CN116365488B - 一种基于fpga的新型电力线路保护设备 - Google Patents

一种基于fpga的新型电力线路保护设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的新型电力线路保护设备，包括电流采集模块、I²C收发器、RAM存储器、FIFO存储器、Cyclone iv系列芯片。电流采集模块将电流数据传送到电流采集芯片上，Cyclone iv系列芯片发现某段出现过流现象，判断过流出现的位置，将筛选出过流信号的电力线路附近的继电器作为线路上的节点，采用LPA*最优路径规划算法进行最优路径规划，得到该过流路线上最短的前置和后置继电器，从而实现最优距离保护，减少两个继电器距离过远，导致过流保护控制不及时的问题。与现有技术相比，本设备基于FPGA的高速通信的特点，对于过流电力线路的识别更快，同时进行距离保护，两者都明显减少了过流保护的响应速度，实现对于电力线路更可靠的保护目的。

Description

一种基于FPGA的新型电力线路保护设备
技术领域
本发明设计电力系统以及硬件设计领域，具体涉及一种基于FPGA的新型电力线路保护设备。
背景技术
现今，通过电力电缆将发电厂以及配电站相互交叉连接，构成了普及全国各地的电力输送网。其主要分为输电线路和配电线路，利用高压实现电力的远程运输。如今在各个地区电力需求愈加变大的情况下，对于电力线路的安全运行以及供电的可靠性的要求就越来越高了，需要保证对于地区持续供电。
对于电力线路尤其要对电线的过流问题进行保护，否则会产生电力线路直接烧毁甚至引发区域性燃烧等事故，造成的经济代价较高。所以已经对线路采取了一定措施的保护，通过检测感应到电流超过设定的电流敏感值，前置继电器动作，发送信号让后置继电装置动作后，启动该段线路上的过流保护器，从而实现切断该线路，等待技术人员维修的目的，大大减少了事故发生的可能性。
但是，仍存在突发性电流过大，导致前置继电器无法及时通知后置继电器动作，导致及时检测到了电流过流的状况，仍无法及时打开过流保护装置，造成电力线路过流烧毁的状况。所以，现今的电力线路过流保护的措施仍需进一步升级，而电流敏感度不宜过大也不宜过小，所以现在的学者的研究方向，基本都朝缩短前置继电器与后置继电器的动作时间来提高过流保护装置的开关及时性。
发明内容
发明目的：针对现今电力线路过流保护装置开启不及时的问题，本发明提供了一种基于FPGA的新型电力线路保护设备，有效解决了传统电力线路前置和后置继电器动作不及时，导致过流保护装置未及时开启，造成电力线路过流损坏的问题。
技术方案：本发明提供了一种基于FPGA的新型电力线路保护设备，包括电流采集模块、串口数据传输模块和命令执行模块；
所述电流采集模块包括设置在I2 C总线上的若干电流采集芯片以及各采集芯片相应的EEPROM储存器，所述电流采集模块通过电流传感器将电流数据传送到电流采集芯片上，并将采集的电流数据存储在对应的EEPROM存储器上；
所述串口数据传输模块包括与I2 C总线连接的I2 C收发器，所述I2 C收发器将电流采集模块采集的电流数据、采集芯片地址传输到RAM存储器进行串口协议封包，再经过FIFO存储器的缓冲，实现数据高速传输；所述命令执行模块包括Cyclone iv系列芯片，所述Cyclone iv系列芯片控制信号输出端与电力线路中的若干继电器连接，所述Cyclone iv系列芯片中设置有LPA*最优路径规划算法，根据采集芯片地址判断过流出现的位置，将筛选出过流信号的电力线路附近的继电器作为线路上的节点，进行最优路径规划，优化出最优距离的前置和后置继电器的位置，同时对外发送命令，控制电力线路的对应继电器动作。
进一步地，将电力线路的继电器作为线路上的节点，利用LPA*最优路径规划算法进行最优路径规划的具体方法为：
(1)将电力线路以继电器为节点，并将电力线路上的继电器节点作为集合J，j∈J，j为继电器节点；
(2)筛选出过流的电力线路，并以该线路附近的继电器节点建立继电器间的邻接矩阵，起始节点记为0，终点记为k+1，该矩阵M如下：
其中，m00为第0个继电器节点到第0个继电器节点的距离估计值，其它各符号同理；
