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科技查新报告完成日期：2014年11月30日班号：05111332学号姓名：1120131384 陈彦锡E-查新项目名称中文：基于FPGA的快速傅立叶算法电力谐波分析系统设计英文：System design of fast Fourier transforms algorithm for power harmonic wave analysis based on FPGA一、查新目的及查新范围立项查新（申报计划、开题）： 范围： o国内 o国外 国内外o 成果查新（成果鉴定、申报奖励）： 范围： o国内 o国外 o国内外o 其它（请注明）： 范围： o国内 o国外 o国内外二、查新项目的科学技术要点查新项目概貌：本项目是对于一个基于FPGA为主控制器的利用快速傅立叶算法的电力谐波分析系统的设计和开发，能够在380V电力网中实现对电路的检测，并输出谐波的频数来检测电网输电的质量。项目背景：本项目的实际背景是，随着现代工业的发展，电力系统中的谐波严重地污染了电网环境，威胁着电网中的各种电气设备的安全经济运行。不论从保证电力系统和供电系统的运行或是从保证设备和人身的安全来看，对谐波污染造成的危害影响加以经常监测和限制都是极为迫切的。谐波分析已成为电力系统分析和控制中的一项重要的工作，准确、实时地测量出电网中的畸变电流、电压，对于电力系统的安全、经济运行具有重要的意义。提出了基于FPGA实现电网谐波分析的方法。该方法是基于快速傅立叶变化的应用最为广泛的一种谐波检测方法。虽然FFT也有它的局限性，但这个技术已相当成熟，特别是经过技术补偿后的FFT算法应用在谐波检测中的方法。技术问题：本项目涉及到的技术问题有对电力谐波样本采取何种方法分析，来解决扩展输入通道数、降低运算时消耗系统资源大的问题，是否高效低功耗。另外要实现成品的降低成本，减小体积，增强实用性，来代替现有产品的目的。设计方案：本项目设计的电力谐波分析系统首先将电网中的电流通过电压互感器和电流互感器，将采集到的波形经由芯片AD7606进行模数转换，将数据传入FPGA的IP内核处理器，采用处理器自带的修正快速傅立叶算法，处理得到谐波的存在和频数信息，可以达到与其要求，之后将信息传入ARM芯片，用ARM自带显示屏显示给用户，并可以进一步开发GPRS，具备网络远程传递数据功能。技术参数：AD7606是16位、8通道同步采样模数数据采集系统(DAS)，内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型模数转换器(ADC)、灵活的数字滤波器、25V基准电压源、高速串行和并行接口。AD7606支持模拟输入电压范围为+5V。选用PLX公司的PCI9054作为总线接口控制器。选用FPGA芯片为Altera公司的EP2C20F484C8芯片。本设计完成了基2 8点、l 6点、32的FFT模块、完成了求模运算模块以及输出显示模块。应用范围：可应用于电力网络和工厂生产中对供电质量的检测，便于减少谐波带来的危害，但对于复制工程环境中的谐波分析还有待研究。三、查新点与查新要求（要求查证该课题的新颖性或技术创新点）查新点：1、使用IP内核中的修正的快速傅立叶算法来处理信号，得到谐波的频率。2、硬件系统使用FPGA开发，AD7606作为模数转换芯片，采用ARM来进行用户交互。3、提出完整的分析器设计，并具有网络传输功能。查新要求：通过查新，证明上述新颖点国内外有无相同或类似的文献报道。四、中英文检索词（主题词、关键词、同义词、缩写、全称、化学名称、分子式、专利号等）1、中文电力谐波分析系统、快速傅立叶算法（FFT）、FPGA（现场可编程门阵列）2、Englishfast Fourier transforms algorithmharmonic waveFPGA五、检索式或检索策略检索式1：中文检索式电力谐波分析 * 快速傅立叶算法 + FPGA 图像 * Date:2009-2014检索式2：外文检索式fast Fourier transforms algorithm * harmonic wave + FPGA * Date:2009-2014六、文献检索范围（一）国内数据库检索范围中文科技期刊全文数据库（维普）20102014/11中国学术期刊网络出版总库（知网）20102014/11数字化期刊全文数据库（万方）20102014/11中国优秀硕士学位论文全文数据库（知网）20102014/11中国博士学位论文全文数据库（知网）20102014/11中国学位论文全文数据库（万方）20102014/11中国学位论文文摘数据库（万方）20102014/11中国学术会议论文全文数据库（万方）20102014/11中国学术会议论文文摘数据库（万方）20102014/11中国重要会议论文全文数据库（知网）20102014/11中国科技成果数据库（万方）20102014/11中国科技论文在线20102014/11中国学术会议在线20102014/11国家科技图书文献中心（NSTL）20102014/11中国专利全文数据库（万方）20102014/11中国知识产权局专利检索系统 20102014/11百度搜索引擎20092014/11（二）国外数据库检索范围Derwent Innovations Index20102014/11Engineering Village20102014/11American Society of Mechanical Engineers20102014/11The American Society of Civil Engineers20102014/11American Institute of Physics Online Journals20102014/11Association for Computing Machinery20102014/11Elsevier ScienceDirect20102014/11Conference Proceedings Citation Index20102014/11Science Citation Index20102014/11ProQuest Dissertations & Theses18612014/11WorldSciNet20002014/11IEEE20102014/11ISTP20102014/11七、检索结果及文献查新分析按所列的主题词和检索式，在上述数据库和其他相关资料中，检索出包含检索词的相关文献多篇，选择其中与本课题密切相关及有代表性的文献20篇列入文献清单中，分析如下：文献1：国电南瑞科技股份有限公司的吴骞介绍了16位AD芯片AD7606在电力系统参数采集系统中二者的接口设计，并详细介绍了AD转换的控制和实现过程的软件程序实现。