基于FPGA的电力系统检测技术研究

郭梦伊

摘 要：随着电力电子技术的不断进步，当前的电力系统检测技术暴露出一定的弊端，电力系统的谐波污染问题更是受到了大众的广泛关注。各种检测方式都具备其独特的应用特点，而针对不同检测技术的应用特点，文章从电力系统谐波的危害入手展开讨论，总结如何基于FPGA实现FFT信息处理和电力系统谐波检测，期望对相关从业人员有所帮助。

关键词：FPGA；电力系统；检测技术

0 引言

谐波是电力系统中不可忽视的重要部分，而随着谐波含量超过一定程度时，就极大可能对电网、用户、系统等造成不良影响。随着时代的不断发展，当今，即使具体的相关硬件较为薄弱，谐波检测的方法在理论方面却有了一定的进展和突破。硬件的局限性在很大程度上限制了众多理论的应用，基于现有硬件技术探讨FFT理论在谐波检测中的运用，属于当下需要解决的重点问题。

1 FPGA技术概述

FPGA即现场应用可编程总线门扑式阵列，它主要是在应用pal，gal，cpld等现场可编程阵列器件的技术基础上进一步研究发展的技术产物。它主要是近年作为我们专用定制集成电路（asic）应用领域产品中的一种半导体定制集成电路而逐渐出现的，其设计一方面高效地解决了专用定制集成电路的不足，另一方面更好地克服了原有专用可编程电路器件中的门电路门参数有限的缺点[1]。fpga包括caclb（外部可编程配置外部逻辑接口模块）、iob（外部输入口和输出模块）、内部数据连线三大组成部分，具有和传统的各类可编程逻辑器件所不同的基本结构。fpga利用小型时序查找到的表直接实现基本组合时序逻辑，每个小型时序查找到的表可以连接到一个c或d系列触发器的输入端，d触发器可以直接驱动其他逻辑电路或一个i/o。fpga阵列具备典型的阵列特点，第一，通过采用旧的fpga阵列设计新的asic中试电路，用户无须额外投片直接生产就能快速得到一套合用的中试芯片；第二，fpga阵列可用于制作其他全方位定制或半定制型的asic中试电路的阵列中试设计样片；第三，fpga内部电路具有丰富的信号触发器和多種i/o引脚；第四，采用旧的fpga阵列设计新的asic中试电路，周期短、费用低、风险小、质量稳定；第五，fpga阵列高速度的chmos设计工艺，功耗低；第六是采用fpga采用体系模块结构、逻辑控制单元灵活、集成度高、适用范围广；第七，fpga阵列兼容了旧的pld和其他通用型的门片式阵列的所有优点，可应用于较大规模的电路[2]。

2 电力系统中谐波概述

2.1 谐波的定义

在振动学里，一个振动产生的波是一个具有一定频率的振幅最大的正弦波，叫作基波。而高于基波频率的小波就叫作谐波。谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频（50 Hz）相同的分量。高次频率谐波的电磁干扰作用是当前国际电力系统中直接影响实际电能运行质量的一大公害，亟待国家采取有效对策[3]。

2.2 谐波的三大危害

电力系统设备中的测量谐波扰动分量密度过大将来会造成诸多危害。第一，它会使系统电能综合利用率大幅降低，电力系统中的设备还会产生许多附加的电能损耗，附加的电能损耗将直接促进系统设备工作温度的大幅提升，增加了设备电气中的应力，影响系统设备的安全稳定运行；第二，大量分布式动力电源在公共电网连接点不能集中被电流接入，可能直接放大动力电网的大量谐波扰动振荡；第三，在大型柔性直流电力输电系统运行管理过程中，直流场之间持续的较大谐波振荡扰动还有可能直接引发一系列不稳定放电现象，直接影响系统的安全稳定运行；第四，该谐波还有可能直接使得测量保护误动作，测量保护装置可能产生较大误差，甚至还有可能会对系统通信线路运行产生较大干扰，影响系统通信运行效果。

3 基于FPGA的电力系统检测技术

3.1 FFT谐波检测技术

FFT的定义电力系统相对谐波检测技术是一种精确地通过分析电力谐波的相对频率、幅值和谐波相位，快速有效地通过检测和控制分析电力网络系统中的有害成分，以有效减小动力电网相对谐波形成的污染。由于实际化学工程设计问题中需要处理的全是离散的谐波数据，重新定义了一个离散傅里叶变换（dft），后来又重新发现了快速傅里叶级数变换（fft），使得它的运算量大幅减少，离散傅里叶变换的理论使用更加广泛。谐波测量持续时间通常是谐波信号采样周期的一个整数倍，并且谐波采样信号频率远远大于谐波信号中最高频率谐波采样频率两倍的特殊情况下，该检测方法不仅检测信号精度高、实现简单、功能多且使用方便，在频谱信号分析技术和谐波频率检测技术方面均能够得到广泛的实际应用[4]。基于f和fft的现代传统射频谐波分析技术方法以及其各种性能改进技术算法和各种优化技术思路，笔者做了比较详细的分析总结，可以看到传统的分析算法依然具有强大的技术生命力，并且不断地将所有新的技术理论成果融入其中，使其在不同的实际应用需求情况下达到不同的技术应用效果。许多专家学者对我国谐波测量检测技术进行了广泛而深入的理论研究，谐波测量检测的相关理论研究方法和应用技术也在不断探索发展中。

