基于FPGA的谐波分析仪

随着各种非线性电力电子设备的大量应用，电网中的谐波污染日益严重。为了保证电力系统的安全经济运行，保证电气设备和用电人员的安全，治理电磁环境污染、维护绿色环境，研究实时、准确的电力谐波分析系统，对电网中的谐波进行实时检测、分析和监控，都具有重要的理论和工程实际意义。 目前实际应用的电力谐波分析系统大多是以单片机为核心组成。单片机运行速度慢，实时性较差，不能满足实际应用中对系统实时性越来越高的要求。另外，单片机的地址线和数据线位数较少，这使得由单片机构成的电力谐波分析系统外围电路庞大，系统的可靠性和可维护性上都大打折扣。 本文首先研究了电力谐波的产生，危害及国内外研究现状，对电力谐波检测中常用的各种算法进行分析和比较；然后介绍了FPGA芯片的特性和SOPC系统的特点，并分析比较了传统测量谐波装置和基于FPGA的新型谐波测量仪器的特性。综述了可编程元器件的发展过程、主要工艺发展及目前的应用情况。 然后，对整个谐波处理器系统的框架及结构进行描述，包括系统的功能结构分配，外围硬件电路的结构及软件设计流程。其后，针对系统外围硬件电路、FFTIP核设计和SOPC系统的组建，进行详细的分析与设计。系统采用NiosⅡ处理器核和FFT运算协处理器相结合的结构。FFT运算用专门的FFT运算协处理器核完成，使得系统克服的单片机系统实时性差和速度慢的缺点。FFTIP核采用现在ASIC领域的一种主流硬件描述语言VHDL进行编写，采用顺序的处理结构和IEEE浮点标准运算，具有系统简单、占用硬件资源少和高运算精度的优点。谐波分析仪系统组建采用SOPC系统。SOPC系统具有可对硬件剪裁和添加的特点，使得系统的更简单，应用面更广，专用性更强的优点。最后，给出了对系统中各模块进行仿真及系统生成的结果。