电能质量分析仪中同步采样方法及电参数检测研究与实现

发布时间：2017-08-17 01:03

  本文关键词：电能质量分析仪中同步采样方法及电参数检测研究与实现

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【摘要】：随着我国经济与技术的飞速发展,各种非线性和冲击性负载大量接入电网,使可能造成电能质量问题的因素不断增多,电能质量问题逐渐引起广泛关注。依据相关标准,利用检测技术尽可能无失真地获取电网信号的重要信息,通过电能参数检测算法实时、准确地测量出相关电能质量参数,并提供完备的相关数据,对于电力系统中电能质量问题的监管和治理具有重要意义。其中涉及到两大难题,一是如何有效获取电网信号的尽可能真实的原始信息,二是,如何根据获取的基本信息准确而快速地计算出相关电能质量参数,本文将对以上问题的关键技术进行探讨和研究。针对第一大难题,考虑到异步采样方法所需数据量较多、算法复杂、精度也不好,不太适合多参量的实时性测量,因此,本文选取同步采样作为获取电网信号原始信息的基本途径,着重研究了以下两种同步精度较高且实现相对简单的同步方法。方法一,针对传统数字锁相环路通常其捕获范围较窄、通用性不强且锁定时间和系统稳定性之间难以平衡的问题,本文设计了一种改进型数字锁相环。具有自适应功能的参数调整模块可以动态调整控制参数使锁相环在快捕期、过渡期和慢捕期三个不同工作状态间协调切换以提高性能。经过实际仿真与验证,当选取系统时钟为50MHz,对于频率在20Hz~48k Hz范围内的输入信号,该锁相环能够在1~8个时钟周期内实现锁定,且同步误差在200ns以内。方法二,为了克服传统软件同步方法中采样间隔误差累积以及原理性的中断响应延时时间的分散性问题,本文提出了一种基于FPGA的硬件等效同步采样新方法。以FPGA为平台,先用高速定频sf采样,然后经动态抽取算法使平均同步误差和抽样间隔点数误差始终保持在1/sf时间以内,近似实现等间隔采样。其中,方法一中的系统具有非线性,控制参数的选定需要依靠经验和不断反复调试,但其对硬件要求低,成本低,同步误差也小;而方法二对硬件要求较高,成本也相对较高,其性能随采样速率的提高而增强,还会增加功耗,但实现简单。根据实测结果,当采样频率为10MHz时,两种方法的同步误差和对电能参数的测量结果基本一致,故在应用中应根据实际情况选取合适的同步采样方法。针对第二大难题,本文根据同步采样的研究成果,选取基于FFT的方法计算电参数,研究了非2的整数次幂的混合基FFT算法,并针对其计算量巨大的问题作了改进,使其在保证原始算法的精度的同时大大减小了计算量,并利用FPGA的高度并行处理能力设计了改进型混合基FFT算法的实现方案。通过仿真可以发现,FPGA实现2560点FFT算法的计算时间约为14525个系统时钟周期,计算结果误差在0.7%以内。
【关键词】：电能质量 同步采样 FPGA 混合基FFT
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM933
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 数字采样方法研究现状12-13
• 1.2.2 电能参数算法研究现状13-14
• 1.3 本文主要内容14-16
• 第二章 电能质量概述16-25
• 2.1 电能质量基本概念和相关国家标准16-17
• 2.2 电气信号的数学模型17-18
• 2.3 电气信号测量参数基本概念18-20
• 2.4 电能质量分析仪中采样方法和电参数算法的需求分析20-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 电气信号数据采样方法研究25-55
• 3.1 数字化采样方法概述25-32
• 3.1.1 基本概念25-27
• 3.1.2 数字化采样中的频谱泄露和栅栏效应27-29
• 3.1.3 非同步采样的常用改进方法及其缺陷29-32
• 3.2 基于数字锁相环的同步采样技术32-46
• 3.2.1 数字锁相环的基本原理及结构32-33
• 3.2.2 改进型数字锁相环的研究与设计33-43
• 3.2.3 改进型数字锁相环的性能分析43-46
• 3.3 基于FPGA的等效同步采样方法46-52
• 3.3.1 软件同步采样方法基本原理及其缺陷46-47
• 3.3.2 基于FPGA的等效同步采样方法基本原理47-49
• 3.3.3 误差分析49-52
• 3.4 两种同步采样方法的对比分析52-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 基于同步采样和FFT的电参量检测方法的研究与设计55-86
• 4.1 基于FFT的电参数检测方法55-59
• 4.1.1 电压偏差和频率偏差计算55-56
• 4.1.2 谐波和间谐波子组算法56-57
• 4.1.3 电压波动和闪变算法57-59
• 4.2 基于混合基的FFT算法及其改进59-65
• 4.2.1 混合基FFT算法的基本原理及其改进59-62
• 4.2.2 改进算法的性能分析62-65
• 4.3 改进算法的FPGA实现方案设计65-85
• 4.3.1 总体方案设计66-69
• 4.3.2 块浮点数转换和存储模块69-72
• 4.3.3 512点FFT模块72-81
• 4.3.4 DFT计算模块设计81-84
• 4.3.5 2560点FFT主控制模块设计84-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第五章 仿真验证与应用86-110
• 5.1 改进型数字锁相环的仿真与验证86-92
• 5.1.1 对稳定输入信号的锁定性能87-88
• 5.1.2 跟踪能力的仿真与验证88-89
• 5.1.3 与传统数字锁相环的比较89-92
• 5.2 基于FPGA的等效同步采样方法的仿真与验证92-94
• 5.3 改进型混合基FFT算法设计方案的仿真与验证94-98
• 5.3.1 资源消耗和运算速度94-95
• 5.3.2 功能仿真与验证95-98
• 5.4 在电能质量分析仪中的应用98-109
• 5.4.1 平台简介98-100
• 5.4.2 两种同步采样方法实际效果测试与对比100-107
• 5.4.3 其他参数测试107-109
• 5.5 本章小结109-110
• 第六章 总结与展望110-112
• 6.1 全文总结110
• 6.2 后续工作展望110-112
• 致谢112-113
• 参考文献113-116
• 攻读硕士学位期间取得的成果116-117

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本文编号：686353