（信号与信息处理专业论文）基于fpga的电力系统谐波检测装置的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，人们对电力需求特别是电能质量的要求越来越高。但由 于非线性负荷大量使用，却带来了严重的电力谐波污染，给电力系统安全、稳 定、高效运行带来严重影响，给供用电设备造成危害。如何最大限度的减少谐 波造成的危害，是目前电力系统领域极为关注的问题。谐波检测是谐波研究中重 要分支，是解决其它相关谐波问题的基础。因此，对谐波的检测和研究，具有 重要的理论意义和实用价值。 目前使用的电力系统谐波检测装置，大多基于微处理器设计。微处理器是 作为整个系统的核心，它的性能高低直接决定了产品性能的好坏。而这种微处 理器为主体构成的应用系统，存在效率低、资源利用率低、程序指针易受干扰 等缺点。由于微电子技术的发展，特别是专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计技术的发展，使得设计电力系统谐波检测专用的 集成电路成为可能，同时为谐波检测装置的硬件设计提供了一个新的发展途径。 本文目标就是设计电力系统谐波检测专用集成电路，从而可以实现对电力系统 谐波的高精度检测。采用专用集成电路进行谐波检测装置的硬件设计，具有体 积小，速度快，可靠性高等优点，由于应用范围广，需求量大，电力系统谐波 检测专用集成电路具有很好的应用前景。 本文首先介绍了国内外现行谐波检测标准，调研了电力系统谐波检测的发 展趋势；随后根据装置的功能需求，特别是依据其中谐波检测国标参数的测量 算法，为系统选定了基于f p g a 的s o p c 设计方案。 本文分析了电力系统谐波检测专用集成电路的功能模型，对专用集成电路 进行了模块划分。定义了各模块的功能，并研究了模块间的连接方式，给出了 谐波检测专用集成电路的并行结构。设计了基于f p g a 的谐波检测专用集成电 路设计和验证的硬件平台。配合专用集成电路的电子设计自动化( e d a ) 工具 构建了智能监控单元专用集成电路的开发环境。 在进行f p g a 具体设计时，根据待实现功能的不同特点，分为用户逻辑区 域和n i o s 处理器模块两个部分。用户逻辑区域控制a d 转换器进行模拟信号 的采样，并对采样得到的数字量进行谐波分析等运算。然后将结果存入片内的 双口r a m 中，等待n i o s 处理器的访问。n i o s 处理器对数据处理模块的结果进 山东大学硕士掌位论文 步处理，得到其各自对应的最终值，并将结果通过串行通信接口发送给上位 机。 最后，对设计实体进行了整体的编译、综合与优化工作，并通过逻辑分析 仪对设计进行了验证。在实验室条件下，对监测指标的运算结果进行了实验测 量，实验结果表明该监测装置满足了电力系统谐波检测的总体要求。 【关键词】电力系统谐波检测；专用集成电路( a s i c ) ；片上可编程系统( s o p c ) ； 现场可编程门阵列( f p g a ) 山东大学硕士学位论文 一i i i , 鼍曼曼置詈皇詈皇皇墨皇鲁鼍鲁詈皇皇置皇曹 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l e sd e m a n df o re l e c t r i c i t y , e s p e c i a l l y h i g hq u a l i 哆e l e c t r i c i t yh a sb e e ni n c r e a s i n g h o w e v e rd u et oe x t e n s i v eu s eo f n o n l i n e a r1 0 a d , i th a sb r o u g h ts e r i o u sp o w e rh a r m o n i cp o l l u t i o nw h i c hh a sas e r i o u s i m p a c to ns a f e t y , s t a b i l i t ya n de f f i c i e n to p e r a t i o no fe l e c t r i cs y s t e m , a n di ti s h a r m f u lt oe l e c t r i ce q u i p m e n t h o wt or e d u c et h eh a r mf r o mp o w e rh a r m o n i ci st h e m o s tc o n c e r n e dp r o b l e mi nc u r r e n te l e c t r i cs y s t e m t h eh a r m o n i cd e t e c t i o ni sa n i m p o r t a n tb r a n c ho fh a r m o n i cr e s e a r c h , a n di ti st h eb a s i st os o l v eo t h e rh a r m o n i c p r o b l e m s t h e r e f o r et h eh a r m o n i cd e t e c t i o na n dr e s e a r c hh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a l a n d p r a c t i c a lv a l u e a tp r e s e n tp o w