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基于FPGA的电能质量监测装置的研究

作　者: 陈宏
导　师: 赵玉林
学　校: 东北农业大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 电能质量 FPGA 电力监测
分类号: TM933.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 103次
引　用: 1次
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内容摘要


随着大量的电力电子装置及非线性负荷注入电网,使得各种各样的电能质量问题日益严重。电能质量问题不仅对电力系统本身的安全和稳定性造成严重威胁,也对系统中的用户造成危害,因此,研制一种电能质量的实时监测装置具有十分重要的意义。本文首先分析了国内外电能质量监测装置的研究现状以及开发新型电能质量监测装置的意义,并对影响电能质量的指标参数进行了分析,同时深入研究了测量原理和算法。在此基础上,根据国家颁布的六项电能质量国家标准,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的电能质量监测系统,利用FPGA强大的计算功能实现对稳态电能质量参数的实时监测、记录和分析。该仪器监测的指标包括:电压电流有效值、频率、电压各次谐波有效值、电流各次谐波有效值、有功功率、无功功率等。整个控制系统的设计可以分为两个部分:上位机的设计和下位机的设计。下位机采用EP1C20F3247可编程门阵列(FPGA)作为系统的控制核心,进行了信号调理单元、数据采集单元、FPGA数据管理单元、外部通信单元等硬件电路的设计。按照电能质量监测设备要实现的功能,在监测终端硬件电路中实现被测三相电压和三相电流共6个并行通道的数据采集及数据分析处理。下位机软件设计主要利用uC/OS嵌入式操作系统,开发了数据采集模块,数据分析模块和通讯接口驱动程序。上位机软件设计完成了应用LabwindowsCVI上位机分析处理平台编写的HMI显示操作界面,并开发了串口接收程序模块、数据分析程序模块和数据显示程序模块。利用搭建的电能质量硬件电路,结合上位机进行了一系列测试,包括频率值和畸变率值的测量、信号调理单元、数据通讯和数据压缩功能的测试。结果表明,测试值都在国家标准的误差范围内,证明该电能质量监测装置具备一定的可用性。

全文目录


中文摘要  8-9
英文摘要  9-10
1 引言  10-15
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
    1.1.1 电能质量问题的提出  10-11
    1.1.2 电能质量监测装置的研究意义  11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 国内研究现状  11-13
    1.2.2 国外研究现状  13-14
  1.3 本文研究的主要内容  14-15
2 电能质量各项指标和测试方法的研究  15-24
  2.1 电能质量的定义  15
  2.2 电能质量标准  15-18
  2.3 稳态电能质量指标及其测量方法  18-23
    2.3.1 供电电压偏差  18-20
    2.3.2 电力系统频率偏差  20
    2.3.3 三相不平衡度  20-22
    2.3.4 电压波动及闪变值  22
    2.3.5 公用电网谐波  22-23
  2.4 本章小结  23-24
3 电能质量监测系统的设计方案  24-28
  3.1 方案的比较与选择  24-25
  3.2 方案的整体结构设计  25-27
    3.2.1 系统的基本参数  26
    3.2.2 FPGA 的选择  26
    3.2.3 硬件系统总体设计  26-27
  3.3 本章小结  27-28
4 电能质量监测系统的硬件电路设计  28-44
  4.1 信号调理单元  28-30
    4.1.1 电压调理电路  29-30
    4.1.2 电流调理电路  30
  4.2 数据采集单元  30-33
    4.2.1 信号选择电路  30-31
    4.2.2 A/D 选择及电路设计  31-33
  4.3 FPGA 数据管理单元  33-43
    4.3.1 时序逻辑控制模块  33-39
    4.3.2 数据存储模块  39-41
    4.3.3 电源管理模块  41
    4.3.4 外部通讯接口模块  41-43
  4.4 本章小结  43-44
5 电能质量监测系统的软件设计  44-56
  5.1 人机界面（HMI）设计  44-46
  5.2 CVI 程序设计  46-49
    5.2.1 数据接收程序模块  46-47
    5.2.2 数据显示程序模块  47-48
    5.2.3 数据分析程序模块  48-49
  5.3 数据压缩算法软件实现  49-50
  5.4 嵌入式系统软件设计  50-55
    5.4.1 FPGA 操作系统选择  50
    5.4.2 FPGA 的C 语言编程平台的建立  50-51
    5.4.3 数据采集模块软件设计  51-52
    5.4.4 数据处理模块软件设计  52
    5.4.5 FPGA 中压缩模块软件设计  52-53
    5.4.6 USB 设备驱动程序的设计  53-55
  5.5 本章小结  55-56
6 系统测试与分析  56-63
  6.1 电能质量分析系统硬件试验  56-58
    6.1.1 试验方案  56
    6.1.2 硬件系统实验平台  56-57
    6.1.3 电压调理模块测试分析  57-58
  6.2 上位机分析系统测试  58-62
    6.2.1 通信模块测试分析  58-59
    6.2.2 数据处理模块测试分析  59-61
    6.2.3 数据压缩模块算法仿真分析  61-62
  6.3 本章小结  62-63
7 结论  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-67
附录  67-69
攻读硕士学位期间发表的学术论文  69

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电气测量技术及仪器 > 电数量的测量及仪表 > 电能测量、电度表
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