(3)初始化LPA*算法中的各继电器节点和计算函数值，将上述矩阵输入LPA*算法中，更新各个继电器节点值；
(4)计算最优路径值，通过计算rhs值来表示：
其中，rhs为最优路径值，j'为更新后的继电器节点值，ite(j)为上一迭代的继电器节点值，p(j')为节点j到起始点的预计最短距离，u(j'+j)为两节点之间的代价函数；代价函数为预计距离和实际距离之间的差值，表示如下：
u(j′+j)＝p(j′)-p(j)
其中，p(j)为节点j到起始点的实际最短距离；
(5)更新顶点，即将该代数的计算值进行更新，缩小节点计算范围；
(6)判断该代最优路径值是否小于上一代，若是采用该该结果，若不是，则不采用；
(7)判断是否标记所有继电器节点，若是，则退出LPA*算法，并输出最优路径方案和值，若不是，则返回步骤(4)，重新计算；
(8)输出最优前置、后置继电器距离方案。
进一步地，该新型电力线路保护设备还包括LCD液晶显示屏、多位LED指示灯、无源蜂鸣器，所述LCD液晶显示屏与所述电流采集模块连接，将采集到的电流信号数据可视化；多位所述LED指示灯间隔设置在电力线路上，多位所述LED指示灯、无源蜂鸣器还与Cycloneiv系列芯片输出端连接，所述Cyclone iv系列芯片根据采集的电流信号数据与承受电流信号比较，当某段电力线路过流，通过输出信号控制无源蜂鸣器进行故障报警，同时控制多位LED指示灯将在对应位闪烁，实现报警的目标时，还能通过指示灯闪烁的位置判定电流过流位置。
进一步地，所述电力线路设置为8段，每段上设置一个继电器，在故障报警时，多位LED指示灯设置为8位，与所述继电器成对设置。
有益效果：
1、本发明采用FPGA实现对于电力线路各段电流数据的采集与输出，利用该期间高速的数据处理能力，实现检测线路的实时监控。利用I2 C总线实现FPGA与电流采集模块之间的通信，I2 C总线相对于UART串口，能够产生字符数据传输完成的应答信号，其在传输速度以及数据正确性方面有了较大提升。尤其能够读取器件地址，有利于电力线路保护设备快速分辨过流线路的相对应的采集芯片，从而进一步判断过流线路的位置。I2 C总线具有传输速度快，并能够传送期间地址位数据，实现过流线路位置的及时追踪。从而高速的去控制该线路前置和后置继电器的开关动作。
2、本发明在基于FPGA的电力线路保护设备的基础上，在检测到过流线路位置时，引入LPA*最优路径规划算法，将线路上的继电器作为该算法内的节点要素，快速优化出最优距离的前置和后置继电器的位置，从而控制两个继电器的最快动作。并且该保护设备每固定电力线路段数(一般8段，根据LED数量定)安置一个，相当于一个电力线路，有8段，每段设置LED灯和继电器，是成对出现的，所以最优距离优化时间几乎可以忽略不计，所以极大减少了继电器动作开关时间造成的过流保护装置打开不及时的状况。
3、本发明结合FPGA强大的信号处理能力以及LPA*最优路径规划算法，大大提高了电力线路的保护措施的可靠性，能够实现电力线路过流状况处理的快速性，减少电力线路过流保护不及时造成的损失。
附图说明
图1为本发明新型电力线路保护设备的结构示意图；
图2为本发明电力线路过流保护结构示意图；
图3为本发明I2 C总线结构示意图；
图4为本发明LPA*最优路径规划算法流程图；
图5为本发明未加保护设备和加保护设备耗时对比。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1、2所示，本发明公开了一种基于FPGA的新型电力线路保护设备，包括电流采集模块、串口数据传输模块和命令执行模块，电流采集模块包括若干电流采集芯片以及每个采集芯片相应的EEPROM储存器。电流采集模块通过电流传感器将电流数据传送到电流采集芯片上，并将采集的电流数据存储在对应的EEPROM存储器上，等待FPGA主机通过I2 C总线发送读取信号。
串口数据传输模块包括与I2 C总线连接的I2 C收发器，将电流采集模块采集的电流数据传输到RAM存储器进行串口协议封包，再经过FIFO存储器的缓冲，实现数据高速传输的目的。
