CN112036023A - 一种发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种种发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，包括上位软件系统(1)和装置软件系统(2)，所述上位软件系统(1)包括仿真系统(1.1)和数据库系统(1.2)；装置软件系统(2)包括：人机交互通信系统(2.1)和主控系统(2.2)，本发明应用MATLAB/Simulink环境建模仿真，在信号处理算法和保护算法得到充分验证后通过Coder工具将仿真模型转化为可编译执行的HDL硬件语言和嵌入式C和C++代码植入到嵌入式硬件中，模型通过图形显示，直观易见，算法正确性易于验证，调试与测试难度大大降低，开发周期大大缩短。

Description

一种发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统

技术领域：

本发明涉及一种发电机变压器组保护装置软件生成系统，属于电力系统发电机变压器组技术领域。

背景技术：

发电机变压器组是电力系统重要设备，发电机变压器组保护装置系统是重要二次系统，产品质量和技术指标要求不断提高。如图1所示，主流的发电机变压器组保护软件系统包括三个部分：保护装置主控系统、保护装置人机交互通信系统和配置管理通信系统。其中保护装置主控系统和人机交互系统在保护装置中，使用串口通信；而配置管理通信系统独立于保护装置外，与人机交互系统通过串口或以太网通信。

保护装置主控系统是装置的主要控制单元，移植的嵌入式操作系统（比如QNX）中运行差动、过流、过压、频率、功率等保护进程和故障录波、装置自检等进程，以及与装置人机交互通信系统的串口实时通信进程。现有的保护装置主控CPU一般基于单CPU微机结构，在嵌入式操作系统中配置的继电保护算法均基于C语言编程实现，性能瓶颈有待突破。目前主流厂商的研发主要有基于PowerPC+DSP、基于PowerPC+FPGA、基于ARM+DSP、基于ARM+FPGA等系统架构，其中基于ARM+FPGA系统架构最为普遍。ARM实现嵌入式实时操作系统以及和人机交互通信系统通信功能，FPGA实现信号采样、滤波、数据计算分析、继电保护等功能。而当例如Xilinx Zynq-7000多核平台提供的ARM+FPGA系统架构出现后，以上功能的实现有了新的方案。

保护装置人机交互通信系统是装置的界面人机交互以及与上层通过以太网实时通信的单元。界面操作包括电力专业操作人员读取从主控系统上传的保护装置运行状态、保护进程计算数据等实时信息，也可将投退保护、修改定值、修订对时等数据库操作结果传递到主控系统，还可查阅保护动作等事件记录、录波数据和打印操作。在现场运行的保护装置中，人机交互通信系统还负责通过以太网向上层通信系统实时传递保护装置运行状态、保护进程计算数据等信息。这些方面ARM足以胜任，当然也需要嵌入式操作系统（同样可用QNX）的支撑。

配置管理通信系统是运行于台式机或笔记本电脑中的PC机端软件应用，比如在Windows系统中使用Visual Studio工具C++或C#编程语言，实现功能分为在线和离线两部分。在线通过以太网与人机交互通信系统连接，其功能包括对保护装置I/O信息和保护数据库设置（PC端比装置界面操作更灵活）、读写操作，从装置读取录波数据并存储到PC以备离线分析。离线配置数据库，分析已存储的录波数据等。

以往的研发过程是以上三个系统先后进行，再联合调试和测试，先对于保护装置主控系统是在交叉编译的IDE环境中移植嵌入式操作系统和开发继电保护应用程序（一般选择嵌入式C语言），进行反复调试与测试，确定代码正确可靠，然后再研发装置人机交互通信系统和PC端配置管理通信系统。测试手段一般是使用电力测试仪向继电保护装置加不同幅值或频率的电压或电流，检测保护装置测量值的准确性、精度范围，然后是保护应用程序的动作特性、灵敏度、返回特性等。该方法主要测试直观性低，调试与测试难度大，开发周期长。如果因为保护算法升级，主控系统中需要修改保护进程的代码，则人机交互通信系统和配置管理通信系统的相关保护的代码也需要升级、测试，工作量巨大。而保护装置人机交互通信系统和PC端的管理配置系统在界面上有共同之处，却还在不同的操作系统中采用不同的开发工具软件，比如人机交互通信系统使用QNX系统Qt软件开发，而配置管理通信系统使用Windows系统Visual Studio软件开发，这些都为研发和维护增大难度。

