基于SOPC的電力參數測量系統(tǒng)設計*

仝戰(zhàn)營，郭 課，郭貝貝

（河南機電高等專科學校，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

傳統(tǒng)的電力參數測量裝置大多基于微處理器如MCU、DSP設計，基于流水線計算技術的DSP對海量數據的處理具有快速高效的優(yōu)異性能，然而只有規(guī)律的加減乘除等運算才容易實現流水線的計算方式。與DSP相比，FPGA在高速復雜邏輯處理方面有不可替代的優(yōu)勢，同時，單片FPGA能夠擁有超大規(guī)模的邏輯單元，并且具有獨特的硬件高速并行運算能力，因而在信號處理方面也顯示出突出的優(yōu)勢［1］。

SOPC(System On Programmable Chip)即可編程的片上系統(tǒng)，SOPC技術就是試圖將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速器系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數字系統(tǒng)等，在單一FPGA中實現。Altera公司NiosII軟核概念的提出及SOPC的軟硬件綜合解決方案，可以在Quartus II和NiosII IDE中進行軟硬件開發(fā)，從硬件和軟件整體設計上將嵌入式系統(tǒng)設計進行了極大的推動，使得嵌入式系統(tǒng)的硬件電路更加簡單、有效，易于理解;軟件設計變得輕松，移植性更強［2］。

本文即是研究利用Altera CycloneII FPGA構建SOPC系統(tǒng)實現電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的設計，實現對電網三相電路電壓、電流、功率、功率因數、諧波等電能質量參數的測量。

2 系統(tǒng)概述

2.1 電能質量檢測系統(tǒng)的基本原理

電能質量監(jiān)測主要是對電能質量各參數進行實時監(jiān)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～+5V的電壓信號、1～2mA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［3，4］。

2.2 基本算法原理

電能質量參數中最復雜的就是諧波的測量，基于傅里葉變換的諧波測量是當今應用最多也是最廣泛的一種方法，它由離散傅里葉變換過渡到快速傅里葉變換的基本原理構成［5］。模擬信號經采樣，離散化數字序列信號后，經處理器進行諧波分析和計算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得更多的信息，如諧波功率、諧波阻抗以及對諧波進行各種統(tǒng)計和分析等，各種分析計算結果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出［2，6］。

2.3 離散傅里葉變換

DFT是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，DFT變換是針對有限長序列信號進行傅立葉變換的一種數值分析方法，它的主要應用之一就是分析連續(xù)時間信號的頻率成分［7］。

設有限長序列信號 x(n)，n=0，1，…，N －1，則 x(n)的DFT變換為:

為了便于數值分析，在頻域Ω∈［0，2π］之間對X(jΩ)以2π/M的間隔均勻采樣M點，得

X(k)是時間序列的頻譜，WN稱為蝶形因子。對于N點時域采樣值，經過上式的計算，就可以得到N個頻譜條，這就是離散傅里葉(DFT)。在N較大時，DFT計算量較大，可利用快速傅里葉變換(FFT)算法，它將計算量從N2數量級降低到Nlog2N的數量級，可大大方便 DFT 的計算［8，9］。

根據FFT運算后所得到的各次實部和虛部，即可計算出各次諧波的幅值、功率因數、各次諧波含量、諧波總畸變率、有功功率、無功功率等［10］。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計可以概括為五大部分:電網輸入信號的采集與信號調理部分、將模擬信號轉換為數字信號的高速A/D部分、鎖相環(huán)同步采樣控制單元、基于SOPC的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺和鍵盤液晶顯示人機界面部分。硬件總體結構及信號流程如圖1所示，整個硬件系統(tǒng)將實現如下功能:將電網信號采集并進行調理后采樣，然后對采樣信號進行運算和處理，最后由顯示設備進行顯示，系統(tǒng)的數字處理和控制部分在一片FPGA芯片上基于SOPC技術實現。

