基于FPGA的暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法

林偉

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基于FPGA的暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法

林偉

（自由職業(yè)者，山東省 濟(jì)南市 250100）

針對(duì)電力系統(tǒng)故障信號(hào)中暫態(tài)分量的精細(xì)化實(shí)時(shí)分析需求，提出一種不同于Mallat算法頻域分段方式的時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法。這一算法可以實(shí)時(shí)運(yùn)行，既對(duì)頻帶進(jìn)行了精細(xì)化的、可靈活設(shè)置的、有重點(diǎn)的劃分，又實(shí)現(xiàn)了全頻帶的高時(shí)域分辨率，同時(shí)保持了輸出數(shù)據(jù)的時(shí)頻關(guān)聯(lián)特性。基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)現(xiàn)這一算法的范例模塊，基于MATLAB建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的分布式參數(shù)電網(wǎng)模型。在這一模型上以生成500kHz的故障信號(hào)采樣值序列作為輸入范例模塊的數(shù)據(jù)流，對(duì)范例模塊進(jìn)行仿真，初步驗(yàn)證了該算法的性能、實(shí)用性。就該算法在繼電保護(hù)算法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略提出了建議，對(duì)該算法涉及的其他后續(xù)工作進(jìn)行了展望。

繼電保護(hù)；暫態(tài)量保護(hù)；小波變換；時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)

0 引言

電力系統(tǒng)故障信號(hào)的高頻暫態(tài)分量非常豐富，有可能隱藏著大量信息，已有多個(gè)團(tuán)隊(duì)就暫態(tài)信號(hào)的采集與分析進(jìn)行了研究并取得了重要成果[1-4]。對(duì)暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行精細(xì)化的實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析，有可能發(fā)現(xiàn)新的、可以提高“四性”的保護(hù)特征量，進(jìn)而有可能研發(fā)出性能更先進(jìn)的基于暫態(tài)信號(hào)實(shí)時(shí)分析的新型保護(hù)裝置[5]。

小波變換是當(dāng)前對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)量故障信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析最重要的數(shù)學(xué)工具之一，Mallat算法是小波變換得以實(shí)用化的基本手段。Mallat算法的基本特征決定了其固有的缺陷：對(duì)(0,s/2)(s為采樣頻率)頻帶的劃分方式是比較粗略的，對(duì)高頻區(qū)域無法細(xì)分，只有在分解層數(shù)增加的情況下，才能對(duì)最低頻區(qū)域進(jìn)行比較精細(xì)的劃分，但代價(jià)卻是時(shí)域分辨率的指數(shù)級(jí)下降[5]。同時(shí)，對(duì)于位于特定頻段的、不需測(cè)量的、必將導(dǎo)致干擾的原始信號(hào)分量，也無法排除其影響。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一類可編程邏輯器件，內(nèi)置大量可并行運(yùn)行的邏輯門、寄存器、運(yùn)算單元、存儲(chǔ)區(qū)塊，以及為其提供可編程互聯(lián)的布線資源，相較于當(dāng)前暫態(tài)量保護(hù)裝置的核心運(yùn)算器件DSP、CPU，其最大優(yōu)勢(shì)是多通道、大運(yùn)算量的高速并行運(yùn)算[6]。以FPGA為核心實(shí)現(xiàn)暫態(tài)信號(hào)分析算法，能夠以硬件資源換性能、將大量高速運(yùn)算任務(wù)分配給幾百上千個(gè)運(yùn)算核心并行執(zhí)行，為大幅度改善信號(hào)分析模塊的性能提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為暫態(tài)量保護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供了重要的機(jī)遇。

基于FPGA實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法，此前已有部分研究成果[7-11]，其中文獻(xiàn)[8]述及了基于FPGA實(shí)現(xiàn)小波變換的思想。