基于MATLAB/Simulink的Coder工具进行模型设计是一种流程设计方法，较之传统开发流程，可使得开发过程更加高效。

应用MATLAB软件Simulink工具进行发电机变压器组保护软件开发，通过Simulink建模并仿真，在MATLAB环境验证算法，再应用MATLAB Coder，Simulink Coder等工具箱生成可用于PC桌面应用的C/C++语言代码，Embedded Coder工具箱生成可用于嵌入式软件的C语言代码，HDL Coder工具生成FPGA中的HDL硬件语言代码，即可实现从MATLAB到FPGA硬件、嵌入式操作系统和嵌入式继电保护软件应用软件、PC桌面应用软件的一体化编码、调试、测试以及升级的研发流程。

在MATLAB Simulink环境中建模仿真，再应用HDL Coder生成FPGA的HDL代码，MATLAB Coder生成相关的PC桌面应用程序代码，经过Embedded Coder优化生成嵌入式系统的C代码。即从仿真模型到代码生成，简化代码编写和调试工序。

发明专利“一种继电保护算法验证系统及其方法（201510031435.7）”提供的是一种继电保护算法验证方案，但没有提供对主控系统、人机交互通信系统、配置管理通信系统的一体化设计、仿真、验证、测试的研发平台，MATLAB软件没有Coder工具箱，该发明最大化地只完成保护算法验证功能。而且基于当时MATLAB版本的功能限制，不足以使用Coder技术实现对HDL、C/C++语言编程的全面支持。

发表于2008年的论文《基于Simulink和Stateflow建模的嵌入式软件开发平台研究》充分应用了MATLAB软件平台的优势，但Simulink和Stateflow生成代码技术还没有针对像FPGA的HDL硬件语言和特定的嵌入式操作系统下可执行的C语言支持，文中提出的方案虽然是模型级代码交叉调试的解决方案，但没有对FPGA的HDL硬件代码支持，而对嵌入式操作系统的C代码支持也没有提供应用Embedded Coder工具的优化。毕竟这篇论文中选择的Delta OS系统比起成熟的商用系统还有距离。

现有的发电机变压器组保护系统研发方法，是将上述保护装置主控系统中的嵌入式操作系统结合继电保护应用，保护装置人机交互通信系统中的嵌入式操作系统结合装置界面操作和通信，以及配置管理通信系统中的配置管理通信软件分别进行开发后再联合研发测试，研发难度大，周期长。

其中，保护装置主控系统是在交叉编译的IDE环境中移植嵌入式操作系统和开发继电保护应用程序（一般选择嵌入式C语言），进行反复调试与测试，确定代码正确可靠。测试手段一般是使用电力测试仪向继电保护装置加不同幅值或频率的电压或电流，检测保护装置测量值的准确性、精度范围，然后是保护应用程序的动作特性，灵敏度等，调试与测试难度大，开发周期长。

发电机变压器组设备的电压电流幅值和频率等故障信号是验证继电保护算法的必要输入，但如何模拟实际故障信号并实时传递给FPGA和如何实时接收继电保护算法模块的输出信号是继电保护算法验证系统的关键。目前，大多数研究采用的方法首先建立一个单一的故障模型，例如使用MATLAB Simulink建模，其运行故障模型产生电压电流故障信号，并将电压电流故障信号数据保存到特定格式文件，最后将该特定格式文件拷贝到FPGA，以便进行继电保护算法模块的设计验证。这种验证方法存在故障模型单一，实时性低等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：发电机变压器组保护装置包括三个系统：保护装置主控系统、保护装置人机交互通信系统和配置管理通信系统，三个系统在进行联合调试与测试过程中，直观性低、调试与测试难度大、开发周期长。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的工作原理：本发明的发电机变压器组保护软件生成系统，它包括配置管理通信系统功能和仿真验证测试功能。应用MATLAB软件Simulink建立模型；Coder工具箱将模型转为应用代码：应用HDL Coder生成HDL硬件代码用于主控系统FPGA，Simulink Coder和Embedded Coder生成嵌入式C代码用于主控系统，Embedded Coder生成嵌入式C++代码用于人机交互通信系统。上位软件系统应用Qt和MATLAB混合编程，Qt调用MATLAB Coder生成的C++代码，实现同主控系统FPGA的以太网实时通信，同时保证保护装置人机交互通信和上位数据库系统界面一致性。通过建模和代码转换实现保护应用的软件设计、研发、验证、测试。

