基于FPGA的电力谐波分析仪的设计与实现

论文摘要

电网中的谐波污染日益严重,给电网和用电设备造成了极大的危害。对电网中的谐波进行正确测量是抑制谐波危害的前提。因此,对电网中的谐波进行实时检测和分析,将具有重要的理论和工程意义。目前,谐波分析系统多采用双处理器的硬件架构设计,可以较好地满足检测算法中复杂运算,以及系统控制的需要,但是这种电路结构设计复杂,处理器之间需要通过片外总线实现通信,数据交换速度受到限制,且处理器内部的数据处理依靠串行执行指令来完成,处理速度受流水线限制。为了提高系统速度,提出了一种基于FPGA和SOPC技术的谐波信号采集和处理系统的解决方案。该方案中,前端的谐波采集和处理使用硬件实现,充分了发挥硬件加速的优势；利用FPGA中的Nios Ⅱ软核处理器对处理后的数据做进一步运算和控制,该过程在FPGA片内总线上完成,解决了数据传输的瓶颈,充分发挥了硬件设计的高速性和Nios Ⅱ软核处理器控制的灵活性。本文采用芯片AD7606,运放OPA2227,电流电压传感器等完成了谐波信号的采集和调理电路的设计。然后运用Verilog HDL硬件描述语言对前端的谐波采集和处理进行了硬件实现,主要包括AD芯片驱动和采样的实现,对采样数据加Blackman窗的实现,局部流水线结构的浮点FFT运算模块的实现等,并使用Modelsim对上述硬件模块进行了时序仿真验证。为了进一步完成相关运算和控制,引入Nios Ⅱ软核处理器,并在软核处理器上进行软件的编写,完成了总体的调度,FFT运算结果的读取,双峰插值算法,以及谐波参数的计算。为了进行人机交互,完成了LTM IP核的设计,并将其挂接在软核处理器的总线上,使其能够主动读取相应的显示信息。最后,在DE2-70开发板进行了验证,实现了谐波检测系统。最后对系统进行了相关的分析和测试。在100MHz时钟下,前端的处理模块可以在77us内完成一次1024点浮点FFT运算,Nios Ⅱ软核处理器能在78ms完成1路谐波信号的插值和谐波参数计算,在实际应用中,系统能够满足实时检测的需求。对系统进行的相关分析和测试表明,系统运行稳定,检测精度较高,处理速度快。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 谐波的危害
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 电力系统谐波分析方法研究现状
• 1.3.2 硬件实现平台
• 1.4 课题研究意义
• 1.5 论文的组织结构
• 第2章 相关知识介绍
• 2.1 谐波的概念
• 2.2 快速傅里叶变换
• 2.3 FFT算法在应用中的缺点
• 2.3.1 混叠现象
• 2.3.2 频谱泄漏
• 2.3.3 栅栏效应
• 2.3.4 加窗改进
• 2.4 加窗插值FFT算法
• 2.4.1 窗函数特性研究
• 2.4.2 FFT的电力谐波插值算法
• 2.4.3 MATLAB仿真实验及结论
• 2.5 SOPC技术及Nios Ⅱ处理器
• 2.5.1 SOPC技术
• 2.5.2 Nios Ⅱ软核处理器
• 2.5.3 SOPC Builder简介
• 2.6 硬件平台简介
• 2.6.1 DE2-70开发板
• 2.6.2 TRDB-LTM显示屏
• 2.7 小结
• 第3章 系统总体设计
• 3.1 谐波分析仪性能指标
• 3.2 系统功能概述
• 3.3 系统总体结构
• 3.3.1 传感器电路和AD采样电路
• 3.3.2 NiosⅡ软核处理器模块
• 3.3.3 数据采集模块
• 3.3.4 数据缓存模块
• 3.3.5 数据转换模块
• 3.3.6 加窗模块
• 3.3.7 FFT运算模块
• 3.3.8 运算结果存储模块
• 3.4 小结
• 第4章 系统的设计与实现
• 4.1 前端采集电路设计与实现
• 4.1.1 传感器电路
• 4.1.2 AD采样电路
• 4.2 逻辑电路的设计与实现
• 4.2.1 数据采集模块
• 4.2.2 数据缓存模块
• 4.2.3 数据类型转换模块
• 4.2.4 加窗模块
• 4.2.5 FFT运算模块
• 4.2.6 运算结果存储模块
• 4.3 SOPC系统结构配置
• 4.4 LTM显示IP核设计
• 4.4.1 Avalon-MM流水线传输
• 4.4.2 基于Avalon总线的IP接口
• 4.4.3 基于Avalon总线的IP核实现
• 4.5 软件的设计与实现
• 4.5.1 总体控制单元
• 4.5.2 谐波参数的显示
• 4.6 小结
• 第5章 系统测试
• 5.1 FFT运算单元测试
• 5.1.1 单频正弦信号
• 5.1.2 双频正弦信号仿真
• 5.1.3 三角信号仿真
• 5.2 系统实验
• 5.2.1 实时性测试
• 5.2.2 系统准确度测试
• 5.3 实验结论
• 5.4 小结
• 第6章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文