本文以FPGA的并行運(yùn)算能力為基礎(chǔ)，借鑒小波變換Mallat算法的頻域分段、時(shí)頻關(guān)聯(lián)思想，提出不同于Mallat算法頻域分段方式的暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法，以期為暫態(tài)信號(hào)的時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析提供更好的數(shù)據(jù)預(yù)處理工具，為暫態(tài)量保護(hù)中新特征量的發(fā)現(xiàn)、新特征量提取算法的研究提供新的基礎(chǔ)、新的思路。

1 基于FPGA實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)

基于FPGA實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中包含了智能變電站過程層設(shè)備的通訊接口模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。虛線框內(nèi)是在主FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)的功能。

圖1 基于FPGA實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1中各模塊分別占用FPGA中的一部分硬件資源，在上位機(jī)CPU的配置下各司其職、互相協(xié)作、并行運(yùn)行。近年來研究人員已經(jīng)在智能變電站二次設(shè)備的通信接口、數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)中用FPGA實(shí)現(xiàn)了其中的一些模塊[9-11]，本文不再贅述。

本架構(gòu)著眼于構(gòu)建繼電保護(hù)裝置中具有共性的功能框架，把位于主數(shù)據(jù)通道上的、實(shí)時(shí)處理采樣值數(shù)據(jù)流的各算法模塊整合到FPGA芯片中，F(xiàn)PGA片內(nèi)數(shù)據(jù)處理過程的特征是分布式運(yùn)算、基于流水線協(xié)作的并行處理，核心理念是“以硬件資源換性能”。

與此同時(shí)，由上位機(jī)CPU實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、人機(jī)界面、保護(hù)定值獲取及下發(fā)等慢速、非實(shí)時(shí)功能，以節(jié)省FPGA硬件資源、簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)、管控開發(fā)難度。

2 暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法

2.1 算法在繼電保護(hù)裝置算法流程中的位置及任務(wù)

暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法是圖1中“保護(hù)算法模塊”中執(zhí)行特征量提取任務(wù)的子模塊的下級(jí)子模塊，對(duì)暫態(tài)信號(hào)采樣值序列進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)時(shí)輸出包含時(shí)頻關(guān)聯(lián)信息的暫態(tài)信號(hào)信息流，實(shí)時(shí)為提取故障信號(hào)特征量的子模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：與時(shí)域坐標(biāo)精確關(guān)聯(lián)的精細(xì)化全頻段信號(hào)頻譜。

2.2 算法結(jié)構(gòu)

暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，就是幾十個(gè)(視市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況可以多至幾百個(gè))并行運(yùn)行、同時(shí)處理同一暫態(tài)信號(hào)采樣值序列的高階FIR帶通數(shù)字濾波器，每個(gè)濾波器負(fù)責(zé)將暫態(tài)信號(hào)處于某一頻段內(nèi)的頻率成分實(shí)時(shí)過濾出來，發(fā)往后續(xù)的子模塊。在最簡(jiǎn)單的情況下，各個(gè)濾波器的通帶范圍前后銜接，各通帶連在一起，覆蓋整個(gè)(0，s/2)頻帶。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

作為對(duì)暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法的驗(yàn)證，用MATLAB寫了一個(gè)算法模塊，用于離線處理采樣頻率s=500 kHz的采樣值序列。該算法模塊中包含了32個(gè)互相獨(dú)立的FIR帶通濾波器，各濾波器在fdatool界面下用等紋波法設(shè)計(jì)，通帶帶寬相同，為500kHz/2/32=7.8125kHz，前后銜接覆蓋了整個(gè)(0,s/2)頻帶，過渡帶寬度為4kHz，通帶紋波約為1dB，阻帶衰減約為45dB，系數(shù)精度取16位，所設(shè)計(jì)得到的濾波器階數(shù)為212階。

各濾波器的通帶邊界參數(shù)如表1所示。作為例子，其中第10個(gè)濾波器(中心頻率74.21875kHz)的fdatool設(shè)計(jì)頁面如圖2所示。