一种发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，包括上位软件系统(1)和装置软件系统(2)；

所述上位软件系统(1)包括：

仿真系统(1.1)：实现发电机变压器组设备建模和仿真，包括发电机变压器组设备模型模块和保护算法模块；

数据库系统(1.2)：实现发电机变压器组保护装置的数据库配置管理，数据库配置管理仿真数据和保护装置的保护应用数据、装置运行数据，实现可视化；包括信号处理与通信模块、保护逻辑框图模块、保护I/O配置模块和装置运行记录模块；

装置软件系统(2)包括：

人机交互通信系统(2.1)：是发电机变压器组保护装置的人机接口，是与上位机的通信接口，通过以太网，接收数据库系统配置的保护应用和装置数据并传入主控系统，读取主控系统的保护应用和装置的配置信息和运行数据并传入数据库系统，实现可视化；包括信号显示与通信模块、保护运行状态模块、装置I/O配置模块和装置运行状态显示模块；

主控系统(2.2)：实现采样、信号处理、保护应用、出口、录波功能，同时将保护应用和装置运行信息实时传送给人机交互通信系统；包括采样及信号处理模块、保护模块、装置I/O控制模块和装置运行状态模块。

本发明所达到的有益效果： 本发明的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，应用MATLAB/Simulink环境建模仿真，在信号处理算法和保护算法得到充分验证后通过Coder工具将仿真模型转化为可编译执行的HDL硬件语言和嵌入式C和C++代码植入到嵌入式硬件中，模型通过图形显示，直观易见，算法正确性易于验证，调试与测试难度大大降低，开发周期大大缩短。

附图说明

图1是现有的发电机变压器组保护装置软件系统示意图；

图2为本发明的一体化生成系统的框架图；

图3为本发明的系统组成模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

本发明提供一种发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，图2表示以MATLAB和Simulink为统一设计环境的软件一体化生成系统的框架，应用MATLAB/Simulink图形化、模型化的仿真环境，以及成熟的Coder技术作为基础，对于上位电脑的数据管理通信系统桌面应用软件、保护装置人机交互系统嵌入式软件和装置主控系统嵌入式软件起到支撑作用，构建成一体化的研发系统。具体地，图3示意系统组成模块及其连接，说明本发明的系统及其方法。

本发明中的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统包括：上位软件系统(1)和装置软件系统(2)。上位软件系统(1)是运行在上位PC机上的软件系统，与保护装置人机交互通信系统通过串口或以太网通信。

所述上位软件系统(1)包括：仿真系统(1.1)；数据库系统(1.2)。

装置软件系统(2)包括：人机交互通信系统(2.1)；主控系统(2.2)。

仿真系统(1.1)

MATLAB/Simulink环境中实现发电机变压器组设备建模和仿真，包括发电机变压器组设备模型模块和保护算法模块。

物理方面：建立的发电机变压器模型输出仿真故障信号，供保护逻辑和算法仿真。

数学方面：建立保护逻辑算法仿真模型。

微机硬件方面：建立硬件运行模型。

多重域建模直接将保护应用需求与设计链接：保护应用变更就是根据具体的应用场景仿真输出相应的发电机变压器故障信号数据，映射到发电机变压器模型和保护逻辑算法模型，实现算法优化与更新，也便于测试。

MATLAB环境的仿真故障信号和保护逻辑及保护算法充分利用MATLAB Coder工具箱完成以下工作： Simulink Coder生成应用于数据库系统(1.2)的桌面应用Qt C++代码，Embedded Coder生成人机交互通信系统(2.1)的嵌入式应用Qt C++代码，HDL Coder生成主控系统(2.2)的HDL代码，Embedded Coder生成主控系统(2.2)的嵌入式C代码；同时MATLAB自动生成研发文档。保护应用标准模块库和硬件模块库易于重用。

仿真系统只对发电机变压器组保护研发人员开放权限，而调试工程师、现场服务工程师和现场运行维护人员没有权限。

数据库系统(1.2)

实现发电机变压器组保护装置的数据库配置管理，包括信号处理与通信模块、保护逻辑框图模块、保护I/O配置模块和装置运行记录模块。数据库配置管理仿真数据和保护装置的保护应用数据、装置运行数据等，实现可视化。

数据库系统对发电机变压器组保护研发人员、调试工程师、现场服务工程师开放权限，而现场运行维护人员没有权限。

装置软件系统包括：

人机交互通信系统(2.1)：

是发电机变压器组保护装置的人机接口，是与上位机的通信接口，包括信号显示与通信模块、保护运行状态模块、装置I/O配置模块和装置运行状态显示模块。通过以太网，接收数据库系统配置的保护应用和装置数据并传入主控系统，读取主控系统的保护应用和装置的配置信息和运行数据并传入数据库系统，实现可视化。

