基于SOPC技术的三相电能计量算法研究

论文摘要

本文首先分析了国内外高精度电能表的发展状况,针对电力部门对高精度电能表的实际要求,阐述了电能计量算法的总体设计思想,采用SOPC新技术,完成了三相电能计量算法的设计与实现,经测试证明,达到了高精度的要求。论文首先对电能表的发展状况、高精度电能表存在的主要问题进行了归纳总结:介绍了SOPC新技术以及一般设计流程。阐述了采用SOPC技术开发高精度电能表的重要意义。提出了利用NIOSⅡ做嵌入式微处理器的电能表设计方案,研究了电能表计量的分析方法和理论基础,介绍了有功功率计量算法,以及内部所需要的滤波、乘法、FFT等算法。在分析了有功电能计量数学模型的基础上,采用SIMULINK搭建了有功电能计量的系统模型。讨论了梳状滤波器、去直流高通滤波器、乘法器、取直流低通滤波器、数字频率变换、存储缓冲和读写控制等模块,并用VHDL语言实现了各个功能模块。接着用MATLAB和Quartus进行了联合仿真,验证电能计量的算法程序。论文还介绍了两种常用的无功功率计量算法,研究了基于Hilbert数字滤波器无功功率计量算法,通过比较不同的设计方法发现,采用切比雪夫最佳一致逼近法设计Hilbert数字滤波器,可达到最小误差。并分别以正弦波形数据、非正弦波形数据为信号模型进行仿真。研究了谐波检测方法,对窗函数修正法和小波变换法做了详细的算法分析,并构造了不同的模型进行仿真,并使用FFT Magecore实现了FFT谐波检测功能。最后对整体误差进行了计算和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 高精度三相电能表概念及意义
• 1.2 三相电能表现状及发展趋势
• 1.2.1 三相电能表发展现状
• 1.2.2 我国三相电能表设计的问题
• 1.3 SOPC技术在三相电能表中的应用
• 1.3.1 SOPC技术综述
• 1.3.2 电能表结构
• 1.3.3 Matlab\Simulink\Quartus联合仿真技术
• 1.4 课题任务
• 第二章 三相电能计量算法基础
• 2.1 三相交流电信号及其采样
• 2.2 数字滤波器
• 2.2.1 数字滤波器的分类
• 2.2.2 IIR与FIR滤波器的优缺点和设计方法
• 2.3 数字乘法器
• 2.3.1 移位加算法
• 2.3.2 Booth算法
• 2.3.3 CSD编码算法
• 第三章 有功电能计量算法设计与实现
• 3.1 有功功率计量原理
• 3.2 有功电能计量各模块设计
• 3.2.1 有效值计算
• 3.2.2 数据采集
• 3.2.3 去直流高通滤波器
• 3.2.4 乘法器
• 3.2.5 FIFO设计
• 3.2.6 读写控制模块
• 3.2.7 低通滤波器
• 3.2.8 数字-频率变换（DFC）
• 3.2.9 有功计量模块仿真分析
• 第四章 无功电能计量算法设计与实现
• 4.1 无功功率定义
• 4.1.1 频域表示法的无功功率定义
• 4.1.2 三相电路瞬时无功功率理论的算法
• 4.2 Hilbert变换测量算法
• 4.3 Hilbert数字滤波器的设计
• 4.3.1 窗函数法设计Hilbert数字滤波器
• 4.3.2 等波纹切比雪夫法设计
• 4.4 仿真结果比较
• 第五章 谐波计量算法设计与实现
• 5.1 快速傅立叶变换
• 5.1.1 算法原理
• 5.1.2 算法说明:
• 5.2 FFT实现与谐波检测
• 5.2.1 FFT MegaCore参数的配置:
• 5.2.2 FFT MegaCore的管脚功能和时序
• 5.2.3 谐波功率计量
• 5.3 针对非整数次谐波的修正算法
• 5.3.1 分析窗宽的确定
• 1的汉宁窗插值FFT算法'>5.3.2 采样时间为10T₁的汉宁窗插值FFT算法
• 5.3.3 仿真结果及分析
• 5.4 小波分析方法
• 5.4.1 小波变换的定义
• 5.4.2 小波与小波包谐波检测原理
• 5.4.3 仿真实验及分析
• 第六章 测量结果分析与总结
• 6.1 测量误差分析
• 6.2 电网信号畸变条件下误差分析
• 6.3 总结与展望
• 参考文献
• 作者个人硕士期间发表的论文
• 致谢