表1 各濾波器的通帶邊界參數(shù)

圖2 第10個(gè)濾波器的fdatool設(shè)計(jì)頁面

本設(shè)計(jì)實(shí)例運(yùn)行時(shí)，各FIR帶通濾波器同時(shí)接收同一暫態(tài)信號(hào)采樣值序列，輸出暫態(tài)信號(hào)中分別位于32個(gè)頻段內(nèi)的各路頻率成分，以供后續(xù)的特征量提取算法子模塊使用。

2.4 算法結(jié)構(gòu)的可定制特性

由于各帶通濾波器的運(yùn)行互不干涉，所以各通帶的帶寬、各通帶在(0,s/2)頻帶中的位置是可以自由設(shè)置的(包括互相包含、部分重合、前后分離等各種方案，2.3節(jié)中的例子屬于特例)，以適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境下的故障信號(hào)特征。

例如，在某種特定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，如果故障仿真、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障錄波數(shù)據(jù)的研究表明某個(gè)頻段的信號(hào)需要特別予以關(guān)注，則可以增加在此頻段內(nèi)劃分出的通帶數(shù)量(增加帶通濾波器的數(shù)量)，用更多的硬件資源實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵頻段的更精細(xì)觀察(即前述“以硬件資源換性能”)；反之，如果故障仿真、現(xiàn)場(chǎng)故障錄波數(shù)據(jù)研究表明不需要關(guān)注某個(gè)頻段的信號(hào)，則完全可以在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)使通帶避開這一頻段，以排除此頻段內(nèi)的信號(hào)對(duì)有用頻段內(nèi)信號(hào)的干擾，同時(shí)節(jié)省硬件資源。

也就是說，暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法中的待分析頻段的設(shè)置、劃分是完全可定制的。

具體的通帶設(shè)置方案，需要依據(jù)保護(hù)裝置所需處理的故障信號(hào)的特征來確定。

2.5 與小波包變換的效果對(duì)比

部分文獻(xiàn)中將小波變換的Mallat算法直接應(yīng)用于小波包變換，方法是：借助對(duì)上級(jí)Mallat分解得到的高頻分量進(jìn)行下采樣、繼續(xù)分解，對(duì)高頻分量進(jìn)行與低頻分量相同的級(jí)聯(lián)分解操作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻分量的繼續(xù)細(xì)分，直至達(dá)到所需要的頻域分段精度。

與暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法相比，小波包變換Mallat算法的差距主要在頻段設(shè)置、劃分方式上：后者的劃分方式固定，每個(gè)通帶的帶寬只能以s/2/2(=1,2,3,...)為單位，且在整個(gè)頻帶中的位置固定[12-13]，如果待分析頻段與鄰近的干擾頻段都位于一個(gè)最小頻段單位內(nèi)，將無法對(duì)干擾頻段加以濾除；與此同時(shí)，如2.4節(jié)所述，前者的劃分方式則是完全可定制的。在上述情況下，可以通過自由移動(dòng)待分析頻段在頻譜中的位置而“躲開”干擾頻段。

3 基于Simulink建模的仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法處理數(shù)據(jù)的效果，利用MATLAB- Simulink工具搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的分布參數(shù)電網(wǎng)模型，針對(duì)一種典型故障情況進(jìn)行了仿真，將仿真得到的2路暫態(tài)量故障信號(hào)采樣值序列作為待處理數(shù)據(jù)，在MATLAB環(huán)境下輸往2.3節(jié)所述算法設(shè)計(jì)實(shí)例的數(shù)據(jù)入口，對(duì)其數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行了仿真。

