基于FPGA的电力谐波检测设计

2 系统硬件电路设计

如图4所示，系统硬件由两大部分组成，分别是虚线框内的采样电路部分和开发板部分[6-7]。本文采用的Spartan-3A DSP 入门级开发板是Xilinx公司出品的基于Spartan-3A DSP FPGA设计的一个开发平台。采样电路实现对三相电压、电流的整周期同步采样，其设计尺寸与Spartan-3A DSP开发板相同，通过EXP接口实现与开发板的通信。它包括：电压、电流互感器、调理电路、低通滤波电路、锁相倍频电路、AD转换器及电平转换电路。

3 硬件联合仿真与结果分析

3.1 硬件联合仿真

由于实验条件所限，本文采用的是单相220V的市电为检测对象。接入额定电压220V，标称功率800W的电加热器为负载。首先用FLUKE434型电能 质量分析仪检测出该负载上的电压、电流的各次谐波参数，如表1所列，其电压总谐波畸变率THDV=4.9%，电流总谐波畸变率THDI=4.8%。

经采样后得到的数字信号量在0～5V之间，依照给定参数分别乘系数J、K，利用Simulink中模块生成一组表征电压、电流的数字信号作为系统的输入信号。如图5所示。

将FFT模块中的采样点数分别设置成为128、256、512、1024，并设置相应的采样频率，然后运行硬件联合仿真模型;将计算结果再乘系数1/J、1/K，得到表2~表5所示结果。

3.2 仿真结果分析

由各表中可以看出，计算出的幅值以及根据幅值计算所得总谐波畸变率的误差都比较小。随着采样点数的增加，计算所得基波和较低次数的谐波幅值的误差和总谐波 畸变率的误差并没有明显减小，而次数较高的谐波误差减小较明显。究其原因，N点FFT计算可以分解出0～N/2-1次谐波，N=128时就可以分解出63 次以内的谐波了。而对于次数较高的谐波，采样点数的增加对其幅值误差的改善还是比较明显的。硬件实现时，在计算精度满足要求的情况下，考虑到实时性的要 求，可选用256点FFT进行计算。

此外，计算所得相位出现了很大的偏差;原本设想通过改变待测信号参数，分析仿真结果来推导出相位偏差的规律，但是随着数值的改变，相位偏差规律并不 明显，并未达到预期目的。然而，在改变信号参数的分析过程中发现，相位的改变对谐波幅值和总谐波畸变率的计算并没有太大影响，计算精度基本满足要求。因 此，实际硬件实现时，舍弃掉相位计算，只计算出各次谐波的幅值及总谐波畸变率。

4 结束语

本文提出了一种采用基于Xilinx FPGA 实现FFT算法的电压、电流谐波检测的模块化的设计方法。使用System Generator设计了谐波检测的模型及前端采样电路，并以Spartan-3A DSP开发板为平台进行了硬件联合仿真验证。