该系统可通过串口总线或以太网与PC机之间实现数据交换，同时也可以在本地对数据进行处理，能适用于电力系统参数的采集。文章介绍了实际运用于模数转换和电力系统数据采集的方法和注意事项，没有设计参数的处理分析系统的设计。文献2：广西大学电气工程学院周惠龙等人，针对傅里叶变换方法在电力系统谐波分析时很难做到同步采样和整数周期截断，由此造成的频谱泄漏将影响测量结果的准确性的问题，提出了加窗和插值修正算法可改善基于FFT的谐波参数计算的准确度。并对的泄漏原因进行了分析。通过对卷积窗的谐波理论分析与研究，提出了一种基于三角自卷积窗的加窗改进方法，并以仿真实验验证了三角自卷积窗在电力系统谐波分析中的有效性和准确性。文章针对算法提出改进，没有涉及完整的系统设计。文献3：上海交通大学滕小波的硕士学位论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，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，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。文章详细介绍了完整的谐波分析系统设计，但采用的硬件与本设计不同。文献4：辽宁工程技术大学姜丽丽等人的论文介绍了研制的以FPGA(现场可编程门阵列)为主控制器实现的电力谐波分析仪。配以片外SDRAM和CFI_FLASH、LCD、数据采集CTPT、AD转换器、串口、按键等硬件电路，采用基一2按时间抽取算法，以NioslI EDS 90为软件平台，利用Verilog HDL硬件语言实现了2 048点16 bits复数块浮点结构的FFT。此设计的算法只适用于低信噪比环境下，数据结果不够精确。文献5：山东大学李峰，周风余根据FPGA和CPCI总线的特点，介绍了一种基于FPGA和CPCI总线的电力系统交流采样板的设计应用高性能8路同步采样AD芯片AD7606进行数据采集，FPGA进行数据处理，简化了上层软件的运算量及底层电路布线的难度，采用CPCI总线进行并行传输，提高了系统的实时性该设计为实现交流量采集提供了一套可靠的解决方案。文章只介绍了使用FPGA设计CPCI局部端接口的方法，和FPGA的接口设计。文献6：长沙理工大学马文凯的论文在分析了国内外各种谐波检测和分析方法优劣之后，提出一种利用加窗插值分裂基快速傅立叶变换的算法。在比较和分析了几种窗函数之后，认为采用凯瑟窗能够满足计算的精度。文中给出了具体的插值算法和详细的推导过程，可以看出在原有的算法基础上，这种算法能够很大的提高精度，尤其是相位上的精度有了明显的改善，但只针对了算法提出改进。文献7：内蒙古电力有限责任公司的杨文惠、高宇霞针对快速傅立叶变换存在较大的局限性，致使其无法直接用于分析电力系统谐波。在本案，笔者分析了 FFT 的泄漏误差，并基于 Grandke及 Jain 首次提出的插值算法基础上，探析了多项余弦窗插值的新算法，并修正了 FFT 结果，从而极大地提高了计算精度，使之适用于电力系统准确谐波分析，没有涉及系统设计。文献8：华北电力大学，季冰的论文针对电力分析系统的降噪问题，引入了一种基于独立分量分析(ICA)的盲源分离法，只依靠对混合信号的矩阵运算，分离出有用信号，完全做到了未知信号成分情况下直接对电网采样信号进行盲处理。对白噪声、有色噪声以及其它无用信号都有很好的分离能力。并采用加窗插值法，在窗函数选取上，引入卷积构造窗函数的方法，在余弦组合窗中优选出多项最小旁瓣组合窗，验证了其在谐波分析上精度的提高。没有涉及系统的设计。文献9：同济大学忻黎敏的学位论文重点探讨了频谱泄漏产生的原因和几种误差消除方法。针对FFT算法存在工频延迟、计算量大，非同步采样造成频谱泄漏的问题，本文提出了一种基于递推离散傅立叶变换和软件同步采样的谐波电流实时检测算法。该方法采用递推方式动态更新频谱，并根据相位计算结果动态调整采样频率，实现同步采样，有效抑制了电网频率波动对检测精度的影响。在仿真实验验证了该检测算法有效性的基础上，进行了谐波检测系统的整体分析与设计。该设计以FPGA为运算核心，并协调各个功能模块的工作，完成电流的采集，滤波处理，AD转换，并将谐波分析结果输出显示。在对硬件描述语言以及FPGA设计流程深入理解的基础上，设计采用Verilog语言实现谐波检测算法。此文章的算法有创新性，但与本设计采用的方法不同。文献10：兰州理工大学的陈若珠的论文中，将32位的ARM微控制器应用于谐波分析中，并移植了嵌入式实时操作系统pcOs-，算法上运用了改进的快速傅立叶变换，实现了电力系统中谐波的实时测量、显示和通信的功能，同时在硬件电路中加入了锁相环模块，能够有效地抑制频谱泄漏和栅栏效应，提高谐波参数测量的准确度。但此文章的设计没有采用FPGA作为运算器。文献11：陕西科技大学高森的学位论文在分析谐波测量方法的基础上，提出了基于FPGA实现电网谐波测量系统。以嵌入式处理器Nios II为核心，实现了电网谐波分析的周期图功率谱分析方法。在整个系统硬件设计的基础上，主要完成了基2 8点、l 6点、32的FFT模块、完成了求模运算模块以及输出显示模块。论文中还涉及到了液晶显示设备的设计，与本设计使用的硬件有部分不同。文献12：沈阳农业大学陈春玲等人针对快速傅立叶变换在分析电力系统谐波时存在的频谱泄漏问题，分析了加窗算法减小频谱泄漏的有效性。在Matlab环境下采用基于汉宁窗的FFT算法，提高了谐波频率和幅值测量的准确度。仿真算例表明：运用基于汉宁窗的方法检测电网谐波可获得较理想的结果。本研究选择电力系统中常用的汉宁窗来提高谐波分析的精确度，没有涉及系统设计。文献13：吉林大学胡云峰的论文针对模型预测控制在微型设备及嵌入式系统应用中的实时性问题，从硬件实现控制算法的角度研究了基于FPGA的预测控制器的设计和实现。采用基于Nios 11嵌入式软核处理器的FPGASOPC可编程片上系统方案，在FPGA芯片上构建s0Pc系统，设计s0Pc的硬件及软件系统，实现了基于FPGA的预测控制器；建立了基于FPGA和dSPACE系统的实时仿真平台，并进行了控制器实时仿真实验。实时仿真实验验证了基于FPGA的预测控制器的功能及实时性。实验结果表明基于FPGA的预测控制器提高了算法的实时性，并具有微型化等特性。与本设计使用的硬件有部分不同。文献14：大连理工大学的刘勇，王宁的论文针对当数据采集系统每周波采样点数不等于2的n次方，为解决直接应用基2或基4 FFT算法进行谐波分析所产生的频谱泄露问题，提出了一种非基2FFT算法的硬件解决方案。