3.1 仿真模型的搭建

筆者用Simulink搭建了一個(gè)與參考文獻(xiàn)[14]中圖7—38所舉例子幾乎完全相同的分布參數(shù)電網(wǎng)模型，區(qū)別僅在于將故障改為A相單相瞬時(shí)接地故障、將故障點(diǎn)的位置移到了距離E2電源1km處，模型架構(gòu)如圖3所示，數(shù)據(jù)采樣頻率為500kHz。然后編寫MATLAB代碼，將2.3節(jié)所述32個(gè)帶通濾波器的系數(shù)向量(歸算為16位整數(shù)、與后續(xù)基于FPGA設(shè)計(jì)的范例模塊采用的系數(shù)位寬相同)代入filter函數(shù)、形成32個(gè)帶通濾波器，用于處理仿真生成的故障波形數(shù)據(jù)。

仿真得到的單相接地故障前后的三相電壓波形如圖4所示。

圖3 仿真用分布參數(shù)電網(wǎng)模型架構(gòu)圖

圖4 仿真得到的A相瞬時(shí)接地故障前后的三相電壓波形圖

3.2 對(duì)算法模塊功能的仿真

將故障前后的A相電壓采樣數(shù)據(jù)提取出來，送入2.3節(jié)算法模塊的數(shù)據(jù)輸入端，分別打印32個(gè)濾波器對(duì)應(yīng)于A相數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)波形(即A相電壓在故障時(shí)刻前后的波形數(shù)據(jù)被算法設(shè)計(jì)實(shí)例處理后得到的第1~32個(gè)頻帶的數(shù)據(jù)時(shí)序波形)如圖5、圖6所示。

3.3 對(duì)仿真結(jié)果的說明

圖5、圖6中突變點(diǎn)區(qū)域的波形之所以看上去不如多級(jí)Mallat分解提取到的小波系數(shù)波形那樣“集中”，原因在于這里輸出的是在時(shí)域上未經(jīng)“壓縮”的信號(hào)，這正是暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法在時(shí)域上的高分辨率特征的體現(xiàn)(這里提供的是Mallat算法無法提供的所有各頻段的時(shí)域細(xì)節(jié))。

圖5、圖6中突變點(diǎn)區(qū)域的波形之所以看上去不如DB5小波單級(jí)Mallat分解提取到的小波系數(shù)波形那樣“模極大值突出”，原因在于DB5小波Mallat算法高通濾波器的通帶幾乎覆蓋了整個(gè)(0，s/2)頻段，累加了遠(yuǎn)為寬廣的頻帶范圍內(nèi)的能量。這種“累加”，可以把更多頻率范圍內(nèi)的模極大值重疊在一起，使其更突出。

但是，從另一個(gè)角度看，這也是一種“混雜”，使后續(xù)模塊無法看到暫態(tài)信號(hào)在各頻段內(nèi)的分量在故障點(diǎn)處的模極大值之間的數(shù)量、位置關(guān)系等各種關(guān)系。也就是說，Mallat算法無法區(qū)分暫態(tài)信號(hào)在各細(xì)分頻段內(nèi)的時(shí)域特征。這一區(qū)別正是暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法在頻域上的高分辨率特征的體現(xiàn)。

3.4 算法與小波分析的關(guān)系

綜合上述算法分析以及2.4節(jié)的分析可知，從算法執(zhí)行的結(jié)果來看，暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法可以被看做小波分析算法在頻率維度上的精細(xì)化、可定制化發(fā)展，在時(shí)間維度上的精細(xì)化發(fā)展。

圖5 第1~16個(gè)頻帶的數(shù)據(jù)時(shí)序波形圖(MATLAB設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真輸出數(shù)據(jù)流)

圖6 第17~32個(gè)頻帶的數(shù)據(jù)時(shí)序波形圖(MATLAB設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真輸出數(shù)據(jù)流)

4 基于FPGA的范例模塊設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

上述算法設(shè)計(jì)實(shí)例用到了幾十個(gè)運(yùn)行在500kHz的高階帶通數(shù)字濾波器，必將對(duì)執(zhí)行保護(hù)核心算法的芯片的運(yùn)算能力提出極高的要求。

