂的电压暂降或电压中断就会使他们丢失很多重要的数据，给国民经济带来无法估量的损失。

据美国官方统计，近20年来全球范围内因电能质量引起的重大电力事故己达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元。

随着各国电力市场的逐步建立、成熟，电能作为一种特殊的商品己经不可避免地迈入市场化的大门，在电力市场这个开放竞争的环境中，电能的质量与其经济效益结合得更加紧密。

因此，电能质量问题己不仅仅是一个电力行业的专业技术问题，还是一个重要的经济问题，对各国经济的发展起着重要的作用，逐渐成为了发、供、用电部门共同关注的重要问题。

而要解决电能质量问题，首先就需要建立电能质量各项指标的监测和分析系统，并对其进行正确地检测、定位、评估和分类。

很显然，测量是解决这一问题的第一步：

通过测量获得电能质量各项指标的基础数据，对各种数据进行分析处理，从中发现规律，为最终解决电能质量问题提供依据。

只有及时、准确的监测电能质量的各项指标并对其进行分析、统计，才能找出电能质量存在的问题及其严重程度，从而得出治理和改善方法，而采取的治理和改善方法是否有效也只能由测量结果来验证，因此对电能质量监测系统进行研究和开发具有积极的现实意义。

1．2电能质量监测技术的发展现状

电能质量问题已引起各国的广泛重视，各国均在加强有关电能质量问题的研究，尤其是在工业发达国家，电能质量问题己被视作电力系统的一个重要问题。

早在1992年7月，欧洲电工标准化委员会（CENELEC）就颁布了《公用配电系统供电特性文件》（CENELECCLCBT．TF686（sec）15），作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准。

相应地，以IEEEStd519．1992和IEEEStd1100．1992等为代表的美国标准也较为详细地规定了电力系统谐波、电压缺口、闪变等现象的定义、测量以及减轻的措施。

1993．1995年，美国EPRI在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，得到了大量的电能质量数据，并组织开发了电能质量诊断系统PQDS（PowerQualityDiagnosticSystem）。

1996年IEEE每两年召开一次的电力谐波国际学术会议（ICHPS）更名为电力谐波与电能质量国际学术会议（ICHQP），把电能质量提高到一个新的高度来认识。

相对国外而言，我国国家技术监督局也发布了相关的国家标准：

《电能质量供电电压允许偏差》（GB／T12325．2003）、《电能质量电力系统频率允许偏差》（GB／T15945．1995）、《电能质量公共电网谐波》（GB／T14549．93）、《电能质量供电电压允许波动闪变》（GB／T12326．2000）、《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB／T15543．1995）等，这些标准对电力系统中电网质量的测量方式、测量精度及测量数据的处理等问题做出了规定和说明。

目前国内外所采用的电能质量分析方法大致有三种：

（1）时域仿真方法。

该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。

目前通用的时域仿真程序主要有EMTP、NETOMAC、BPA

等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB等电力电子仿真程序。

这些仿真程序在不断的发展中，其功能日益强大，还可以利用它们进行电力设备、元件的建模和电能质量波形分析。

（2）频域分析方法。

该方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算等。

考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算方法，即在常规的谐波潮流计算基础上，利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波电流矢量，从而得到谐波潮流。

（3）基于变换的方法。

这里主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法和WaveletTransforill小波变换方法。

电能质量的监测方式大致也有三种：

（1）专门测量，即对各种干扰负荷或补偿设备在接入电网前后，测量这些设备对电网电能质量各项指标的影响，通过与国家相关标准相对照，决定其是否可投入运行。

（2）定期或不定期测量，即针对普通电力干扰源，根基干扰的大小、危害程度和需要等采取定期或不定期的监测方式。

定期监测多用于电网电能质量的定期普查，主要目的是全面了解电网的电能质量水平和干扰源的特性。

不定期监测主要是针对电力用户的特殊电能质量问题进行监测分析。

（3）在线监测，也称为连续监测、全过程监测或日常监测，即对于大型干扰源必须按照国家标准对电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压波动与闪变等指标进行连续跟踪监测。

近年来，发达国家在研制和使用电能质量监测仪方面发展较为迅速，仪器的性能先进，适用范围广，且耐用可靠，但价格较为昂贵，在测量功能、测量通道和数据齐全等方面也存在不同程度的缺陷。

相比之下国内电能质量测量仪器价格较低，但是制造工艺较差，可靠性和精度方面尚未通过严格考核，大多数厂家采用的是单片机或工控机结构，性能单一、通用性和扩展性差、开发和维护相对复杂，对电能质量各项指标的监测大多数还处在专门监测和定期或不定期监测阶段，不能形成对电能质量的长期连续监测，在电能质量问题日益严重的今天，电能质量监测装置和技术应向在线监测方向发展，．并形成网络化，对各地区的多个监测点进行全面的监测分析，建立起能够真正表征电能质量的数据库。

国外著名的电能质量分析仪制造商如美国的Fluke，它的产品功能繁多，价格昂贵，难以为国内绝大多数企业接受，因此，提高电能质量监测的新技术、新装置已成为近年来我国电力系统研究领域中新的研究热点。

随着电力体制和电力市场化改革的深入进行，国内电力相关部门以及很多学术单位都已经开始了新型电能质量监测系统的设计和研制。

1．3本文研究的主要内容

基于FPGA的嵌入式电能质量监测系统是利用计算机技术，SOPC（SystemOnProgrammableChip）技术和网络通信技术，组建的一套电能质量在线监测网络，能够对供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、电压允许波动与闪变、三相电压允许不平衡度等电能质量参数进行在线监测、实时分析和处理。