人机交互通信系统对发电机变压器组保护研发人员、调试工程师、现场服务工程师和现场运行维护人员均开放权限。

主控系统(2.2)：

是发电机变压器组保护装置的控制核心，包括采样及信号处理模块、保护模块、装置I/O控制模块和装置运行状态模块。实现采样、信号处理、保护应用、出口、录波等功能，同时将保护应用和装置运行信息实时传送给人机交互通信系统。

主控系统只对发电机变压器组保护研发人员开放权限，而调试工程师、现场服务工程师和现场运行维护人员没有权限。

另外，以上仿真系统、数据库系统和人机交互通信系统中的操作事件记录模块未在图3中表示。

发电机变压器组保护装置在出厂前和现场中调试时，上位软件系统需要与装置软件系统联机运行调试，即PC端与装置端通过以太网联机调试；在现场投入运行后，装置软件系统可独立运行，不需要连接上位软件系统；如果现场需要，数据库系统也可与保护装置联机运行。

仿真系统的发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)：

本系统的关键模块，应用Simulink模型和S-Function方法构建各种发电机变压器组设备及系统的故障模型，模拟生成系统的故障信号，设计电力信号处理算法，如FFT、滤波等。

发电机变压器组设备模型模块生成模拟故障信号输入到保护算法模块(1.1.2)，用于在仿真环境中验证保护逻辑和算法。

所述电力信号处理算法应用Simulink Coder以及HDL Coder生成FPGA可用的HDL代码，实现FPGA中的采样及信号处理模块(2.2.1)的功能（如FFT，滤波等）。

所述电力信号处理算法应用Simulink Coder以及Embedded Coder生成嵌入式C代码，提供给采样及信号处理模块(2.2.1)应用，使采样和信号处理后的数据以C代码形式传输给保护模块(2.2.2)。

发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)与采样及信号处理模块(2.2.1)间实现硬件协仿真以及在线硬件回路测试。代码生成选项通过将设计编译成FPGA硬件设计语言HDL来实现验证和仿真加速，所述语言HDL在支持Simulink的环路中使用，各种仿真不仅能验证有效的硬件设计，而且还能在Simulink中加速仿真。系统生成器在主控系统FPGA和Simulink间进行以太网和JTAG通信，电路板和平台协同研发测试。使用Simulink对生成的代码进行调优和监测，验证设计（后综合或后实现）的时序收敛和资源利用，并通过交叉探测在Simulink中将结果与系统生成器模型关联，从而加速改进高性能设计或发现时序故障的进程。

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C++代码，并利用Embedded Coder优化为能用于QNX系统中的信号显示与通信模块(2.1.1)的嵌入式Qt C++代码。

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C++代码，能用于信号处理(1.2.1)与通信模块的桌面应用Qt C++代码。

保护算法模块(1.1.2)：本系统的核心模块，根据发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)输出的故障信号，应用MATLAB的M语言编写代码或使用Stateflow图设计保护逻辑和算法仿真。

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C代码，并利用Embedded Coder优化为能用于QNX系统中的保护模块(2.2.2)的嵌入式C代码；

接收保护模块(2.2.2)的反馈信息，在仿真环境修正保护逻辑和算法；

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C++代码，并利用Embedded Coder优化为能用于QNX系统中的保护运行状态模块(2.1.2)的嵌入式Qt C++代码；

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C++代码，用于保护逻辑框图模块(1.2.2)的桌面应用Qt C++代码。

所述信号处理与通信模块(1.2.1)：

根据发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)生成的C++代码，应用Qt C++编程桌面应用，处理信号；

接收信号显示与通信模块(2.1.1)传送的信号数据，实时显示装置采样和信号处理数据，显示信号波形；

发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)输出的仿真信号数据和信号显示与通信模块(2.1.1)传送的实际信号数据进行对比，验证电力信号处理算法；

