CN112180163A - 一种基于fpga的电力谐波检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于FPGA的电力谐波检测系统及方法,系统包括:ADC模块用于:将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中;窗函数ROM模块用于:存储预置点数的窗函数序列;FIFO模块用于:保存数据序列,当数据序列的点数达到FFT模块的点数时对数据序列和窗函数序列进行加窗运算;FFT模块用于:对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,频谱序列包括频谱基波和频谱谐波;控制模块用于:控制FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块进行工作。本申请的电力谐波检测系统基于FFT模块运算快速的优势,并对电力信号进行加窗操作,能够简单、精确地检测出电力信号,解决了现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及电力技术领域,尤其涉及一种基于FPGA的电力谐波检测系统及方法。
背景技术
随着社会的不断进步,越来越多的电子设备接入电网,使得电网谐波问题日益严重;而谐波问题会导致电网电压不稳定、电压波形畸变、无功功率增大等问题,因此,对电网中的谐波研究具有重要的意义。
目前,检测电网中谐波的方法主要有:模拟滤波器法和基于神经网络的谐波检测方法。其中,模拟滤波器法主要有两种,一种是通过滤波器除去基波分量,从而得到谐波;另一种是使用带通滤波器得到基波分量,然后与原信号相减得到谐波分量;这种方法虽然操作简单,但是误差大,实时性较差;而通过人工神经网络对电网谐波进行检测虽然较为准确,但是操作非常复杂,需要标记大量样本,同时网络结构需要进行不断调整来适应电网变化。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于FPGA的电力谐波检测系统及方法,用于解决现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
有鉴于此,本申请第一方面提供了一种基于FPGA的电力谐波检测系统,所述系统包括:
ADC模块和FPGA系统,其中所述FPGA系统包括:FIFO模块、窗函数ROM模块、FFT模块和控制模块;
所述ADC模块的第一端与所述FIFO模块的第一端相连,所述FIFO模块第二端与所述窗函数ROM模块的第一端相连,所述窗函数ROM模块的第二端与所述FFT模块的第一端相连;所述控制模块分别与所述FIFO模块、所述窗函数ROM模块和所述FFT模块相连;
所述ADC模块用于:将电力信号转换为数据序列,并输入到所述FIFO模块中;
所述窗函数ROM模块用于:存储预置点数的窗函数序列;
所述FIFO模块用于:保存所述数据序列,当所述数据序列的点数达到所述FFT模块的点数时,对所述数据序列和所述窗函数序列进行加窗运算;
所述FFT模块用于:对加窗运算后的所述数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,所述频谱序列包括频谱基波和频谱谐波;
所述控制模块用于:控制所述FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块进行工作。
可选地,还包括:上位机;
所述上位机用于:对所述频谱序列进行频谱分析,得到所述频谱序列的幅值和频率,并绘制所述频谱序列的频谱图。
可选地,所述窗函数序列设置为汉宁窗函数序列。
可选地,所述FIFO模块具体用于:保存所述数据序列,当所述数据序列的点数达到所述FFT模块的点数时,对所述数据序列和所述窗函数序列进行乘法运算。
可选地,所述所述FFT模块采用AXI数据总线,并设置所述FFT模块的点数为2048点。
可选地,所述ADC模块的采样速率大于1MSPS。
本申请第二方面提供一种基于FPGA的电力谐波检测方法,应用于第一方面的基于FPGA的电力谐波检测系统,所述方法包括:
通过ADC模块将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中;
所述FIFO模块对所述数据序列进行保存,当所述数据序列的点数达到所述FFT模块的点数时,对所述数据序列和窗函数序列进行加窗运算,所述窗函数序列存储于窗函数ROM模块中;
通过FFT模块对加窗运算后的所述数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,所述频谱序列包括频谱基波和频谱谐波。
可选地,所述通过FFT模块对进行加窗运算后的所述数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,所述频谱序列包括频谱基波和频谱谐波,之后还包括:
通过上位机对所述频谱序列进行频谱分析,得到所述频谱序列的幅值和频率,并绘制所述频谱序列的频谱图。
可选地,所述对所述数据序列和窗函数序列进行加窗运算,具体为:
对所述数据序列和所述窗函数序列进行乘法运算。
可选地,所述通过ADC模块将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中,具体为:
通过采样速率大于1MSPS的所述ADC模块将所述电力信号转换为所述数据序列,并输入到所述FIFO模块中。
从以上技术方案可以看出,本申请实施例具有以下优点:
