梁剑， 王超， 任勇， 郭欣然， 程远楚

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2. 武汉大学，湖北 武汉 430072)

0 引 言

电力系统中大量非线性设备的应用产生了大量的谐波，使电流或电压发生畸变，电能质量严重下降。谐波不仅使用户侧电能质量受到较大影响，还影响着供电侧输电效率，给电网中其他设备的安全可靠运行带来了极大的危害[1]。因此，开展谐波检测和谐波源定位研究，是目前研究的热点问题之一。

谐波的检测与分析是进行谐波治理的基础。近年来，国内外学者针对电网中的谐波检测方法、谐波源辨识和谐波源的污染责任划分开展了大量的研究[2]。其中，关于谐波源的辨识主要分为等效电路模型法和基于谐波状态估计理论方法两大类[3-4]。等效电路模型法为了定位谐波源，需遍历系统中的全部用户节点[5-6]。而谐波状态估计法则从多个测点的量来估计各个节点注入系统的谐波电流[7-8]，从而一次性判断较大范围内多个谐波源的位置。显然，无论哪种方法，均需对多个测点同时测量。

为了满足电网谐波监测与分析的需要，本文采用SoC(System of Chip)，研制了一种电能质量智能感知模块，通过对测点数据采集，利用移动网络传到云端，在云端实现对电网谐波的监测与定位。

1 硬件系统设计

电能质量智能感知模块的任务是采集自检测点的三相电压，对电压和三相电流信号进行电能参数计算与谐波分析，再通过网络或无线通信与远程网络服务器的通信，按照一定的时间间隔，将实时监测计算结果以规定的报文格式提交到云平台进行监测、分析以及谐波源定位。根据监测任务的需要，构建的智能电量感知模块硬件系统框图如图1所示。

图1 感知模块硬件系统框图

1.1 数字信号处理器选择

处理器的性能高低直接关系到监测节点的数据处理能力与系统运行的稳定性。为了保证系统的实时性，通过对计算量和通信数据容量的综合分析比较，选用了Xilinx Zynq-7000 SoC片上系统作为电能质量感知模块的开发平台。Xilinx Zynq-7000 SoC可扩展处理平台是一种异构、多核处理器架构，它由两部分构成：一是由ARM构成的处理器系统(processing system,PS) ；二是由FPGA构成的可编程逻辑(programmable logic,PL)。

Zynq-7000系列PS为双Cortex-A9内核系统。同时配有丰富的外设，包括：SPI、I2C、CAN、UART、USB以及两个以太网接口等。而Zynq-7000系列的PL部分包含85 k的FPGA逻辑单元、140个32 kb块存储资源以及220个DSP处理单元，且带有两块12 bit内置ADC，可极大地简化系统设计，方便快速进行数据处理。

1.2 数据采集

如图1所示，来自三相电压互感器、三相电流互感器的电压与电流信号经隔离与变换后转换为相对应的电压信号，再由信号调理电路进行滤波和幅值变换后送至SoC芯片内PL端的引脚，由内置的XADC进行数据转换。为了实现同步采样，利用PL端FPGA构成了锁相环电路(phace locked loop,PLL)实现对输入电压信号的同步，然后由PLL的输出直接控制XADC的启动。信号处理部分由PL端和PS共同实现，由XADC采集得到电网公共连接点的三相电压、电流信号直接由FPGA实现的硬件FFT电路进行处理，然后传输到SoC芯片内的PS端做进一步分析，并缓存到存储器芯片。

1.3 同步时钟模块

要实现对多个不同站点的数据统一分析，就需要实现多个节点测量的同步。为此，在系统中设置了同步时钟模块，利用BDS与GPS为电能质量智能感知装置进行互备授时。

BDS/GPS模块通过天线获取卫星信号，然后以1 pps的秒脉冲信号发送至SoC芯片内PL端的FPGA，实现对电网信号的同步采样，同步误差不超过1 μs。同时，通过模块内的串行通信口将同步时间(年、月、日、时、分、秒)和地理位置等信息传输到SoC系统的串口，用以将测量数据打上时间标记，方便对多个电能质量感知模块采集数据的统一分析。

1.4 通信模块

电能质量智能感知模块完成数据采集处理与分析，需将所测数据通过一定的通信方式送往远方控制分析中心。本文远方控制分析中心采用了谐波云分析系统。电能质量智能感知模块设置了三种通信方式。一是通过SoC内部的UART通信接口采用RS485通信方式与外部交换信息；二是通过以太网进行网络通信；三是通过4G/5G无线通信网络完成通信。

所选用的SoC内部集成 2个以太网控制器，采用KSZ9031RNX GB以太网传输接口芯片接至RJ45网络连接器。为实现对移动网络的支持及考虑5G技术可能替代4G，因此未采用在系统中设计4G相关电路的方案。选用了USR-DR801工业路由器实现以太网与4G网络的转换。将USR-DR801工业路由器的10/100 Mbps 速率的有线 LAN 口与智能感知模块的千兆网口相连。而将USR-DR801的APN口与与移动网络连接。该APN口能自动检网、2G/3G/4G 制式切换，可方便地进行网络连接与信息转换。

2 软件设计与功能开发

软件部分包括系统初始化、同步时钟有效、FPGA数据采集、FFT(fast fourier transform)和电能参数计算以及与谐波云分析系统的数据通信控制等。通过各信号流通方向的相互配合，实现对监测点的三相电压与三相电流信号的同步信号采集，电流电压幅值与相位、有功功率、无功功率、功率因数、总谐波含量及1～50次谐波的计算分析，测量数据显示及监测数据的上传等功能。