接收保护逻辑框图模块(1.2.2)传递的保护应用数据，把信号处理数据反馈给保护逻辑框图模块(1.2.2)，验证保护逻辑设计和配置。

所述保护逻辑框图模块(1.2.2)：

根据保护算法模块(1.1.2)生成的C++代码，应用Qt C++编程桌面应用，形成保护逻辑框图：

接收保护运行状态模块(2.1.2)传送的状态数据，实时显示保护运行和装置运行数据；

保护算法模块(1.1.2)生成的保护逻辑和算法与保护运行状态模块(2.1.2)传送的状态数据对比，验证保护逻辑和算法；

接收信号处理与通信模块(1.2.1)传递的信号处理数据，把保护配置数据反馈给保护逻辑框图模块(1.1.2)，验证保护逻辑设计和配置。

所述保护I/O配置模块(1.2.3)：

配置保护的输入信号和输出信号；所述输入信号包括开入，电压电流的基波或谐波，频率等；输出信号包括开出信号和跳闸；保护I/O信息可离线配置，再通过以太网传输到装置I/O配置模块(2.1.3)。

所述装置运行记录模块(1.2.4)：

接收和存储装置运行状态显示模块(2.1.4)传送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录等。

所述信号显示与通信模块(2.1.1)：

实时显示保护装置采样通道电压电流波形等；

向信号显示与通信模块(1.2.1)发送信号数据，同时显示装置采样和信号处理数据，显示信号波形。因为都基于Qt开发，信号显示与通信模块(2.1.1)和信号显示与通信模块(1.2.1)的界面相似；

应用发电机变压器设备模型模块(1.1.1)生成的嵌入式Qt C++代码，实现信号显示与通信功能；

向采样及信号处理模块(2.2.1)传输数据库相关配置信息；

接收采样及信号处理模块(2.2.1)传送的采样和信号处理信息，实时显示。

所述保护运行状态模块(2.1.2)：

实时显示保护装置的保护状态信息，保护计算值，保护投退状态，保护出口信息等；

向保护逻辑框图模块(1.2.2)发送保护状态数据，可同时显示装置的保护状态信息，保护计算值，保护投退状态，装置出口信息等。因为都基于Qt开发，保护运行状态模块(2.1.2)和保护逻辑框图模块(1.2.2)的界面相似。

应用保护算法模块(1.1.2)生成的嵌入式Qt C++代码，实现保护运行状态显示功能；

接收保护模块(2.2.2)传送的保护运行状态信息，实时显示；

向保护模块(2.2.2)传送保护逻辑和算法的数据库配置信息。

所述装置I/O配置模块(2.1.3)：

通过数据库配置发电机变压器组保护装置的输入和输出；

接收保护I/O配置模块(1.2.3)配置的数据库；

根据装置硬件I/O配置数据库；

数据库反馈到保护I/O配置模块(1.2.3)，保存数据库；

数据库配置信息传输到装置I/O控制模块(2.2.3)，主控系统根据数据库信息控制运行；

接收装置I/O控制模块(2.2.3)运行状态信息，确保装置I/O数据库匹配。

所述装置运行状态模块显示模块(2.1.4)：

实时显示保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录等；

接收装置运行状态模块(2.2.4)发送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录等；

向装置运行记录模块(1.2.4)传送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录等。

所述采样及信号处理模块(2.2.1)：

采样及信号处理功能，向保护运算提供采样数据输入；

接收发电机变压器设备模型模块(1.1.1)生成的HDL代码和嵌入式C代码，以向保护模块(2.2.2)提供采样和数据处理信号，供保护计算、判据判别；

与发电机变压器设备模型模块(1.1.1)间实现硬件协仿真以及在线硬件回路测试；

向信号显示与通信模块(2.1.1)传送采样和信号处理信息数据；接收信号显示与通信模块(2.1.1)发出的数据招送信息。

所述保护模块(2.2.2)：

根据保护判据，通过采样及信号处理模块(2.2.1)提供的数据计算，计算结果与定值比较，达到定值条件即发出出口信号或跳闸；

接收保护算法模块(1.1.2)生成的嵌入式C代码，实现保护模块计算功能；

向保护算法模块(1.1.2)提供数据，以修正保护逻辑和算法；

接收保护运行状态模块(2.1.2)传送的保护逻辑和算法的数据库配置信息；

向保护运行状态模块(2.1.2)传送保护运行状态信息。

所述装置I/O控制模块(2.2.3)：

保护装置运行状态信息传输到装置I/O配置模块(2.1.3)，与装置I/O数据库匹配；装置的输入信号包括模拟量和数字量，装置还有输入信号；同样，运行于装置中的各种保护应用模块也有输入输出信号；数据库的作用（1）定义I/O的名称，（2）I/O配置编号并映射到装置的硬件信号通道，（3）保护I/O与装置I/O匹配；

