一种继电保护算法验证系统及其方法
【专利摘要】本发明提供一种继电保护算法验证系统及其方法，所述系统包括依次连接的故障仿真模型模块、实时控制模块、通信模块、缓冲区模块、FFT模块和继电保护算法模块。所述方法包括(1)选定故障仿真模型，产生电力系统故障信号；(2)将电力系统故障信号进行傅里叶变换；(3)计算基波相关信息，根据计算结果判断有效性。本发明采用Matlab和FPGA联合编程，充分利用Matlab/Simulink故障仿真功能，较全面地模拟各种电力系统故障，降低了电力系统故障信号产生的难度。Matlab和FPGA采用TCP/IP端口进行数据传递，通过设定传递速率，可以兼容数据采集系统与FPGA交互的接口。
【专利说明】
一种继电保护算法验证系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种验证系统及其方法，具体讲涉及一种继电保护算法验证系统及其方法。
【背景技术】
[0002]随着智能电网的发展，电网架构日趋复杂，对继电保护设备的产品质量和技术指标的要求越来越高，而现有的继电保护设备多基于单CPU微机结构，配置的继电保护算法均基于C语言编程实现，性能提升空间有限。目前，主流厂商和各科研单位已展开继电保护的研究，主要有基于PowerPC+DSP、基于ARM+DSP、基于ARM+FPGA等系统架构。其中，鉴于ARM的高性价比和FPGA的灵活编程，基于ARM+FPGA系统的架构最为普遍。ARM实现嵌入式实时操作系统和UI人机交互功能，FPGA实现滤波、电能质量分析、继电保护等功能。
[0003]各相电压电流故障信号是验证继电保护算法的必要手段，但是，如何模拟实际电压电流故障信号并实时地传递给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为首先建立一个单一的故障模型，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】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提供一种继电保护算法验证系统及其方法。该系统及其方法基于Matlab和FPGA联合编程，构造电力系统的仿真模型，产生电力系统故障信号，并通过以太网口将电力系统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，然后将计算结果反馈到Matlab，进而对继电保护算法有效性进行验证。这种继电保护算法验证系统及其方法有助于开展继电保护算法研究，提高了继电保护算法的可靠性、灵活性、实用性、可扩展性和可移植性，大大缩短了产品的开发周期。
[0005]本发明中运用Matlab软件构造电力系统的仿真模型，对电力系统故障进行仿真计算，实时输出仿真模型的故障信号，并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，进而把继电保护算法模块的输出信号通过以太网口反馈给Matlab端，以验证继电保护算法的有效性。
[0006]本发明中的继电保护算法验证系统由故障仿真模型模块、实时控制模块、通信模块、缓冲区模块、FFT模块和继电保护算法模块共六部分组成，各模块组成和功能如下:
[0007](I)故障仿真模型模块:
[0008]故障仿真模型模块，用于构建各种电力系统模型，模拟电力系统的故障信号，并实时输出故障信号。
[0009](2)实时控制模块:
[0010]实时控制模块，用于实时控制故障仿真模型模块，通过在实时控制模块的人机交互界面输入电压电流电阻参数可以实现设置故障仿真模型模块的电压电流电阻参数值，故障仿真模型模块也可以实时的传递电压电流值给实时控制模块，实时显示模块可实时显示电压电流波形。
[0011](3)通信模块:
[0012]通信模块，由仿真端的TCP/IP模块和FPGA端的TCP/IP模块两部分组成。通信模块用于实时控制模块和FPGA的数据交换，通过以太网口，依据TCP/IP协议收发数据。
[0013]仿真端的TCP/IP模块实现将电压电流故障信号实时地发送给FPGA。FPGA端的TCP/IP模块接收仿真端TCP/IP模块发送的电压电流信号。
