一種基于小波ip核的變壓器保護(hù)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種變壓器保護(hù)組件，特別是一種基于小波IP核實現(xiàn)的電力變壓 器數(shù)字保護(hù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力變壓器是發(fā)電廠和變電站中的重要電氣設(shè)備，提高變壓器工作的可靠性，對 保護(hù)整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。然而相比線路等其他保護(hù)，變壓 器保護(hù)的正確動作率一直處于較低水平。隨著超高壓遠(yuǎn)距離輸電電網(wǎng)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)變 壓器保護(hù)的弊端日益顯露。
[0003] 縱聯(lián)差動保護(hù)作為變壓器主保護(hù)，主要受以下兩種因素的影響而導(dǎo)致誤動作：1) 勵磁涌流的產(chǎn)生是影響差動保護(hù)誤動的主要因素，當(dāng)變壓器空投和外部故障切除后電壓恢 復(fù)時，都有可能產(chǎn)生勵磁涌流，其數(shù)值可達(dá)額定電流的6-8倍，目前防止勵磁涌流影響的方 法主要是采用二次諧波制動或鑒別短路電流和勵磁涌流波形的差別，但是由于受大型變壓 器的飽和磁通倍數(shù)降低等因素，降低了差動保護(hù)的靈敏性和速動性。2)TA(電流互感器)飽 和的影響，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大，電力系統(tǒng)中短路阻抗減小，TA飽和問題日益突出，造成保 護(hù)誤動，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的正常運行。
[0004] 小波變換是一種新型的信號分析方法。在數(shù)字信號處理、通信技術(shù)以及電力系統(tǒng) 等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于小波變換在信號處理中能很好的滿足實時性要求，以 及FPGA是完全的硬件化、并行化編程操作，因此使用FPGA來設(shè)計專用的小波變換IP核來 實現(xiàn)小波變換算法，不僅能夠適用于采樣頻率高、數(shù)據(jù)量較大的場合，而且可以提高保護(hù)動 作的精確度、靈敏性以及可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在上述問題，提出一種具有綜合智能 保護(hù)的電力變壓器數(shù)字保護(hù)裝置。
[0006]本發(fā)明可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)：基于小波變換的數(shù)字變壓器保護(hù)裝置，其特 征在于，包括位于核心部分的FPGA插件和DSP插件。所述FPGA插件作為算法專用芯片，承 擔(dān)數(shù)字濾波、暫態(tài)特征量提取以及算法的實現(xiàn)等功能，連接輸入部分。所述DSP插件用以實 現(xiàn)保護(hù)參數(shù)的整定、保護(hù)動作的判斷、通信等功能，連接輸出部分。
[0007]本電力變壓器數(shù)字保護(hù)裝置中，F(xiàn)PGA插件對信號進(jìn)行處理，即實現(xiàn)應(yīng)用于變壓器 保護(hù)的小波變換專用IP核進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)，其步驟如下： (1 )、采用對稱延拓法對輸入樣本進(jìn)行處理，對樣本點在端口處進(jìn)行鏡像反射延拓，具 體公式如下： 將延拓之前的離散數(shù)據(jù)記為延拓之后的離散數(shù)據(jù)記為η表示采樣 值的個數(shù)，Ν表示小波濾波器的階數(shù)，對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱延拓為：
(2)、采用FIR濾波器實現(xiàn)高、低通濾波，在系統(tǒng)控制模塊的調(diào)度下將二抽取模塊提取 的近似系數(shù)再次送入輸入模塊分解，然后通過輸出模塊輸出； (3)、利用小波變換的奇異值判別方法對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，公式如下： 丨為判別依據(jù)整定值，采樣數(shù)據(jù)窗內(nèi)，諧波含量最高的三個小波相對系數(shù)分別 用
根據(jù)小波變換理論，提出以波形奇異值判斷涌流和故障電流的依據(jù)，如下所示：
該算法對信號分析處理后，可以是保護(hù)做出相應(yīng)的指令信號，并由跳閘出口、信號告警 出口、通信接口、液晶顯示接口以及打印機接口輸出。
[0008] 在上述的電力變壓器保護(hù)裝置中，利用輸入模塊、高頻濾波器、低頻濾波器模塊、 二抽取模塊以及輸出模塊來完成基于FPGA的MALLAT算法分解硬件實現(xiàn)。
[0009] 在上述的電力變壓器保護(hù)裝置中，輸入部分主要包括數(shù)據(jù)輸入模塊和電源插件。