接收装置I/O配置模块(2.1.3)数据库配置信息，主控系统根据数据库信息控制运行。

所述装置运行状态模块(2.2.4)：

实时记录保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录等；

向装置运行状态显示模块(2.1.4)传送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录等。

本发明发电机变压器组保护软件一体化生成系统及其方法适用于基于ARM+FPGA平台开发的发电机变压器组保护系统，应用Qt，MATLAB和FPGA软硬件协同开发环境，基于MATLAB针对FPGA提供的软硬件协同编程平台进行装置级别的底层软件研发，基于Qt提供的跨系统UI平台以及与MATLAB联合编程的UI软件开发。主控系统和人机交互通信系统均采用QNX操作系统。人机交互通信系统和数据库系统均采用Qt的C++语言编程，保证人机交互通信系统中的嵌入式应用和数据库系统中的桌面应用界面统一。Qt的应用还利于实现在Windows或Linux等不同操作系统中运行数据库系统。

MATLAB Simulink仿真环境中构造发电机变压器组设备的正常运行状态和故障运行状态仿真模型，产生设备系统故障信号。应用MATLAB Coder工具转换为应用代码：应用HDL Coder生成HDL硬件代码用于主控系统FPGA，Simulink Coder和Embedded Coder生成嵌入式C代码用于主控系统ARM平台的QNX系统中，Embedded Coder生成嵌入式C++代码用于人机交互通信系统ARM平台的QNX系统中。

上位软件系统应用Qt和MATLAB混合编程，Qt调用MATLAB Coder生成的C++代码，通过以太网口将故障信号实时发送给FPGA上的继电保护算法模块，进行相关计算，并读取反馈的计算结果，进而对继电保护算法有效性进行验证。

仿真系统与装置主控系统间实现硬件协仿真以及在线硬件回路测试。代码生成选项通过将设计编译成FPGA硬件来实现验证和仿真加速，该硬件在支持Simulink的环路中使用，各种仿真不仅能验证有效的硬件，而且还能在Simulink中加速仿真。系统生成器在主控系统FPGA和Simulink间进行以太网和JTAG通信，电路板和平台协同研发测试。使用Simulink对生成的代码进行调优和监测，验证设计（后综合或后实现）的时序收敛和资源利用，并通过交叉探测在Simulink中将结果与系统生成器模型关联，从而加速改进高性能设计或发现时序故障的进程。

本发明以MATLAB Simulink Coder技术为基础的一体化研发系统的框架，其核心理念是应用MATLAB/Simulink图形化、模型化的仿真环境，以及成熟的Coder技术作为基础，对于上位电脑的数据管理通信系统桌面应用软件、保护装置人机交互系统嵌入式软件和装置主控系统嵌入式软件起到支撑作用，构建成一体化的研发系统。

本发明提出的发电机变压器组保护软件研发系统及其方法适用于基于ARM+FPGA平台开发的发电机变压器组保护系统，应用Qt，MATLAB和FPGA软硬件协同开发环境，基于MATLAB针对FPGA提供的软硬件协同编程平台进行装置级别的底层软件研发，基于Qt提供的跨系统UI平台以及与MATLAB联合编程的UI软件开发。主控系统和人机交互通信系统均采用QNX操作系统。人机交互通信系统和数据库系统均采用Qt的C++语言编程，保证人机交互通信系统中的嵌入式应用和数据库系统中的桌面应用界面统一。Qt的应用还利于实现在不同操作系统中运行数据库系统。

发电机变压器组保护软件研发系统应用Qt和MATLAB混合编程，Qt调用MATLABCoder生成的C++代码，通过以太网口将故障信号实时发送给FPGA上的继电保护算法模块，进行相关计算，并读取反馈的计算结果，进而对继电保护算法有效性进行验证。

仿真系统与装置主控系统间实现硬件协仿真以及在线硬件回路测试。代码生成选项通过将设计编译成FPGA硬件来实现验证和仿真加速，该硬件在支持Simulink的环路中使用，各种仿真不仅能验证有效的硬件，而且还能在Simulink中加速仿真。系统生成器在主控系统FPGA和Simulink间进行以太网和JTAG通信，电路板和平台协同研发测试。使用Simulink对生成的代码进行调优和监测，验证设计（后综合或后实现）的时序收敛和资源利用，并通过交叉探测在Simulink中将结果与系统生成器模型关联，从而加速改进高性能设计或发现时序故障的进程。

