基于FPGA的電力系統(tǒng)檢測技術(shù)研究

郭夢伊

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前的電力系統(tǒng)檢測技術(shù)暴露出一定的弊端，電力系統(tǒng)的諧波污染問題更是受到了大眾的廣泛關(guān)注。各種檢測方式都具備其獨(dú)特的應(yīng)用特點，而針對不同檢測技術(shù)的應(yīng)用特點，文章從電力系統(tǒng)諧波的危害入手展開討論，總結(jié)如何基于FPGA實現(xiàn)FFT信息處理和電力系統(tǒng)諧波檢測，期望對相關(guān)從業(yè)人員有所幫助。

關(guān)鍵詞：FPGA；電力系統(tǒng)；檢測技術(shù)

0 引言

諧波是電力系統(tǒng)中不可忽視的重要部分，而隨著諧波含量超過一定程度時，就極大可能對電網(wǎng)、用戶、系統(tǒng)等造成不良影響。隨著時代的不斷發(fā)展，當(dāng)今，即使具體的相關(guān)硬件較為薄弱，諧波檢測的方法在理論方面卻有了一定的進(jìn)展和突破。硬件的局限性在很大程度上限制了眾多理論的應(yīng)用，基于現(xiàn)有硬件技術(shù)探討FFT理論在諧波檢測中的運(yùn)用，屬于當(dāng)下需要解決的重點問題。

1 FPGA技術(shù)概述

FPGA即現(xiàn)場應(yīng)用可編程總線門撲式陣列，它主要是在應(yīng)用pal，gal，cpld等現(xiàn)場可編程陣列器件的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究發(fā)展的技術(shù)產(chǎn)物。它主要是近年作為我們專用定制集成電路（asic）應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品中的一種半導(dǎo)體定制集成電路而逐漸出現(xiàn)的，其設(shè)計一方面高效地解決了專用定制集成電路的不足，另一方面更好地克服了原有專用可編程電路器件中的門電路門參數(shù)有限的缺點[1]。fpga包括caclb（外部可編程配置外部邏輯接口模塊）、iob（外部輸入口和輸出模塊）、內(nèi)部數(shù)據(jù)連線三大組成部分，具有和傳統(tǒng)的各類可編程邏輯器件所不同的基本結(jié)構(gòu)。fpga利用小型時序查找到的表直接實現(xiàn)基本組合時序邏輯，每個小型時序查找到的表可以連接到一個c或d系列觸發(fā)器的輸入端，d觸發(fā)器可以直接驅(qū)動其他邏輯電路或一個i/o。fpga陣列具備典型的陣列特點，第一，通過采用舊的fpga陣列設(shè)計新的asic中試電路，用戶無須額外投片直接生產(chǎn)就能快速得到一套合用的中試芯片；第二，fpga陣列可用于制作其他全方位定制或半定制型的asic中試電路的陣列中試設(shè)計樣片；第三，fpga內(nèi)部電路具有豐富的信號觸發(fā)器和多種i/o引腳；第四，采用舊的fpga陣列設(shè)計新的asic中試電路，周期短、費(fèi)用低、風(fēng)險小、質(zhì)量穩(wěn)定；第五，fpga陣列高速度的chmos設(shè)計工藝，功耗低；第六是采用fpga采用體系模塊結(jié)構(gòu)、邏輯控制單元靈活、集成度高、適用范圍廣；第七，fpga陣列兼容了舊的pld和其他通用型的門片式陣列的所有優(yōu)點，可應(yīng)用于較大規(guī)模的電路[2]。

2 電力系統(tǒng)中諧波概述

2.1 諧波的定義

在振動學(xué)里，一個振動產(chǎn)生的波是一個具有一定頻率的振幅最大的正弦波，叫作基波。而高于基波頻率的小波就叫作諧波。諧波是指對周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻（50 Hz）相同的分量。高次頻率諧波的電磁干擾作用是當(dāng)前國際電力系統(tǒng)中直接影響實際電能運(yùn)行質(zhì)量的一大公害，亟待國家采取有效對策[3]。

2.2 諧波的三大危害

電力系統(tǒng)設(shè)備中的測量諧波擾動分量密度過大將來會造成諸多危害。第一，它會使系統(tǒng)電能綜合利用率大幅降低，電力系統(tǒng)中的設(shè)備還會產(chǎn)生許多附加的電能損耗，附加的電能損耗將直接促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備工作溫度的大幅提升，增加了設(shè)備電氣中的應(yīng)力，影響系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；第二，大量分布式動力電源在公共電網(wǎng)連接點不能集中被電流接入，可能直接放大動力電網(wǎng)的大量諧波擾動振蕩；第三，在大型柔性直流電力輸電系統(tǒng)運(yùn)行管理過程中，直流場之間持續(xù)的較大諧波振蕩擾動還有可能直接引發(fā)一系列不穩(wěn)定放電現(xiàn)象，直接影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；第四，該諧波還有可能直接使得測量保護(hù)誤動作，測量保護(hù)裝置可能產(chǎn)生較大誤差，甚至還有可能會對系統(tǒng)通信線路運(yùn)行產(chǎn)生較大干擾，影響系統(tǒng)通信運(yùn)行效果。

3 基于FPGA的電力系統(tǒng)檢測技術(shù)