命令执行模块包括Cyclone iv系列芯片、LCD液晶显示屏、LED指示灯、无源蜂鸣器，LCD液晶显示屏、多位LED指示灯、无源蜂鸣器实现电流信号可视化以及报警及LED指示灯报警器件位置指示。Cyclone iv系列芯片控制信号输出端与电力线路中的若干继电器连接，Cyclone iv系列芯片中设置有LPA*最优路径规划算法，将电力线路的继电器作为线路上的节点，进行最优路径规划，优化出最优距离的前置和后置继电器的位置，同时对外发送命令，控制电力线路上的继电器动作。
如图3所示，为I2 C总线结构示意图。I2 C收发器根据I2 C协议，首先发送电流采集模块的器件地址，与对应的电流采集芯片握手，其次发送采集模块的EEPROM存储器地址，读取该存储器的数据。将读取的数据传送到RAM存储器中，进行数据处理，方便字符传送。接着将RAM存储器的数据发送到FIFO存储器中，作为缓冲区，最后才传送到Cyclone iv系列芯片中，这样传送数据速度极为高效。I2 C总线相对于UART串口，能够产生字符数据传输完成的应答信号，其在传输速度以及数据正确性方面有了较大提升。尤其能够读取器件地址，有利于电力线路保护设备快速分辨过流线路的相对应的采集芯片，从而进一步判断过流线路的位置。
LCD液晶显示屏电流采集模块连接，将采集到的电流信号数据可视化，可以直接观测想要查询电力线路段上的电流情况。多位LED指示灯间隔设置在电力线路上，多位LED指示灯、无源蜂鸣器还与Cyclone iv系列芯片输出端连接，Cyclone iv系列芯片根据采集的电流信号数据与承受电流信号比较，当某段电力线路过流，通过输出信号控制无源蜂鸣器进行故障报警，同时控制多位LED指示灯将在对应位闪烁，实现报警的目标时，还能通过指示灯闪烁的位置判定电流过流位置。
Cyclone iv系列芯片通过FPGA强大的编程电路变换能力，可以根据现场进行芯片内部电路的调节，实现高效处理的目的，根据采集芯片地址判断过流出现的位置，筛选出过流信号，将筛选出过流信号的电力线路附近的继电器作为线路上的节点，通过LPA*最优路径规划算法，得到该过流线路的最优的前置和后置继电器，最后发送两个继电器动作指令，实现过流保护的目的。在故障报警时，多位LED指示灯一般8位，可以进行对应线路上的指示灯闪烁。每8段电力线路进行保护设备的配置，实现高效的及时的信号传输控制。该保护设备每固定电力线路段数安置一个LED指示灯和一个继电器，一般8段，根据LED数量定，所以最优距离优化时间几乎可以忽略不计，所以极大减少了继电器动作开关时间造成的过流保护装置打开不及时的状况。
结合如图4所示，本发明的最优路径规划方法为LPA*最优路径规划算法，将电力线路上的继电器作为线路上的节点，进行最优路径规划的目的，包括如下步骤：
(1)将电力线路以继电器为节点，并将电力线路上的继电器节点作为集合J，j∈J；j为继电器节点。
(2)筛选出过流的电力线路，并以该线路附近的继电器节点建立继电器间的邻接矩阵，起始节点记为0，终点记为k+1，该矩阵M如下：
其中，m00为第0个继电器节点到第0个继电器节点的距离估计值，其它各符号同理。
(3)初始化LPA*算法中的各继电器节点和计算函数值，将上述矩阵输入LPA*算法中，更新各个继电器节点值。
(4)计算最优路径值，通过计算rhs值来表示：
其中，rhs为最优路径值，j'为更新后的继电器节点值，ite(j)为上一迭代的继电器节点值，p(j')为节点j到起始点的预计最短距离，u(j'+j)为两节点之间的代价函数。其中，代价函数为预计距离和实际距离之间的差值，表示如下：
u(j′+j)＝p(j′)-p(j)
其中，p(j)为节点j到起始点的实际最短距离。
(5)更新顶点，即将该代数的计算值进行更新，缩小节点计算范围。
(6)判断该代最优路径值是否小于上一代，若是采用该该结果，若不是，则不采用。
(7)判断是否标记所有继电器节点，若是，则退出LPA*算法，并输出最优路径方案和值，若不是，则返回步骤(4)，重新计算。
(8)输出最优前置、后置继电器距离方案，结束算法。
将最优路径输入到保护设备中，从而该设备发送命令，让该路径的前置、后置继电器动作，从而启动过流保护装置，断开线路，防止电流过流引发的事故。
