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研究生: 蘇嬛嬛
Hsuan-hsuan Su
論文名稱: 利用小波轉換於電力量計算之FPGA實現
Calculations of Electric Power Quantities on FPGA by Using Wavelet Transform
指導教授: 吳啟瑞
Chi-Jui Wu
口試委員: 黃培華
Pei-Hwa Huang
連國龍
Kuo-Lung Lian
郭明哲
Ming-Tse Kuo
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 83
中文關鍵詞: 小波轉換電力量現場可程式邏輯閘陣列
外文關鍵詞: wavelet Transform, Electric Power Quantities, FPGA
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  • 如何正確量測負載狀態是改善電力品質問題的首要工作,建立有效且正確的數據分析是相當重要的。為即時、有效地計算出電力量,本論文將離散小波轉換技術實現於現場可程式規劃閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上。首先,分析負載電壓及電流波形資料的原始頻帶以得到子頻帶,再利用子頻帶資料根據IEEE Standard 1459-2010電力量的定義來計算電力數量。最後比較FPGA端與Matlab端計算結果之差異性,其絕對值誤差值都小於1.1%。本論文各項計算結果除了使用理想的測試訊號外,也利用鋼鐵廠現場實測資料驗證,故各項研究數據都具有實用價值及可信度。電力量計算結果期望能應用於各項電力品質管制與改善。


    To improve the problems of power quality, the load measurements become the first priority, and then to establish an effective and accurate data analysis method is an important work.In this thesis, in order to effectively calculate the electric power quantity, the technology of discrete wavelet transform is accomplished on the Field Programmable Gate Array. Firstly, we analyzed the original bands of the load voltage and current waveforms to get the sub-bands. The data of sub-bands are used to calculate power quantities according to the IEEE Standard 1459-2010. Finally, the difference of the results between FPGA and Matlab is compared. The max error is less than 1.1%.This study not only used the ideal signals to test accuracy, but also used the measurement data from a steel plant to confirm the feasibility. Therefore, the research is practical and credible. The results of electric power calculation can be applied to control and improve the power quality.

    中文摘要 I 英文摘要 II 誌 謝 III 符號說明 VI 圖表索引 IX 第1章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 研究內容 3 1.4 章節敘述 4 第2章 電力量之定義與電力品質問題 5 2.1 電力量的定義 5 2.2 電力品質之定義、汙染源及改善對策介紹 9 2.4 電弧爐的操作與運轉之特性 11 2.4.1 交直流電弧爐的簡介 11 2.4.2 電弧爐電路特性 12 2.4.3 電弧爐無效功率特性 13 第3章 小波轉換 15 3.1 前言 15 3.2 小波轉換介紹 15 3.2.1 離散小波轉換(Discrete Wavelet Transform, DWT) 17 3.2.2 離散小波轉換在硬體架構之程式的實現 17 3.2.3 多層解析於訊號諧波分析 21 3.3 多層解析用於計算電力量 25 3.3.1 電壓電流有效值的計算 26 3.3.2功率的計算 27 3.3.3 採樣點平移法 27 第4章 現場可程式邏輯閘陣列FPGA介紹 29 4.1 簡介 29 4.2 FPGA基本結構 30 4.3 FPGA開發平台 31 4.4 FPGA的設計流程 35 4.5 硬體描述語言介紹 39 4.5.1 Verilog硬體描述語言的基本架構 40 4.5.2 Verilog模組描述的基本格式 41 第5章 電力量計算方法 42 5.1程式設計流程 42 5.2正規化與數值系統 42 5.3小波轉換計算模組介紹 43 5.3.1 IP Core 43 5.3.2 小波轉換計算模組架構 43 5.4理想測試數據分析結果 45 5.5使用統計方法做負載變動分析 48 第6章 現場可程式邏輯閘陣列FPGA電力量計算結果 50 6.1鋼鐵廠實測資料測試與比較 50 6.2負載無效功率之變動量分析 69 6.3晶片實作結果 72 第7章 結論 74 7.1 研究成果 74 7.2 未來研究方向 74 參考資料 76

    [1] IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems, IEEE Standard 519-1992, 1993.
    [2] IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions, IEEE Standard 1459-2010, 2010.
    [3] 傅祖勳,「電力品質資料分析與壓縮」,博士學位論文,國立台灣科技大學電機工程系,2002。
    [4] 陳裕仁,「煉鋼廠負載特性分析」,碩士學位論文,國立台灣科技大學,2000。
    [5] D. C. Robertson, O. I. Camps, S. J. Mayer and W. B. Gish, “ Wavelets and electromagnetic power system transients,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, no. 2, pp. 1050-1058, April, 1996
    [6] IEEE Working Group on Nonsinusoidal Situations: Effects on Meter Performance and Definitions of Power, “Practical definitions for powers in systems with nonsinusoidal waveforms and unbalanced loads: a discussion,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, no. 1, pp.79-101, April, 1996.