方案以FPGA为硬件平台，综合采用cooleyTookey、GoodThomas、Reader质数因子算法，以及流水线设计思想，实现了对输入数据的快速高精度FFT计算，并大大提高了系统数据的吞吐量。文章针对算法提出了创新，但没有涉及系统设计。文献15：西安交通大学张伏生的论文针对快速傅立叶变换存在较大的误差，无法直接用于电力系统谐波分析的情况。对FFT的泄漏误差进行了分析，根据Jain和Grandke提出的插值算法提出了多项余弦窗插值的新算法，对FFT的结果进行修正，极大地提高了计算精度，使之适用于电力系统的准确谐波分析。文中给出了该算法进行谐波分析模拟计算的算例，计算结果表明，不同的加窗算法计算精度不同，新算法的计算精度显著提高，但文章没有涉及系统设计。文献16：Xiang-hui Huang from Xian University of Science and Technology ：AbstractAiming at the issue of slow operating speed, lowreal-time character and unsuitability on looking for the source of the harmonic which is the traditional power quality monitorsystem based on single chip Microprocessor (SCM), this paper designs a new one based on DSP. Analyzing from the hardwareand software designed, it present the principle of clamp type Hall sensor and adopts the improved fast Fourier transform (FFT) as its main processing algorithm. The power quality monitoring of harmonic is cabinet, convenient and user-friendly. The experiment results prove that this system can perform real-time accurate measuring of up to twenty-fifth harmonic wavesfrequency and amplitude in the case of no disconnecting circuit. Therefore this system has high practical value.文献17：Hui mei Yuan from College of Information Engineering Capital Normal University AbstractFFT is a kind of algorithms of reactive power measurement. It has high measurement precision and can be easily implemented on hardware. Now it is widely used in reactive power measurement. FPGA model of reactive power measurement based on FFT is put forward in this paper. Two ways to achieve FFT results are designed in this paper. One way is to use FFT IP core provided by Altera Company, and the other way is to design FFT by ourselves with programs. The system isimplemented on EP2C50 series FPGA chips of Altera Company. Some characteristics of the system such as precision, speed and resource consumption are analyzed in details.文献18：Ren-Xi Gong from College of Electrical Engineering Guangxi University AbstractIn this paper, the design of a CORDIC algorithm based radix-4 FFT processor is presented which is primarily intended to be used in power harmonic signal processing. The processor is implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA) that is characteristics of high efficiency, low cost, convenient implementation and short development cycle, and its performance is found to be satisfactory. The choice of the CORDIC algorithm for realizing the basic butterfly operation for the FFT which eliminates the need for storing twiddle factors and angles saves a lot of hardware compared to its counterparts employing other techniques. A dual-port memory structure and the corresponding addressing scheme are used to realize the in place data access.The address generation unit required for fetching data from and writing results into the dual-port memory in proper sequence, is also incorporated within the chip which houses the controller as well. The full design is implemented using ALTERA CycloneII EP2C8Q208C8 series FPGA requiring approximately 3162 configurable logic blocks.