基于NiosⅡ的电能质量监测系统设计(1)

在电力系统的电能质量参数检测中，利用可编程逻辑器件的可在线编程特点和SoPC的技术优势，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ软核系统，探讨了处理谐波数据的FFT算法和硬件系统结构的设计，可实现对电能信号的采集、处理、存储与显示等功能，达到了实时系统的要求。

引言

电能质量监测系统大多以微控制器或(与)DSP为核心的软硬件平台结构以及相应的设计开发模式，存在着处理能力不足、可靠性差、更新换代困难等弊端。本文将SoPC技术应用到电力领域，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ软核系统。可实现对电能信号的采集、处理、存储与显示等功能，实现了实时系统的要求。

1 系统概述

1.1 电能质量检测系统的基本原理

电能质量监测主要是对电能质量各参数进行实时监测和记录，其功能流程为：把电网中的电压、电流经过PT、CT变成-5～+5 V的电压信号、1～2 mA的电流信号，预处理后进行采样，对采样值进行数据处理，处理结果可以存储在数据存储单元，也可以通过通信模块与计算机终端进行通信，根据需要控制且查看处理结果。其系统基本原理方框图如图1所示。

图1 系统基本原理方框图

1.2 算法介绍

本文在处理谐波数据时，采用基2的DIT方式的FFT算法。传统的基2算法的蝶形图中输入采用的是按码位颠倒的顺序排放的，输出是自然顺序。同一位置不同级的蝶形的输入数据的位置不固定，难以实现循环控制，用FPGA编程时难以并行实现，通过对传统的基2蝶形图分析，调整其旋转因子的位置，使得各级蝶形图一致，如图2所示，可以实现循环控制。

图2 蝶形图

这种结构的输入是顺序的，而输出是位反码的，每级的旋转因子都是放在FPGA的片内ROM里的。调整后的旋转因子的寻址有一定规律，对于N点的 FFT(N=2k，K为级数)，旋转因子有，…，，共N/2个，将他们按位码倒序的形式排成一个含有N/2个元素的数组，记为：，，则第i级 (i=O.1，2，…，K-1)的旋转因子排列顺序是W(O)，W(1)，W(2)，…，W(2i)重复2k-i-l次得到的。其特点是每级的输入、输出数据的顺序是不变的，因此每级几何结构是固定的。用这种结构寻址方便，易于用FPGA编程，实现内部并行的FFT硬件结构，从而明显加快FFT的运算速度。

2 电能质量检测系统硬件设计

2.1 A/D转换器

根据实测数据，如果采用12位分辨率的A/D转换芯片，对15次谐波而言至少会引起1.67%的误差，而在实际谐波测量中一般测到30次或更多次谐波，因此现场监测单元中A/D转换器的分辨率应保证为14位或14位以上。本文采用AD73360作为采样系统的模数转换芯片。它的六路输入通道可被分为三对，以分别对应电力系统中的三相。该芯片可以8 kHz，16 kHz，32 kHz，64 kHz的采样速率同时进行六通道的信号采样。AD73360可满足装置对高速采样的要求。AD73360与FPGA的连接如图3所示。

图3 AD73360与FPGA的连接