（硕士毕业论文）基于DSP和CPLD的电力谐波检测系统的研究与设计.pdf

上海交通大学硕士学位论文
基于 DSP 和 CPLD 的电力谐波检测系统的研究与设计

摘要

由于电网中非线性器件和设备的广泛使用,电力系统中产生了大
量的高次谐波,本文主要研究并设计实现电力系统中电力谐波参数的
实时检测。确切掌握电网中谐波的运行状况,有利于防止谐波的危害、
维护电网的安全运行。
本文首先介绍了当前电力谐波参数检测的快速傅立叶变换方法,
FFT 算法技术比较成熟、易于实现,但算法本身很难做到同步采样和
整周期截断,由此会造成频谱泄漏和栅栏效应,影响谐波检测结果。
论文引入加窗插值 FFT 算法进行修正,对加窗插值 FFT 算法进行了
较为深入的分析,并给出较详细的数学推导计算过程。
其次,较详细介绍了电力谐波检测系统的 DSP+CPLD 硬件平台,
通过采用锁相环实现硬件同步采样,保证严格同步和减小频谱泄漏;
采用 TMS320C6713B 浮点 DSP 实现加窗插值 FFT 算法的运算,实时
检测电力谐波的参数;采用 CoolRunner-II 系列 XC2C512 CPLD 控制
系统的外围器件。
再次,简要介绍系统前端信号调理、数据采集和外围模块硬件设
计部分,以及 CPLD 逻辑控制部分,包括 PLL 锁相跟踪、ADC 数据
采集、本地温度监控、LCD 液晶显示,以及 CPLD 与 DSP 的外部存
储器接口(EMIF)数据通信等模块。重点介绍了 DSP 系统软件设计
部分,包括 DSP 芯片配置、DSP 外设初始化、增强型直接存储器访
问( EDMA)、乒乓缓冲传输等底层软件设计,以及算法的设计实现。
DSP 软件开发采用芯片支持库 CSL 配置外设、方便代码移植,采用
DSP/BIOS 实时多任务操作系统管理 DSP 的线程优先级调度,包括
I
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EDMA 硬件中断 HWI、信号处理算法任务 TSK 等,它们之间通过信
号量保持线程间的同步和通信。
最后使用 Matlab 仿真分析了矩形窗(信号截断)和非整周期采
样对 FFT 算法的影响,并分析比较窗函数和加窗正弦信号的频谱,
表明 Hanning 窗或 Blackman 窗、整周期采样可以有效地减小频谱泄
漏。随后在硬件平台上验证了加窗插值 FFT 算法的正确性和有效性,
表明加 Blackman 窗的 FFT 插值算法在非整周期采样时仍然具有较高
的精度,幅值误差为 e-4 数量级,相位误差为 e-3 数量级。仿真及硬
件调试结果表明,算法的精度和实时性都能很好地满足电力系统谐波
分析和谐波检测的实际要求。

关键词:电力系统谐波分析,加窗插值 FFT 算法,硬件同步采样,
TMS320C6713B DSP,CPLD,EDMA 乒乓缓冲传输
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RESEARCH AND DESIGN OF
ELECTRIC HARMONIC MEASUREMENT SYSTEM
BASED ON DSP & CPLD



ABSTRACT


Because of large-scale employment of non-linear devices and
equipments, power system generates a lot of harmonics. The main
purpose of the paper is to research, design and realize electric harmonic
parameter real-time measurement of power system. Mastering harmonic
state accurately is in favor of preventing harmonics harming power grid,
maintaining power grid safe running state.
At first, Fast Fourier Transform method is introduced for current
electric harmonic parameter measurement because it is mature and
realizable. However it is difficult to perform synchronized sampling and
integral period truncation, and the results will be disturbe