e rs y s t e mh a r m o n i c sd e t e c t i o nd e v i c e si nu s ea r em o s t l yb a s e d o nm i c r o p r o c e s s o rd e s i g n m i c r o p r o c e s s o ri st h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e ma n di t d e c i d e st h e p e r f o r m a n c e o ft h e p r o d u c t sd i r e c t l y t h es y s t e m b a s e do n m i c r o p r o c e s s o rh a st h es h o r t c o m i n g so fl o we f f i c i e n c y , l o wr e 鼯o u r c e su t i l i z a t i o n r a t i oa n db e i n gd i s t u r b e de a s i l y d u et ot h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fa s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i od e s i g nt e c h n o l o g y , i tb c c o m e si m p o s s i b l et od e s i g na s i cf o rh a r m o n i c d e t e c t i o ni np o w e rs y s t e ma n dp r o v i d e san e w a p p r o a c hf o rt h eh a r d w a r ed e s i g no f t h eh a r m o n i cd e t e c t i n ge q u i p m e n t t h eg o a lo ft h ea r t i c l ei st od e s i g na s i cw h i c h c a nr e a l i z eh i g h - p r e c i s i o nh a r m o n i c sd e t e c t i o no fp o w e rs y s t e m t h eh a r d w a r e d e s i g nf o rh a r m o n i c sd e t e c t i o nb a s e do na s i ch a sm e r i t so fs m a l lv o l u m e , f a s t p r o c e s s i n gs p e e da n dh i 曲r e l i a b i l i t y d u et oi t sw i d ea p p l i c a t i o nr a n g ea n dv a s t s c a l ed e m a n d , t h ea s i cf o rp o w e rs y s t e mh a r m o n i c sd e t e c t i o nh a sg r e a ta p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d t h ec u r r e n th a r m o n i cd e t e c t i o ns t a n d a r d sa r ei n t r o d u c e da n dt h et r e n do f h a r m o n i cd e t e c t i o ni sa n a l y z e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt of u n c t i o nd e m a n do ft h e e q u i p m e n t , e s p e c i a l l yt h em e a s u r e m e n ta l g o r i t h mo fs t a n d a r dp a r a m e t e r s o f h a r m o n i cd e t e c t i o n ，t h es o p cs c h e m eb a s e do nf p g ai sp r o p o s e df o rt h es y s t e m i i i 山东大学硕士学位论文 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff u n c t i o n a lm o d e lf o ra s i co fp o w e rs y s t e mh a r m o n i c s d e t e c t i o n ，t h em o d u l ed v i s i o no ft h ea s i ci sc o n d u c t e d mf u n c t i o no fe a c h m o d u l ea n dt h e i r sc o n n e c t i o nw a y sa r ca n a l y z e d , a n dt h ep a r a