為驗(yàn)證算法設(shè)計(jì)實(shí)例的可實(shí)現(xiàn)性，筆者基于FPGA設(shè)計(jì)了一個(gè)濾波器性能參數(shù)與上述算法設(shè)計(jì)實(shí)例相同、各濾波器并行運(yùn)行、同時(shí)處理2通道數(shù)據(jù)的范例模塊，在ISim仿真環(huán)境下同時(shí)讀取上述2路暫態(tài)量故障信號(hào)采樣值序列，對(duì)其功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，對(duì)其輸出延遲、運(yùn)算速度、芯片資源占用情況進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 FPGA范例模塊的設(shè)計(jì)

在2.3節(jié)的例子述及的32個(gè)FIR帶通濾波器由Xilinx公司的集成開發(fā)軟件ISE 14.5，利用FPGA芯片提供的可配置的基礎(chǔ)DSP硬核、片內(nèi)RAM塊、邏輯資源、連線資源生成，需調(diào)用其提供的用于生成FIR濾波器的IP核[15]。

由于需要處理2路采樣值，所以調(diào)用IP時(shí)設(shè)置FIR輸入的運(yùn)算數(shù)據(jù)通道數(shù)為2；由于設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)采樣頻率為500kHz，所以調(diào)用IP時(shí)設(shè)置的輸入數(shù)據(jù)速率為500kHz。濾波系數(shù)位寬為16，輸入、輸出數(shù)據(jù)位寬分別為32、48。驅(qū)動(dòng)整個(gè)模塊運(yùn)行的時(shí)鐘主頻為200MHz。

4.2 對(duì)FPGA范例模塊功能的仿真驗(yàn)證

仿真工具采用ISE集成開發(fā)環(huán)境中提供的ISim仿真器。編寫簡(jiǎn)單的測(cè)試模塊，調(diào)取3.1節(jié)得到的故障前后A相電壓、電流采樣數(shù)據(jù)加載到本模塊的數(shù)據(jù)輸入端口，從外部向本模塊提供時(shí)鐘信號(hào)、運(yùn)算啟動(dòng)信號(hào)，以模擬實(shí)際裝置中外部環(huán)境對(duì)本模塊施加的基本驅(qū)動(dòng)信號(hào)。仿真過程中，調(diào)用仿真器支持的系統(tǒng)函數(shù)對(duì)所關(guān)注的信號(hào)進(jìn)行打印，將打印結(jié)果整理后貼到excel中，由excel繪制其波形。

在仿真模式下模塊的工作過程：收到運(yùn)算啟動(dòng)信號(hào)后，帶通濾波器1、子模塊1依次讀取2塊待處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)(仿真模式下用于存儲(chǔ)3.1節(jié)得到的故障前后A相電壓、電流采樣數(shù)據(jù)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)由位于圖1中的左下角的SV接收、預(yù)處理模塊以數(shù)據(jù)流的形式實(shí)時(shí)提供)中存儲(chǔ)的第1個(gè)數(shù)據(jù)，每次讀出的存儲(chǔ)區(qū)(=1、2)的數(shù)據(jù)同時(shí)送入32個(gè)處理通道(濾波器)的數(shù)據(jù)輸入口，然后是各存儲(chǔ)區(qū)的第2個(gè)數(shù)據(jù)、第3個(gè)數(shù)據(jù)......。各通道的濾波后數(shù)據(jù)流(實(shí)時(shí)的精細(xì)化頻譜數(shù)據(jù))在一定延遲(與濾波器階數(shù)有關(guān))后出現(xiàn)在濾波器的數(shù)據(jù)輸出端口，供后續(xù)模塊使用。

4.3 仿真結(jié)果

32個(gè)帶通濾波器的輸出信號(hào)波形如圖7、圖8所示。對(duì)比圖5、圖6可知，這一基于FPGA的范例模塊完全實(shí)現(xiàn)了2.3節(jié)所述基于MATLAB的設(shè)計(jì)實(shí)例的算法功能。

