微機(jī)繼電保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究課件

1、微機(jī)繼電保護(hù)數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究答辯人：胡劍琛指導(dǎo)教師：劉建飛2005年3月問題的提出 首先，采樣率的提高和濾波算法受到硬件水平的限制難以實現(xiàn)。其次，數(shù)據(jù)預(yù)處理受到CPU處理速度和采樣通道切換速度的影響，必須尋求新的設(shè)計方案來改進(jìn)目前的數(shù)據(jù)處理方法。最后，新的保護(hù)原理和功能受硬件條件的制約；而且，現(xiàn)有的微機(jī)保護(hù)對算法的配置還缺乏靈活性。這些都對數(shù)據(jù)預(yù)處理提出了更高的要求。國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀 一、數(shù)據(jù)預(yù)處理硬件平臺的研究單片機(jī)、DSP 、CPU+DSP 、RISC器件 、嵌入式處理器 在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)方面, Manzoul M A把FPGA作為過流保護(hù)的一個或幾個功能模塊挪威的Jacobsen El

2、ectro公司首次將FPGA用于微機(jī)線路保護(hù)并在實際中應(yīng)用在國內(nèi)這方面的研究剛剛起步，西安交通大學(xué)的張桂青等人對FPGA用于微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集和處理展開了研究二、算法研究沃爾什算法、余弦濾波、傅氏濾波、IIR濾波，最小二乘算法和卡爾曼濾波理論上相對成熟 本課題所做的主要工作 1、濾波算法的比較研究2、數(shù)據(jù)預(yù)處理硬件平臺的設(shè)計3、全周傅氏濾波和卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn)1、各種濾波算法的比較研究 保護(hù)濾波算法的特性研究IIR濾波頻率特性和時延沃爾什算法、余弦濾波半周、全周傅氏濾波1、各種濾波算法的比較研究 保護(hù)濾波算法的特性研究1、各種濾波算法的比較研究 傅氏濾波和卡爾曼濾波仿真比較 1、各種濾波

3、算法的比較研究 傅氏濾波和卡爾曼濾波仿真比較全周傅氏濾波卡爾曼濾波M端三相電流96點濾波的電流實部和虛部變化曲線1、各種濾波算法的比較研究 采樣率對濾波算法的影響在不同采樣時刻卡爾曼濾波基波分量幅值和相角相對誤差1、各種濾波算法的比較研究 關(guān)于數(shù)據(jù)預(yù)處理對硬件要求的討論 1、幅頻特性越尖銳，濾波效果越好，但計算量也隨之加大，對硬件的要求就越高；算法越復(fù)雜，對硬件的要求也就越高。 2、采樣點對硬件要求實際上是芯片處理數(shù)據(jù)的能力問題。 3、對于采樣通道數(shù)目比較多的保護(hù)，在保證采樣精度情況下，要求硬件能完成實時高速處理數(shù)據(jù)的任務(wù)。2、數(shù)據(jù)預(yù)處理硬件平臺的設(shè)計 FPGA概述 FPGA（Field Pr

4、ogrammable Gate Array）是現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點。目前世界上有十幾家生產(chǎn)FPGA的公司，如Altera、Xilinx、Lattice、Actel等。 2、數(shù)據(jù)預(yù)處理硬件平臺的設(shè)計 FPGA與DSP的比較 DSP排隊式串行指令執(zhí)行方式，F(xiàn)PGA硬件允許設(shè)計人員將全部的硅片資源分配給算法，實現(xiàn)并行計算；DSP 往往造成程序PC的“跑飛” ；DSP復(fù)位必須經(jīng)歷一段時間，這個時間里，是沒有保護(hù)的。如果時間很長，這將造成嚴(yán)重的不可靠。 FPGA具有比

5、DSP低得多的功耗。2、數(shù)據(jù)預(yù)處理硬件平臺的設(shè)計 FPGA實現(xiàn)微機(jī)保護(hù)的硬件電路設(shè)計 3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 傅氏濾波的總體設(shè)計根據(jù)控制時序，對AD接口模塊的狀態(tài)機(jī)設(shè)計分成以下幾個狀態(tài)：S0：空閑狀態(tài)。rd，convst，cs全部為1。S1：發(fā)轉(zhuǎn)換命令。Convst為0，rd，cs為1。S2：讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。rd，cs為0，wconvst為1。S3：等待狀態(tài)。rd，convst，cs全部為1。S4：復(fù)位狀態(tài)。rd，convst，cs全部為1。各個狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換如圖所示，pulse,busy在低電平時有效。3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 與AD接口模塊3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 傅氏濾波模

