基于FPGA+ARM的电力谐波检测方法研究

谐波对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，被认为是电网的一大公害。如何减小电力谐波带来的危害，是电力系统面临的亟待解决的重大技术问题。而解决这一问题的关键在于实时精确的确定谐波的成分、幅值和相位等因素。但由于电力系统谐波固有的非线性、随机性和影响因素的复杂性，以及受现实检测方法和硬件条件的限制，电力系统谐波测量结果并不理想。.本课题试图从硬件体系和软件算法上突破以往的限制，采用FPGA完成高速数据采样处理，辅以ARM＋Linux平台，基-2定点FFT算法，构建能有效解决电力谐波检测中的"实时性与精确度的矛盾"，实现电力谐波有效检测的"ARM＋FPGA"新构架。.广西电力系统是一个水电比重超过50%的水火电力系统，水电机组远离负荷中心，而负荷的非线性特性严重，谐波问题十分突出。从理论和实际两个方面探索检测电力系统谐波的有效方法，解决电力系统运行的安全和经济问题，具有重大意义。

谐波对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，减小电力谐波的危害，是电力系统面临的亟待解决的重大技术问题。而解决这一问题的关键在于实时精确的确定谐波的成分、幅值和相位等因素。由于电力谐波固有的非线性、随机性和影响因素的复杂性以及受现实检测方法和手段的限制，检测效果并不理想。鉴于此，本课题将微电子学的最新成果FPGA技术应用于电力谐波的检测中，提出了一种以FFT方法为基础，从硬件体系和软件算法上突破现有方法局限性的新思路和解决方案：在硬件架构上将FPGA硬逻辑的高速数据处理能力和ARM的强大控制功能相结合，形成一种“FPGA+ARM”体系结构；在软件算法上，通过精选算法，采用与硬件体系相适应的技术，构建适于FFT的FPGA实现的运算规则和高效算法，实现电力谐波的实时检测。本课题重点研究基于这种体系结构的构建方案和相关算法的运算规则：1）探索并建立满足系统速度和精度要求的FFT的FPGA实现的算法模型及运算规则；2）研究ARM与FPGA的异步并行接口的实现问题。重点攻关可有效解决 “实时性与精确度矛盾”的FFT核的FPGA实现：1)采用按时间抽取基-4 FFT算法实现FFT处理器模块，基于CORDIC算法实现碟形运算单元中的复乘运算，减小了系统硬件资源占用；2)采用双端口RAM存储结构，通过相应寻址方式完成原址运算操作，提高了系统速度；3)对结果采取防溢出控制结构，提高了运算精度；4)设计基于CORDIC算法流水线架构的求模平方运算单元，对运算得到的谐波频谱数据进行高速运算及处理。开发了基于这种架构和实现方案的电力谐波检测仪实验样机。实际测试表明：这种谐波检测装置具有采集和分析谐波数据速度快、精度高、实时性好、工作稳定可靠的特点。. 与以往的解决思路相比，课题的特色在于最大限度地发挥软硬件各自的优势，软硬件密切配合、协同工作，并重点从硬件体系结构上加以突破，同时使硬件实现软件化、软件算法硬件化。. 本课题对一种新的电力谐波检测技术进行了深入的研究，提出了一种有效的检测方法。研究表明该方法可有效解决基于FFT谐波检测中的“实时性与精确性的矛盾”，课题达到了预期的研究目标，具有一定的理论意义和较大的实际应用价值。当然，如何有效地将课题成果应用于解决实际谐波问题（如减小谐波危害、治理谐波污染、提高电能质量）尚有许多工作要做。下一步，我们将致力于这些方面的研究。