4.4 模塊的輸出延遲、運(yùn)算速度、芯片資源占用情況

如圖9所示，從啟動(dòng)仿真、輸入第一個(gè)電壓采樣值開始，第2路采樣值濾波的第1個(gè)有效數(shù)據(jù)輸出時(shí)刻是第432ms。考慮到FIR帶通濾波器突出的是位于數(shù)據(jù)窗中部的輸入數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為，從輸入數(shù)據(jù)發(fā)生突變到反映到輸出的頻段分量(即帶通濾波器的輸出)的延遲不大于220ms。

在ISE開發(fā)環(huán)境下對(duì)本模塊進(jìn)行綜合、布局、布線，在采用Xilinx的中等性能產(chǎn)品系列中速度最慢、運(yùn)算資源最少的芯片xc7k70t-1fbg676的情況下，最終得到的結(jié)果是可以運(yùn)行在200MHz以上，滿足4.1節(jié)中調(diào)用IP時(shí)的要求。片內(nèi)主要硬件資源的占用比例：Slice Registers，15%；Slice LUTs，17%；occupied Slices，30%；RAM塊，48%；DSP硬核，40%。

圖7 第1~16個(gè)頻帶的數(shù)據(jù)時(shí)序波形圖(FPGA范例模塊的仿真輸出數(shù)據(jù)流)

圖8 第17~32個(gè)頻帶的數(shù)據(jù)時(shí)序波形圖(FPGA范例模塊的仿真輸出數(shù)據(jù)流)

圖9 FPGA范例模塊仿真波形截圖

必須指出的是，本文所做工作的目的在于驗(yàn)證可行性、性能優(yōu)勢(shì)，而非尋找最優(yōu)解。具體應(yīng)用時(shí)需要針對(duì)實(shí)際需求設(shè)計(jì)FPGA實(shí)現(xiàn)方案。

5 算法在繼電保護(hù)算法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

在電力系統(tǒng)故障分析階段、原始保護(hù)算法設(shè)計(jì)階段，可以基于暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法對(duì)故障仿真數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行全頻帶、無遺漏、盡可能精細(xì)化的分析，以期為分析各種故障所表現(xiàn)出的暫態(tài)量特征、從中發(fā)現(xiàn)保護(hù)算法的新特征量、設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)運(yùn)行的新特征量提取算法提供關(guān)鍵性的基礎(chǔ)信息。針對(duì)這一過程，筆者當(dāng)前能想到的研究方向有：

針對(duì)某一路暫態(tài)信號(hào)的采樣值序列，尋找其由各濾波器濾出的位于幾十、幾百個(gè)頻段上的實(shí)時(shí)分量信號(hào)的量值隨時(shí)間或(/和)頻率變化的規(guī)律，尋找量值對(duì)時(shí)間或(/和)頻率的次導(dǎo)數(shù)的變化規(guī)律，尋找上述各階導(dǎo)數(shù)曲線之間的交叉關(guān)系，尋找各路暫態(tài)信號(hào)的上述變化規(guī)律之間的交叉關(guān)系。

6 算法涉及的其他后續(xù)工作

本文所做的工作，僅僅完成了暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析的第一步：實(shí)時(shí)濾出各頻段的分量信號(hào)，為后續(xù)算法模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為新特征量的發(fā)現(xiàn)、新特征量提取算法的研究拓展思路。后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作將更為復(fù)雜、繁重。

在發(fā)現(xiàn)保護(hù)算法的新特征量、設(shè)計(jì)新特征量提取算法階段，需要從大量故障仿真數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)故障錄波數(shù)據(jù)中濾出的更大量的頻域細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)流，對(duì)其離線進(jìn)行多維度關(guān)聯(lián)分析，這將有可能必須依賴大型機(jī)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等執(zhí)行大數(shù)據(jù)量、大運(yùn)算量計(jì)算的最新科學(xué)計(jì)算工具，從而有可能必須在繼電保護(hù)行業(yè)采用最先進(jìn)的離線數(shù)據(jù)分析手段。