[0010] 在上述的變壓器保護(hù)裝置中，數(shù)據(jù)輸入模塊主要是與TA、TC、A/D轉(zhuǎn)換模塊保持信 息互通。將讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，通過數(shù)據(jù)延拓處理后輸出到濾波器模塊，輸入 到FPGA插件。
[0011] 在上述的電力變壓器保護(hù)裝置中，采用放射線在兩點中間的對稱延拓的方法，實 現(xiàn)對輸入接口模塊的測試仿真。
[0012] 在上述的電力變壓器保護(hù)裝置中，所述的DSP插件主要用來進(jìn)行人機交互及保護(hù) 動作的判斷執(zhí)行。
[0013] 在上述的電力變壓器保護(hù)裝置中，輸出部分主要包括跳閘出口、信號告警出口、通 信接口、鍵盤、液晶顯示接口以及打印機接口，由DSP插件控制。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點是：與現(xiàn)有的保護(hù)算法及技術(shù)相比，本電力變壓器保護(hù)裝置采用的 小波變換保護(hù)算法，它彌補了傅里葉分析不能同時兼顧時域和頻域的缺點，而且可以對高 頻突變信號進(jìn)行特征提取，同時在信號處理中能很好的滿足實時性的要求。利用FPGA芯 片，采用自上而下的設(shè)計思路，結(jié)構(gòu)靈活，通用性強，用來實現(xiàn)電路設(shè)計時無需改變外圍電 路。加之與DSP配合完成通訊和人機接口等功能。本電力變壓器保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡單、精確 度高、抗干擾能力強，并且能夠快速可靠地識別勵磁涌流、故障電流并采取相應(yīng)的動作。
【附圖說明】
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明案例做進(jìn)一步說明。
[0016] 圖1本發(fā)明實施案例的實物外觀圖。
[0017] 圖2本發(fā)明實施案例的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3小波變換IP核的原理框圖。
[0019] 圖4Wavelet_db2的IP核頂層設(shè)計。
【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明實施案例的實物外觀結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 如圖2所示，本發(fā)明實施案例的原理結(jié)構(gòu)示意圖包括：數(shù)據(jù)輸入模塊1，模數(shù)轉(zhuǎn)換 插件2,FPGA模塊3,DSP模塊4,電源模塊5,信號、告警出口 6,跳閘出口 7,通信接口 8,鍵 盤、顯示模塊9,打印機接口 10。數(shù)據(jù)輸入模塊1和模數(shù)轉(zhuǎn)換插件2相連接，用于將采集到 的電流和電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，模數(shù)轉(zhuǎn)換插件2與FPGA3相連，F(xiàn)PGA承擔(dān)著 暫態(tài)特征值提取以及小波分析算法的實現(xiàn)，該算法對信號分析處理后，可以是保護(hù)做出相 應(yīng)的指令信號。然后通過DSP4實現(xiàn)保護(hù)參數(shù)的整定、動作的輸出方式等功能，信號、告警出 口 6、跳閘出口 7、通信接口 8、鍵盤、顯示模塊9和打印機接口 10與DSP4相連接，用以實現(xiàn) 信號輸出、動作于跳閘、實現(xiàn)通信、輸入?yún)?shù)和顯示參數(shù)以及打印出本裝置的存儲數(shù)據(jù)。通 信接口 8通過485串口與上位機形成通信連接。電源模塊5分別與FPGA3和DSP4相連接， 為各模塊提供所需的對應(yīng)電源。
[0022] 如圖3所示，為FPGA的專用小波變換IP核的整個系統(tǒng)原理框圖。圖中數(shù)據(jù)輸入 模塊主要是讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，將數(shù)據(jù)延拓處理后輸出到濾波器模塊，濾波 模塊采用FIR濾波器實現(xiàn)高、低通濾波。二抽取模塊分別連接到高、低通濾波器，在系統(tǒng)控 制模塊的調(diào)度下將近似系數(shù)再次送入輸入模塊進(jìn)行再次分解，通過輸出模塊輸出數(shù)據(jù)。將 輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行算法實現(xiàn)，最后通過控制模塊使變壓器保護(hù)動作于跳閘或是告警等。
[0023] 具體過程如下： (1 )、采用對稱延拓法對輸入樣本進(jìn)行處理，對樣本點在端口處進(jìn)行鏡像反射延拓，具 體公式如下： 將延拓之前的離散數(shù)據(jù)記為,延拓之后的離散數(shù)據(jù)記為,η表示采樣 值的個數(shù)，Ν表示小波濾波器的階數(shù)，對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱延拓為：
(2) 、采用FIR濾波器實現(xiàn)高、低通濾波，在系統(tǒng)控制模塊的調(diào)度下將二抽取模塊提 取的近似系數(shù)再次送入輸入模塊分解，然后通過輸出模塊輸出； (3) 、利用小波變換的奇異值判別方法對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，公式如下： 為判別依據(jù)整定值，采樣數(shù)據(jù)窗內(nèi)，諧波含量最高的三個小波相對系數(shù)分別 用