[0014](4)缓冲区模块:
[0015]缓冲区模块，用于实现数据的存储。
[0016](5) FFT 模块:
[0017]FFT模块，用于实现对电压电流值进行FFT变换，通过对输入的电压电流值进行FFT变换，输出电压电流的基波和谐波幅值。
[0018](6)继电保护算法模块:
[0019]继电保护算法模块，是本系统的核心模块，用于硬件实现各种继电保护算法，针对当前投入的特定继电保护算法，通过对电压电流值和保护算法的阈值进行比较，决定是否输出跳闸信号。当满足跳闸条件时，输出跳闸信号，并且通过以太网口，依据TCP/IP协议将跳闸信号反馈到实时控制模块，并在实时控制模块的人机交互界面显示跳闸信号波形。
[0020]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0021]—种继电保护算法验证系统，其改进之处在于，所述系统包括依次连接的故障仿真模型模块、实时控制模块、通信模块、缓冲区模块、FFT模块和继电保护算法模块；
[0022]所述通信模块包括仿真端的TCP/IP模块和FPGA端的TCP/IP模块；
[0023]所述实时控制模块分别与故障仿真模型模块和通信模块双向相连；
[0024]所述通信模块、缓冲区模块、FFT模块、继电保护算法模块之间单向依次相连；
[0025]所述继电保护算法模块与通信模块单向相连。
[0026]优选的，所述实时控制模块，运用Matlab/⑶I构建实时控制人机交互模块，通过实时控制模块的人机交互界面控制仿真故障模型模块的启动和结束。
[0027]优选的，所述故障仿真模型模块，运用Matlab/Simulink模块构建各类电力系统模型，模拟电力系统的各种故障信号，并实时输出电压电流故障信号。
[0028]优选的，所述实时控制模块从故障仿真模型模块实时得获得电压电流值，并实时显示电压电流波形。
[0029]优选的，所述实时控制模块通过仿真端的TCP/IP模块将当前电压电流实时地传递给FPGA平台；FPGA平台通过FPGA端的TCP/IP模块实时接收故障仿真模型的电压电流信号。
[0030]所述通信模块用于实时控制模块和FPGA的数据交换，通过以太网口，依据TCP/IP协议收发数据。
[0031]优选的，所述缓冲区模块用于在FPGA的TCP/IP模块接收数据成功后，实时将数据存储在缓冲区模块。
[0032]优选的，所述FFT模块根据定时器设置，在每个固定时间间隔内，FFT模块从缓冲区模块获取电压电流信号，对电压电流值进行FFT变换后，输出电压电流的基波和谐波幅值。
[0033]优选的，所述继电保护算法模块根据FFT变换后的电压电流数据，继电保护算法模块通过对电压电流值和保护算法阈值的运算比较，决定是否输出跳闸信号；当满足跳闸条件时，继电保护模块输出跳闸信号。
[0034]本发明基于另一目的提供的一种继电保护算法验证方法，其改进之处在于，所述方法包括
[0035](I)选定故障仿真模型，产生电力系统故障信号；
[0036](2)将电力系统故障信号进行傅里叶变换；
[0037](3)计算基波相关信息，根据计算结果判断有效性。
[0038]优选的，所述步骤(I)包括通过实时控制模块启动故障仿真模型模块，选定故障仿真模型，产生电力系统故障信号，将电力系统故障信号反馈给实时控制模块。
[0039]优选的，所述步骤(2)包括实时控制模块将电力系统故障信号传递给通信模块，通信模块接收和发送电力系统故障信号，通信模块将电力系统故障信号传递给FPGA上的FFT模块，FFT模块将接收到的电力系统故障信号进行傅里叶变换，将基波相关信息传递给继电保护算法模块。
[0040]优选的，所述步骤(3)包括继电保护算法模块根据输入信息进行计算并将计算结果传递给通信模块，通信模块将继电保护算法模块计算结果反馈给实时控制模块，实时控制模块根据继电保护算法模块计算结果判断继电保护算法模块的有效性。
[0041]与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果:
[0042]采用Matlab和FPGA联合编程，充分利用Matlab/Simulink故障仿真功能，较全面地模拟各种电力系统故障，降低了电力系统故障信号产生的难度。
