基于SOPC的电力参数测量系统设计*

仝战营，郭 课，郭贝贝

（河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000）

1 引言

传统的电力参数测量装置大多基于微处理器如MCU、DSP设计，基于流水线计算技术的DSP对海量数据的处理具有快速高效的优异性能，然而只有规律的加减乘除等运算才容易实现流水线的计算方式。与DSP相比，FPGA在高速复杂逻辑处理方面有不可替代的优势，同时，单片FPGA能够拥有超大规模的逻辑单元，并且具有独特的硬件高速并行运算能力，因而在信号处理方面也显示出突出的优势［1］。

SOPC(System On Programmable Chip)即可编程的片上系统，SOPC技术就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、DSP系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA中实现。Altera公司NiosII软核概念的提出及SOPC的软硬件综合解决方案，可以在Quartus II和NiosII IDE中进行软硬件开发，从硬件和软件整体设计上将嵌入式系统设计进行了极大的推动，使得嵌入式系统的硬件电路更加简单、有效，易于理解;软件设计变得轻松，移植性更强［2］。

本文即是研究利用Altera CycloneII FPGA构建SOPC系统实现电能质量监测系统的设计，实现对电网三相电路电压、电流、功率、功率因数、谐波等电能质量参数的测量。

2 系统概述

2.1 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～+5V的电压信号、1～2mA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［3，4］。

2.2 基本算法原理

电能质量参数中最复杂的就是谐波的测量，基于傅里叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法，它由离散傅里叶变换过渡到快速傅里叶变换的基本原理构成［5］。模拟信号经采样，离散化数字序列信号后，经处理器进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出［2，6］。

2.3 离散傅里叶变换

DFT是连续傅里叶变换的离散形式，DFT变换是针对有限长序列信号进行傅立叶变换的一种数值分析方法，它的主要应用之一就是分析连续时间信号的频率成分［7］。

设有限长序列信号 x(n)，n=0，1，…，N －1，则 x(n)的DFT变换为:

为了便于数值分析，在频域Ω∈［0，2π］之间对X(jΩ)以2π/M的间隔均匀采样M点，得

X(k)是时间序列的频谱，WN称为蝶形因子。对于N点时域采样值，经过上式的计算，就可以得到N个频谱条，这就是离散傅里叶(DFT)。在N较大时，DFT计算量较大，可利用快速傅里叶变换(FFT)算法，它将计算量从N2数量级降低到Nlog2N的数量级，可大大方便 DFT 的计算［8，9］。

根据FFT运算后所得到的各次实部和虚部，即可计算出各次谐波的幅值、功率因数、各次谐波含量、谐波总畸变率、有功功率、无功功率等［10］。

3 系统硬件设计

系统硬件设计可以概括为五大部分:电网输入信号的采集与信号调理部分、将模拟信号转换为数字信号的高速A/D部分、锁相环同步采样控制单元、基于SOPC的电能质量监测系统的硬件平台和键盘液晶显示人机界面部分。硬件总体结构及信号流程如图1所示，整个硬件系统将实现如下功能:将电网信号采集并进行调理后采样，然后对采样信号进行运算和处理，最后由显示设备进行显示，系统的数字处理和控制部分在一片FPGA芯片上基于SOPC技术实现。

基于SOPC实现的电能质量监测系统的组成结构如图2所示，在FPGA内部构建SOPC系统平台，主要包括NiosII CPU及其外设、快速傅立叶变换(FFT)模块、自定义的AD采样控制模块、频率测量模块等，并由Avalon总线实现上述各模块的互联。NiosII嵌入式软核处理器作为主控器，控制A/D采样及数据输出显示等功能。FFT运算处理单元采用Altera公司提供的IP运算核，该IP采用先进的多层并行流水线技术，可以在10μs内完成128点单精度浮点数FFT运算。该系统可并行地对6路电网输入信号进行FFT运算处理。A/D采样单元使用16位ADS8364实现对6路信号同时扫描采样功能，并利用外部模拟锁相环实现同步采样控制。A/D采样单元对输入的工频信号每周期采样128点，精确变换成16位的数字量;FFT运算处理单元负责处理缓存单元输出的数字量，进行128点FFT变换及运算;控制单元负责系统各个单元的控制，如控制A/D采样单元的采样频率和采样的启动及停止、FFT运算处理单元的控制和数据传输、PLL电路的输出频率控制和其他外设资源的控制。该系统提供了串口转USB接口，可以直接与计算机通信。用户可以通过上位机进行控制或进行数据传输，也可直接在计算机上进行控制数据查阅。

4 系统软件设计

系统软件主要分为两大部分:

1)利用QuartusII和DSP Builder构建 NiosII CPU系统，主要包括:

①基于Verilog HDL语言编写各功能控制模块;

②基于SOPC Builder构建NiosII CPU及其外设;

③利用DSP Builder构建FFT谐波分析模块，其输入信号控制时序如图3所示。

图3 FFT输入信号控制时序

2)利用NiosⅡIDE完成系统控制与算法编写

进入NiosⅡIDE后新建一个应用工程，选择ptf文件和Black Project，这样一个基于已有SOPC的空白应用工程建立完毕。然后在System Library里进行必要工程设置。接着将电能参数算法的C程序填入工程里，再进行软件的编译调试等。调试完毕后，一并将所有程序与可执行文件全下载到FPGA上。系统软件设计流程如图4所示，至此，一个基于NiosⅡ的电能质量监测SOPC设计完成。

图4 系统软件流程图

5 结果分析

电能质量检测结果主要包括三相电压、电流、功率、频率、三相电压不平衡度、谐波、闪变的测量数据以及误差分析等，现以三相电压的谐波分析数据为例，结果如表1所示。

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由表中数据可得，经过该FFT模块运算和数据处理，能够有效分解出各次谐波幅值和相位，处理精度符合预期，结果表明其输入信号的时序逻辑控制是正确的。

6 结语

本设计采用自上而下和层次化、模块化的方法进行系统设计，构建了SOPC系统平台，通过软硬件协同设计，实现电能质量监测和系统控制。通过对电网输入的三项电压、电流信号进行采集并实时处理，并经由二次计算测量出电压和电流有效值、功率、功率因数、频率、谐波等电能质量参数。具有灵活的可重构性，集成度高，开发周期短，设计工程成本低，可扩展强等优点。

［1］江国强.SOPC技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］侯长宏，袁慧梅等.基于sopc的电能谐波测量系统的设计［J］.微计算机信息.2008，(2):155 －157.

［3］刘尧虎，何飞舟.基于32位NiosⅡ软核系统的电能质量监测系统设计［J］.电子技术应用，2010，(2):50 －55.

［4］郭磊.电能质量实时监测装置的研究与设计［D］.西安:西安科技大学，2008.

［5］侯凡.基于SOPC技术的电能质量监测系统的研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［6］徐光辉，程旭东.基于FPGA的嵌入式开发与应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［7］华清远见嵌入式培训中心.FPGA应用开发入门与典型实例［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［8］江冰，张卓.锁相倍频采集技术在电力系统谐波测量中的应用［J］.电子测量与仪器学报，2004，(18):904－906.