基于32位Nios Ⅱ軟核系統的電能質量監測系統設計
摘要： 在電力系統中，要實現對電能質量各項參數的實時監測和記錄，必須對電能進行高速的采集和處理，尤其是針對電能質量的各次諧波的分析和運算，系統要完成大量運算處理工作，同時系統還要實現和外部系統的通信、控制、人機接口等功能。而電能質量監測系統大多以微控制器或(與)DSP為核心的軟硬件平臺結構以及相應的設計開發模式，存在著處理能力不足、可靠性差、更新換代困難等弊端。本文將SoPC技術應用到電力領域，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ軟核系統。可實現對電能信號的采集、處理、存儲與顯示等功能，實現了實時系統的要求。
Abstract：
Key words :
在電力系統中，要實現對電能質量各項參數的實時監測和記錄，必須對電能進行高速的采集和處理，尤其是針對電能質量的各次諧波的分析和運算，系統要完成大量運算處理工作，同時系統還要實現和外部系統的通信、控制、人機接口等功能。而電能質量監測系統大多以微控制器或(與)DSP為核心的軟硬件平臺結構以及相應的設計開發模式，存在著處理能力不足、可靠性差、更新換代困難等弊端。本文將SoPC技術應用到電力領域，在FPGA中嵌入了32位NiosⅡ軟核系統。可實現對電能信號的采集、處理、存儲與顯示等功能，實現了實時系統的要求。
1 系統概述
1．1 電能質量檢測系統的基本原理
電能質量監測主要是對電能質量各參數進行實時監測和記錄，其功能流程為：把電網中的電壓、電流經過PT、CT變成-5～+5 V的電壓信號、1～2 mA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。其系統基本原理方框圖如圖1所示。
1．2 算法介紹
本文在處理諧波數據時，采用基2的DIT方式的FFT算法。傳統的基2算法的蝶形圖中輸入采用的是按碼位顛倒的順序排放的，輸出是自然順序。同一位置不同級的蝶形的輸入數據的位置不固定，難以實現循環控制，用FPGA編程時難以并行實現，通過對傳統的基2蝶形圖分析，調整其旋轉因子的位置，使得各級蝶形圖一致，如圖2所示，可以實現循環控制。
這種結構的輸入是順序的，而輸出是位反碼的，每級的旋轉因子都是放在FPGA的片內ROM里的。調整后的旋轉因子的尋址有一定規律，對于N點的FFT(N=2k，K為級數)，旋轉因子有，…，，共N／2個，將他們按位碼倒序的形式排成一個含有N／2個元素的數組，記為：，，則第i級(i=O．1，2，…，K-1)的旋轉因子排列順序是W(O)，W(1)，W(2)，…，W(2i)重復2k-i-l次得到的。其特點是每級的輸入、輸出數據的順序是不變的，因此每級幾何結構是固定的。用這種結構尋址方便，易于用FPGA編程，實現內部并行的FFT硬件結構，從而明顯加快FFT的運算速度。
2 電能質量檢測系統硬件設計
2．1 A／D轉換器
根據實測數據，如果采用12位分辨率的A／D轉換芯片，對15次諧波而言至少會引起1．67％的誤差，而在實際諧波測量中一般測到30次或更多次諧波，因此現場監測單元中A／D轉換器的分辨率應保證為14位或14位以上。本文采用AD73360作為采樣系統的模數轉換芯片。它的六路輸入通道可被分為三對，以分別對應電力系統中的三相。該芯片可以8 kHz，16 kHz，32 kHz，64 kHz的采樣速率同時進行六通道的信號采樣。AD73360可滿足裝置對高速采樣的要求。AD73360與FPGA的連接如圖3所示。
2．2 NiosⅡ軟核處理器
基于32位RISC嵌入式軟核NiosⅡ的SoPC，有著其他SoPC(如基于FPGA嵌入式IP硬核SoPC)不可比擬的優勢。采用NiosⅡ軟核處理器，用戶將不會局限于一般的處理器技術而是根據自己的標準裁剪和定制處理器，按照需要選擇合適的外設、存儲器和接口，輕松集成自己專有的功能，比如DSP、用戶邏輯等。這非常有利于設計高次諧波這種計算量大且控制邏輯復雜的系統。
為了滿足今后的性能要求，該電能質量監測系統應能隨時被改進升級。可以加入多個NiosⅡCPU、定制指令集、硬件加速器等，以達到更好的性能目標。還可以通過Avalon交換架構調整系統性能，該架構支持多種并行數據通道可實現大吞吐量的應用。
2．3 硬件系統平臺設計
圖4是整個系統的硬件結構框圖。系統組成主要包括：
