基于OMPAL138+FPGA的三相电能质量分析仪设计

随着我国经济的快速发展,电力资源已经成为人民生活、社会生产的重要能源。由于各种各样的用电设备日益增多,使得实际电网中存在很多不平衡和非线性的冲击性负载,导致电网出现供电电压偏差、频率偏差、谐波、间谐波、三相不平衡、电压骤升骤降、浪涌电流等电能质量问题,造成用电设备故障,引发经济损失。通过加强电能质量的检测,可以使用户采取相应的措施避免损失,因此研究电能质量参数检测具有十分重要的意义。

本文分析了国内外对电能质量参数检测的研究现状,尤其重点研究了基频率和谐波、间谐波检测方法。基于电能质量参数的国家标准,研究了各种电能质量参数的研究方法,重点研究方法存在缺陷的算法并提出新的算法。本文主要工作主要包括以下几个方面:（1）重点研究了基波频率测量方法,基于FFT+FT频谱细化与窗函数研究提出了一种新的测频算法,为了进一步加强算法,本文采用新算法与一维搜索算法中的黄金分割法相结合的方式对算法进一步优化,大大加快了运算速度,增强了算法的实用性。（2）针对目前常用的谐波、间谐波检测算法不足之处,结合实际工程应用性,本文提出了一种改进的非基2的FFT检测算法,并对影响该算法的因素主要包括采样、采样点个数、AD位数进行了研究分析。该算法具有精度高、运算速度快的特点。（3）本文根据软件需求分析,基于FPGA+DSP+ARM平台设计了总体软件框图,并针对FPGA端的数据采样以及数据预处理、DSP端的电能参数计算、ARM端的数据显示和人机交互、核间通讯进行了详细设计,实现了理论算法的实际工程化。（4）根据国标标准中相关规定,对本文的三相电能质量分析仪进行了相应的功能和指标测试,测试结果表明,本文采用的电能质量参数算法结果符合国标要求,并且可靠性高、可行性高、稳定性好。本文最后进行了工作总结,指出目前的研究的不足之处,并根据总结内容提出今后的努力方向。

1 评估板简介
基于TI OMAP-L138（定点/浮点 DSP C674x+ARM9）+ Xilinx Spartan-6 FPGA处理器；
OMAP-L138 FPGA 通过uPP、EMIFA、I2C总线连接，通信速度可高达 228MByte/s；OMAP-L138主频456MHz，高达3648MIPS和2746MFLOPS的运算能力；
FPGA 兼容 Xilinx Spartan-6 XC6SLX9/16/25/45，平台升级能力强；
开发板引出丰富的外设，包含千兆网口、SATA、EMIFA、uPP、USB 2.0 等高速数据传输接口，同时也引出 GPIO、I2C、RS232、PWM、McBSP 等常见接口；
通过高低温测试认证，适合各种恶劣的工作环境；
DSP+ARM+FPGA三核核心板，尺寸为 66mm*38.6mm，采用工业级B2B连接器，保证信号完整性； Ø
支持裸机、SYS/BIOS 操作系统、Linux 操作系统。

图1 开发板正面和侧视图 

XM138F-IDK-V3.0 是一款基于深圳信迈XM138-SP6-SOM核心板设计的开发板，采用沉金无铅工艺的4层板设计，它为用户提供了 XM138-SP6-SOM核心板的测试平台，用于快速评估XM138-SP6-SOM核心板的整体性能。

XM138-SP6-SOM引出CPU全部资源信号引脚，二次开发极其容易，客户只需要专注上层应用，大大降低了开发难度和时间成本，让产品快速上市，及时抢占市场先机。不仅提供丰富的 Demo 程序，还提供详细的开发教程，全面的技术支持，协助客户进行底板设计、调试以及软件开发。

2 典型运用领域
数据采集处理显示系统
智能电力系统
图像处理设备
高精度仪器仪表
中高端数控系统
通信设备
音视频数据处理

图2 典型应用领域

3 软硬件参数
开发板外设资源框图示意图

图3 开发板接口示意图

图4 开发板接口示意图