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基于FPGA的电力系统谐波检测的研究

作　者: 陈清华
导　师: 林青松
学　校: 河南科技大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 谐波检测 FFT FPGA VHDL
分类号: TM935.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文主要研究电力系统中的谐波检测问题。谐波检测是电力系统谐波问题中的一个重要方面,是解决其它相关谐波问题的基础。文中详细介绍了电网谐波给电力系统和各种用电设备带来的危害,从而说明了谐波检测研究的必要性和重要性。在研究比较各种谐波检测法的基础上,本文选用了应用最广的基于快速傅里叶变换(FFT)的谐波检测法,并用可编程门阵列(FPGA)芯片来实现FFT处理器。针对谐波检测中不可避免的频谱泄漏现象,文章通过比较各种常用窗函数,决定选用汉宁窗来减小频谱泄漏,实验表明使用汉宁窗起到了很好的抑制效果。本文对谐波检测系统进行了总体硬件设计,分别介绍了各个模块的功能和工作原理。另外,本文重点研究了FPGA数据处理单元,介绍了如何用FPGA来实现FFT处理器。首先从理论和硬件实现上确定了整个设计方案,通过对FFT算法、定点或浮点运算数据格式、采样点数、硬件实现结构等各方面的讨论,最终决定用按频率抽取的基-2FFT算法,采用顺序处理结构,以Altera公司CYCLONEⅡ系列中的EP2C7OF672C6FPGA芯片为硬件平台,以QuartusⅡ8.0为软件平台,利用VHDL语言描述的方式实现128点定点运算,并对FFT处理器中的各个功能模块进行了设计和详细描述,最后将各个模块综合、仿真,得到计算结果。仿真结果表明其计算结果达到了一定的精度,验证了系统的可靠性,并与同类的FFT处理器相比,已经达到了高速运算的目的。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
第1章 绪论  7-15
  1.1 课题的研究背景与意义  7-9
    1.1.1 谐波产生的原因和特点  7-8
    1.1.2 电力系统谐波的危害与意义  8-9
  1.2 谐波检测的国内外研究现状  9-11
  1.3 基于FFT 的谐波检测法实现方式的现状分析  11-12
  1.4 基于FPGA 的FFT 处理器的现状分析  12-13
  1.5 本文的主要内容  13-15
第2章 FFT 谐波检测法相关问题的研究  15-26
  2.1 FFT 谐波检测理论  15-20
    2.1.1 离散傅里叶变换  15
    2.1.2 快速傅里叶变换  15-18
    2.1.3 FFT 算法的特点  18-20
  2.2 电力系统谐波FFT 算法中存在的问题及其解决方法  20-24
    2.2.1 频谱混叠  20
    2.2.2 频谱泄漏  20-24
    2.2.3 栅栏效应  24
  2.3 本章小结  24-26
第3章 谐波检测系统硬件设计  26-31
  3.1 谐波检测系统概述  26-27
  3.2 各个功能单元介绍  27-30
    3.2.1 信号采集单元  27
    3.2.2 信号调理单元  27-28
    3.2.3 A/D 转换单元  28
    3.2.4 频率测量单元  28-29
    3.2.5 MSP430 微处理器控制系统  29-30
    3.2.6 FPGA 数据处理单元  30
  3.3 本章小结  30-31
第4章 FPGA 数据处理单元的设计实现  31-53
  4.1 设计方案的选择  31-35
    4.1.1 FFT 算法的选取  31
    4.1.2 定点或浮点运算数据格式的确定[30]  31-32
    4.1.3 FFT 运算采样点数的确定  32
    4.1.4 FFT 硬件实现结构的选择  32-34
    4.1.5 FPGA 器件的选择[33]  34-35
  4.2 硬件描述语言  35
  4.3 FPGA 的开发工具QuartusⅡ  35-36
  4.4 FFT 算法的FPGA 实现  36-52
    4.4.1 总体结构设计  36-37
    4.4.2 蝶形运算单元  37-40
    4.4.3 数据存储单元及三态门  40-44
    4.4.4 数据切换单元  44-45
    4.4.5 地址产生单元  45-48
    4.4.6 时序控制单元  48-50
    4.4.7 FFT 时序仿真结果  50-52
  4.5 本章小结  52-53
第5章 结论  53-55
  5.1 结论  53
  5.2 工作展望  53-55
参考文献  55-58
致谢  58-59
攻读硕士学位期间的研究成果  59

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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 > 频率、波形参数的测量及仪表 > 波形参数测量及仪器
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