基于Xilinx FPGA的电力谐波检测的设计.pdf
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1、总第 4 7 卷第 5 3 6 期 2 0 1 0年第 o 8期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u m e nt a t i o n VoI 4 7 No5 3 6 Aug 2 0 1 0 基于X i l i n x F P G A 的电力谐波检测的设计 刘维亮 , 江修 ( 1 嘉兴电力局 , 浙江 嘉兴 3 1 4 0 3 3; 2 三峡大学 电气与新能源学院, 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要 :凭借F P G A 可并行计算 的优势 , F P G A已成为实现D S P 的主流平台之一 。
2、X i l i n x 公司推出了专 门针对实现 D S P 的设计软件S y s t e m G e n e r a t o r 。本文采用该软件 , 提出了一种针对X i l i n x F P G A 实现谐波检测的模块化的 设计方法 , 并在S p a r t a n 3 A D S P 开发平台上进行了硬件联合仿真验证。 关键词: D S P ; X i l i n x F P G A; F F T ; 谐波 中图分类号 : T M9 3 3 文献标识码 : B 文章编号: 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 6 5 0 4 A De s i g
3、n o f Ha r mo n i c De t e c t i o n i n Po we r S y s t e m Ba s e d o n Xi l i n x FPGA L I U We i - l i a n g , J I ANG Xi u ( 1 J i a x i n g E l e c t r i c P o w e r B u r e a u , J i a x i n g 3 1 4 0 3 3 , Z h e j i a n g , C h i n a 2 E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g& R e n e w a b
4、 l e E n e r g y S c h o o l , C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v , Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 , Hu b e i , C h i n a ) Ab s t r a c t :W i t h i t s a d v a nt a g e o f p a r a l l e l c o mpu t i n g ,FP GA h a s b e c o me a ma i n p l a t f o r m o f DS P i mp l e me n t a t i o n Xi l i n
5、x h a s i n t r o d u c e d a s p e c i a l d e s i g n f o r t h e r e a l i z a t i o n o f DSP S y s t e m Ge ne r a t o r I n t h i s p a pe r ,a mo d u l a r d e s i g n o f ha r mo ni c d e t e c t i o n for Xi l i n x F PGA i s i n t r o d u c e d ,a nd t h e ha r d wa r e e o s i mu l a t i
6、o n ba s e d o n S p a a n 3 A DS P p l a t f o r m h a s b e e n e x e c u t e d Ke y wo r d s :DSP ,Xi l i n x F PGA,FFT ,h a r mo ni c 0引 言 基于F F v r 算法的电力系统谐波检测装置 , 大多采 用D S P 芯片设计。D S P 芯片是采用哈佛结构设计的一 种C P U, 运算能力很强 , 速度很快 ; 但是其顺序执行的 模式限制了其进行F F T 运算的速度。而现场可编程逻 辑门阵列 ( F i e l d P r o g r a m ma
7、b l e G a t e A r r a y , F P G A) 在 近年来获得了突飞猛进的发展 , 目前 已成为实现数字 系统的主流平 台之一。与D S P 相比, F P G A 最大的优势 就是可以进行并行计算。在进行F F T 这类并行运算为 主的算法时, 采用F P G A的优势不言而喻。用F P G A 实 现F f T I 算法进行谐波检测成为了一大热点。 以往F P G A的设计 主要依靠硬件描 述语 言来完 成。X i l i n x 公 司推 出了专 门针对实现 D S P 的设 计软 件一s v s t e m G e n e r a t o r 。在使用F P G
8、A为原型平台运行 算法时,它不仅能够对硬件的真实情况进行仿真, 还 能够 自动生成硬件实现所需要的硬件描述语言代码 。 与语言设计相比,使用S y s t e m G e n e r a t o r 有三大优势: 第一, 图形化操作 , 简单易用 ; 第二 , 实现 的算法能确 保与仿真结果相符 ; 第三 , 无需为仿真和实现建立不 同的模型。因此 , 利用S y s t e m G e n e r a t o r 可以大幅度减 少用F P G A 设计D S P 的工作量 , 缩短开发周期【 】 2 1 。 1 基于F P GA的谐波检测模型的设计3 - 6 1 系统总体结构如图1 所示 。
9、 ( 1 ) 采样电路部分: 包括互感器及滤波电路、 锁相 倍频电路和A D 转换 电路。 待测电压、 电流信号经互感器调理电路转化成便 于采样的低压信号 , 经滤波器滤除检测范围外的高次 谐波、 高频干扰信号和噪声 ; 然后进入MD 转换电路 , 电压、 电流的模拟信号转换成可以用于计算的数字信 号。锁相倍频电路用于跟踪待测信号的频率变化, 以 实现对信号的整周期采样 。 ( 2 ) 如图1 所示 , 虚线框内部分由F P G A 实现。 最主 要部分就是控制单元和F f T r 模块 。控制单元主要 由状 态机的形式实现 , 当接收到锁相倍频电路送来的倍频 信号时, 驱动A D 转换器进行
10、采样。 A D 转换器完成一 次采样 , 先将数据送入到F I F O 模块暂存 , 当数据达到 进行F n1计算所需点数后 , 状态机控制F I F O 模块将数 据送人F F T r 模块进行计算 。为保证数据由A D 转换电 路进 入 F P G A时的 同步 , A D转换 电路 中的时 钟 由 F P G A 对开发板上的时钟分频后提供 。 一 65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 6期 2 0 1 0年第 O 8期 电测与仪表 El e c t r i c a l M ca s u r e m e n t& I ns t r
11、 u m e n t a t i o n Vo 1 4 7 No 5 3 6 Au g 2 01 0 图1谐 波检 测 系统 结构框 图 Fi g 1 Ha r mo n i c d e t e c t i o n s y s t e m s t r u c t u r e di a g r a m F P G A 部分采用模块化的设计方法 。 在S i m u l i n k 环 了中断信号输 k A N T ( s i g n a l 3 ) , 为便于仿 真 , 其间隔 境下搭建仿真模型,如图2 所示 。模型的核心部分是 时间与采样时问同步。 数据输入子系统主要用于对采 F F T 计算
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