基于FPGA的电力谐波检测系统的研究

摘要

电力谐波因其固有的特性而影响电能质量,增加电网的损耗,降低电力系统的工作效率和可靠性,严重威胁着电力系统的安全稳定运行,已成为电力系统的一大公害,谐波治理势在必行。精确而快速检测谐波是处理一切谐波问题的基础。迄今为止,人们已对电力谐波检测方法进行了广泛的研究,但总的来说,效果并不理想。因此,探索一种有效的谐波检测方法,研制能实现电力谐波实时精确检测的系统具有十分重要的现实意义。
　　本文提出一种从硬件体系和软件算法上突破以往限制的电力谐波检测方法,并对其进行深入的研究。主要的研究工作包括:
　　1.深入分析了现有谐波检测方法的原理,存在的局限性,提出一种从硬件体系上解决“谐波检测实时性”问题,软件算法上解决“谐波检测精确性”问题的谐波检测新思路和方法。其基本思想是通过选择高性能 FPGA完成大量 FFT运算提高运算的速度,通过对 FFT算法进行改进即采用加Rife-Vincent窗三谱线插值的FFT算法以提高运算精度。
　　2.完成了系统硬件设计。系统硬件设计主要包括谐波信号采集电路及预处理电路设计和FPGA主控制及相应的配置电路设计等。其中,信号采集电路及预处理电路主要由电压采集电路、电流采集电路、信号预处理电路和AD采样电路等构成;FPGA主控及相应的配置电路包含FPGA主控芯片、存储电路、配置电路和显示电路等。
　　3.完成了系统软件算法设计和编程。包括AD采样控制、加窗运算、FFT运算及插值运算算法设计及编程等。在Quartus II环境下,用VHDL语言编程或者调用平台中内置的宏模块实现了对参数配置,并在此基础上仿真验证了软件模块工作的正确性。
　　4.搭建了基于这种方法和体系的谐波检测实验系统,并进行实际测试,同时将实验结果与仿真结果进行了比较、分析。结果表明,所设计并开发的电力谐波检测系统能有效地检测电网中的谐波参数,并且具有检测精度高,实时性好,抗干扰能力强的特点。

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2课题研究目的和意义

1.3谐波检测的研究现状

1.4本文的主要内容

第2章 系统总体方案

2.1系统的设计目标

2.2系统的总体方案

2.3硬件系统方案设计

2.4谐波检测算法设计

2.5软件系统方案的设计

2.6本章小结

第3章谐波检测系统的硬件设计

3.1系统的硬件方案

3.2 谐波检测系统前端电路的设计

3.3 控制部分相关电路的设计

第4章改进的FFT谐波检测算法

4.1谐波的概念

4.2快速傅里叶变换

4.3加Rife-Vincent窗三谱线插值FFT算法

4.4 算法修正公式的推导

4.5本章小结

第5章系统软件设计

5.1 FPGA的总体设计框架

5.2 AD采样控制

5.3 算法处理器

5.4地址产生单元

5.5本章小结

第6章算法仿真及实验

6.1仿真实验

6.2系统实验

6.3结果分析

6.4本章小结

第7章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文