基于Zynq-7000的电能质量检测装置的研制

发布时间：2020-07-19 13:13

【摘要】：电能作为现代社会不可或缺的一种能源,其应用水平可以直观的体现一个国家或者地区的发展状况和综合国力。高质量的电能是电力系统安全稳定运行的前提,而电能质量较差时,则会带来波形畸变严重,以及频率和电压产生偏差等危害,从而危及到用户的正常用电和电网的经济安全运行。电能质量优劣的评判指标主要包括电压与电流有效值、频率偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、功率和功率因数以及谐波。由于电力电子技术的发展,电力系统中大量的使用电力电子设备(即谐波源),这些设备产生的谐波造成电网污染,最终导致发供用电设备发生故障和异常现象,谐波是电能质量检测中的关键问题。因此对电能质量中谐波检测显得至关重要。随着电子行业的飞速发展,硬件条件的更新换代以及软件算法的优化,人们在不断的对电能质量的检测方法进行改进。随之对检测装置功能的多样性、精度以及实时性等方面的要求也越来越高。本文分析了目前为止国内外具有代表性的电能质量检测方法、电能质量检测装置的关键技术、FPGA技术的发展以及其在电能质量检测领域的运用。针对目前国内外的电能质量检测装置存在运算量大,计算时间长,实时性差等技术瓶颈,提出了使用Xilinx公司推出了Zynq-7000系列芯片。该芯片采用FPGA+ARM架构,具有丰富的逻辑资源,充分利用了FPGA技术固有的硬件加速优势,并行处理数据,也结合了ARM灵活的可扩展性以及非常强的信号控制和管理能力。本文采用了基于加窗插值FFT算法进行谐波的分析,通过Matlab仿真实现该算法后移植到Zynq-7000芯片上,该芯片的主要任务是对包含基波以及2次至50次的谐波信号的混频信号进行AD采样,对经过AD转换后的数据加窗以抑制FFT带来的频谱泄露,信号经过加窗以后进行FFT计算,由于非同步采样以及非整周期截断导致FFT进行谐波分析后具有较大误差,因此必须对经过FFT后的信号进行误差修正。本次课题选择使用搭载了Zynq-7000系列芯片的Zedboard开发板作为开发平台。使用Vivado进行硬件逻辑系统的搭建。主要包括加窗模块、误差修正模块等IP核的设计,AD、FFT、BRAM、Floating和CORDIC等IP核的调用与配置,以及各模块的仿真和逻辑系统的综合实现。Zynq-7000芯片中PL部分完成逻辑运算以后数据向PS部分的传输以及存储。这部分的主要工作包括在SDK中进行软件程序的编写,实现PL部分处理后的数据的存储和显示。论文最后将所设计系统的谐波测量结果和在Matlab中的仿真结果进行比较分析,结果表明,该装置能够满足国家电能质量基本参数精度的要求。
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM933.4

【参考文献】