l l e ls t r u c t u r eo ft h e a s i cf o rh a r m o n i cd e t e c t i o ni s p u t f o r w a r d t h eh a r d w a r ep l a t f o r mf o r i m p l e m e n t a t i o na n dv e r i f i c a t i o no fa s i cb a s e d0 nf p g ai sd e s i g n e dc o m b i n e d w i t l le d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) t o o l sf o ra s c , d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t f o ra s i co fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gu n i ti sc o n s t r u c t e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o np r o p e r t i e si nf f g ad e s i g n i n g ，t h es y s t e mc a n b ed i v i d e di n t ot w om o d u l e s ：u s e rl o g i cm o d u l ea n dn i o sp r o c e s s o rm o d u l e t h e f u n c t i o no fu s e rl o g i ci sa n a l o g yd a t aa c q u i r i n gb yc o n t r o l l i n ga dc o n v e r t e ra n d d a t ap r o c e s s i n g t h er e s u l t sa r es e n tt or a mi nt h ec h i p ，w a i t i n gf o rn i o sp r o c e s s o r a c c e s s t h en i o sp r o c e s s o rr e c e i v e sa n d p r o c e s s e dt h e d a t af r o mu s e rl o g i cm o d u l e ， a n dt h eu l t i m a t er e s u l t sa r es e n tt ou p p e rc o m p u t e rt h r o u g hs e r i a li n t e r f a c e a tl a s t , t h ew h o l ep r o j e c ti sc o m p i l e d , s y n t h e s i z e da n do p t i m i z e d , a n dt h e c o r r e c t n e s so ft h ed e s i g ni sv a l i d a t e db yt h el o g i ca n a l y z e r u n d e rt h ec o n d i t i o no f l a b o r a t o r y , c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et op r o v et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed e s i g n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o n i t o r i n ge q u i p m e n tc a nm e e tt h en e e do f p o w e rs y s t e mh a r m o n i c sd e t e c t i o n k e yw o r d s h a r m o n i c d e t e c t i o ni np o w e rs y s t e m ；a s i c ；s o p c ；f p g a i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：辇i 氢氢： 日 期：丝监绎f 殳! 里翌日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：婆盗超导师签名：查l 垄期：塑受堡f 坌且兰! 日 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 在电力系统中，由于用户工作需要经常使用一些非线性负载，如电弧炉、 电力电子装置等，其结果是向电网注入了大量的谐波电流，造成电网电压波形 畸变，使供电系统中的元件损耗增大。这将给电力系统中的设备带来很大危害。 因此，如何设计一种精度高、实时性好且适用范围宽的谐波检测方法已成为一 个具有重要现实意义的研究课题。 1 1 谐波的基本概念 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦波 电压可表示为： 以f ) = 动s i n ( c o t + 口) 式中i 卜电压有效值o a 初相角； 仃一角频率，自o = 2 1 t f = - 2 1 r t ； 卜- 频率； t - 一周期。 