    [7] IEEE Working Group on Nonsinusoidal Situations, “ A Survey of North American Electric Utility Concerns Regarding Nonsinusoidal Waveforms,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 1, pp. 73-78, 1996.
    [8] A. E. Emanuel, “ On the definition of power factor and apparent power in unbalanced polyphase circuits with sinusoidal voltage and current,” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8, No. 3, pp. 841-852, 1993.
    [9] A. E. Emanuel, “Summary of IEEE standard 1459: definitions for the measurement of electric power quantities under sinusoidal, nonsinusoidal, balanced, or unbalanced conditions,”IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 40, no. 3, pp. 869-876, 2004.
    [10] 陳嘯晴,「基於HILBERT數字濾波的無功功率表設計研究」,碩士學位論文,中南大學,2009年。
    [11] 許峯豪,「基於心臟收縮陣列之小波-Hilbert 轉換整合及其FPGA實現應用電力品質訊號監測」,碩士學位論文,國立成功大學,台南,2008
    [12] H. Dalvand and V. G. Agelidis, “Real-time measurement of power quantities under sinusoidal and non-sinusoidal conditions for single-phase systems,” Proceeding of IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE),Atlanta, GA, pp. 428-233, September, 2010
    [13] I. D. Nicolae and P. M. Nicolae,“Using Discrete Wavelet Transform to evaluate power quality at highly distorted three-phase systems,” Proceeding of International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation, Lisbon, pp. 1-6, October, 2011.
    [14] S. Nath and P. Sinha,“Measurement of power quality under nonsinusoidal condition using wavelet and fuzzy logic,” Proceeding of International Conference on Power Systems, Kharagpur, pp.1-6, December, 2009.
    [15] I. Daubechies, “Ten Lectures on Wavelets, ” Society for Industrial and Applied Mathematics, 1992.
    [16] S. Kashyap and A. K. Singh, “Most Suitable mother wavelet for measurement of power system harmonics using DWT in view of IEEE standard 1459-2000,” Proceeding of International Conference on Harmonics and Quality of Power, Wollongong, New South Wales, pp. 1-6, October, 2008.
    [17] 黃舜鴻,「利用小波之電力品質與電壓閃爍計算及分析」,碩士學位論文,國立台灣科技大學,台北,2013
    [18] Zongying Chen, Huimei Yuan, Weihua Chen, “The Research on Phase-shift Method of Reactive Power,” Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Taichung, Taiwan, pp. 1911 - 1915, June, 2010.
    [19] Punithavathi Duraiswamy, Johan Bauwelinck and Jan Vandewege, “Efficient Implementation of 90 Degree Phase Shifter in FPGA”, EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 10.1186/1687-6180-2011-32, 2011.
    [20] Yi Xiao, Huimei Yuan, Zongying Chen , “FPGA Realization of Reactive Power Measurement System Based on Phase-shift,” Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Singapore, pp. 2029 - 2033, July, 2012.
    [21] 俎雲霄、龐浩、李東霞、王贊基,「一種基於Hilbert數字濾波的無功功率計算」,電力系統自動化,第16期,第50-52頁,2003。
    [22] 林柏樺,「使用FPGA晶片設計之精密功率因數量測」,碩士學位論文,國立台灣科技大學,台北,民國98年。
    [23] 鍾崇訓,「使用FPGA晶片設計之電壓閃爍計算」,碩士學位論文,國立台灣科技大學,台北,民國99年。
    [24] 江國銘,「以FPGA為設計晶片之電壓閃爍計算」,碩士學位論文,國立台灣科技大學電機工程系,民國100年。
    [25] 黃鎮平,「負載特性對功率因數計算值的影響」,博士學位論文,國立台灣科技大學電機工程系,2010。
    [26] 江榮城,電力品質實務(一),台北,全華科技圖書股份有限公司,2000。
    [27] 李廷祥,「目前的電力問題:電力品質」,第十四屆電力工程研討會演講稿,第18頁,1993。
    [28] Electromagnetic Compatibility (EMC), Part 3: Limits-Section 3: Limitation of Voltage Fuctuations and Flicker in Low-Voltage Power Supply Systems for Equipment With Rated Current 16A,IEC 61000-3-3, 1994.
