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原文传递基于FPGA的船舶电网电能质量监测分析装置研制

论文题名：	基于FPGA的船舶电网电能质量监测分析装置研制
关键词：	船舶电网;电能质量;监测分析装置;现场可编程门阵列
摘要：	当代船舶向大型化、智能化的目标发展，使船舶电力系统的大小和密度持续增加，在安全性、可靠性、经济性方面对船舶电力系统的要求越来越高。然而，各种非线性电力负载的大量使用，给船舶电网带来了谐波电力污染，这往往导致船舶电网电能质量恶化。于是，如何改进船舶电网电能质量，保障船舶电力系统正常运转，已成为船舶工业关注的焦点。为了提高船舶电网的可观测性，本文对船舶电网的电能质量进行了研究，研制了一个基于FPGA的船舶电网电能质量监测分析装置，可实时监测船舶电网电能质量参数。　　基于FPGA的船舶电网电能质量监测分析装置的外围硬件有信号预处理电路、过零检测电路、锁相倍频电路和模数转换芯片ADS8364，其中信号预处理电路包括三个部分：互感器电路、抗混叠滤波电路和电平提升电路。互感器电路有电流互感器电路和电压互感器电路，其作用是将高电压大电流强电信号转换成小电压弱电信号，抗混叠滤波电路滤除60次以上高次谐波，避免在进行FF T时发生混叠现象影响FF T变换精度。电平提升电路在抗混叠滤波电路输出的交流信号基础上叠加一个直流分量，将其提升至模数转换芯片ADS8364的模拟电压输入范围0~5V内。三相电压通过运算放大器叠加后的信号作为过零检测电路的输入，过零检测电路输出与电网频率一致的方波信号，该方波信号经锁相倍频电路，产生50Hz方波的128倍频率的脉冲信号，经上升沿检测电路后，产生一个系统时钟周期脉宽的高电平，用来触发 ADS8364的6个通道同时采样和转换。　　数字逻辑硬件有Verilog频率监测电路和并行6通道128点FFT处理机作为计算引擎的Verilog数字逻辑系统。对系统时钟进行分频，产生脉宽为1s占空比为50％的闸门信号，1s用于计数，1s用于用于显示结果。Verilog频率监测电路在闸门信号打开后，开始对过零检测电路的输出经过上升沿检测电路输出一个系统时钟周期脉宽的方波脉冲进行计数，当闸门关闭时停止计数，计数结果即为电网频率，并通过两个七段数码管显示结果。　　并行6通道128点FFT处理机作为计算引擎的Verilog系统实现对ADS8364的采样与转换，缓存AD转换结果，接着进行FFT变换，最后将FFT变换输出的数据缓存到输出双口RAM中，此过程在一个有限状态机的控制下循环进行。ADS8364对6通道三相电压三相电流信号进行同时采样和转换，AD转换结果分别缓存在6个16比特的输出寄存器中，需要6次读取操作将6个寄存器中的值读到16比特的并行输出接口中。在移位寄存器和三态门的有序配合下，6个通道的转换结果被分别缓存到6个16乘以128的输入双口RAM中。当输入双口RAM中存满128个数据即FFT处理机进行FFT变换所需一帧数据时，FFT处理机读走输入双口 RAM中的一帧数据进行128点FFT变换。FFT将时间域中的实数数据变换至复数频率域中对应的复数实部和虚部数据，6个输出的实部数据和6个输出的虚部数据分别被缓存到12个16乘以128的输出双口RAM中。　　当FFT变换输出的数据卸载完成后即12个输出双口RAM缓存满时，将产生一个高电平信号作为 MicroBlaze软核处理器的外部中断，通知 MicroBlaze读取输出双口RAM中的数据进行电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、功率因数和各次谐波幅值占有率等的数值计算，计算结果通过LCD实时显示。　　最后，本文对监测分析装置的实验结果进行了分析，实验结果证明了设计方案的正确性。另外，对监测分析装置与标准仪表进行了部分参数对比测试，测试结果表明该监测分析装置满足测量精度的要求。　　船舶电力系统承担的供电任务越来越多，它的工作状况直接影响到现代船舶航行的安全性和经济性。本课题首先对船舶电网电力参数监测系统做了整体设计，然后重点设计了监测终端的外围硬件电路和 Verilog硬件电路，最后的参数数值计算在MicroBlaze中完成。在线监测船舶电网运行时的电力参数，不仅可以增强船舶电网的可观测性，有助于提高船舶电力系统运行的安全性、可靠性和稳定性，而且可以分析和改善船舶电网电能质量，降低船舶电网的运行和维护成本，延长电气设备的使用寿命。
作者：	周国栋
专业：	控制工程
导师：	陈迅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文