《嵌入式电力系统谐波分析仪的算法研究与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式电力系统谐波分析仪的算法研究与实现（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、琴 7 嵌入式电力系统谐波分析仪的算法研究与实现 申请学位学科：工学 所学学科专业：模式识别与智能系统 培养单位：电气与信息工程学院 硕士生：杨静 导师：。郑恩让( 教授) 马令坤( 副教授) 2 0 1 0 年5 月 M a s t e ro f E n g i n e e r i n g T h e s i sS u p e r v i s o r ：P r o f e s s o r Z h e n g E n - r a n g M a y , 2 0 1 0 实现 各种电气设备 的安全经济运行。如何将电力谐波的危害最大限度减少，是目前电力电子领 域极为关注的问题，而解决此问题的关键在
2、于定量地检测和分析出谐波的成 份、幅值和能量分布等。 本文研究了各种电力系统谐波检测方法，由于目前电力谐波检测系统大 多采用基于快速傅里叶变换的谐波检测方法，文中主要研究了基于快速傅里 叶变换的谐波检测方法。从信号分析的角度看，谐波分析可以看成是平稳信 号的功率谱估计，因此，在谐波分析仪的具体实现中，采用了基于周期图法 的电力谐波检测算法。在此基础上，对基于各种改进周期图法的谐波检测算 法进行了仿真研究。 周期图法实现谱分析的关键是高速F F T 处理器的实现，因此，本文设 计了一种基于F P G A 的高速F F T 处理器，并在C y c l o n eI I 系列F P G A E P
3、2 C 3 5 F 6 7 2 C 6 芯片上实现了该处理器。当系统工作频率为9 0 M H z 时，处 理器完成1 0 2 4 点输入为1 2 位复数的F F T 需要4 5 6 膨，满足所设计的谐波 分析仪系统实时性要求，解决了系统实时性和资源占用的矛盾。该处理器采 用按时间抽取基4F F T 算法，整个系统包括数据缓存器单元、旋转因子产生 器单元、F F T 蝶形运算单元、地址生成及控制单元和倒序单元等5 个部分， 其中蝶型运算单元中的复乘单元采用改进的C O R D I C 流水线结构实现，处 理器中的R A M 采用双端口存储结构。对设计分别进行了M A T L A B 仿真和 硬件
4、测试，然后将测试结果与M A T L A B 计算结果进行比较，比较的结果验 证了本设计的正确性。同时，该处理器是在不使用I P 核的前提下开发的， 降低了其实现成本。系统整体是基于V H D L 语言的模块化设计，完成了1 0 2 4 点序列的F F T ，在此基础上，完成更大点数序列F F T 的设计将更容易，设 计具有灵活性和可扩展性。 关键词：F P G A ，周期图法，F F T 处理器，V H D L 语言 t h ek e yt or e s o l v et h i sp r o b l e ml i e si nq u a n t i t a t i v e l yd e t
5、 e c t i n ga n da n a l y z i n gt h e h a r m o n i cc o n t e n t ，a m p l i t u d e ，e n e r g yd i s t r i b u t i o na n dS Oo n A v a r i e t yo ft h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i cd e t e c t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e di n t h ep a p e r F o rm o s to ft h ee x i s t i n
6、gp o w e rh a r m o n i c sd e t e c t i o ns y s t e m su s i n gt h e h a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h eF a s tF o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ，t h i s P a p e rm a i n l ys t u d i e st h eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h eF a s
7、tF o u r i e r T r a n s f o r ma l g o r i t h m F r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs i g n a la n a l y s i s ，t h eh a r m o n i c a n a l y s i ss h o u l db es e e na st h ep o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o na b o u tt h es t a t i o n a r y s i g n a l T h e r e f o r e ，t h e h a r m
8、 o n i cd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ep e r i o d o g r a m m e t h o di Sa d o p t e di nt h er e a l i z a t i o no ft h eh a r m o n i ca n a l ) r z e r M e a n w h i l e s e v e r a lh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nm o d i f i e dp e r i o d o g r a mm e
9、t h o da r e c o m p a r e d T h ek e yt ot h er e a l i z a t i o no fs p e c t r a la n a l y s i su s i n gt h eh a r m o n i cd e t e c t i o n m e t h o db a s e do nt h ep e r i o d o g r a mm e t h o di st h er e a l i z a t i o no fh i g h s p e e dF F T p r o c e s s o r T h e r e f o r e ，
10、ad e s i g nm e t h o do fh i 曲s p e e dF F Tp r o c e s s o rb a s e do n F P G Ai sp r o p o s e d ，a i m i n gt os o l v et h es p e e da n dd e s i g nc o s tb o t t l e n e c ko f d i g i t a ls p e c t r u ma n a l y z e r , a n dC y c l o n e l IF P G AE P 2 C 3 5 F 6 7 2 C 6c h i pi su s e d
11、t o a c h i e v et h ep r o c e s s o r I ts h o w st h a tt h et o t a ls i m u l a t i o nt i m eo ft h e10 2 4p o i n t s F F Ti S4 5 6g s ，o p e r a t e da t9 0 时zc l o c k T h ed e s i g ns a t i s f i e st h er e a l t i m e r e q u i r e m e n to ft h eH a r m o n i cA n a l y z e rs y s t e
12、ma n ds o l v e st h ec o n f l i c t sb e t w e e n t h er e a l t i m ea n dr e s o u r c eo c c u p a n c yo ft h es y s t e m T h ep r o c e s s o ra d o p t st h e m e t h o db a s e do nd e c i m a t ei nt i m eR a d i x 4a l g o r i t h m ，a n dt h ee n t i r es y s t e m i n c l u d e st h e
13、d a t ab u f f e ru n i t ，t h et w i d d l ef a c t o rg e n e r a t o ru n i t ，t h eF F Tb u t t e r f l y l I o p e r a t i o nu n i t ，t h ea d d r e s sg e n e r a t i o na n dc o n t r o lu n i t ，a n dt h er e v e r s eu n i t T h e F F Tb u t t e r f l yc o m p u t i n gu n i ti sd e s i g
14、n e db ya m e l i o r a t i v eC O R D I Cp i p e l i n e s t r u c t u r ea n dD u a l p o r tR A Mi su s e di nt h ep r o c e s s o r T h ee n t i r es y s t e mi st e s t e d b yu s i n gt h es i m u l a t i o na n dh a r d w a r et e s t i n gt 0 0 1 T h ea c c u r a c yo fd e s i g nh a s b e e
15、 nc o n f i r m e db yc o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ec a l c u l a t i n g r e s u l to fM A T L A B A n dt h ed e s i g ni si nt h en o n - u s eo fI Pc o r e ，w h i c hg r e a t l y r e d u c e st h ed e s i g nc o s t T h ee n t i r es y s t e mi s d
16、e s i g n e db yV H D L F o rt h e 10 2 4 一p o i n ts e q u e n c eo fF F Tb e i n gc o m p l e t e d ，t h el a r g e rp o i n ts e q u e n c eF F T d e s i g nw i l lb ee a s i e rt oc o m p l e t e T h ee n t i r ed e s i g nh a sg r e a tf l e x i b i l i t ya n d s c a l a b i l i t y K E Y W O R D S ：F P G A ，P e r i o d o g r a mM e t h o d ，F F TP r o c e s s o r , V H D L I I I 1 1 课题研究的意义。1 1 2 国内外电力