正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别 为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线 性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使 电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是 非正弦波。对于周期为t = 2 碉r c o 的非正弦电压u ( c a t ) ，一般满足狄里赫利条件， 可分解为如下形式的傅里叶级数 式中 口o - 去r 乙( 州地f )口o = 瓦上“【训，d 引j 2 ，l 、- 、 f彩以n吼 +f缈玎s n 口 ，- 一 脚 + o 口 l i 、- 、 f彩 吠 山东丈学硕士掌位诧文 n = f ：( c o s 删( 6 。= j 1 。e 2 u ( dr ) s l n n 。f d ( 。f ) i t = l ，2 ，3 + 或 “( mr ) = d 。+ c 。s i n ( n o g t + q ，。) * i “3 ) 式l i ，c n 、n 和a l l 、b n 的关系为 “= 。：+ 睇 p 。= a r c t g ( a 。“) a 。2c 。s i n 妒。 b 。= c 。c o s p 。 刳1 i 谐波的定义 丑：t ( 卜2 ) 或( 卜3 ) 的傅里n f 级数巾，频半与工频相同的分量称为基被，频 率为基波频率大 ：1 整数倍的分量称为谐被，谐被次数为谐被频率和基波频率 2 山东大学硕士学1 立论文 的整数比，如图卜1 以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流 的情况也完全适用，把式中u ( o t ) 转成“硼) 即可。 以上介绍了谐波的基本概念。可以看出，谐波是电气量周期函数中频率为 基波频率整数倍的正弦波分量，谐波次数n 必须是大于1 的正整数，f l 为非整 数时的正弦波分量不能称为谐波。 1 2 谐波的产生 公用电网中所造成的谐波源，主要是各种电力电子装置( 含家用电器、计 算机等的电源部分) 、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大 量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。在电 力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐波源。 电弧炉的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。电弧长度 的不稳定性和随机性使得其电流谐波频谱十分复杂，其谐波频率分布范围主要 在0 1 3 0 h z 。电炉工作在熔炼期间谐波电流很大，当工作在精炼期间时由于电 弧特性较稳定，谐波电流较小。 荧光灯管的伏安特性也是非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中 3 次谐波含量最高。当多个荧光灯接成三相四线负荷时，中线上就会流过很大 的3 次谐波电流。如果每个荧光灯接有补偿无功功率的电容器，3 次谐波电流 还很有可能引起谐振而使谐波放大，会使电压波形严重畸变。 近三十年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最 大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前常用的 整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式 和单相桥式整流电路为最多。带感性负载的整流电路所产生的谐波污染和功率 因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的 谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因 而基波功率因数接近l ，但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污 染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周 波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。 除上述电力电子装置外，逆变器和直流斩波器的应用也较多。但这些装置 所需的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功问题也很严重。在这类 装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对 3 山东大学硕学位论文 i= -皇 电网的谐波污染问题也日益突出。特别是考虑到彩色电视机、个人计算机、各 种家用电器及办公设备，单台功率虽小，但数量极其庞大，而且其内部大都含 有开关电源。因此，它们的日益普及所带来的谐波污染问题也是非常严重的【嘲。 