过采样技术在变压器智能监控中的应用

摘要

变压器是变电站中的重要设备,随着数字化变电站和智能电网的迅速发展,对变压器监测时实现高精度参数采集、智能化冷却控制已成为电力事业发展的必然趋势。本文从电力监测产品的实际项目出发,为提高变压器智能监控装置中模拟量采集板的采集精度,首次将基于FPGA实现的过采样技术应用于模拟量采集板。通过过采样技术减小量化噪声、提高ADC的信噪比来提高N位ADC的分辨率,既可以权衡分辨率与速度的最佳,又可以减少ADC成本,同时,还可以精简采样前的抗混叠模拟滤波器,降低硬件电路设计的复杂性。
　　对于过采样技术在变压器智能监控中的应用,本文主要做了如下工作:首先,以FPGA为控制器,根据需要选取合适的ADC芯片、总线收发器芯片来设计模拟量采集板的硬件电路。其次,在FPGA内实现过采样技术提高有效位数,主要工作包括:用状态机实现ADC16倍过采样的时序控制;采用乒乓操作降低数据处理对时序的要求;采用窗函数设计法,选择海明窗并用modelsim软件计算滤波器系数,利用FPGA本身的查找表结构,采用分布式算法设计FIR低通滤波器,将FIR滤波器中关键的乘法运算转化成查找表过程和加法过程,同时还对查找表规模大的缺点进行优化,节省硬件资源并提高运行速度。然后,完成与监控板的通讯;最后,对过采样前后两组结果做对比分析,进行性能验证。
　　结果表明,过采样技术提高了变压器智能监控系统的采集精度。因此,我们可以将过采样技术应用于各类采集系统来提高低精度ADC的分辨率。

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1绪论

1.1论文的研究背景及意义

1.2变压器智能监控产品需求分析

1.3本论文的工作任务及预期目标

2 模拟量采集板设计方案及基本原理

2.1模拟量采集板设计方案

2.2过采样原理

2.3 FIR数字滤波器理论

2.4 FPGA设计相关基础

3 变压器监控装置模拟量采集板的硬件设计

3.1 电源检测、保护模块

3.2 信号的输入与保护电路

3.3 A/D转换和基准源电路

3.4 FPGA模块电路设计

3.5 总线收发器模块

3.6 模拟量采集板的PCB设计

3.7 本章小结

4 变压器监控装置模拟量采集板的FPGA软件设计

4.1 锁相环

4.2 ADC控制模块

4.3 乒乓操作

4.4 FIR数字低通滤波器设计

4.5低通滤波器后的DPRAM

4.6总线控制模块

4.7本章小结

5 模拟量采集板性能验证

5.1 采集时间验证

5.2 与监控板通讯功能的验证

5.3 模拟量信号的频谱测试

5.4 ADC有效位数测试

5.5 本章小结

6总结与展望

致谢

参考文献

附 录