基于FPGA的船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析裝置研制.pdf

1、當(dāng)代船舶向大型化、智能化的目標(biāo)發(fā)展，使船舶電力系統(tǒng)的大小和密度持續(xù)增加，在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)船舶電力系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。然而，各種非線性電力負(fù)載的大量使用，給船舶電網(wǎng)帶來(lái)了諧波電力污染，這往往導(dǎo)致船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化。于是，如何改進(jìn)船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障船舶電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，已成為船舶工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了提高船舶電網(wǎng)的可觀測(cè)性，本文對(duì)船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行了研究，研制了一個(gè)基于FPGA的船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

2、船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)。
　　基于FPGA的船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析裝置的外圍硬件有信號(hào)預(yù)處理電路、過(guò)零檢測(cè)電路、鎖相倍頻電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，其中信號(hào)預(yù)處理電路包括三個(gè)部分：互感器電路、抗混疊濾波電路和電平提升電路?；ジ衅麟娐酚须娏骰ジ衅麟娐泛碗妷夯ジ衅麟娐?，其作用是將高電壓大電流強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓弱電信號(hào)，抗混疊濾波電路濾除60次以上高次諧波，避免在進(jìn)行FF T時(shí)發(fā)生混疊現(xiàn)象影響FF T變換精度。電平提升電路在抗混

3、疊濾波電路輸出的交流信號(hào)基礎(chǔ)上疊加一個(gè)直流分量，將其提升至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的模擬電壓輸入范圍0~5V內(nèi)。三相電壓通過(guò)運(yùn)算放大器疊加后的信號(hào)作為過(guò)零檢測(cè)電路的輸入，過(guò)零檢測(cè)電路輸出與電網(wǎng)頻率一致的方波信號(hào)，該方波信號(hào)經(jīng)鎖相倍頻電路，產(chǎn)生50Hz方波的128倍頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)上升沿檢測(cè)電路后，產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期脈寬的高電平，用來(lái)觸發(fā) ADS8364的6個(gè)通道同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換。
　　數(shù)字邏輯硬件有Verilog頻率監(jiān)測(cè)電路和

4、并行6通道128點(diǎn)FFT處理機(jī)作為計(jì)算引擎的Verilog數(shù)字邏輯系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，產(chǎn)生脈寬為1s占空比為50％的閘門(mén)信號(hào)，1s用于計(jì)數(shù)，1s用于用于顯示結(jié)果。Verilog頻率監(jiān)測(cè)電路在閘門(mén)信號(hào)打開(kāi)后，開(kāi)始對(duì)過(guò)零檢測(cè)電路的輸出經(jīng)過(guò)上升沿檢測(cè)電路輸出一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期脈寬的方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)閘門(mén)關(guān)閉時(shí)停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果即為電網(wǎng)頻率，并通過(guò)兩個(gè)七段數(shù)碼管顯示結(jié)果。
　　并行6通道128點(diǎn)FFT處理機(jī)作為計(jì)算引擎的Verilo

5、g系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS8364的采樣與轉(zhuǎn)換，緩存AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，接著進(jìn)行FFT變換，最后將FFT變換輸出的數(shù)據(jù)緩存到輸出雙口RAM中，此過(guò)程在一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)的控制下循環(huán)進(jìn)行。ADS8364對(duì)6通道三相電壓三相電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣和轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果分別緩存在6個(gè)16比特的輸出寄存器中，需要6次讀取操作將6個(gè)寄存器中的值讀到16比特的并行輸出接口中。在移位寄存器和三態(tài)門(mén)的有序配合下，6個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果被分別緩存到6個(gè)16乘以128的輸入雙口RA

6、M中。當(dāng)輸入雙口RAM中存滿128個(gè)數(shù)據(jù)即FFT處理機(jī)進(jìn)行FFT變換所需一幀數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)FT處理機(jī)讀走輸入雙口 RAM中的一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行128點(diǎn)FFT變換。FFT將時(shí)間域中的實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)變換至復(fù)數(shù)頻率域中對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)，6個(gè)輸出的實(shí)部數(shù)據(jù)和6個(gè)輸出的虛部數(shù)據(jù)分別被緩存到12個(gè)16乘以128的輸出雙口RAM中。
　　當(dāng)FFT變換輸出的數(shù)據(jù)卸載完成后即12個(gè)輸出雙口RAM緩存滿時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)作為 MicroBlaze軟核處

7、理器的外部中斷，通知 MicroBlaze讀取輸出雙口RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和各次諧波幅值占有率等的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示。
　　最后，本文對(duì)監(jiān)測(cè)分析裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)方案的正確性。另外，對(duì)監(jiān)測(cè)分析裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行了部分參數(shù)對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)分析裝置滿足測(cè)量精度的要求。
　　船舶電力系統(tǒng)承擔(dān)的供電任務(wù)越來(lái)越多，它的工作狀況直接