CN105281294A - 一种基于小波ip核的变压器保护装置 - Google Patents

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公茂法
李岚冰
王志文
李世光
冀友
吉兴全
刘丙乾
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Abstract

本发明公开了一种基于小波IP核的变压器保护装置。它解决了现有的变压器保护装置出现的保护拒动、误动或延时动作等问题。本电力变压器保护装置根据小波变换奇异值判别变压器区内外的各种故障和各种非正常运行状态，此专用小波变换IP核主要包括FPGA模块和DSP模块。FPGA模块连接输入部分，实现FPGA的MALLAT算法分解硬件部分；DSP连接输出部分，输出部分包括跳闸出口、信号告警出口、通信接口、键盘、液晶显示接口以及打印机接口。本电力变压器保护装置，实现了对电力变压器保护装置的智能处理和分析，极大提高了对励磁涌流、区外饱和故障、转换性故障、区内故障以及匝间故障电流的识别精度，且装置结构简单，抗干扰能力强。

Description

一种基于小波IP核的变压器保护装置
技术领域
本发明公开了一种变压器保护组件，特别是一种基于小波IP核实现的电力变压器数字保护装置。
背景技术
电力变压器是发电厂和变电站中的重要电气设备，提高变压器工作的可靠性，对保护整个电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。然而相比线路等其他保护，变压器保护的正确动作率一直处于较低水平。随着超高压远距离输电电网的飞速发展，传统变压器保护的弊端日益显露。
纵联差动保护作为变压器主保护，主要受以下两种因素的影响而导致误动作：1）励磁涌流的产生是影响差动保护误动的主要因素，当变压器空投和外部故障切除后电压恢复时，都有可能产生励磁涌流，其数值可达额定电流的6-8倍，目前防止励磁涌流影响的方法主要是采用二次谐波制动或鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别，但是由于受大型变压器的饱和磁通倍数降低等因素，降低了差动保护的灵敏性和速动性。2）TA（电流互感器）饱和的影响，随着电网规模的扩大，电力系统中短路阻抗减小，TA饱和问题日益突出，造成保护误动，严重影响到电网的正常运行。
小波变换是一种新型的信号分析方法。在数字信号处理、通信技术以及电力系统等很多领域得到了广泛的应用。由于小波变换在信号处理中能很好的满足实时性要求，以及FPGA是完全的硬件化、并行化编程操作，因此使用FPGA来设计专用的小波变换IP核来实现小波变换算法，不仅能够适用于采样频率高、数据量较大的场合，而且可以提高保护动作的精确度、灵敏性以及可靠性。
发明内容
本发明实施例的目的就是针对现有技术存在上述问题，提出一种具有综合智能保护的电力变压器数字保护装置。
本发明可通过下列技术方案来实现：基于小波变换的数字变压器保护装置，其特征在于，包括位于核心部分的FPGA插件和DSP插件。所述FPGA插件作为算法专用芯片，承担数字滤波、暂态特征量提取以及算法的实现等功能，连接输入部分。所述DSP插件用以实现保护参数的整定、保护动作的判断、通信等功能，连接输出部分。
本电力变压器数字保护装置中，FPGA插件对信号进行处理，即实现应用于变压器保护的小波变换专用IP核进行设计与实现，其步骤如下：
（1）、采用对称延拓法对输入样本进行处理，对样本点在端口处进行镜像反射延拓，具体公式如下：
将延拓之前的离散数据记为，延拓之后的离散数据记为，n表示采样值的个数，N表示小波滤波器的阶数，对离散数据进行对称延拓为：
（1）
（2）、采用FIR滤波器实现高、低通滤波，在系统控制模块的调度下将二抽取模块提取的近似系数再次送入输入模块分解，然后通过输出模块输出；
（3）、利用小波变换的奇异值判别方法对输出数据进行计算，公式如下：
为判别依据整定值，采样数据窗内，谐波含量最高的三个小波相对系数分别用、和表表示：
（2）
根据小波变换理论，提出以波形奇异值判断涌流和故障电流的依据，如下所示：
（3）
该算法对信号分析处理后，可以是保护做出相应的指令信号，并由跳闸出口、信号告警出口、通信接口、液晶显示接口以及打印机接口输出。
在上述的电力变压器保护装置中，利用输入模块、高频滤波器、低频滤波器模块、二抽取模块以及输出模块来完成基于FPGA的MALLAT算法分解硬件实现。
在上述的电力变压器保护装置中，输入部分主要包括数据输入模块和电源插件。
在上述的变压器保护装置中，数据输入模块主要是与TA、TC、A/D转换模块保持信息互通。将读取A/D转换后的数据进行缓存，通过数据延拓处理后输出到滤波器模块，输入到FPGA插件。
在上述的电力变压器保护装置中，采用放射线在两点中间的对称延拓的方法，实现对输入接口模块的测试仿真。
在上述的电力变压器保护装置中，所述的DSP插件主要用来进行人机交互及保护动作的判断执行。
在上述的电力变压器保护装置中，输出部分主要包括跳闸出口、信号告警出口、通信接口、键盘、液晶显示接口以及打印机接口，由DSP插件控制。
本发明的优点是：与现有的保护算法及技术相比，本电力变压器保护装置采用的小波变换保护算法，它弥补了傅里叶分析不能同时兼顾时域和频域的缺点，而且可以对高频突变信号进行特征提取，同时在信号处理中能很好的满足实时性的要求。利用FPGA芯片，采用自上而下的设计思路，结构灵活，通用性强，用来实现电路设计时无需改变外围电路。加之与DSP配合完成通讯和人机接口等功能。本电力变压器保护装置结构简单、精确度高、抗干扰能力强，并且能够快速可靠地识别励磁涌流、故障电流并采取相应的动作。
附图说明
下面结合附图对本发明案例做进一步说明。
图1本发明实施案例的实物外观图。
图2本发明实施案例的原理结构示意图。
图3小波变换IP核的原理框图。
图4Wavelet_db2的IP核顶层设计。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施案例的实物外观结构图。
如图2所示，本发明实施案例的原理结构示意图包括：数据输入模块1，模数转换插件2，FPGA模块3，DSP模块4，电源模块5，信号、告警出口6，跳闸出口7，通信接口8，键盘、显示模块9，打印机接口10。数据输入模块1和模数转换插件2相连接，用于将采集到的电流和电压信号通过A/D转换得到数字量，模数转换插件2与FPGA3相连，FPGA承担着暂态特征值提取以及小波分析算法的实现，该算法对信号分析处理后，可以是保护做出相应的指令信号。然后通过DSP4实现保护参数的整定、动作的输出方式等功能，信号、告警出口6、跳闸出口7、通信接口8、键盘、显示模块9和打印机接口10与DSP4相连接，用以实现信号输出、动作于跳闸、实现通信、输入参数和显示参数以及打印出本装置的存储数据。通信接口8通过485串口与上位机形成通信连接。电源模块5分别与FPGA3和DSP4相连接，为各模块提供所需的对应电源。
如图3所示，为FPGA的专用小波变换IP核的整个系统原理框图。图中数据输入模块主要是读取A/D转换后的数据进行缓存，将数据延拓处理后输出到滤波器模块，滤波模块采用FIR滤波器实现高、低通滤波。二抽取模块分别连接到高、低通滤波器，在系统控制模块的调度下将近似系数再次送入输入模块进行再次分解，通过输出模块输出数据。将输出数据进行算法实现，最后通过控制模块使变压器保护动作于跳闸或是告警等。
具体过程如下：
（1）、采用对称延拓法对输入样本进行处理，对样本点在端口处进行镜像反射延拓，具体公式如下：
将延拓之前的离散数据记为，延拓之后的离散数据记为，n表示采样值的个数，N表示小波滤波器的阶数，对离散数据进行对称延拓为：
（4）
（2）、采用FIR滤波器实现高、低通滤波，在系统控制模块的调度下将二抽取模块提取的近似系数再次送入输入模块分解，然后通过输出模块输出；
（3）、利用小波变换的奇异值判别方法对输出数据进行计算，公式如下：
为判别依据整定值，采样数据窗内，谐波含量最高的三个小波相对系数分别用、和表示：
（5）
根据小波变换理论，提出以波形奇异值判断涌流和故障电流的依据，如下所示：
（6）
该算法对信号分析处理后，可以是保护做出相应的指令信号，并由跳闸出口、信号告警出口、通信接口、液晶显示接口以及打印机接口输出。
如图4所示，其为Wavelet_db2的IP核顶层设计，基于图3原理框图基础上进一步的硬件设计图。
本电力变压器保护装置以小波变换-DHNN为保护算法，极大提高了励磁涌流、对区外饱和故障、转换性故障、区内故障以及匝间故障电流的精度，实现对电力变压器保护装置的智能处理和分析。