在將所設(shè)計(jì)的新特征量提取算法映射為保護(hù)裝置可實(shí)時(shí)執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)算法之后，在實(shí)現(xiàn)算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行階段，將涉及大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并行處理工作，很可能需要運(yùn)用FPGA的并行運(yùn)算能力予以實(shí)現(xiàn)。

FPGA在大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并行處理方面比其它技術(shù)手段更具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，而運(yùn)算量需求的急劇增多，又將導(dǎo)致幾千、上萬元一片甚至更加昂貴的高端FPGA芯片大量應(yīng)用于繼電保護(hù)裝備制造業(yè)。這一成本有望因?yàn)槔^電保護(hù)裝置“四性”的提高、整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的提高而被客戶所接受，進(jìn)而把整個(gè)行業(yè)的蛋糕做大。

同時(shí)，與實(shí)時(shí)海量運(yùn)算伴隨而至的片內(nèi)/多FPGA芯片系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)問題、原始算法向?qū)崿F(xiàn)算法映射的策略問題、實(shí)現(xiàn)算法的優(yōu)化策略問題、單FPGA芯片多通道/多FPGA芯片多通道工作模式下的可靠性控制問題、冗余運(yùn)算問題、熱備用芯片/熱備用通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)/狀態(tài)判決/無縫切換問題、片間/板間的高速可靠數(shù)據(jù)傳輸問題、運(yùn)算/傳輸?shù)娜蒎e(cuò)/前向糾錯(cuò)問題、功耗控制問題、芯片供電問題、EMC問題等等，都將成為無法回避的工作。

7 結(jié)語

暫態(tài)信號(hào)可定制精細(xì)化實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析算法是可以基于FPGA予以實(shí)現(xiàn)的。這一算法對(duì)頻帶進(jìn)行了精細(xì)化的、可靈活設(shè)置的、有重點(diǎn)的劃分，實(shí)現(xiàn)了在所分析的全部頻段內(nèi)的高時(shí)域分辨率，同時(shí)保持了輸出數(shù)據(jù)的時(shí)頻關(guān)聯(lián)特性，為暫態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)時(shí)頻關(guān)聯(lián)分析提供了更精確、更靈活、可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理工具，為暫態(tài)量保護(hù)裝置中新特征量的發(fā)現(xiàn)、新特征量提取算法的研究提供了新的基礎(chǔ)、新的思路。

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The FPGA-Based Customizable Precision Real-Time Time-Frequency Correlation Analyse Algorithm for Transient-Signal Analysis

LIN Wei

(Self-employed, Jinan 250100, Shandong Province, China)

Aiming to the precision and real-time analysis requirement of transient component in power system fault signal, a new time-frequency correlation analysis algorithm was presented, whose frequency domain segmentation is different from Mallat. This algorithm can run in real time, which makes precision, flexible and focused domain segmentation. At the same time, time-frequency correlation in the full frequency-range is maintained. An FPGA-based example module to implement this algorithm was designed. A MATLAB-based distributed parameter grid simple model was established. Simulation on this module provided 500 kHz-sampled-value sequence of fault signal. The capability and practicability was preliminarily proved by providing the sampled-value sequence to the example module. The application strategy for designing relay protection algorithm was suggested, and prospects of the work associated with this algorithm was provided.

relaying protection; transient based protection; wavelet transformation; time-frequency correlation analysis; field-programmable gate array (FPGA)

10.12096/j.2096-4528.pgt.18259

2018-05-15。

林偉(1973)，男，工程師，研究方向?yàn)橐訤PGA 為核心實(shí)現(xiàn)暫態(tài)量繼電保護(hù)裝置、廣域暫態(tài)量主保護(hù)系統(tǒng)，linwei_jinan@126.com。

林偉

(責(zé)任編輯 車德競(jìng))