基于nios ⅱ的电能质量监测系统设计.pdf

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基于niosⅱ的电能质量监测系统设计
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基于NiosⅡ的电能质量监测系统设计 刘尧虎1,何飞舟2 (1.长沙理工大学电气与信息工程学院湖南长沙410076} 2.湖南长丰汽车制造股份有限公司长沙基地技术部湖南长沙411000) 摘 要:在电力系统的电能质量参数检测中,利用可编程逻辑器件的可在线编程特点和SoPC的技术优势.在FPGA中 嵌入了32位Nios II软核系统。探讨了处理谐波数据的FFT算法和硬件系统结构的设计。可实现对电能信号的采集、处理、 存储与显示等功能。达到了实时系统的要求。 关键词:SoPC;电能质量监测系统;NiosⅡ;谐波 中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1004—373X(2010)05—171—03 Design of Power Quality Monitoring System Based on NiosⅡ LIU Yaohul。HE Feizhou2 (1.Electric and Information Engineering College,Changsha University of Science and Technology.Changsha。410078。China 2.Cllangsha Base Technology,Hu’nan Changfeng Automotive Co.Ltd..Changsha.411000,Chins) Abstract:In the detection of power parameter,with the online programmable features of the programmable logic device and the superiority of SoPC,a 32 b Nios II system in FPGA is designed.The FFT arithmetic is used tO process harmonic and the design of hardware structure are also discussed.It realizes acquisition,processing。storing and display of the power signal,and the requirement of real—time system is achieved. Keywords:SoPC;power quality monitoring system;Nios II f harmonic 在电力系统中,要实现对电能质量各项参数的实时 监测和记录,必须对电能进行高速的采集和处理,尤其 是针对电能质量的各次谐波的分析和运算,系统要完成 大量运算处理工作,同时系统还要实现和外部系统的通 信、控制、人机接口等功能[1]。而电能质量监测系统大 多以微控制器或(与)DSP为核心的软硬件平台结构以 及相应的设计开发模式,存在着处理能力不足、可靠性 差、更新换代困难等弊端o]。本文将SoPC技术应用到 电力领域,在FPGA中嵌入了32位Nios 11软核系统, 可实现对电能信号的采集、处理、存储与显示等功能,实 现了实时系统的要求[3]。 1 系统概述 1.1 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变成一5~+5 V的电压信号、1~2 mA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 收稿日期:2009一09—30 基金项目:湖南省教育厅基金项目(098004) 计算机终端进行通信,根据需要控制且查看处理结 果[“。其系统基本原理方框图如图1所示。 图1 系统基本原理方框图 1.2 算法介绍 本文在处理谐波数据时。采用基2的DIT方式的 FFT算法[5]。传统的基2算法的蝶形图中输入采用的 是按码位颠倒的顺序排放的,输出是自然顺序。同一位 置不同级的蝶形的输入数据的位置不固定,难以实现循 环控制,用FPGA编程时难以并行实现,通过对传统的 基2蝶形图分析,调整其旋转因子的位置,使得各级蝶 形图一致,如图2所示,可以实现循环控制。 图2堞形图 这种结构的输入是顺序的,而输出是位反码的,每 级的旋转因子都是放在FPGA的片内ROM里的。