本申请提供了一种基于FPGA的电力谐波检测系统,包括:ADC模块和FPGA系统,其中FPGA系统包括:FIFO模块、窗函数ROM模块、FFT模块和控制模块;ADC模块的第一端与FIFO模块的第一端相连,FIFO模块第二端与窗函数ROM模块的第一端相连,窗函数ROM模块的第二端与FFT模块的第一端相连;控制模块分别与FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块相连;ADC模块用于:将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中;窗函数ROM模块用于:存储预置点数的窗函数序列;FIFO模块用于:保存数据序列,当数据序列的点数达到FFT模块的点数时,对数据序列和窗函数序列进行加窗运算;FFT模块用于:对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,频谱序列包括频谱基波和频谱谐波;控制模块用于:控制FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块进行工作。
本申请的基于FPGA的电力谐波检测系统,通过ADC模块将电力信号转换为离散序列,利用窗函数ROM模块对离散序列进行加窗操作,有效地改善了频谱泄漏现象,从而减少了检测误差提升了系统的检测精确性,并使用FPGA作为硬件平台,基于FFT模块的并行运算能力强的优势,使得系统能够快速的对离散序列进行变换得到电力信号的频谱序列,同时能够与ADC模块进行通信而且操作简单;从而使得本系统能够精确地、简单地对电力信号进行检测,解决了现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例中提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的实施例结构示意图;
图2为本申请实施例中提供的一种基于FPGA的电力谐波检测方法的实施例的流程示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种基于FPGA的电力谐波检测系统及方法,解决了现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
请参阅图1,本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的结构示意图。
本实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统,包括:ADC模块和FPGA系统,其中FPGA系统包括:FIFO模块、窗函数ROM模块、FFT模块和控制模块;
ADC模块的第一端与FIFO模块的第一端相连,FIFO模块第二端与窗函数ROM模块的第一端相连,窗函数ROM模块的第二端与FFT模块的第一端相连;控制模块分别与FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块相连。
ADC模块用于:将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中。
可以理解的是,ADC模块用于将连续的电力信号转换为离散的数据序列,也就是说对电力信号进行采样,进行模数转换,将采样后的数据序列输入到FIFO模块进行处理,需要说明的是,数据序列的长度单位是“点”。
窗函数ROM模块用于:存储预置点数的窗函数序列。
需要说明的是,窗函数ROM模块中存储了窗函数序列,该窗函数序列的长度是与采样得到的数据序列的点数是相同的。
FIFO模块用于:保存数据序列,当数据序列的点数达到FFT模块的点数时,对数据序列和窗函数序列进行加窗运算。
需要说明的是,FFT模块的点数不是固定的,本领域技术人员可以根据需要进行设置,在此不做限定,可以理解的是,当FIFO模块保存的数据序列达到了FFT模块的设置的点数时,将数据序列和窗函数序列进行加窗运算。
由于为了避免了出现频谱泄漏现象,所以在FFT模块进行快速傅里叶运算前需要对数据序列进行加窗运算,加窗的目的就是让不太连续的地方(数据序列中最后一个点和第一个点的连接处)看上去平滑了,除了平滑的作用,加窗还有个作用就是对数据序列进行截取。
FFT模块用于:对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,频谱序列包括频谱基波和频谱谐波。
本实施例使用使用Vivado自带的FFT IP核完成快速傅里叶变换运算,本领域技术人员也可以根据实际情况进行选择,在此不做限定。
对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,频谱序列包括频谱基波和频谱谐波,其中主要为频谱谐波,通过频谱谐波就可以知道电力信号的质量情况,本领域技术人员还可以对频谱谐波进行进一步的分析。
控制模块用于:控制FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块进行工作。
可以理解的是,上述控制FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块的工作时根据控制模块的指令进行工作的。
本实施例提供的基于FPGA的电力谐波检测系统,通过ADC模块将电力信号转换为离散序列,利用窗函数ROM模块对离散序列进行加窗操作,有效地改善了频谱泄漏现象,从而减少了检测误差提升了系统的检测精确性,并使用FPGA作为硬件平台,基于FFT模块的并行运算能力强的优势,使得系统能够快速的对离散序列进行变换得到电力信号的频谱序列,同时能够与ADC模块进行通信而且操作简单;从而使得本系统能够精确地、简单地对电力信号进行检测,解决了现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
以上为本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的实施例一,以下为本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的实施例二。
请参阅图1,本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的结构示意图。
本实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统,包括:ADC模块和FPGA系统,其中FPGA系统包括:FIFO模块、窗函数ROM模块、FFT模块和控制模块;
