基于FPGA的船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置研制.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)濟性方面對船舶電力系統(tǒng)的要求越來越高。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，如何改進船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障船舶電力系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，已成為船舶工業(yè)關(guān)注的焦點。為了提高船舶電網(wǎng)的可觀測性，本文對船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行了研究，研制了一個基于FPGA的船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測分析裝置，可實時監(jiān)測

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)測分析裝置的外圍硬件有信號預(yù)處理電路、過零檢測電路、鎖相倍頻電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364，其中信號預(yù)處理電路包括三個部分：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電信號轉(zhuǎn)換成小電壓弱電信號，抗混疊濾波電路濾除60次以上高次諧波，避免在進行FF T時發(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基礎(chǔ)上疊加一個直流分量，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)。三相電壓通過運算放大器疊加后的信號作為過零檢測電路的輸入，過零檢測電路輸出與電網(wǎng)頻率一致的方波信號，該方波信號經(jīng)鎖相倍頻電路，產(chǎn)生50Hz方波的128倍頻率的脈沖信號，經(jīng)上升沿檢測電路后，產(chǎn)生一個系統(tǒng)時鐘周期脈寬的高電平，用來觸發(fā) ADS8364的6個通道同時采樣和轉(zhuǎn)換。
　　數(shù)字邏輯硬件有Verilog頻率監(jiān)測電路和

4、并行6通道128點FFT處理機作為計算引擎的Verilog數(shù)字邏輯系統(tǒng)。對系統(tǒng)時鐘進行分頻，產(chǎn)生脈寬為1s占空比為50％的閘門信號，1s用于計數(shù)，1s用于用于顯示結(jié)果。Verilog頻率監(jiān)測電路在閘門信號打開后，開始對過零檢測電路的輸出經(jīng)過上升沿檢測電路輸出一個系統(tǒng)時鐘周期脈寬的方波脈沖進行計數(shù)，當(dāng)閘門關(guān)閉時停止計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即為電網(wǎng)頻率，并通過兩個七段數(shù)碼管顯示結(jié)果。
　　并行6通道128點FFT處理機作為計算引擎的Verilo

5、g系統(tǒng)實現(xiàn)對ADS8364的采樣與轉(zhuǎn)換，緩存AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，接著進行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，此過程在一個有限狀態(tài)機的控制下循環(huán)進行。ADS8364對6通道三相電壓三相電流信號進行同時采樣和轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果分別緩存在6個16比特的輸出寄存器中，需要6次讀取操作將6個寄存器中的值讀到16比特的并行輸出接口中。在移位寄存器和三態(tài)門的有序配合下，6個通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果被分別緩存到6個16乘以128的輸入雙口RA

6、M中。當(dāng)輸入雙口RAM中存滿128個數(shù)據(jù)即FFT處理機進行FFT變換所需一幀數(shù)據(jù)時，F(xiàn)FT處理機讀走輸入雙口 RAM中的一幀數(shù)據(jù)進行128點FFT變換。FFT將時間域中的實數(shù)數(shù)據(jù)變換至復(fù)數(shù)頻率域中對應(yīng)的復(fù)數(shù)實部和虛部數(shù)據(jù)，6個輸出的實部數(shù)據(jù)和6個輸出的虛部數(shù)據(jù)分別被緩存到12個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個輸出雙口RAM緩存滿時，將產(chǎn)生一個高電平信號作為 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)進行電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和各次諧波幅值占有率等的數(shù)值計算，計算結(jié)果通過LCD實時顯示。
　　最后，本文對監(jiān)測分析裝置的實驗結(jié)果進行了分析，實驗結(jié)果證明了設(shè)計方案的正確性。另外，對監(jiān)測分析裝置與標(biāo)準(zhǔn)儀表進行了部分參數(shù)對比測試，測試結(jié)果表明該監(jiān)測分析裝置滿足測量精度的要求。
　　船舶電力系統(tǒng)承擔(dān)的供電任務(wù)越來越多，它的工作狀況直接