调 171 万方数据 ■旦‘j蜀口 型壹区董;墨王堕i21壁鱼皇篮厦量笪型丞缠退i土 整后的旋转因子的寻址有一定规律,对于N点的 FFT(N=2K,K为级数),旋转因子有wo,wb,w备, …,Ⅳ≈佗一,共N/2个,将他们按位码倒序的形式排成 一个含有N/2个元素的数组,记为:W(N/Z)={W‰, wk,W≈,…,w知)(N=16),则第i级(i=0,1,2,…, K~1)的旋转因子排列顺序是W(0),W(1),W(2), …,w(2i)重复2卜H次得到的。其特点是每级的输入、 输出数据的顺序是不变的,因此每级几何结构是固定 的。用这种结构寻址方便,易于用FPGA编程,实现内 部并行的FFT硬件结构,从而明显加快FFT的运算 速度。 2电能质量检测系统硬件设计 2.1 A/D转换器 根据实测数据。如果采用12位分辨率的A/D转换 芯片。对15次谐波而言至少会引起1.67%的误差。而 在实际谐波测量中一般测到30次或更多次谐波,因此 现场监测单元中A/D转换器的分辨率应保证为14位 或14位以上。本文采用AD73360作为采样系统的模 数转换芯片。它的六路输入通道可被分为三对,以分别 对应电力系统中的三相。该芯片可以8 kHz,16 kHz, 32 kHz,64 kHz的采样速率同时进行六通道的信号采 样。AD73360可满足装置对高速采样的要求‘6|。 AD73360与FPGA的连接如图3所示。 :SDOFS I .SCLK SDI、 .SDO EPl$25 AD73360RESET. l堑。 坐堡!露司画 图3 AD73360与FPGA的连接 2.2 Nios II软核处理器 基于32位RISC嵌入式软核Nios 1I的SoPC,有 着其他SoPC(如基于FPGA嵌入式IP硬核SoPC)不 可比拟的优势[7]。采用Nios 11软核处理器,用户将不 会局限于一般的处理器技术而是根据自己的标准裁剪 和定制处理器,按照需要选择合适的外设、存储器和接 El,轻松集成自己专有的功能,比如DSP、用户逻辑等。 这非常有利于设计高次谐波这种计算量大且控制逻辑 复杂的系统。 为了满足今后的性能要求,该电能质量监测系统应 能随时被改进升级。可以加入多个NiosⅡCPU、定制 指令集、硬件加速器等,以达到更好的性能目标。还可 以通过Avalon交换架构调整系统性能,该架构支持 】72 多种并行数据通道可实现大吞吐量的应用。 2.3硬件系统平台设计 图4是整个系统的硬件结构框图。系统组成主要 包括: (1)系统核心模块采用STRATIX系列的EPIS25 型的FPGA[8],它包含:10个DSP模块、25 660个逻辑 单元、48个嵌入式乘法器、RAM总量高达1 922 576 b, 6个数字锁相环、可用的I/O口最多达到702个。它是 一款采用高性能结构体系的PLD器件,结合了强大内 核性能,大存储器,DSP功能,高速I/0和模块化设计。 其内嵌的DSP模块,提供了高于DSP处理器的数据处 理能力,可以完成较为耗费资源的乘法器单元。这些资 源对一个电能质量监测系统来说是已经绰绰有余。 (2)Nios 1I软核处理器是整个系统模块的CPU, 它的具体特性已在前面详细叙述。Nios U软核处理器 除了要协调控制各个硬件设备外,电能参数相关数据的 软件算法也要在此执行。 (3)Avalon交换式总线由SoPC Builder自动生 成,它是一种用于系统CPU和外设之间的内联总线凹]。 传统的总线结构缺点是每次只能有一个主机能接入总 线,导致带宽瓶颈。而在Avalon总线结构里,总线主机 不抢占总线本身。Avalon交换结构可实现数据在外设 与性能最佳数据通道之间的无缝传输,并且它同样支持 用户设计的片外处理器和外设。 (4)谐波分析模块采用内嵌的DSP对采集过来的 16位数字信号进行处理,输入电能计量指标参数的处 理算法程序。将结果暂存在片内存储器,最后Nios 11软 核控制单元通过RS 232或RS 485串口完成数据的传 输和人机对话。谐波是一个周期性的正弦波分量,其频 率为基波频率的整数倍。进行谐波变换的方法很多,本 文采用的是FFT,完成电压有效值、电流有效值、有功 功率、无功功率、视在功率、频率、功率因子和稳态谐波 分量等检测[1]。 最组扣心坎块 记q州刑L 爿打‰卜+ 叫.心意} 刊儿A引SHm,SD孙RAM 砭z袋F Nlos“L -t址絮‰卜 +1龇:输Ⅱ{I 处斗嚣卜_1 Avalon 也纯髓址 CLOCK}_ ' 删i自,,刚J2。l¨ 叫√热l RESET L 一 |L时嚣}斗 叫UART{。。卜 +1上位机i 图4 电能质量监测系统硬件结构 以上是本文提出的一个基于Nios 11的基本电能质 量监测系统的硬件平台。