(1)系統核心模塊采用STRATIX系列的EPlS25型的FPGA，它包含：10個DSP模塊、25 660個邏輯單元、48個嵌入式乘法器、RAM總量高達1 922 576 b，6個數字鎖相環、可用的I／O口最多達到702個。它是一款采用高性能結構體系的PLD器件，結合了強大內核性能，大存儲器，DSP功能，高速I／O和模塊化設計。其內嵌的DSP模塊，提供了高于DSP處理器的數據處理能力，可以完成較為耗費資源的乘法器單元。這些資源對一個電能質量監測系統來說是已經綽綽有余。
(2)NiosⅡ軟核處理器是整個系統模塊的CPU，它的具體特性已在前面詳細敘述。NiosⅡ軟核處理器除了要協調控制各個硬件設備外，電能參數相關數據的軟件算法也要在此執行。
(3)Avalon交換式總線由SoPC Buiider自動生成，它是一種用于系統CPU和外設之間的內聯總線。傳統的總線結構缺點是每次只能有一個主機能接入總線，導致帶寬瓶頸。而在Avalon總線結構里，總線主機不搶占總線本身。Avalon交換結構可實現數據在外設與性能最佳數據通道之間的無縫傳輸，并且它同樣支持用戶設計的片外處理器和外設。
(4)諧波分析模塊采用內嵌的DSP對采集過來的16位數字信號進行處理，輸入電能計量指標參數的處理算法程序，將結果暫存在片內存儲器，最后NiosⅡ軟核控制單元通過RS 232或．RS 485串口完成數據的傳輸和人機對話。諧波是一個周期性的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。進行諧波變換的方法很多，本文采用的是FFT，完成電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因子和穩態諧波分量等檢測。
以上是本文提出的一個基于NiosⅡ的基本電能質量監測系統的硬件平臺。根據不同要求，還可以采取往系統核心模塊里添加DMA、自定義模塊等措施，從而形成功能更加完善的電能質量監測系統。
3 電能質量檢測系統軟件設計
3．1 SoPC Builder設計
對應系統的硬件平臺結構，添加NiosⅡProcessor，選擇其為快速型，以確保系統的速度性能。再添加SPI，PIO，Character LCD，FLASH Memory，Avalon Tristate Bridge，SDRAM Controller，On chip Memory，DSP，timer這些模塊。設置好模塊的各項參數后，點擊System控件里的兩個選項為各模塊主動分配地址和中斷。然后在NiosⅡMore“CPU”Setting里選Reset Address為FLASH，選Exception AddFess為SDR-AM。最后點擊Generate生成對應的ptf文件。這樣系統的SoPC Bui[der設計基本完成。
3．2 NiosⅡIDE設計
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行文件全下載到FPGA上。至此，一個基于NiosⅡ的電能質量監測SoPC設計完成。
4 結果分析
電能質量檢測結果主要包括電流、電壓的諧波分析數據、電功率測量值數據、供電電壓的測量數據、頻率的測量數據、三相不平衡度的測量數據、閃變的測量數據以及誤差分析等。從實測數據中可以看出，由于各種非線性電力電子裝置的廣泛使用，增加了高次諧波的含有量，現以三相電壓的諧波分析數據為例，得到第2～30次諧波的諧波含有率，即第n次諧波有效值與基波有效值的比值，如柱狀圖5所示。
圖5中，連續的三根柱子分別代表A相、B相、C相的電壓諧波含有率。可以看出，奇數次諧波的諧波含有率明顯比偶數次諧波含有率高，其中以第3，5，7，9，1l，13諧波含量最為明顯，且A，B，C三相電壓相應的諧波含有率差不多，除了B相的第9次和第13次諧波含有率比A相，C相略高一些。應該盡可能地降低諧波含有量，比如從電源電壓、線路阻抗、負荷特性等方面著手，降低高次諧波含有量。
本文提出一種基于NiosⅡ的電能質量監測系統的設計方案，可以實現對電能信號的采集、處理、存儲與顯示等功能，達到實時系統的要求。但由于經驗及技術有限，該系統在某些方面還有待提高。譬如如何進一步減小三相不平衡度、閃變的危害等。本系統利用了可配置的優勢，有興趣的朋友可以在此基礎上根據自己的具體需求來進行相應的填充、修改、完善，得到更優秀的電能質量監測SoPC。
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