本文關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量分析儀中同步采樣方法及電參數(shù)檢測研究與實現(xiàn)

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【摘要】：隨著我國經(jīng)濟與技術(shù)的飛速發(fā)展,各種非線性和沖擊性負載大量接入電網(wǎng),使可能造成電能質(zhì)量問題的因素不斷增多,電能質(zhì)量問題逐漸引起廣泛關(guān)注。依據(jù)相關(guān)標準,利用檢測技術(shù)盡可能無失真地獲取電網(wǎng)信號的重要信息,通過電能參數(shù)檢測算法實時、準確地測量出相關(guān)電能質(zhì)量參數(shù),并提供完備的相關(guān)數(shù)據(jù),對于電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量問題的監(jiān)管和治理具有重要意義。其中涉及到兩大難題,一是如何有效獲取電網(wǎng)信號的盡可能真實的原始信息,二是,如何根據(jù)獲取的基本信息準確而快速地計算出相關(guān)電能質(zhì)量參數(shù),本文將對以上問題的關(guān)鍵技術(shù)進行探討和研究。針對第一大難題,考慮到異步采樣方法所需數(shù)據(jù)量較多、算法復(fù)雜、精度也不好,不太適合多參量的實時性測量,因此,本文選取同步采樣作為獲取電網(wǎng)信號原始信息的基本途徑,著重研究了以下兩種同步精度較高且實現(xiàn)相對簡單的同步方法。方法一,針對傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)路通常其捕獲范圍較窄、通用性不強且鎖定時間和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間難以平衡的問題,本文設(shè)計了一種改進型數(shù)字鎖相環(huán)。具有自適應(yīng)功能的參數(shù)調(diào)整模塊可以動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)使鎖相環(huán)在快捕期、過渡期和慢捕期三個不同工作狀態(tài)間協(xié)調(diào)切換以提高性能。經(jīng)過實際仿真與驗證,當選取系統(tǒng)時鐘為50MHz,對于頻率在20Hz~48k Hz范圍內(nèi)的輸入信號,該鎖相環(huán)能夠在1~8個時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)鎖定,且同步誤差在200ns以內(nèi)。方法二,為了克服傳統(tǒng)軟件同步方法中采樣間隔誤差累積以及原理性的中斷響應(yīng)延時時間的分散性問題,本文提出了一種基于FPGA的硬件等效同步采樣新方法。以FPGA為平臺,先用高速定頻sf采樣,然后經(jīng)動態(tài)抽取算法使平均同步誤差和抽樣間隔點數(shù)誤差始終保持在1/sf時間以內(nèi),近似實現(xiàn)等間隔采樣。其中,方法一中的系統(tǒng)具有非線性,控制參數(shù)的選定需要依靠經(jīng)驗和不斷反復(fù)調(diào)試,但其對硬件要求低,成本低,同步誤差也小;而方法二對硬件要求較高,成本也相對較高,其性能隨采樣速率的提高而增強,還會增加功耗,但實現(xiàn)簡單。根據(jù)實測結(jié)果,當采樣頻率為10MHz時,兩種方法的同步誤差和對電能參數(shù)的測量結(jié)果基本一致,故在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況選取合適的同步采樣方法。針對第二大難題,本文根據(jù)同步采樣的研究成果,選取基于FFT的方法計算電參數(shù),研究了非2的整數(shù)次冪的混合基FFT算法,并針對其計算量巨大的問題作了改進,使其在保證原始算法的精度的同時大大減小了計算量,并利用FPGA的高度并行處理能力設(shè)計了改進型混合基FFT算法的實現(xiàn)方案。通過仿真可以發(fā)現(xiàn),FPGA實現(xiàn)2560點FFT算法的計算時間約為14525個系統(tǒng)時鐘周期,計算結(jié)果誤差在0.7%以內(nèi)。
【關(guān)鍵詞】：電能質(zhì)量 同步采樣 FPGA 混合基FFT
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM933
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-16
