基于FPGA的智能配电自动化终端设备的硬件系统设计

摘要

随着工业规模的扩大以及科学技术的发展，电气化程度越来越高，用电量与日俱增，电网系统中不稳定因素增多，用户对电力供应的质量要求不断提高，对电网的稳定性提出更高的要求。随着我国电网改造，解决供电可靠性和供电的经济性，配电网结构的不合理以及设备技术性能落后等问题突显，解决这些问题，实施配电自动化改造尤为关键。
　　利用FPGA逻辑设计进行数字信号处理，与利用DSP芯片进行数字信号处理时相比，FPGA逻辑设计所需时钟频率相对较低。而且可FPGA逻辑设计可以将CPU串行执行的算法指令编写成可以并行处理的硬件逻辑，从而有效提高数字信号的处理速度。此外，利用FPGA逻辑可以设计出有一些对时间要求较为特殊或结构特殊的硬件逻辑来实现不同的功能和算法。所以，利用FPGA逻辑设计对配电远方智能终端的电网电能信号进行快速傅里叶变换计算，相对基于ARM或其他CPU的串行方式，FPGA逻辑设计不仅运算速度快，而且设计灵活度高，具有很高的开发价值。
　　本文提出利用现场可编程门阵列(FPGA)具有集成度高、功耗低、编程配置灵活、开发周期短且较易移植等优势。提出了一种基于XilinxFPGA的配电远方智能终端的设计方案。该终端可以同时进行8路、每路128点、每点16位高精度采样;利用锁相环技术，有效避免了频谱泄漏;利用双缓冲RAM，数据可以连续的存储;存储完一周波以后，然后通知PowerPC取走采样数据进行分析;通过调用FFTIP核，有效减少计算时间，实现硬件加速。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及其意义

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．3 研究内容及创新之处

1．4 论文的结构与安排

第二章 智能FTU功能概述

2．1 馈线自动化系统

2．2 配电远方智能终端的故障处理

2．3 智能FTU的功能

第三章 开发工具及开发流程

3．1 智能FTU采样系统开发工具及开发流程

3．1．1 开发工具

3．1．2 原理图设计步骤

3．1．3 PCB开发流程

3．2 基于FPGA的智能FTU的开发工具和开发流程

3．2．1 开发工具

3．2．2 基于ISE的智能FTU设计流程

3．2．3 基于EDK的智能FTU设计流程

第四章 智能FTU的硬件系统设计

4．1 AD采样电路

4．2 信号调理电路

4．2．1 电流调理电路

4．2．2 电压调理电路

4．2．3 电源电路设计

4．2．4 锁相倍频电路设计

4．2．5 过零检测电路设计

4．2．6 接口电路设计

4．3 基于ISE的FPGA逻辑开发

4．3．1 编写AD接口逻辑

4．3．2 基于FFT IP核的硬件加速设计

4．4 基于EDK的嵌入式系统设计

4．4．1 XPS工程架构

4．4．2 BRAM以及BRAM控制器

4．4．3 添加其他接口

4．4．4 添加自定义IP

第五章 智能FTU系统测试

5．1 设备实际效果图

5．2 示波器检测模拟信号

5．3 FFT实时性分析

5．3．1 基于PowerPC的快速傅里叶变换

5．3．2 基于FFT IP核的快速傅里叶变换

5．4 结果分析

第六章 结束语

6．1 工作总结

6．2 存在问题及今后工作

参考文献

致谢