根据不同要求,还可以采取往 系统核心模块里添加DMA、自定义模块等措施,从而 万方数据 《现垡虫圣蘧苤》圣Q!Q笙蓥i翅盛墓兰!!翘 臣皇壬蕉苤廑旦g 形成功能更加完善的电能质量监测系统。 图5中,连续的三根柱子分别代表A相、B相、C相 3电能质量检测系统软件设计 望嚣主薏藉妻裹喜薮暑鬈茎善:霎辇套墨雩鬈雩篱暑i 3.1 SoPC Builder设计 13谐波含量最为明显,且A,B,C三相电压相应的谐波 对应系统的硬件平台结构。添加Nios II Proces一 含有率差不多,除了B相的第9次和第13次谐波含有 sor,选择其为快速型,以确保系统的速度性能。再添加 率比A相·C相略高一些。应该尽可能地降低谐波含 SPI,PIO,Character LCD,FLASH Memory,Avalon 有量,比如从电源电压、线路阻抗、负荷特性等方面着 Tristate Bridge,SDRAM Controller,On chip Memory, 手‘¨,降低高次谐波含有量。 DSP,timer这些模块[1州。设置好模块的各项参数后, 点击System控件里的两个选项为各模块主动分配地 习缅 厢 址和中断。然后在Nios II More“CPU”Setting里选 本文提出一种基于Nios II的电能质量监测系统的 Reset Address为FLASH,选Exception Address为 设计方案,可以实现对电能信号的采集、处理、存储与显 SDRAM。最后点击Generate生成对应的ptf文件口1。 示等功能,达到实时系统的要求。但由于经验及技术有 这样系统的SoPC Builder设计基本完成。 限,该系统在某些方面还有待提高。譬如如何进一步减 3·2 NiosⅡIDE设计 小三相不平衡度、闪变的危害等‘川。本系统利用了可配 进入Nios II IDE后新建一个应用工程,选择ptf 置的优势,有兴趣的朋友可以在此基础上根据自己的具 文件和Black Project,这样一个基于已有SoPC的空白 体需求来进行相应的填充、修改、完善,得到更优秀的电 应用工程建立完毕。然后在System Library里进行必 能质量监测SoPC。 要工程设置。接着将电能参数算法的C程序填人工程 里,再进行软件的编译调试等。调试完毕后,一并将所 参考文献 有程序与可执行文件全下载到FPGA上‘¨]。至此, 一个基于Ni。s 1/的电能质量监测SoPC设计完成。 [13考文南·电力系统谐波分析[M]·天津:天津大学出版 4 结果分析 E23沈伟.谢拴勤.基于DSP的电能质量监测系统设计[J].计算 机测量与控制,2008,16(9):1 240—1 242. 电能质量检测结果主要包括电流、电压的谐波分析 [33周立功.SoPC嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航 数据、电功率测量值数据、供电电压的测量数据、频率的 天大学出版社,2006. 测量数据、三相不平衡度的测量数据、闪变的测量数据 E4]梁玲飞.基于SoPC的电能质量检测仪[D].杭州:浙'ZI:-E,Ik 以及误差分析等‘川。从实测数据中可以看出,由于各种 大学,2007. 非线性电力电子装置的广泛使用,增加了高次谐波的含 [5]赵永新,夏荣·罗卫湘,等.基于高性能FPGA的快速并行 有量,现以三相电压的谐波分析数据为例,得到第2~ FFT及其在谐波监测上的应用[J].制造业自动化,2008,30 30次谐波的谐波含有率,即第n次谐波有效值与基波 哺儿“叫文有效值的雌贼状图s所示。 邸3毳蔷鬣案蔫慧。麓I紫躲知跞麒 [73张泰然,姚萌,邱菘,等.基于Nios I/软核处理器的指纹识 别系统设计与实现[J].信息通信,2008,21(4):24—27. [8]胡晓菁,宋政湘,王建华.基于FPGA的多路交流信号同步 采集系统的实现[J].继电器,2006.34(3):71—75. [9]梁光胜。许钊.基于Nios的GDMl2864A显示模块控制[J]. 现代电子技术,2008.31(23):171—172. F-lo]夏文字.Verilog系统设计教程[M].北京:北京航空航天大 学出版社,2003. E11]Nios II Processor Reference Handbook[EB/0L].http:// 图5 电压谐波有效值与基波有效值的比值 WWW.a|tera.eotll,2008. 作者简介 刘尧虎 男,1985年出生。硕士研究生。主要研究方向为嵌入式系统与智能信息处理。 173 万方数据
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