• 1.1 研究背景與意義11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 數(shù)字采樣方法研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 電能參數(shù)算法研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 本文主要內(nèi)容14-16
• 第二章 電能質(zhì)量概述16-25
• 2.1 電能質(zhì)量基本概念和相關(guān)國家標準16-17
• 2.2 電氣信號的數(shù)學(xué)模型17-18
• 2.3 電氣信號測量參數(shù)基本概念18-20
• 2.4 電能質(zhì)量分析儀中采樣方法和電參數(shù)算法的需求分析20-24
• 2.5 本章小結(jié)24-25
• 第三章 電氣信號數(shù)據(jù)采樣方法研究25-55
• 3.1 數(shù)字化采樣方法概述25-32
• 3.1.1 基本概念25-27
• 3.1.2 數(shù)字化采樣中的頻譜泄露和柵欄效應(yīng)27-29
• 3.1.3 非同步采樣的常用改進方法及其缺陷29-32
• 3.2 基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步采樣技術(shù)32-46
• 3.2.1 數(shù)字鎖相環(huán)的基本原理及結(jié)構(gòu)32-33
• 3.2.2 改進型數(shù)字鎖相環(huán)的研究與設(shè)計33-43
• 3.2.3 改進型數(shù)字鎖相環(huán)的性能分析43-46
• 3.3 基于FPGA的等效同步采樣方法46-52
• 3.3.1 軟件同步采樣方法基本原理及其缺陷46-47
• 3.3.2 基于FPGA的等效同步采樣方法基本原理47-49
• 3.3.3 誤差分析49-52
• 3.4 兩種同步采樣方法的對比分析52-54
• 3.5 本章小結(jié)54-55
• 第四章 基于同步采樣和FFT的電參量檢測方法的研究與設(shè)計55-86
• 4.1 基于FFT的電參數(shù)檢測方法55-59
• 4.1.1 電壓偏差和頻率偏差計算55-56
• 4.1.2 諧波和間諧波子組算法56-57
• 4.1.3 電壓波動和閃變算法57-59
• 4.2 基于混合基的FFT算法及其改進59-65
• 4.2.1 混合基FFT算法的基本原理及其改進59-62
• 4.2.2 改進算法的性能分析62-65
• 4.3 改進算法的FPGA實現(xiàn)方案設(shè)計65-85
• 4.3.1 總體方案設(shè)計66-69
• 4.3.2 塊浮點數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲模塊69-72
• 4.3.3 512點FFT模塊72-81
• 4.3.4 DFT計算模塊設(shè)計81-84
• 4.3.5 2560點FFT主控制模塊設(shè)計84-85
• 4.4 本章小結(jié)85-86
• 第五章 仿真驗證與應(yīng)用86-110
• 5.1 改進型數(shù)字鎖相環(huán)的仿真與驗證86-92
• 5.1.1 對穩(wěn)定輸入信號的鎖定性能87-88
• 5.1.2 跟蹤能力的仿真與驗證88-89
• 5.1.3 與傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)的比較89-92
• 5.2 基于FPGA的等效同步采樣方法的仿真與驗證92-94
• 5.3 改進型混合基FFT算法設(shè)計方案的仿真與驗證94-98
• 5.3.1 資源消耗和運算速度94-95
• 5.3.2 功能仿真與驗證95-98
• 5.4 在電能質(zhì)量分析儀中的應(yīng)用98-109
• 5.4.1 平臺簡介98-100
• 5.4.2 兩種同步采樣方法實際效果測試與對比100-107
• 5.4.3 其他參數(shù)測試107-109
• 5.5 本章小結(jié)109-110
• 第六章 總結(jié)與展望110-112
• 6.1 全文總結(jié)110
• 6.2 后續(xù)工作展望110-112
• 致謝112-113
• 參考文獻113-116
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果116-117

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本文編號：686353