1 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电源电压，应该是具有单一而固定的频率和规定 的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使得用 电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面【1 翔： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及 用电设备的使用效率，大量的3 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗 外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容 器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波能量放 大，这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会造成电气测量仪表计量 不正确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者引进噪声，降低通信质量：重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 以下分析谐波的主要危害： ( 1 ) 谐波引起的谐振和谐波电流放大 为了补偿负荷的无功功率，提高功率因数，常在负荷处装有并联电容器。 为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器。此外，为了滤除谐波， 也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗 比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加 而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放 大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的 威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占有很 高的比例。 ( 2 ) 谐波对电网的影响 4 山东大学硕士学位论文 谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损失，它是电网线损的 一部分。一般来说，谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但谐波频率高， 在导线中的集肤效应使得谐波电阻比基波电阻增大，因此谐波引起的附加线损 也增大。 谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，在另一些频率上向外发送有功功 率。这些谐波有功功率通常都是由从电网吸收的基波有功功率转化来的。谐波 源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的。谐波源发出 的谐波有功功率除造成线路损耗外，也给接在电网上的其他用电设备带来危害 并增加功率损耗。 对于采用电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形 出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损 耗增加和温升增高，缩短了电缆的使用寿命。通常电缆的额定电压越高，谐波 对电缆的危害也越大。由于电缆的分布电容对谐波电流作用，会使上述危害更 为严重。 对于架空线路来说，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规 定值，但由于谐波的存在，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕 损耗。 流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时，在电流过零点处的d d f 可能要比正常时大得多，从而使断路器的遮断能力降低。有的断路器的线圈在 谐波电流严重的情况下将不能正常工作，从而使断路器无法遮断以至损坏。 在民用建筑中，常常大量使用荧光灯和其他产生大量3 次谐波的灯具及各 种电器。这些3 次谐波都从零线流过，甚至使其电流超过各相电流。在大量3 次谐波电流流过零线时，就会使导线过载过热、绝缘损坏，进而发生短路，引 起火灾。我国已发生多起由于这一原因而引起的重大火灾，造成惨痛损失，必 须引起足够的重视。 谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染， 供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。除前面已提到的使电容器电抗 器损坏外，其他危害将在下面各小节中叙述。 ( 3 ) 谐波对旋转电机和变压器的危害 谐波对旋转电机的影响主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动、 噪声和谐波过电压。这些将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。 5 山东大学硕士学位论文 谐波源的谐波电流流入变压器时，对其主要影响是增加了它的铜损和铁损。 随着谐波频率的增高，集肤效应更加严重，铁芯损耗也更大。因此高次谐波分 量比低次谐波分量更易引起变压器的发热。