[0043]Matlab可以实时监控功能故障信号，并实时传递给FPGA进行继电保护运算，提高继电保护模块的调试实时性和透明度。
[0044]Matlab和FPGA采用TCP/IP端口进行数据传递，通过设定传递速率，可以兼容数据采集系统与FPGA交互的接口。
【附图说明】
[0045]图1为本发明提供的一种继电保护算法验证系统结构图。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0047]如图1所述，本发明在深入分析各种电力系统故障信号机理的基础上，综合Matlab软件和FPGA平台的优势，提出了一种继电保护算法验证系统及其方法。该系统和方法可应用于智能电网继电保护测控设备的研发，缩短产品研制周期。
[0048]本发明一种继电保护算法验证方法具体如下:
[0049]基于Matlab和FPGA平台联合编程，首先打开实时控制模块，通过实时控制模块启动故障仿真模型模块，选定某一个故障仿真模型，产生特定电力系统故障信号，并将电力系统故障信号反馈给实时控制模块；
[0050]实时控制模块将电力系统故障信号传递给通信模块，通信模块接收和发送电力系统故障信号，通信模块将电力系统故障信号传递给FPGA上的FFT模块，FFT模块将接收到的电力系统故障信号进行傅里叶变换，然后将基波相关信息传递给继电保护算法模块；
[0051]继电保护算法模块根据输入信息进行计算并将计算结果传递给通信模块，通信模块将继电保护算法模块计算结果反馈给实时控制模块，实时控制模块根据继电保护算法模块计算结果判断继电保护算法模块的有效性。
[0052]本发明一种继电保护算法验证系统，包括故障仿真模型模块、实时控制模块、通信模块、缓冲区模块、FFT模块和继电保护算法模块；
[0053]所述故障仿真模型模块、实时控制模块、通信模块、缓冲区模块、FFT模块和继电保护算法模块依次连接；
[0054]其中，以实时控制模块为始，以实时控制模块与故障仿真模型模块、实时控制模块与通信模块间双向依次相连。通信模块、缓冲区模块、FFT模块、继电保护算法模块之间单向依次相连。继电保护算法模块与通信模块单向相连。
[0055]其中，实时控制模块运用Matlab/⑶I构建实时控制人机交互模块，通过在实时控制模块的人机交互界面控制仿真故障模型模块的启动和结束。并且，在人机交互界面输入电压电流电阻参数值可以实现设置故障仿真模型模块的电压电流电阻参数值。
[0056]其中，故障仿真模型模块运用Matlab/Simulink模块构建各类电力系统模型，模拟电力系统的各种故障信号，并能实时输出电压电流故障信号。
[0057]其中，实时控制模块监控故障仿真模型，并实时获取故障电压电流信号。
[0058]其中，实时控制模块从故障仿真模型模块实时得获得电压电流值，实时显示电压电流波形。
[0059]其中，通信模块完成实时控制模块和FPGA的数据交换。实时控制模块通过仿真端的TCP/IP模块将当前电压电流实时地传递给FPGA平台。FPGA平台通过FPGA端的TCP/IP模块实时接收故障仿真模型的电压电流信号。
[0060]其中，通信模块用于实时控制模块和FPGA的数据交换，通过以太网口，依据TCP/IP协议收发数据。
[0061 ] 其中，缓冲区模块在FPGA的TCP/IP模块接收数据成功后，实时地将数据存储在缓冲区t吴块。
[0062]其中，FFT模块根据定时器设置，在每个固定时间间隔内，FFT模块从缓冲区模块获取电压电流信号，对电压电流值进行FFT变换，输出电压电流的基波和谐波幅值。
[0063]其中，继电保护算法模块根据FFT变换后的电压电流数据，继电保护算法模块根据当前投入的特定继电保护算法，通过对电压电流值和保护算法阈值的运算比较，决定是否输出跳闸信号。当满足跳闸条件时，继电保护模块输出跳闸信号。
[0064]其中，本发明通过以太网口，依据TCP/IP协议，继电保护算法模块的输出信号被实时传递给实时控制模块，并在实时控制模块的人机交互界面显示跳闸信号波形。
[0065]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术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，这些未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之内。