根據(jù)小波變換理論，提出以波形奇異值判斷涌流和故障電流的依據(jù)，如下所示：
該算法對信號分析處理后，可以是保護(hù)做出相應(yīng)的指令信號，并由跳閘出口、信號告警 出口、通信接口、液晶顯示接口以及打印機接口輸出。
[0024] 如圖4所示，其為Wavelet_db2的IP核頂層設(shè)計，基于圖3原理框圖基礎(chǔ)上進(jìn)一 步的硬件設(shè)計圖。
[0025] 本電力變壓器保護(hù)裝置以小波變換-DHNN為保護(hù)算法，極大提高了勵磁涌流、對 區(qū)外飽和故障、轉(zhuǎn)換性故障、區(qū)內(nèi)故障以及匝間故障電流的精度，實現(xiàn)對電力變壓器保護(hù)裝 置的智能處理和分析。
【主權(quán)項】
1. 一種基于小波IP核的變壓器保護(hù)裝置，其特征在于，包括FPGA模塊、DSP模塊、數(shù)據(jù) 輸入模塊、電源插件、跳閘出口插件、信號告警出口、通信接口、鍵盤顯示模塊、打印機接口。2. -種基于FPGA的小波IP核實現(xiàn)方法，其特征在于包括如下步驟： (1 )、采用對稱延拓法對輸入樣本進(jìn)行處理，對樣本點在端口處進(jìn)行鏡像反射延拓，具 體公式如下： 將延拓之前的離散數(shù)據(jù)記為功延拓之后的離散數(shù)據(jù)記為_:，η表示采樣值的個 數(shù)，Ν表示小波濾波器的階數(shù)，對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱延拓為：(2) 、采用FIR濾波器實現(xiàn)高、低通濾波，在系統(tǒng)控制模塊的調(diào)度下將二抽取模塊提 取的近似系數(shù)再次送入輸入模塊分解，然后通過輸出模塊輸出； (3) 、利用小波變換的奇異值判別方法對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，公式如下：為判別依據(jù)整定值，采樣數(shù)據(jù)窗內(nèi)，諧波含量最高的三個小波相對系數(shù)分別 用(2) 根據(jù)小波變換理論，提出以波形奇異值判斷涌流和故障電流的依據(jù)，如下所示：這樣，通過式（3)可以判斷出，當(dāng)Q值滿足式（2)時，則判定為涌流(勵磁涌流和和應(yīng)涌 流）；若Q值不滿足式（2)，則判定為故障電流，保護(hù)動作。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，其中輸入模塊、高頻濾波器、低頻濾波器模塊、二 抽取模塊以及輸出模塊構(gòu)成了用來完成基于FPGA的MALLAT算法分解硬件實現(xiàn)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，數(shù)據(jù)輸入模塊主要是與TA、TC、A/D轉(zhuǎn)換模塊保 持信息互通。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，輸出部分主要包括跳閘出口、信號告警出口、通 信接口、鍵盤、液晶顯示接口以及打印機接口輸出，由DSP插件控制。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述變壓器保護(hù)裝置，其特征在于，采用放射線在兩點 中間的對稱延拓的方法，實現(xiàn)對輸入接口模塊的測試仿真。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，所述通信接口通過485串口與上位機形成通信連 接，其鍵盤、顯示屏及指示燈設(shè)置在實物的外殼上，所述的打印機接口可外接打印機，以便 打印出本裝置的存儲數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小波IP核的變壓器保護(hù)裝置。它解決了現(xiàn)有的變壓器保護(hù)裝置出現(xiàn)的保護(hù)拒動、誤動或延時動作等問題。本電力變壓器保護(hù)裝置根據(jù)小波變換奇異值判別變壓器區(qū)內(nèi)外的各種故障和各種非正常運行狀態(tài)，此專用小波變換IP核主要包括FPGA模塊和DSP模塊。FPGA模塊連接輸入部分，實現(xiàn)FPGA的MALLAT算法分解硬件部分；DSP連接輸出部分，輸出部分包括跳閘出口、信號告警出口、通信接口、鍵盤、液晶顯示接口以及打印機接口。本電力變壓器保護(hù)裝置，實現(xiàn)了對電力變壓器保護(hù)裝置的智能處理和分析，極大提高了對勵磁涌流、區(qū)外飽和故障、轉(zhuǎn)換性故障、區(qū)內(nèi)故障以及匝間故障電流的識別精度，且裝置結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強。
【IPC分類】H02H7/045
【公開號】CN105281294
【申請?zhí)枴緾N201410263520
【發(fā)明人】公茂法, 李嵐冰, 王志文, 李世光, 冀友, 吉興全, 劉丙乾, 李美蓉
【申請人】山東科技大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2014年6月13日