本发明涉及的软件研发系统及其方法具有以下优势：

(1)在整个项目开发过程中使用MATLAB软件统一设计。

(2)可直接将保护应用需求与设计链接起来，基于模型易于对比变更，减少设计遗漏。

(3)将测试集成到设计中，持续验证并纠正错误。

(4)通过MATLAB进行物理、数学、计算机等多重仿真验证，快速实现从实际物理信号计算到微机处理算法实用优化。

(5)自动生成硬件代码（HDL语言）、嵌入式代码（C/C++语言）、桌面应用程序代码（C++语言），效率提升。

(6)开发保护应用标准模块库便于重用。

(7)自动生成研发文档。

(8)支持针对硬件目标的设计重用。

(9)嵌入式应用和桌面应用都使用Qt平台开发，界面统一，易于开发和维护。

以上实施例仅用以说明发明的技术方案而非对其限制，所属领域的研发人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些没有脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围以内。

Claims (16)

1.一种发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：包括上位软件系统(1)和装置软件系统(2)；

所述上位软件系统(1)包括：

仿真系统(1.1)：实现发电机变压器组设备建模和仿真，包括发电机变压器组设备模型模块和保护算法模块；

数据库系统(1.2)：实现发电机变压器组保护装置的数据库配置管理，数据库配置管理仿真数据和保护装置的保护应用数据、装置运行数据，实现可视化；包括信号处理与通信模块、保护逻辑框图模块、保护I/O配置模块和装置运行记录模块；

装置软件系统(2)包括：

人机交互通信系统(2.1)：是发电机变压器组保护装置的人机接口，是与上位机的通信接口，通过以太网接收数据库系统配置的保护应用和装置数据并传入主控系统，读取主控系统的保护应用和装置的配置信息和运行数据并传入数据库系统，实现可视化；包括信号显示与通信模块、保护运行状态模块、装置I/O配置模块和装置运行状态显示模块；

主控系统(2.2)：实现采样、信号处理、保护应用、出口、录波功能，同时将保护应用和装置运行信息实时传送给人机交互通信系统；包括采样及信号处理模块、保护模块、装置I/O控制模块和装置运行状态模块。

2.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述仿真系统的发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)：

应用Simulink模型和S-Function方法构建各种发电机变压器组设备及系统的故障模型，模拟生成系统的故障信号，设计电力信号处理算法；

发电机变压器组设备模型模块生成模拟故障信号输入到保护算法模块(1.1.2)，用于在仿真环境中验证保护逻辑和算法。

3.根据权利要求2所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述电力信号处理算法应用Simulink Coder以及HDL Coder生成FPGA可用的HDL代码，实现FPGA中的采样及信号处理模块(2.2.1)的功能；

所述电力信号处理算法应用Simulink Coder以及Embedded Coder生成嵌入式C代码，提供给采样及信号处理模块(2.2.1)应用，使采样和信号处理后的数据以C代码形式传输给保护模块(2.2.2)；

发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)与采样及信号处理模块(2.2.1)间实现硬件协仿真以及在线硬件回路测试。

4.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述保护算法模块(1.1.2)：根据发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)输出的故障信号，应用MATLAB的M语言编写代码或使用Stateflow图设计保护逻辑和算法仿真；

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C代码，并利用Embedded Coder优化为能用于QNX系统中的保护模块(2.2.2)的嵌入式C代码；

接收保护模块(2.2.2)的反馈信息，在仿真环境修正保护逻辑和算法；

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C++代码，并利用Embedded Coder优化为能用于QNX系统中的保护运行状态模块(2.1.2)的嵌入式Qt C++代码；

应用MATLAB Coder和Simulink Coder生成C++代码，用于保护逻辑框图模块(1.2.2)的桌面应用Qt C++代码。

5.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述信号处理与通信模块(1.2.1)：

根据发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)生成的C++代码，应用Qt C++编程桌面应用，处理信号；