ADC模块的第一端与FIFO模块的第一端相连,FIFO模块第二端与窗函数ROM模块的第一端相连,窗函数ROM模块的第二端与FFT模块的第一端相连;控制模块分别与FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块相连。
ADC模块用于:将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中;
窗函数ROM模块用于:存储预置点数的窗函数序列;
FIFO模块用于:保存数据序列,当数据序列的点数达到FFT模块的点数时,对数据序列和窗函数序列进行加窗运算;
FFT模块用于:对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,频谱序列包括频谱基波和频谱谐波;
控制模块用于:控制FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块进行工作。
进一步地,还包括:上位机;
上位机用于:对频谱序列进行频谱分析,得到频谱序列的幅值和频率,并绘制频谱序列的频谱图。
当对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列后,通过上位机对频谱序列进行进一步地频谱分析,得到频谱序列的幅值和频率。也可以绘制频成谱序列的频谱图。可以理解的是,上位机接收FPGA运算后的数据,并对基波、谐波的幅度、频率等特征进行分析处理,恢复出幅度、频率,同时绘制出相应的频谱图。
进一步地,窗函数序列设置为汉宁窗函数序列。
需要说明的是,汉宁(Hanning)窗可以看成是升余弦窗的一个特例,汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和,或者说是3个sinc(t)型函数之和,而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了π/T,从而使旁瓣互相抵消,消去高频干扰和漏能。
进一步地,FIFO模块具体用于:保存数据序列,当数据序列的点数达到FFT模块的点数时,对数据序列和窗函数序列进行乘法运算。
进一步地,FFT模块采用AXI数据总线,并设置FFT模块的点数为2048点。
为了提高各个模块之间传输数据的正确率,本实施例的FFT模块采用采用AXI数据总线,同时设置FFT模块的点数为2048。
进一步地,ADC模块的采样速率大于1MSPS。
为了保证高次谐波可以被正确的检测出来,本实施例将ADC模块的采样率设置为大于1MSPS,本领域技术人员也可以根据实际需要进行设置,在此不做限定。
下面对本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的运行流程进行详细描述:
系统运行时,会从前端的ADC模块中读取检测到的电力信号,流程中假设ADC模块的采样率为fs=2MSPS,被采样的电力信号频率f0=50Hz,幅度VP为100V,并且电力信号包含幅度为10V的3次谐波,即采样得到的信号为y[n]=100sin(2π×50×n)+10sin(2π×150×n),n=0,1.....,N-1。其中的N为FFT模块变换的点数,即2048,对应FFT模块的频率分辨率为ADC模块读出来的数据序列会暂存到FIFO模块,当达到FFT模块需要的点数后,控制模块控制FIFO模块与窗函数ROM模块读出数据序列,读出的数据序列直接进行乘法操作,即ywn[n]=y[n]×w[n]。与此同时,控制模块初始化FFT模块,准备接收经乘法操作后的数据序列。经过FFT模块的快速傅里叶变换之后,FFT模块会同时输出频谱数据FFT_out和频谱索引FFT_out_index,也就是频谱序列,包含频谱基波和谐波,其中FFT_out中每一点的频谱包括实部Re[n]和虚部Im[n]两部分,其中n=0,1.....,N-1,可以计算出每一点频率的幅度最后将FFT输出的数据传送给上位机进行进一步的分析。
本实施例提供的电力谐波检测系统,通过ADC模块将电力信号转换为离散序列,利用窗函数ROM模块对离散序列进行加窗操作,有效地改善了频谱泄漏现象,从而减少了检测误差提升了系统的检测精确性,并使用FPGA作为硬件平台,基于FFT模块的并行运算能力强的优势,使得系统能够快速的对离散序列进行变换得到电力信号的频谱序列,同时能够与ADC模块和上位机进行通信,利用上位机对频谱谐波和基波的幅度和频率进行分析处理,并绘制相应的频谱图,使得对电力信号的质量检测更加清楚和直观,而且本系统操作简单;从而使得本系统能够精确地、简单地对电力信号进行检测,解决了现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
以上为本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测系统的实施例二,以下为本申请实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测方法的实施例。
请参阅图2,本实施例提供的一种基于FPGA的电力谐波检测方法的实施例的流程示意图。
本实施例的一种基于FPGA的电力谐波检测方法,应用于上述基于FPGA的电力谐波检测系统:包括以下步骤:
步骤101、通过ADC模块将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中。
步骤102、FIFO模块对数据序列进行保存,当数据序列的点数达到FFT模块的点数时,对数据序列和窗函数序列进行加窗运算,窗函数序列存储于窗函数ROM模块中。
步骤103、通过FFT模块对加窗运算后的数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,频谱序列包括频谱基波和频谱谐波。