2.1 同步采样功能实现

Xilinx 7系列FPGA全系内置了两个1Mbps的ADC，简称为XADC。XADC提供了17对差分管脚进行数据采集，其中一对为专用的模拟差分输入，16对为复用的模拟差分输入。XADC最大特点是可以将采集到模拟信号转为数字信号直接传送给FPGA内部进行计算分析处理，可以简化数据的计算过程。在电能质量智能感知模块中使用了其中的6对差分输入，分别接入调理后的A、B、C三相电压信号和A、B、C三相电流信号。为了实现对信号的同步采样，利用PL端的FPGA开发了硬件锁相环电路。通过调用PLL IP内核，具体实现如下：

module pll_ADC(

input clk_in, //signal Ua

input rst_n, //reset ,low active

output clk_out, //signal frequency

output adc_out //signal adc start

);

wire locked;

//PLL IP call

clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst (

.clk_in1(clk_in), // IN 50 Hz

.clk_out1(adc_out), // OUT 6 400 Hz

.clk_out2(), // OUT 3 200 Hz

.clk_out3(), // OUT 100 Hz

.clk_out4(clk_out), // OUT 50 Hz

// Status and control signals

.reset(～rst_n), // pll reset, high-active

.locked(locked)); // OUT

end module

其中：clk_in为整形后的A相电压方波信号；clk_out为输入至测频回路的输出信号；adc_out用于启动XADC的转换。如此，通过对A相电压信号的锁相，每一工频周期等间隔启动XADC进行数据采集，从而实现了对交流信号每周期的128点采样。

2.2 FFT计算

IP 核在 FPGA 或者 DSP 的开发中给设计带来了便利，减小了开发的风险，使设计本身更加稳定可靠。本项目采用Xilinx 官方FFT IP 核进行 FFT 变换，使用 IP 核可以选择占用不同的底层资源，从而提高可编程逻辑资源的利用率，使SoC资源利用与速度优化。FFT IP核采用分解法来计算DFT。变换点数最好为4的整数幂，这样可以加快计算进程。当变换点数不是4的整数幂时，需要额外采用基-2分解用于合并数据；当N点FFT采用基-2分解时有log2N段数据处理，每段运算需要N/2个基-2蝶形单元。

FFT IP核支持的用户接口为AXI-Stream，通过信号线S_AXIS_CONFIG完成命令的输入，利用信号线S_AXIS_DATA和M_AXIS_DATA实现数据的输入与输出，实现FFT计算。本文变换点数是4 096，为4的幂次方。采用单精度浮点输入，用32位浮点数表示，相位因子表示为24位定点数字。取FFT IP核工作频率为200 MHz， FFT运算所需变换周期29 404，延迟时间为147 μs，数据吞吐率50 Msps，满足电能质量数据采集的要求。

2.3 数据传输

图2 数据流与控制流对数据包的处理流程

对以太网转4G模块设置好后，只需按TCP/IP协议进行数据传输即可。所需传输的数据分为两大类：其一为模块要上传的监测数据，称为数据流；另一类为来自云端的控制命令和配置数据，称为控制流。为避免控制命令的响应不及时等不良后果，在设计网络数据交互系统时，将这两种数据类型分开，并单独设计其传输协议。其中，数据流更注重数据的大量传输，并且只对数据包进行核验，对出现错误的数据包直接丢弃；控制流数据包的数量远少于数据流，为保证命令的正确下发，在校验该部分数据包时如果发现错误，则向发送端回复重传命令，启动数据的重发。图2为数据流和控制流对数据包的处理流程。

智能感知模块为服务器方式,云端谐波分析系统为客户端方式。电能质量智能感知模块监听套接字指定的网络端口，等待连接请求。当云端需连接相应的感知模块时，向需要连接的感知模块的IP地址和端口号对应的套接字提出连接请求；当感知模块接收到来自云端的连接请求时，接受该请求完成网络连接。

图3 套接字网络连接状态转移

在连接建立之后，套接字的接收方会启用专门用于接收数据包的定时器，以按一定的时间步长接收数据。由于监测数据量大，有可能出现网络拥塞而导致数据传输不畅、连接失效等情况。 如图3所示，接收方接收数据时，设定一略小于时间步长的等待时间，并设定一阈值用于判断该连接的状态。当连续接收数据包超时的次数超过该阈值时，则判定该连接失效，此时释放该套接字以及其相关缓冲区等资源并进入重连状态。

3 检测实例

采用可编程电源产生如表1所示的测试信号。 对工频信号每周期采样128点，采样频率固定为6 400 Hz，采用FFT方式检测出的幅值与相位测试结果分别如表2和表3所示。然后启用本文周期采样功能，同样每个基波周期采样128点，采样频率变化为6 412 Hz，测试结果见表2与表3中的SFFT。

表1 待测信号参数

表2 幅值检测结果对比

表3 相位值检测结果对比

从检测结果可知：当采用定频采样时，由于频谱泄漏的影响，幅值与相位检测结果均有较大的误差。而本文所述方案，利用SoC内的FPGA实现了硬件同步采样，有效地避免了频谱泄漏，能准确地检出所测信号各次谐波的幅值与相位。

4 结束语

以SoC片上系统为平台，研制了一种智能化电能质量感知模块。其利用SoC内部的FPGA资源实现同步采样与FFT计算，简化计算并提高了测量精度。同时通过4G/5G网络，将监测点的三相电压与三相电流信号的幅值与相位、有功功率、无功功率、功率因数和谐波参数上传至云端监测系统。利用该模块能够实现电网多测点的高速同步谐波信号采集、分析与传输，为电网的谐波源定位及谐波责任分析提供了基础。