3.2 采用模拟滤波器硬件电路检测谐波

采用低通模拟输入滤波器通过硬件构成电路进行检测输入谐波这技术是最早的一种谐波信号测量手段，其输入谐波信号经过放大之后直接送入了与并行电路连接的若干组固定带宽低通模拟滤波器，每个带通滤波器的输入中心谐波频率都应该是固定的以通过特定输入频率的输出谐波，再经过检波器直接送到多路谐波显示器。这样就可以得到整个输入输出信号电路中的各个谐波发射成分及其谐波幅值。这种用硬件模拟信号滤波器和非硬件数字电路方法检测内部谐波的一种方法，原理比较直观，简单明了，成本也很低，但是其中的测量谐波精度主要依赖于模拟滤波器的主要元件电路参数，受内界和外界谐波环境影响较大，所得结果不理想，并逐渐被数字电路方法代替。但其中的检测基本原理却是最基本的，以后的更先进的检测方法也是基于“分解原始信号—提取特征信息”这一检测基本思路。

3.3 基于神经网络理论的谐波检测方法

在科学理论上，神经网络在持续改善和不断增强谐波计算处理能力、对任意连续反射函数的谐波逼近检测能力、学习者用理论和方法动态地对神经网络的功能稳定性进行分析等各个方面均已经取得了丰硕的成果。近年来，国内外广泛应用的谐波神经网络信号管理控制系统中，用于射频信号和谐波频率的自动谐波信号检测控制技术的相关课题研究正在不断发展中，已经取得了一些技术突破。它充分利用了基于神经网络的易于机器人深度学习、准确可靠、在理论上几乎能够轻松实现任意非线性信号映射等特点，被用来有效改善神经谐波信号检测的不可实时性、不可分析性和精准的效率等，具有很广泛的应用前景。然而，对于构建大型神经网络所必需的大量时间、对于构建样本模型进行大量训练、神经网络所需要采取的各种构建方法不够科学统一、训练出的样品样本数量多、模型复杂等却是在实际科学应用研究过程中会遇到的一大难题。当前被广泛应用于工业电力系统的人工谐波分析技术领域，其中的人工神经网络处理模型主要有两种，分别为多层线性前馈自动相适应人工神经网络处理模型和多层线性人工神经网络处理模型。

3.4 基于小波分析的谐波检测方法

小波变换检测技术是记录我国多所现代化大学在地球地震物理学检测技术研究发展简史历程上的一项重大成果，应用十分广泛，其在应用谐波分析检测处理技术算法方面的基础科学技术研究成果亦颇丰富。凭借其特点可以从各个信号的不同组成部分中得到一种最佳的时域分辨率和频段的分辨率，通过延迟伸缩和平移的功能可以对信号进行更加广泛而精確的细化和分析，对于波动谐波和迅速变换谐波的检测具有非常强的技术优越性。

4 结语

综上所述，通过对谐波概念的深入学习，正确认识其危害，有利于深入研究并总结基于FPGA的电力系统检测技术，以在现有技术上进行改善，达到更加高速度、高精度的算法要求，同时增强系统的实时性，为电力系统检测技术的稳定发挥提供支持。

[参考文献]

[1]姚强.基于FPGA的电力系统谐波检测系统的研究与设计[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]于海雁.基于FPGA的电力系统谐波检测方法的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.

[3]陈清华.基于FPGA的电力系统谐波检测的研究[D].洛阳：河南科技大学，2009.

[4]李季，姜玉东.基于FPGA的电力系统谐波检测研究[J].中国西部科技，2008（1）：17-18.

（编辑 王雪芬）

Research on power system detection technology based on FPGA

Guo Mengyi

（Nanjing Product Quality Supervision and Inspection Institute， Nanjing 210000， China）

Abstract：With the continuous progress of power electronic technology， the current power system detection technology has exposed some shortcomings and drawbacks， and the harmonic pollution of power system has been widely concerned by the public. All kinds of detection methods have their unique application characteristics. According to the application characteristics of different detection technologies， this paper discusses the harm of power system harmonics， and summarizes how to realize FFT information processing and power system harmonic detection based on FPGA， hoping to be helpful to relevant practitioners.

Key words：FPGA； power system； detection technology