3.1 FFT諧波檢測技術(shù)

FFT的定義電力系統(tǒng)相對諧波檢測技術(shù)是一種精確地通過分析電力諧波的相對頻率、幅值和諧波相位，快速有效地通過檢測和控制分析電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的有害成分，以有效減小動力電網(wǎng)相對諧波形成的污染。由于實際化學(xué)工程設(shè)計問題中需要處理的全是離散的諧波數(shù)據(jù)，重新定義了一個離散傅里葉變換（dft），后來又重新發(fā)現(xiàn)了快速傅里葉級數(shù)變換（fft），使得它的運(yùn)算量大幅減少，離散傅里葉變換的理論使用更加廣泛。諧波測量持續(xù)時間通常是諧波信號采樣周期的一個整數(shù)倍，并且諧波采樣信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波信號中最高頻率諧波采樣頻率兩倍的特殊情況下，該檢測方法不僅檢測信號精度高、實現(xiàn)簡單、功能多且使用方便，在頻譜信號分析技術(shù)和諧波頻率檢測技術(shù)方面均能夠得到廣泛的實際應(yīng)用[4]。基于f和fft的現(xiàn)代傳統(tǒng)射頻諧波分析技術(shù)方法以及其各種性能改進(jìn)技術(shù)算法和各種優(yōu)化技術(shù)思路，筆者做了比較詳細(xì)的分析總結(jié)，可以看到傳統(tǒng)的分析算法依然具有強(qiáng)大的技術(shù)生命力，并且不斷地將所有新的技術(shù)理論成果融入其中，使其在不同的實際應(yīng)用需求情況下達(dá)到不同的技術(shù)應(yīng)用效果。許多專家學(xué)者對我國諧波測量檢測技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的理論研究，諧波測量檢測的相關(guān)理論研究方法和應(yīng)用技術(shù)也在不斷探索發(fā)展中。

3.2 采用模擬濾波器硬件電路檢測諧波

采用低通模擬輸入濾波器通過硬件構(gòu)成電路進(jìn)行檢測輸入諧波這技術(shù)是最早的一種諧波信號測量手段，其輸入諧波信號經(jīng)過放大之后直接送入了與并行電路連接的若干組固定帶寬低通模擬濾波器，每個帶通濾波器的輸入中心諧波頻率都應(yīng)該是固定的以通過特定輸入頻率的輸出諧波，再經(jīng)過檢波器直接送到多路諧波顯示器。這樣就可以得到整個輸入輸出信號電路中的各個諧波發(fā)射成分及其諧波幅值。這種用硬件模擬信號濾波器和非硬件數(shù)字電路方法檢測內(nèi)部諧波的一種方法，原理比較直觀，簡單明了，成本也很低，但是其中的測量諧波精度主要依賴于模擬濾波器的主要元件電路參數(shù)，受內(nèi)界和外界諧波環(huán)境影響較大，所得結(jié)果不理想，并逐漸被數(shù)字電路方法代替。但其中的檢測基本原理卻是最基本的，以后的更先進(jìn)的檢測方法也是基于“分解原始信號—提取特征信息”這一檢測基本思路。

3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的諧波檢測方法

在科學(xué)理論上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在持續(xù)改善和不斷增強(qiáng)諧波計算處理能力、對任意連續(xù)反射函數(shù)的諧波逼近檢測能力、學(xué)習(xí)者用理論和方法動態(tài)地對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能穩(wěn)定性進(jìn)行分析等各個方面均已經(jīng)取得了豐碩的成果。近年來，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的諧波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號管理控制系統(tǒng)中，用于射頻信號和諧波頻率的自動諧波信號檢測控制技術(shù)的相關(guān)課題研究正在不斷發(fā)展中，已經(jīng)取得了一些技術(shù)突破。它充分利用了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的易于機(jī)器人深度學(xué)習(xí)、準(zhǔn)確可靠、在理論上幾乎能夠輕松實現(xiàn)任意非線性信號映射等特點，被用來有效改善神經(jīng)諧波信號檢測的不可實時性、不可分析性和精準(zhǔn)的效率等，具有很廣泛的應(yīng)用前景。然而，對于構(gòu)建大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所必需的大量時間、對于構(gòu)建樣本模型進(jìn)行大量訓(xùn)練、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需要采取的各種構(gòu)建方法不夠科學(xué)統(tǒng)一、訓(xùn)練出的樣品樣本數(shù)量多、模型復(fù)雜等卻是在實際科學(xué)應(yīng)用研究過程中會遇到的一大難題。當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電力系統(tǒng)的人工諧波分析技術(shù)領(lǐng)域，其中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理模型主要有兩種，分別為多層線性前饋自動相適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理模型和多層線性人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理模型。

3.4 基于小波分析的諧波檢測方法

小波變換檢測技術(shù)是記錄我國多所現(xiàn)代化大學(xué)在地球地震物理學(xué)檢測技術(shù)研究發(fā)展簡史歷程上的一項重大成果，應(yīng)用十分廣泛，其在應(yīng)用諧波分析檢測處理技術(shù)算法方面的基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究成果亦頗豐富。憑借其特點可以從各個信號的不同組成部分中得到一種最佳的時域分辨率和頻段的分辨率，通過延遲伸縮和平移的功能可以對信號進(jìn)行更加廣泛而精確的細(xì)化和分析，對于波動諧波和迅速變換諧波的檢測具有非常強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)越性。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對諧波概念的深入學(xué)習(xí)，正確認(rèn)識其危害，有利于深入研究并總結(jié)基于FPGA的電力系統(tǒng)檢測技術(shù)，以在現(xiàn)有技術(shù)上進(jìn)行改善，達(dá)到更加高速度、高精度的算法要求，同時增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性，為電力系統(tǒng)檢測技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)揮提供支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1]姚強(qiáng).基于FPGA的電力系統(tǒng)諧波檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[2]于海雁.基于FPGA的電力系統(tǒng)諧波檢測方法的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]陳清華.基于FPGA的電力系統(tǒng)諧波檢測的研究[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2009.

[4]李季，姜玉東.基于FPGA的電力系統(tǒng)諧波檢測研究[J].中國西部科技，2008（1）：17-18.

（編輯 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