接收信号显示与通信模块(2.1.1)传送的信号数据，实时显示装置采样和信号处理数据，显示信号波形；

发电机变压器组设备模型模块(1.1.1)输出的仿真信号数据和信号显示与通信模块(2.1.1)传送的实际信号数据进行对比，验证电力信号处理算法；

接收保护逻辑框图模块(1.2.2)传递的保护应用数据，把信号处理数据反馈给保护逻辑框图模块(1.2.2)，验证保护逻辑设计和配置。

6.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述保护逻辑框图模块(1.2.2)：

根据保护算法模块(1.1.2)生成的C++代码，应用Qt C++编程桌面应用，形成保护逻辑框图；

接收保护运行状态模块(2.1.2)传送的状态数据，实时显示保护运行和装置运行数据；

保护算法模块(1.1.2)生成的保护逻辑和算法与保护运行状态模块(2.1.2)传送的状态数据对比，验证保护逻辑和算法；

接收信号处理与通信模块(1.2.1)传递的信号处理数据，把保护配置数据反馈给保护逻辑框图模块(1.1.2)，验证保护逻辑设计和配置。

7.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述保护I/O配置模块(1.2.3)：

配置保护的输入信号和输出信号；所述输入信号包括开入，电压电流的基波或谐波，频率；输出信号包括开出信号和跳闸；保护I/O信息可离线配置，再通过以太网传输到装置I/O配置模块(2.1.3)。

8.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述装置运行记录模块(1.2.4)：

接收和存储装置运行状态显示模块(2.1.4)传送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录。

9.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述信号显示与通信模块(2.1.1)：

实时显示保护装置采样通道电压电流波形；

向信号显示与通信模块(1.2.1)发送信号数据，同时显示装置采样和信号处理数据，显示信号波形；

应用发电机变压器设备模型模块(1.1.1)生成的嵌入式Qt C++代码，实现信号显示与通信功能；

向采样及信号处理模块(2.2.1)传输数据库相关配置信息；

接收采样及信号处理模块(2.2.1)传送的采样和信号处理信息，实时显示。

10.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述保护运行状态模块(2.1.2)：

实时显示保护装置的保护状态信息，保护计算值，保护投退状态，保护出口信息；

向保护逻辑框图模块(1.2.2)发送保护状态数据，可同时显示装置的保护状态信息，保护计算值，保护投退状态，装置出口信息；

应用保护算法模块(1.1.2)生成的嵌入式Qt C++代码，实现保护运行状态显示功能；

接收保护模块(2.2.2)传送的保护运行状态信息，实时显示；

向保护模块(2.2.2)传送保护逻辑和算法的数据库配置信息。

11.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述装置I/O配置模块(2.1.3)：

通过数据库配置发电机变压器组保护装置的输入和输出；

接收保护I/O配置模块(1.2.3)配置的数据库；

根据装置硬件I/O配置数据库；

数据库反馈到保护I/O配置模块(1.2.3)，保存数据库；

数据库配置信息传输到装置I/O控制模块(2.2.3)，主控系统根据数据库信息控制运行；

接收装置I/O控制模块(2.2.3)运行状态信息，确保装置I/O数据库匹配。

12.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述装置运行状态模块显示模块(2.1.4)：

实时显示保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录；

接收装置运行状态模块(2.2.4)发送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录；

向装置运行记录模块(1.2.4)传送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录。

13.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述采样及信号处理模块(2.2.1)：

采样及信号处理功能，向保护运算提供采样数据输入；

接收发电机变压器设备模型模块(1.1.1)生成的HDL代码和嵌入式C代码，以向保护模块(2.2.2)提供采样和数据处理信号，供保护计算、判据判别；

与发电机变压器设备模型模块(1.1.1)间实现硬件协仿真以及在线硬件回路测试；

向信号显示与通信模块(2.1.1)传送采样和信号处理信息数据；接收信号显示与通信模块(2.1.1)发出的数据招送信息。

14.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述保护模块(2.2.2)：

根据保护判据，通过采样及信号处理模块(2.2.1)提供的数据计算，计算结果与定值比较，达到定值条件即发出出口信号或跳闸；

接收保护算法模块(1.1.2)生成的嵌入式C代码，实现保护模块计算功能；

向保护算法模块(1.1.2)提供数据，以修正保护逻辑和算法；

接收保护运行状态模块(2.1.2)传送的保护逻辑和算法的数据库配置信息；

向保护运行状态模块(2.1.2)传送保护运行状态信息。

15.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述装置I/O控制模块(2.2.3)：

保护装置运行状态信息传输到装置I/O配置模块(2.1.3)，与装置I/O数据库匹配；

接收装置I/O配置模块(2.1.3)数据库配置信息，主控系统根据数据库信息控制运行。

16.根据权利要求1所述的发电机变压器组保护装置软件一体化生成系统，其特征在于：

所述装置运行状态模块(2.2.4)：

实时记录保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录；

向装置运行状态显示模块(2.1.4)传送的保护装置运行状态信息、动作记录、事件记录。

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