Claims (7)

1.一种基于小波IP核的变压器保护装置，其特征在于，包括FPGA模块、DSP模块、数据输入模块、电源插件、跳闸出口插件、信号告警出口、通信接口、键盘显示模块、打印机接口。
2.一种基于FPGA的小波IP核实现方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、采用对称延拓法对输入样本进行处理，对样本点在端口处进行镜像反射延拓，具体公式如下：
将延拓之前的离散数据记为，延拓之后的离散数据记为，n表示采样值的个数，N表示小波滤波器的阶数，对离散数据进行对称延拓为：
（1）
（2）、采用FIR滤波器实现高、低通滤波，在系统控制模块的调度下将二抽取模块提取的近似系数再次送入输入模块分解，然后通过输出模块输出；
（3）、利用小波变换的奇异值判别方法对输出数据进行计算，公式如下：
为判别依据整定值，采样数据窗内，谐波含量最高的三个小波相对系数分别用、和表示：
（2）
根据小波变换理论，提出以波形奇异值判断涌流和故障电流的依据，如下所示：
（3）
这样，通过式（3）可以判断出，当Q值满足式（2）时，则判定为涌流（励磁涌流和和应涌流）；若Q值不满足式（2），则判定为故障电流，保护动作。
3.根据权利要求1所述，其特征在于，其中输入模块、高频滤波器、低频滤波器模块、二抽取模块以及输出模块构成了用来完成基于FPGA的MALLAT算法分解硬件实现。
4.根据权利要求1所述，其特征在于，数据输入模块主要是与TA、TC、A/D转换模块保持信息互通。
5.根据权利要求1所述，其特征在于，输出部分主要包括跳闸出口、信号告警出口、通信接口、键盘、液晶显示接口以及打印机接口输出，由DSP插件控制。
6.根据权利要求1至2中任一项所述变压器保护装置，其特征在于，采用放射线在两点中间的对称延拓的方法，实现对输入接口模块的测试仿真。
7.根据权利要求1所述，其特征在于，所述通信接口通过485串口与上位机形成通信连接，其键盘、显示屏及指示灯设置在实物的外壳上，所述的打印机接口可外接打印机，以便打印出本装置的存储数据。
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