本实施例提供的基于FPGA的电力谐波检测方法,通过ADC模块将电力信号转换为离散序列,利用窗函数ROM模块对离散序列进行加窗操作,有效地改善了频谱泄漏现象,从而减少了检测误差提升了系统的检测精确性,并使用FPGA作为硬件平台,基于FFT模块的并行运算能力强的优势,使得系统能够快速的对离散序列进行变换得到电力信号的频谱序列,同时能够与ADC模块进行通信而且操作简单;从而使得本系统能够精确地、简单地对电力信号进行检测,解决了现有技术对电力谐波检测不能同时兼顾检测精确性与操作简单的技术问题。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的方法的具体工作过程,可以参考前述装置实施例中的对应过程,在此不再赘述。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解,在本申请中,“至少一个(项)”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“和/或”,用于描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,“A和/或B”可以表示:只存在A,只存在B以及同时存在A和B三种情况,其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,a,b或c中的至少一项(个),可以表示:a,b,c,“a和b”,“a和c”,“b和c”,或“a和b和c”,其中a,b,c可以是单个,也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统,装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称:Read-OnlyMemory,英文缩写:ROM)、随机存取存储器(英文全称:Random Access Memory,英文缩写:RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述,以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的电力谐波检测系统,其特征在于,包括:ADC模块和FPGA系统,其中所述FPGA系统包括:FIFO模块、窗函数ROM模块、FFT模块和控制模块;
所述ADC模块的第一端与所述FIFO模块的第一端相连,所述FIFO模块第二端与所述窗函数ROM模块的第一端相连,所述窗函数ROM模块的第二端与所述FFT模块的第一端相连;所述控制模块分别与所述FIFO模块、所述窗函数ROM模块和所述FFT模块相连;
所述ADC模块用于:将电力信号转换为数据序列,并输入到所述FIFO模块中;
所述窗函数ROM模块用于:存储预置点数的窗函数序列;
所述FIFO模块用于:保存所述数据序列,当所述数据序列的点数达到所述FFT模块的点数时,对所述数据序列和所述窗函数序列进行加窗运算;
所述FFT模块用于:对加窗运算后的所述数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,所述频谱序列包括频谱基波和频谱谐波;
所述控制模块用于:控制所述FIFO模块、窗函数ROM模块和FFT模块进行工作。
2.根据权利要求1的所述基于FPGA的电力谐波检测系统,其特征在于,还包括:上位机;
所述上位机用于:对所述频谱序列进行频谱分析,得到所述频谱序列的幅值和频率,并绘制所述频谱序列的频谱图。
3.根据权利要求1的所述基于FPGA的电力谐波检测系统,其特征在于,所述窗函数序列设置为汉宁窗函数序列。
4.根据权利要求1的所述基于FPGA的电力谐波检测系统,其特征在于,所述FIFO模块具体用于:保存所述数据序列,当所述数据序列的点数达到所述FFT模块的点数时,对所述数据序列和所述窗函数序列进行乘法运算。
5.根据权利要求1的所述基于FPGA的电力谐波检测系统,其特征在于,所述所述FFT模块采用AXI数据总线,并设置所述FFT模块的点数为2048点。
6.根据权利要求1的所述基于FPGA的电力谐波检测系统,其特征在于,所述ADC模块的采样速率大于1MSPS。
7.一种基于FPGA的电力谐波检测方法,其特征在于,应用于所述基于FPGA的电力谐波检测系统,包括以下步骤:
通过ADC模块将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中;
所述FIFO模块对所述数据序列进行保存,当所述数据序列的点数达到所述FFT模块的点数时,对所述数据序列和窗函数序列进行加窗运算,所述窗函数序列存储于窗函数ROM模块中;
通过FFT模块对加窗运算后的所述数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,所述频谱序列包括频谱基波和频谱谐波。
8.根据权利要求7的所述基于FPGA的电力谐波检测方法,其特征在于,所述通过FFT模块对进行加窗运算后的所述数据序列进行快速傅里叶变换,得到频谱序列,所述频谱序列包括频谱基波和频谱谐波,之后还包括:
通过上位机对所述频谱序列进行频谱分析,得到所述频谱序列的幅值和频率,并绘制所述频谱序列的频谱图。
9.根据权利要求7的所述基于FPGA的电力谐波检测方法,其特征在于,所述对所述数据序列和窗函数序列进行加窗运算,具体为:
对所述数据序列和所述窗函数序列进行乘法运算。
10.根据权利要求7的所述基于FPGA的电力谐波检测方法,其特征在于,所述通过ADC模块将电力信号转换为数据序列,并输入到FIFO模块中,具体为:
通过采样速率大于1MSPS的所述ADC模块将所述电力信号转换为所述数据序列,并输入到所述FIFO模块中。
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2020
- 2020-09-30 CN CN202011058355.8A patent/CN112180163A/zh active Pending
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