文献19：Yin Xin from Xi an Jiaotong University: paper is dedicated to the research on the digital analysis system of the power quality which is greatly deteriorated by the development of power electronic technology and the widespread application of nonlinear loads. Researchers at home and abroad have done many studies on the measurement of the power quality indicators and have proposed many measuring methods which are too complex to be used in practice. This paper proposes a hardware detection method for frequency measurement and a digital harmonic analysis method based on mixed radix fast Fourier transform (FFT) for the measurement of harmonics, and adopts a frequency-domain analysis method based on mixed radix FFT to measure the fluctuations and flicker of voltage. Compared with other measuring methods, the measuring methods proposed in this paper are simpler and more reliable, and they have fewer complex mathematical calculations and a better real-time performance. Finally, a real-time digital power quality analysis system was designed and implemented in the laboratory by using ARM processor and mixed radix FFT algorithm. After that, we tested the system by using the relay protection tester, in the laboratory, and the experimental results showed that the power quality analysis system designed satisfied the requirement of IEC61000-4-30 standard.文献20：Alben Cardenas, Cristina Guzman Universit du Qubec Trois-Rivires :AbstractReal-time evaluation of power quality is a desired feature in research and industrial projects, especially when embedded systems are employed and/or studied. Fast Fourier Transforms FFT is commonly used to evaluate the harmonic content of electric signals. Artificial Neural Networks (ANN) are also employed for harmonics estimation with short processing time and low implementation complexity. Commercial power quality measurement systems are available and offer good performance, communication and storage capabilities, and other special features, however in most of them the real-time information is not available or it is offered with important communication delays. This paper presents the implementation of a measurement system using Xilinx FPGA target and the Adaptive Linear Neuron (ADALINE) algorithm for real-time evaluation of power quality. Experimental results show that the implemented system can be employed for power quality monitoring and embedded control applications.八、查新结论在上述检索范围内，通过对检索到的相关文献进行分析对比，文献检索结果表明：文献1,5介绍了FPGA和AD7606等硬件的接口设计和应用方式，没有涉及到具体的工作，没有形成实际产品；文献2,6-9,12,14,15针对在电力谐波分析系统中，采用快速傅立叶算法处理数据时的频谱泄漏和误差较大的问题，提出了各种类