图5所示，在设定30A的承受电流的线路上进行模拟实验，敏感值设置为25A，环境温度设置为20℃，过流保护装置的动作时间由性能本身决定，本模拟实验中为0.6s左右。在未加保护设备时，线路电路达到敏感值，过流检测时间为0.68s，前置继电器发送命令到后置继电器时间为1.2s。当添加本发明保护设备，过流检测时间缩短为0.46s，前置继电器发送命令到后置继电器时间为0.7s，显著缩短了动作时间，减少了过流事故发生。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的电力线路保护设备，其特征在于，包括电流采集模块、串口数据传输模块和命令执行模块；
所述电流采集模块包括设置在I2C总线上的若干电流采集芯片以及各采集芯片相应的EEPROM储存器，所述电流采集模块通过电流传感器将电流数据传送到电流采集芯片上，并将采集的电流数据存储在对应的EEPROM存储器上；
所述串口数据传输模块包括与I2C总线连接的I2C收发器，所述I2C收发器将电流采集模块采集的电流数据、采集芯片地址传输到RAM存储器进行串口协议封包，再经过FIFO存储器的缓冲，实现数据高速传输；所述命令执行模块包括Cyclone iv系列芯片，所述Cyclone iv系列芯片控制信号输出端与电力线路中的若干继电器连接，所述Cyclone iv系列芯片中设置有LPA*最优路径规划算法，根据采集芯片地址判断过流出现的位置，将筛选出过流信号的电力线路附近的继电器作为线路上的节点，进行最优路径规划，优化出最优距离的前置和后置继电器的位置，同时对外发送命令，控制电力线路的对应继电器动作。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电力线路保护设备，其特征在于，将电力线路的继电器作为线路上的节点，利用LPA*最优路径规划算法进行最优路径规划的具体方法为：
(1)将电力线路以继电器为节点，并将电力线路上的继电器节点作为集合J，j∈J，j为继电器节点；
(2)筛选出过流的电力线路，并以该线路附近的继电器节点建立继电器间的邻接矩阵，起始节点记为0，终点记为k+1，该矩阵M如下：
其中，m00为第0个继电器节点到第0个继电器节点的距离估计值，其它各符号同理；
(3)初始化LPA*算法中的各继电器节点和计算函数值，将上述矩阵输入LPA*算法中，更新各个继电器节点值；
(4)计算最优路径值，通过计算rhs值来表示：
其中，rhs为最优路径值，j'为更新后的继电器节点值，ite(j)为上一迭代的继电器节点值，p(j')为节点j到起始点的预计最短距离，u(j'+j)为两节点之间的代价函数；代价函数为预计距离和实际距离之间的差值，表示如下：
u(j′+j)＝p(j′)-p(j)
其中，p(j)为节点j到起始点的实际最短距离；
(5)更新顶点，即将该代价函数的计算值进行更新，缩小节点计算范围；
(6)判断该代价函数对应的最优路径值是否小于上一代，若是采用当前算法迭代结果值，若不是，则不采用；
(7)判断是否标记所有继电器节点，若是，则退出LPA*算法，并输出最优路径方案和值，若不是，则返回步骤(4)，重新计算；
(8)输出最优前置、后置继电器距离方案。
3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的电力线路保护设备，其特征在于，该电力线路保护设备还包括LCD液晶显示屏、多位LED指示灯、无源蜂鸣器，所述LCD液晶显示屏与所述电流采集模块连接，将采集到的电流信号数据可视化；多位所述LED指示灯间隔设置在电力线路上，多位所述LED指示灯、无源蜂鸣器还与Cyclone iv系列芯片输出端连接，所述Cyclone iv系列芯片根据采集的电流信号数据与承受电流信号比较，当某段电力线路过流，通过输出信号控制无源蜂鸣器进行故障报警，同时控制多位LED指示灯将在对应位闪烁，实现报警的目标时，还能通过指示灯闪烁的位置判定电流过流位置。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的电力线路保护设备，其特征在于，所述电力线路设置为8段，每段上设置一个继电器，在故障报警时，多位LED指示灯设置为8位，与所述继电器成对设置。
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