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基于FPGA的电力系统谐波检测系统的研究与设计

作　者: 姚强
导　师: 张俊芳
学　校: 南京理工大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 谐波检测小波分析分形理论希尔伯特-黄变换信号采集
分类号: TM935
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 124次
引　用: 1次
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内容摘要

随着科学技术的飞速发展,电力电子设备越来越多的运用在了电力系统中,由此而带来的谐波污染问题日益严重,不容忽视。为此,有必要对谐波进行深入研究以减少谐波所带来的危害,而谐波检测就是谐波研究的一个重要分支和必要前提,具有十分重要的意义。论文以希尔伯特-黄变换(HHT)为基础,对谐波检测的算法进行了深入的研究和仿真,并在此基础上设计了谐波检测系统。在信号去噪算法上,论文分析和比较了小波变换和分形维数理论两种去噪算法,结合各自优点,提出了一种基于分形维数理论的自适应阈值小波去噪算法,并进行仿真,论证了算法的可行性。在谐波检测算法上,论文先对快速傅里叶算法(FFT)进行仿真分析,发现其很难用于非平稳信号的谐波检测,进而论文采用了希尔伯特-黄(HHT)变换,这种算法能够有效地对非平稳信号进行检测,在仿真过程中,发现了其不足之处,并进行改进,对改进算法进行仿真,论证其有效性。论文设计了谐波检测系统。系统硬件以FPGA作为信号采集过程中的核心处理芯片,谐波信号从系统采样后,经A/D转换为数字信号后送至FPGA,由FPGA负责对A/D转换芯片进行控制,以及对数据进行存储,并通过串行通讯接口将数据发送至上位机。系统软件分为下位机软件和上位机软件,下位机软件采用QuartusⅡ平台进行设计,利用VHDL语言编写程序完成FPGA的各项功能；上位机软件采用MATLAB GUI设计界面,并利用MATLAB语言编写程序完成数据的接收,波形的绘制,信号的去噪以及谐波检测的功能,最终计算出各次谐波的瞬时参数。论文最后对所设计的谐波检测系统进行了测试和实验,结果表明该系统能够满足谐波检测的要求,具有一定的实用性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
图表目录  10-13
1 绪论  13-21
  1.1 研究背景及意义  13-14
    1.1.1 课题的研究现状  13-14
    1.1.2 课题的研究目的和意义  14
  1.2 电力系统谐波介绍  14-15
    1.2.1 谐波的定义  14
    1.2.2 谐波的特点  14-15
    1.2.3 谐波的危害  15
  1.3 谐波检测的常用算法  15-17
    1.3.1 模拟滤波器谐波检测法  15-16
    1.3.2 基于傅里叶变换的谐波检测法  16
    1.3.3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法  16-17
    1.3.4 基于神经网络的谐波检测法  17
    1.3.5 基于小波变换的谐波检测法  17
  1.4 FPGA简介  17-18
  1.5 论文主要内容  18-21
    1.5.1 论文的主要工作  18
    1.5.2 论文的章节安排  18-21
2 信号去噪算法的研究与仿真  21-39
  2.1 基于小波变换的信号去噪算法  21-31
    2.1.1 小波变换的基本理论介绍  21-27
    2.1.2 小波去噪算法的实现  27-28
    2.1.3 小波去噪算法的仿真  28-31
  2.2 基于分形理论的信号去噪算法  31-36
    2.2.1 分形理论的基本概念介绍  31-33
    2.2.2 分形理论去噪算法的实现  33-35
    2.2.3 分形理论去噪算法的仿真  35-36
  2.3 基于分形理论的自适应阈值小波去噪算法  36-38
    2.3.1 阈值自适应算法的原理介绍  36-38
    2.3.2 阈值自适应算法的仿真  38
  2.4 本章小结  38-39
3 谐波检测算法的研究与仿真  39-67
  3.1 基于傅里叶变换的谐波检测  39-44
    3.1.1 傅里叶变换的基本理论介绍  39-41
    3.1.2 基于FFT的谐波检测仿真  41-44
  3.2 基于希尔伯特-黄变换的谐波检测  44-59
    3.2.1 希尔伯特变换  44-46
    3.2.2 EMD算法  46-51
    3.2.3 算法流程图  51-52
    3.2.4 基于HHT的谐波检测仿真  52-56
    3.2.5 基于HHT的间谐波检测仿真  56-59
  3.3 希尔伯特-黄变换的改进算法  59-65
    3.3.1 误差产生的原因分析  60-61
    3.3.2 解决方案  61-62
    3.3.3 改进算法的仿真  62-65
  3.4 本章小结  65-67
4 电力系统谐波源的分析与仿真  67-75
  4.1 变压器所引起的谐波  67-70
  4.2 旋转电机所引起的谐波  70-72
  4.3 电力电子装置所引起的谐波  72-74
  4.4 本章小结  74-75
5 谐波检测系统硬件设计  75-85
  5.1 互感器型号的选择  75-76
    5.1.1 电流互感器  75-76
    5.1.2 电压互感器  76
  5.2 信号调理电路的设计  76-79
    5.2.1 电流信号调理电路的设计  76-78
    5.2.2 电压信号调理电路的设计  78-79
  5.3 A/D转换电路的设计  79-80
  5.4 FPGA的选型及其介绍  80-81
    5.4.1 基本配置  80-81
    5.4.2 器件特性  81
  5.5 串口连接电路的设计  81-83
    5.5.1 RS232通信原理  81-82
    5.5.2 RS232硬件接口  82-83
  5.6 控制按键电路的设计  83
  5.7 本章小结  83-85
6 谐波检测系统软件设计  85-103
  6.1 下位机软件的设计  85-95
    6.1.1 A/D转换器控制模块  89-92
    6.1.2 FIFO存储模块  92-93
    6.1.3 串口数据发送控制模块  93-94
    6.1.4 其它模块的设计  94-95
  6.2 上位机软件的设计  95-102
    6.2.1 串口参数设置及信号类型选择面板  100-101
    6.2.2 信号去噪参数设置面板  101
    6.2.3 HHT谐波分解面板  101-102
    6.2.4 瞬时参数计算面板  102
  6.3 本章小结  102-103
7 谐波检测系统测试  103-115
  7.1 下位机系统测试  103-108
    7.1.1 信号调理电路的测试  103-105
    7.1.2 A/D转换器采样频率的测试  105-106
    7.1.3 串口数据发送测试  106-108
  7.2 上位机系统测试  108-111
  7.3 谐波检测实验  111-113
  7.4 本章小结  113-115
8 结论  115-117
致谢  117-119
参考文献  119-123
附录A 下位机程序  123-135
附录B 上位机程序  135-160
附录C 攻读硕士学位期间发表的论文  160

基于FPGA的电力系统谐波检测系统的研究与设计

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