    [29] J. J. Trageser, “Power usage and electrical circuit analysis for electric arc furnaces,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-16, no.2, pp. 277-284, March, 1980
    [30] 吳啟瑞、李兆惠、顏世雄、劉志放、郭宗益、江榮城、鄭久男、許哲揚、關錦龍,「161kV級大型鋼鐵廠電力品質特性分析」,台電電力綜合研究所,研究計畫報告,1995。
    [31] 張簡博全,「應用小波轉換與人工智慧進行具偵測與修正比流器飽和功能之過電流電驛晶片設計」,中原大學,2006
    [32] 董長虹、高志、於嘯海,「小波分析工具箱原理與應用」,國防工業出版社,2004
    [33] W. G. Morsi, and M. E. El-Hawary, “Reformulation power components definitions contained in the ieee standard 1459-2000 using discrete wavelet transform,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, no. 3, 2007
    [34] W. K. Yoon and M. J. Devaney, “Reactive power measurement using the wavelet transform, ” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 49, no. 2,2000
    [35] G. S. Kumar, D. V. S. Sarma and C. Venkatesh, “Wavelet transform based Harmonic analysis and real power measurement” Proceeding of the India International Conference on Power Electronics, New Delhi, pp. 1-6, January, 2011
    [36] 俎雲霄、龐浩、李東霞、王贊基,「一種基於Hilbert數字濾波的無功功率計算」,電力系統自動化,第16期,第50-52頁,2003。
    [37] Zongying Chen, Huimei Yuan and Weihua Chen, “The Research on Phase-shift Method of Reactive Power”, Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Taichung, Taiwan, pp. 1911-1915, June, 2010.
    [38] 陳嘯晴,「FIR型Hilbert數字濾波器設計」,廣東技術師範學院學報(自然科學),第2期,第20-23頁,2012。
    [39] 陳嘯晴,「基於HILBERT數字濾波的無功功率表設計研究」,碩士學位論文,中南大學,2009年。
    [40] 吳思聰、趙威威、陳燕紅,「Hilbert變換在無功電能計量中的應用研究」,電測與儀表,第522期,第35-38頁,2009。
    [41] 簡靖陽、蕭瑛東、陳建亨、吳英明,「應用小波轉換分析電壓閃爍問題」,中華民國第二十四屆電力工程研討會,台南,第385-388頁,2003。
    [42] 簡靖陽、蕭瑛東、陳建亨、吳英明、陳逸修,「利用離散小波轉換分析短時電力品質事件」,中華民國第二十四屆電力工程研討會,台南,第389-393頁,2003。
    [43] 並木秀明,「正確學會Verilog的16堂課」,旗標出版股份有限公司,2012。
    [44] 鄭群星,「FPGA數位邏輯設計-使用Xilinx ISE 發展系統」,全華圖書股份有限公司,2009。
    [45] Samir Palnitkar,「Verilog硬體描述語言」,全華圖書股份有限公司,2012。
    [46] 電壓閃爍量測分析研究,期中報告,國立台灣科技大學,2000
    [47] Virtex-5 FPGA User Guide, Xilinx, USA, 2012.
    [48] Xilinx User Community Forums,http://forums.xilinx.com/
    [49] IP LogiCORE FIR Compiler v5.0,Xilinx,March,2011。
    [50] Daubechies I , Sweldens W. Factoring wavelet transforms into lifting steps [J ] . Fourier Analysis and Applications , 1998 , 4(3) :247-269.
    [51] David C. Robertson, Octavia I. Camps, Jeffrey S. Mayer, and WiUiam B. Gish,"Wavelets and electromegnetic power system trnsients," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 11, No. 2, April 1996
    [52] 王意如,「小波轉換應用於光纖感測之研究」,國立中山大學,2006
    [53] 劉凌、胡永生,「數字信號處理的FPGA實現」,清華大學出版社,2003。
    [54] M.Nibouche, A. Bouridane, D.Crookes, and S.Boussekta, "Design and FPGA implementation of orthonormal discrete wavelet transforms," Proceedings of the IEEE International Conference on Electronics,Circuits and Systems, Jounieh, Lebanon, pp. 312 - 315, December, 2000.
    [55] A.Grzeszczak, M.K. Mandal, S.Panchanathan, and T.Yeap, “VLSI Implementation of Discrete Wavelet Transform,” IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 4, no. 4, pp. 421 – 433, December, 1996.
    [56] 蒙以正,「數位訊號處理應用Matlab」,旗標出版股份有限公司,2013。
    [57] 王彬、夏至賢,「Matlab數位信號處理」,五南圖書股份有限公司,2012。
    [58] 程佩青,「數字信號處理教程,簡明版」,清華大學出版社,2013。
    [59] G.S.Kumar, D.V.S. Sarma, and C.Venkatesh, " Wavelet transform based harmonic analysis and real power measurement," Proceedings of the India International Conference on Power Electronics (IICPE), New Delhi, India, pp. 1 - 6, January, 2011.

    無法下載圖示 全文公開日期 2019/06/27 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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