因为系统是建立在网络平台上，也可以对被测区域内各变电站所有测量点的数据进行收集汇总处理，以分析电网谐波的变化规律，为预先解决电网电能质量故障隐患，事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保证。

论文主要工作包括：

（1）硬件电路的设计，主要包括9通道数据采集模块电路设计、数据存储模块电路设计、及FPGA相关模块电路设计等；

（2）在FPGA上搭建基于NiosII的嵌入式系统平台，主要包括NiosII软核CPU的设计，以及相关外围设备IPcore的设计；

（3）用C语言在NiosII嵌入式系统平台上实现电能质量分析算法，主要包括谐波分析、闪变计算、三相不平衡度的计算等；

（4）实现数据的存储与传输。

第2章电能质量的各项指标及测量

为了系统地了解、分析研究电能质量现象，并能够对电能质量引起的问题或测量结果进行分析和判断，从而找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，将电能质量现象进行科学、合理的分类和给出相应的定义或规定是很重要的。

2．1电能质量相关概念

一个理想的电力系统应以恒定的频率（50Hz或60Hz）和正弦波形，按规定的电压水平（标称电压）对用户供电。

在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等，相位互差120。

的对称状态。

由于系统各元件（发电机、变压器、线路等）参数并不是理想线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电器设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量（PowerQuality）的概念。

IEC（国际电工委员会）标准将电能质量定义为：

导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。

参照文献IEEE_STDl100．1992，各种主要电能质量问题的现象定义如下：

（1）电压闪变（Flicker）：

输入电压的波动持续时间足以影响到电灯亮度，使之可以被人肉眼观察到。

（2）频率偏差（FrequencyDeviation）：

电网频率的增加或减少。

频率变动的持续时间可从几个周期到几个小时。

（3）电压电流谐波畸变（HarmonicDistortion）：

相对于纯粹正弦波的畸变。

（4）电力中断（Interruption）：

在一段时间内电压小于0．1UN（额定电压），持续时间在半个周波到3s之间为瞬时中断（MomentaryInterruption），持续时间在3s到lmin之间为短时中断（TemporaryInterruption），其余为持续中断。

（5）电压缺口（Notch）：

由于开关（或其它）对正常电压波形产生扰动，持续时间小于半个周期。

（6）跌落（Sag）与欠电压（Under-voltage）：

交流电源有效值减少，前者持续时间从半个周期到lmin，电压降为（0．1．0．9）UN；后者大于lmin，幅度（O．8—0．9）UN。

（7）电压上凸（Swell）与过电压（Over-voltage）：

交流电压有效值的

增加，持续时间前者为半个周期到1min，有效值为（1．1．1．8）UN；后者则

大于lmin，有效值为（1.1-1.2）UN。

2．2电能质量的标准

目前在国际上流行的主要有两大电能质量标准，分别是IEEE标准

和IEC标准，我国在参考两大电能质量标准的基础上，结合自己国家的

国情，制定出自己的电能质量标准。

2．2．1IEEE电能质量标准

IEEE关于电能质量的标准主要有：

（1）IEEEStd1100—1992：

（2）IEEEStd519—1992：

（3）IEEEStd1159—1995。

2．2．2IEC电能质量标准

1989年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。

1992年7月欧洲电工标准化委员会（CENELEC）正式颁布《公用配电系统供电特性文件（CENELEC／BT。

TF686（sec）15）》，作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准，并已为国际电工委员会（IEC）采用。

标准共分为5大类13个标准，包括频率、电压（电压偏差、电压波动及闪变、短时和长期停电、暂态过电压）、电压不平衡、电压波形以及电源的信号电压等。

2．2．3我国电能质量标准

我国关于电能质量的指标主要有以下几个方面：

（1）电压偏差，参见《电能质量供电电压允许偏差》（GB／T12325．2003）；

（2）频率偏差，参见《电能质量电力系统频率允许偏差》（GB／T15945．1995）；

（3）谐波含量，参见《电能质量公共电网谐波》（GB／T14549．93）；

（4）电压波动和闪动，参见《电能质量供电电压允许波动闪变》（GB／T12326．2000）；

（5）三相电压不平衡，参见《电能质量三相电压允许不平衡度》（GB／T15543．1995）；

（6）瞬态过电压，参见《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》（GB／T18481．2001）。

以上这些指标即是电能质量的技术性指标，是从供电是否合格的角度提出的。

2．3电能质量各项指标的测量方法

针对我国目前对电能质量的研究、分析和监测，电能质量指标应该包括供电电压偏差、电力系统频率偏差、公用电网谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、暂态或瞬态过电压、电压暂降与短时中断以及供电可靠性等几个方面。

电能质量标准中虽然不包括功率及功率因数的检测指标，但是有功功率、无功功率、视在功率、功率因数以及电压、电流有效值都是电力系统的重要参数。

它们的测量通常采用数字化方法，即对三相电压、电流分别进行等间隔采样，采样频率必须符合采样定理，可得到离散化序列‰）、纯），则电压有效值和电流有效值的计算公式分别为：

式中，Uk——第k个时间间隔的电压采样值；

ik——第k个时间间隔的电流采样值；

N——一个周期内的采样点数。