谐波电流还会引起变压器外壳、外 层硅钢片和某些紧固件的发热，并有可能引起变压器局部严重过热。谐波还会 引起变压器的噪声增大。 ( 4 ) 谐波对继电保护和电力测量的影响 电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作不 同类型的继电器工作原理和设计性能不同，因此谐波对其影响也有较大的差别。 谐波对大多数继电器的影响并不太大，但对部分晶体管型继电器可能会有很大 的影响。 电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时，将会产生测量 误差。仪表的原理和结构不同，所产生的误差也不相同。 事实上，在有谐波的情况下如何测量功率和电能等和收费直接有关的电量， 这既是一个非常实际的问题，也是一个基础理论问题。这个问题和谐波标准密 切相关，更为关键的是，它与存在谐波时功率的分类和定义直接相关。国际性 学术组织电气及电子工程师协会( i e e e ) 曾成立了有关非正弦情况下计量仪表 所受影响和功率定义的专门工作组( i e e ew o r k i n gg r o u po nn o a s i n u s o i d a l s i t u a t i o n s ：e f f e c t so i lm e t e rp e r f o r m a n c ea n dd e f i n i t i o n so fp o w e r ) 正如该工作 组在1 9 9 6 年发表的工作报告中所指出的那样【3 1 ，数字采样测量技术的发展正在 突破以前的各种技术限制，现在的关键问题是缺少功率分解和定义的统一同 一厂家制造的同一种仪表对同一电量进行测量，按照不同的定义所得的结果有 时竟相差2 0 - 3 0 。这种情况反映了当前这一领域的存在问题和主要矛盾在 有谐波时，如何建立科学的功率定义和理论，并要适合于仪表测量和电能的管 理及收费，且能为广大供电企业和电力用户普遍接受，还需要付出艰苦的努力。 交流电流表和电压表分别测量电压和电流的均方根值，功率表测量电压电 流瞬时值乘积在一个周期内的平均值。电压表的线圈电感量大，其产生的测量 误差也比电流表大一些。无论是电磁型仪表还是电动型仪表，经过精心设计， 采取合理的结构和必要的频率补偿措施，都可获得较好的频率特性。电压表、 电流表和功率表均可用于2 0 0 0 - 3 0 0 0 h z 以下，甚至更高的频率范围。 感应式电能表由电磁部分、转动部分和制动磁铁三部分组成。在测量非正 弦电路的电能时，电路总功率一般由直流功率彪、基波功率p i 和谐波功率r 6 山东大学硕士学位论文 三部分构成。电能表可准确的测量基波功率p i ，但对是不能测量的。直流 功率在电能表中不能产生正常的转矩，但当铝盘转动时，它将产生一定的制动 转矩，造成误差。电能表不能准确测量出谐波功率r ，测量值多比实际值小， 且所引起的误差还与谐波潮流方向有关，可能为正或为负。直流功率引起的误 差也和直流功率流向有关。 事实上，上述测量即使非常精确，也是存在问题的。在测量交流电流电压 值时，如果要观察电动机是否有足够的转矩和输出功率，观察电容器是否能提 供所需基波无功功率，只要仪表指示出基波电压电流即可，这时如指示出包含 谐波在内的有效值，反而产生问题。在测量电能时，如果负载不是谐波源，而 电网电压含有谐波，则会在负载上产生有害的谐波损耗，用户还要为此多付电 费。如用户是谐波源，向电网输出有害的谐波有功功率，付出的电费比它所消 耗的基波有功功率应付的电费还少。这样的结果显然是非常不合理的。在有谐 波的情况下，如何科学地定义各种功率，如何合理地收费管理，还有许多工作 要做。当然，谐波在管理标准规定的范围之内时，上述测量不会有很大的误差。 ( 5 ) 谐波对通信系统的影响 谐波对通信系统的干扰是一个在国际上十分被重视的问题，对此已进行了 充分的研究并制定了相应的标准。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话 的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，或在谐波和基波的共同作用下引起 电话铃响，甚至还发生过危及设备和人身安全的事故。 电力系统传输的功率以m w 计，而通信系统的功率以m w 计，二者相差 十分悬殊。因此，电力网中不大的不平衡音频谐波分量，如果耦合到通信线路 上，就可能产生很大的噪声。 电力网中的平衡电流一般对通信系统影响不大，而不平衡电流，特别是不 平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。在有多个中性点接地的电网中， 如有较大的零序分量谐波电流通过中性点流入大地，就会严重干扰附近的通信 系统。 1 4 电网谐波相关标准 为了避免谐波的危害，保证较高的供电质量，世界各国和有关国际组织制 定了诸多标准用以限制各种用电设备的谐波排放量。在这些标准中，被国际上 广泛接受的有i e e es t d 5 1 91 3 和i e c6 1 0 0 0 3 2 1 4 标准。i e e es t d 51 9 于1 9 9 2 年 修订自i e e e6 0 51 9 ，该标准是从供电方的角度来对公共连接点的电压和电流的 7 山东大学硕士学位论文 波形畸变进行限制。i e c6 1 0 0 0 - 3 - 2 于1 9 9 5 年修订自i e c6 0 5 5 5 - 2 标准，该标准 是从用电方的角度对负载产生的谐波进行限制。 