【主权项】
1.一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的故障仿真模型模块、实时控制模块、通信模块、缓冲区模块、FFT模块和继电保护算法模块； 所述通信模块包括仿真端的TCP/IP模块和FPGA端的TCP/IP模块； 所述实时控制模块分别与故障仿真模型模块和通信模块双向相连； 所述通信模块、缓冲区模块、FFT模块、继电保护算法模块之间单向依次相连； 所述继电保护算法模块与通信模块单向相连。2.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述实时控制模块，运用Matlab/GUI构建实时控制人机交互模块，通过实时控制模块的人机交互界面控制仿真故障模型模块的启动和结束。3.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述故障仿真模型模块，运用Matlab/Simulink模块构建各类电力系统模型，模拟电力系统的各种故障信号，并实时输出电压电流故障信号。4.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述实时控制模块从故障仿真模型模块实时得获得电压电流值，并实时显示电压电流波形。5.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述实时控制模块通过仿真端的TCP/IP模块将当前电压电流实时地传递给FPGA平台；FPGA平台通过FPGA端的TCP/IP模块实时接收故障仿真模型的电压电流信号。 所述通信模块用于实时控制模块和FPGA的数据交换，通过以太网口，依据TCP/IP协议收发数据。6.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述缓冲区模块用于在FPGA的TCP/IP模块接收数据成功后，实时将数据存储在缓冲区模块。7.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述FFT模块根据定时器设置，在每个固定时间间隔内，FFT模块从缓冲区模块获取电压电流信号，对电压电流值进行FFT变换后，输出电压电流的基波和谐波幅值。8.如权利要求1所述的一种继电保护算法验证系统，其特征在于，所述继电保护算法模块根据FFT变换后的电压电流数据，继电保护算法模块通过对电压电流值和保护算法阈值的运算比较，决定是否输出跳闸信号；当满足跳闸条件时，继电保护模块输出跳闸信号。9.一种继电保护算法验证方法，其特征在于，所述方法包括 (1)选定故障仿真模型，产生电力系统故障信号； (2)将电力系统故障信号进行傅里叶变换； (3)计算基波相关信息，根据计算结果判断有效性。10.如权利要求9所述的一种继电保护算法验证方法，其特征在于，所述步骤(I)包括通过实时控制模块启动故障仿真模型模块，选定故障仿真模型，产生电力系统故障信号，将电力系统故障信号反馈给实时控制模块。11.如权利要求9所述的一种继电保护算法验证方法，其特征在于，所述步骤(2)包括实时控制模块将电力系统故障信号传递给通信模块，通信模块接收和发送电力系统故障信号，通信模块将电力系统故障信号传递给FPGA上的FFT模块，FFT模块将接收到的电力系统故障信号进行傅里叶变换，将基波相关信息传递给继电保护算法模块。12.如权利要求9所述的一种继电保护算法验证方法，其特征在于，所述步骤(3)包括继电保护算法模块根据输入信息进行计算并将计算结果传递给通信模块，通信模块将继电保护算法模块计算结果反馈给实时控制模块，实时控制模块根据继电保护算法模块计算结果判断继电保护算法模块的有效性。
【文档编号】G01R31/00GK105866563SQ201510031435
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月22日
【发明人】屈志娟, 袁玉湘, 胡鹏飞, 于坤山, 姜学平
【申请人】国家电网公司, 国网智能电网研究院, 国网浙江省电力公司