基于SOPC實現的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構如圖2所示，在FPGA內部構建SOPC系統(tǒng)平臺，主要包括NiosII CPU及其外設、快速傅立葉變換(FFT)模塊、自定義的AD采樣控制模塊、頻率測量模塊等，并由Avalon總線實現上述各模塊的互聯(lián)。NiosII嵌入式軟核處理器作為主控器，控制A/D采樣及數據輸出顯示等功能。FFT運算處理單元采用Altera公司提供的IP運算核，該IP采用先進的多層并行流水線技術，可以在10μs內完成128點單精度浮點數FFT運算。該系統(tǒng)可并行地對6路電網輸入信號進行FFT運算處理。A/D采樣單元使用16位ADS8364實現對6路信號同時掃描采樣功能，并利用外部模擬鎖相環(huán)實現同步采樣控制。A/D采樣單元對輸入的工頻信號每周期采樣128點，精確變換成16位的數字量;FFT運算處理單元負責處理緩存單元輸出的數字量，進行128點FFT變換及運算;控制單元負責系統(tǒng)各個單元的控制，如控制A/D采樣單元的采樣頻率和采樣的啟動及停止、FFT運算處理單元的控制和數據傳輸、PLL電路的輸出頻率控制和其他外設資源的控制。該系統(tǒng)提供了串口轉USB接口，可以直接與計算機通信。用戶可以通過上位機進行控制或進行數據傳輸，也可直接在計算機上進行控制數據查閱。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要分為兩大部分:

1)利用QuartusII和DSP Builder構建 NiosII CPU系統(tǒng)，主要包括:

①基于Verilog HDL語言編寫各功能控制模塊;

②基于SOPC Builder構建NiosII CPU及其外設;

③利用DSP Builder構建FFT諧波分析模塊，其輸入信號控制時序如圖3所示。

圖3 FFT輸入信號控制時序

2)利用NiosⅡIDE完成系統(tǒng)控制與算法編寫

進入NiosⅡIDE后新建一個應用工程，選擇ptf文件和Black Project，這樣一個基于已有SOPC的空白應用工程建立完畢。然后在System Library里進行必要工程設置。接著將電能參數算法的C程序填入工程里，再進行軟件的編譯調試等。調試完畢后，一并將所有程序與可執(zhí)行文件全下載到FPGA上。系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示，至此，一個基于NiosⅡ的電能質量監(jiān)測SOPC設計完成。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結果分析

電能質量檢測結果主要包括三相電壓、電流、功率、頻率、三相電壓不平衡度、諧波、閃變的測量數據以及誤差分析等，現以三相電壓的諧波分析數據為例，結果如表1所示。

?

由表中數據可得，經過該FFT模塊運算和數據處理，能夠有效分解出各次諧波幅值和相位，處理精度符合預期，結果表明其輸入信號的時序邏輯控制是正確的。

6 結語

本設計采用自上而下和層次化、模塊化的方法進行系統(tǒng)設計，構建了SOPC系統(tǒng)平臺，通過軟硬件協(xié)同設計，實現電能質量監(jiān)測和系統(tǒng)控制。通過對電網輸入的三項電壓、電流信號進行采集并實時處理，并經由二次計算測量出電壓和電流有效值、功率、功率因數、頻率、諧波等電能質量參數。具有靈活的可重構性，集成度高，開發(fā)周期短，設計工程成本低，可擴展強等優(yōu)點。

［1］江國強.SOPC技術與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］侯長宏，袁慧梅等.基于sopc的電能諧波測量系統(tǒng)的設計［J］.微計算機信息.2008，(2):155 －157.

［3］劉堯虎，何飛舟.基于32位NiosⅡ軟核系統(tǒng)的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.電子技術應用，2010，(2):50 －55.

［4］郭磊.電能質量實時監(jiān)測裝置的研究與設計［D］.西安:西安科技大學，2008.

［5］侯凡.基于SOPC技術的電能質量監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［6］徐光輝，程旭東.基于FPGA的嵌入式開發(fā)與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［7］華清遠見嵌入式培訓中心.FPGA應用開發(fā)入門與典型實例［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［8］江冰，張卓.鎖相倍頻采集技術在電力系統(tǒng)諧波測量中的應用［J］.電子測量與儀器學報，2004，(18):904－906.