在我国，原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批转的国家供用电 规则的规定，制定并发布了s d 1 2 6 - 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。国家 技术监督局于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了电能质量、谐波方面的国家标准电 能质量公用电网谐波( g b 厂r1 4 5 4 9 9 3 ) 、 电能质量电压波动和闪变( g b 1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度 ( g b 厂r1 5 5 4 3 一1 9 9 5 ) 、电 能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 和电能质量供电电压允 许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) 【5 1 0 】。这些标准已经在我国全面实旌。 1 5 本文的主要工作 本课题主要针对高精度谐波检测的要求，设计研制基于f p g a 的谐波检测 装置，实现了电力系统谐波的高精度检测。论文主要包括以下内容： ( 1 ) 从理论上分析现代电力系统谐波的概念，结合当今的电力系统存在的 谐波问题，介绍有关常用的谐波检测算法，研究电力系统谐波检测的发展趋势。 ( 2 ) 根据装置的功能需求，选定基于f p g a 的s o p c 设计方案。通过在f p g a 中嵌入c p u 软核，将系统设计需要的数据采集、数据处理、通信和人机交互的 功能模块集成到f p g a 上，构建一个先进的可编程的片上系统。 ( 3 ) 根据设计方案开发f p g a 所需的硬件电路，为装置的设计开发提供验 证和测试的硬件平台。 ( 4 ) 利用c y c l o n e 系列f p g a 的资源和a l t a a 宏单元库的功能模块，完成 电力系统谐波检测装置。从体系结构规范、模块划分到各模块的详细设计描述， 完成系统的g h d l 代码的编写和逻辑综合优化及布线，并进行前、后仿真及功能 验证，确保系统功能的正确实现。 ( 5 ) 对设计目标进行整体的编译、综合与优化，将综合得到的数据下载到 硬件电路的f p g a 中，通过s i g n a l t a pi i 逻辑分析仪对设计进行验证。并在实 验室条件下，对运算结果进行实验测量。 ( 6 ) 结束语，对全文的工作做总结。 s 山东大学硕士学位论文 第二章检测原理及方案选择 谐波检测是谐波问题研究中的一个重要分支，对抑制谐波有着重要的指导 作用。谐波分析和测量是电力系统应用和分析控制中的一项重要工作，是对继 电保护中故障点判断和故障类型等工作的重要前提。如何有效地、实时地检测 电网中瞬态变化的畸变电流和电压，是众多国内外学者和工程界致力研究的目 标。 2 1 常用的谐波检测算法 常用的谐波检测方法主要有以下几种： ( 1 ) 利用模拟陷波器的检测方法 该方法由于实现起来直接、方便，而被广泛使用【l l - 1 2 1 。但检测结果受电网 频率波动影响较大，检测精度差。另外，使用这种方法无法检测出基波无功电 流和负序电流。现在这种谐波检测方法已经很少被采用了。 ( 2 ) 基于瞬时无功功率理论的检测方法 瞬时无功功率理论i r p t ( i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ) 于8 0 年代 由赤木泰文提出【1 3 。1 4 1 。该理论以瞬时实功率p 和瞬时虚功率留的定义为基础， 由于这些概念都是在瞬时值的基础上定义的，所以它不仅适用于正弦波，也适 用于非正弦波和任何过渡过程的情况，具有较好的实时性。该理论的提出，促 生了许多其它基于p g 理论的电流检测方法【1 5 1 6 1 。 基于瞬时无功功率理论的p 、g 检测算法如图2 一l 所示。 “a “c ! a ! b z c c 3 2 上、 i r 二1 r z 口三i 叫l p ff c 3 2 c p qc 二 c 2 3 冶旦可可雨- 卜 i 缅 l 蚰 z c h 图2 一l 基于i r p t 的p 、q 检测算法示意图 当电源电压有较大畸变时，使用p 、q 检测算法所得到结果误差很大。此 9 山东大学硕士学位论文 时采用基于瞬时无功功率理论的、检测算法将会得到较理想的结果、 检测算法的原理如图2 - 2 所示。 图2 - 2 基于i r p t 的、检测算法示意图 ：b h l 曲 通过上面的分析可以看出，基于瞬时无功功率理论的检测算法可以方便的 检测出基波有功、基波无功及谐波分量，同时该方法的延时( 与所采用的滤波 器有很大关系) 一般不会超过一个工频周期，具有很好的实时性。但是基于瞬 时无功功率理论的谐波检测方法需要多次的坐标转换( a - b c 坐标系转到 口一坐标系再转到p 一口坐标系，再转到口一坐标系，再转回口一6 一c 坐标系) ， 特别是三相不平衡时，计算量大大增加。用于单相系统时，需要先构建一个三 相系统再进行计算，不仅计算复杂，而且会引入较大的延时。 ( 3 ) 基于傅里叶变换理论的检测方法 随着数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和微机的普及，离散 傅里叶变换d f t ( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 等数字算法开始在谐波检测中得 到应用【1 7 五。 “( = a 0 + 萎( a c o s n o t + 瓦s i n n 国f ) ( 2 - 0 式中 口。= 互1 ，r u ( o t ) j ( 国f ) 1 0 或 口。= 去r k 国f ) c o s 挖缈掰( 国r ) 玩= 妻f 私国f ) s i n 刀国耐( 国r ) 山东大学硕士学位论文 “( 国f ) = ”蒯z c ns i n ( n o t + ) ( 2 - 2 ) 式中，c n 、n 和a n 、6 n 的关系为 = e 疆 9 一= a r c t g ( a 刀吃) 口刀= c 打s i n 矽厅 b n - - - c 以c o s ( , o 开 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 是用傅里叶级数进行谐波分析时最基本的公式。在进行谐波 分析时，常常会遇到一些特殊波形，这些波形的谐波分析公式可以简化。 “( 硼为奇函数，其波形以坐标原点为对称，满足“( 纠) = “( 刎。这时式 ( 2 一1 ) 中只含正弦项，直流分量a o 和余弦项系数a n 均为零。6 n 的计算可简化为 吃= 昙i r u ( o t ) s i t d ( t o t ) ( 2 - 3 ) n = l ，2 ，3 ， ( 硼为偶函数，其波形以纵坐标为对称，满足以科) = “( 硼。这时式( 2 1 ) 中只含直流分量和余弦项，正弦项系数6 n 为零。a o 和a n 的计算可简化为 = i ，。f “( 国f ) d ( t o t ) 铲昙j f “( t o t ) c o s n t o t d ( t o t ) n = 1 , 2 , 3 ，a ( 2 川 在进行谐波分析时，通常纵坐标是可以人为选取的，只有选择合适的纵坐 标才有可能使波形所描述的函数成为奇函数或偶函数。 “( 驸力= - ( 硼，即把波形的正半波向右平移半个周期后，和负半波是 以横轴为对称的。常把具有这种波形的函数称为对称函数。这时式( 2 1 ) 并1 1 ( 2 2 ) 中只含基波分量和奇次谐波分量，铂和b n 的计算可简化为 山东大学硕士学位论文 口一= 三7 r “( 州c o s 刀删( 以= 三1 1 j c r “( 缈f ) s i i l 刀功耐( 国f ) 疗= l ，3 , 5 ，人 ( 2 5 ) 以甜功= ”( 硼，且在正半周期内，前后耽的波形以，比轴线为对称。 “= ：4 乒刀u = ( c 。o ，3 t ) ，5 s i ，人n n 彩耐( 国。 q 卿 ，z = l ，3 ，5 ，人l 、7 图2 3 基于d f t 理论的检测算法示意图 离散傅里叶变换是对信号进行频域分析，分离出基波分量、谐波分量等， 进而通过反变换，得到要补偿的电流指令。图2 3 为基于d f t 理论的检测算法 示意图。 ( 4 ) 其他诸如模糊口2 1 、自适应检测方法【2 3 2 4 】、基于小波变换f 2 5 之6 】和基于 神经网络的检测方法【2 7 圳】等等，其算法过于复杂，在实时跟踪性能、计算精度 1 2 山东大学硕士学位论文 与计算量之间不能兼顾，还有待于更为深入的研究。 目前广泛应用的谐波检测算法主要是基于瞬时无功功率理论的检测方法和 基于傅里叶变换理论的检测方法。各种基本方法在实际运用中均有不同程度局 限及缺点。针对这一问题，在以上各种方法基础上的拓展和改进方法应运而生。 2 2 基于f p g a 的设计方案 从以上的需求分析和现行的国标参数测量算法来看，谐波检测涉及多项指 标，而且谐波检测中各项任务如采样、谐波分析、电压电流有效值计算等结合 比较紧密，这样的情况对功能实现、性能指针与成本方面都增加了要求。其中 用于谐波分析的f f t 算法，运算量随着点数的增多而大大增加，对于以往串行 执行结构的微处理器，高速信号的f f t 变换是很难实现的。 在过去很长的一段时间，d s p 处理器( 如t i 公司的t m s 3 2 0 系列) 是数字 信号处理应用系统核心器件的唯一选择。尽管d s p 处理器具有通过软件设计能 适用于实现不同功能的灵活性，但面对当今迅速变化的d s p 应用市场，d s p 处理器已经显得有些力不从心。例如其硬件结构的不可变性导致了其总线的不 可改变性，而固定的数据总线宽度，已成为d s p 处理器一个难以突破的瓶颈。 d s p 处理器的这种固定的硬件结构特别不适合于当前许多要求能进行结构特性 随时变更的应用场合，即所谓的面向用户型的d s p 系统，或者说是用户定制型， 或可重配置的d s p 应用系统( c u s t o m i z e dd s p 或r e c o n f i g u r a b l ed s p 等) ，如 工业控制领域。至于在满足速度要求而言，由于采用了顺序执行的c p u 架构， d s p 处理器则更加不堪重负面向数字信号处理应用的各类专用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 芯片虽然可以解决并行性和速度的问 题，但是高昂的开发设计费用、耗时的设计周期及不灵活的纯硬件结构，限制 了a s i c 解决方案的应用范围。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，即现场可编程逻辑门阵列，是在 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 基础上发展起来的可编程逻辑器 件，它一般采用s r a m 工艺，也有一些采用f l