6、塊的設(shè)計傅氏濾波運(yùn)算其實質(zhì)是卷積運(yùn)算。卷積的實現(xiàn)首要需要是乘法器和加法器，因此構(gòu)建性能優(yōu)良的乘法器和加法器是設(shè)計的關(guān)鍵。 超前進(jìn)位加法 基于逐項移位相加原理的乘法器 3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 如何處理毛刺采用格雷碼計數(shù)器取代普通的二進(jìn)制計數(shù)器。在系統(tǒng)中盡可能采用同步電路。利用D觸發(fā)器的D輸入端對毛刺信號不敏感的特點，在輸出信號的保持時間內(nèi)，用觸發(fā)器讀取組合邏輯的輸出信號。使用“采樣”的方法。用一定寬度的高電平脈沖與輸出信號做邏輯與運(yùn)算，由此獲取輸出信號的電平值3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 與單片機(jī)接口模塊 采用中斷方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，即當(dāng)單片機(jī)INT口出現(xiàn)有效電平時開始中斷處理。中斷處

7、理程序進(jìn)行以下處理：發(fā)讀數(shù)據(jù)信號，發(fā)讀地址信號，數(shù)據(jù)寄存器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，寄存器移位存儲。 3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 仿真結(jié)果X2(i)=0.8*exp(ts/3*i)+3*sin(i*ts*PI+PI/4)+0.25*sin(2*ts*PI*i)+0.5*sin(3*ts*PI*i)+0.25*sin(4*ts*PI*i)+0.5*sin(5*ts*PI*i) 3、全周傅氏濾波的FPGA實現(xiàn) 仿真結(jié)論不含非周期分量的信號含非周期分量的信號基波分量實部基波分量虛部基波分量實部基波分量虛部真實值2.12132.12132.12132.1213FPGA濾波結(jié)果2.11912.11902.129

8、72.19551、完成一次96點的傅氏濾波，在100MHz的系統(tǒng)工作頻率下只需要1035 ns，即便系統(tǒng)工作頻率降到20MHz，計算時間也在5s左右。而通常MCU或者DSP所采用的24點采樣，需要7s左右的計算時間?？梢姡谔岣吡瞬蓸勇实幕A(chǔ)上，F(xiàn)PGA的處理速度也明顯要高于MCU或DSP的處理速度。2、在精度方面，F(xiàn)PGA能滿足繼電保護(hù)的精度要求，誤差在3.5%左右。4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 微機(jī)保護(hù)故障信號處理中的卡爾曼濾波模型 兩狀態(tài)電壓卡爾曼濾波模型： 三狀態(tài)電流卡爾曼濾波模型： 4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 卡爾曼濾波的總體設(shè)計 4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 可復(fù)用IP 設(shè)計 I

9、P(Intellectual Property)核是指完成某種功能的基本電路模塊。基于IP復(fù)用技術(shù)的設(shè)計重用方法將會提高FPGA的開發(fā)效率。提出可復(fù)用IP設(shè)計三種方式： 1、模塊經(jīng)過測試和調(diào)整后，直接作為IP在卡爾曼濾波系統(tǒng)中重復(fù)使用。 2、模塊通過簡單修改后，作為新的IP使用。 3、對于卡爾曼濾波模塊和控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)功能不同，所以必須重新設(shè)計，但模塊內(nèi)部組成也可以IP復(fù)用，比如乘法器，加法器等等。4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 卡爾曼濾波模塊的VHDL設(shè)計 4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 兩狀態(tài)Kalman模型的仿真結(jié)果 X1(i)=3*sin(i*ts*PI+PI/4)+0.25*si

10、n(2*ts*PI*i)+0.5*sin(3*ts*PI*i)+0.25*sin(4*ts*PI*i)+0.5*sin(5*ts*PI*i) 4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 三狀態(tài)Kalman模型的仿真結(jié)果X2(i)=0.8*exp(-ts/3*i)+3*sin(i*ts*PI+PI/4)+0.25*sin(2*ts*PI*i)+0.5*sin(3*ts*PI*i)+0.25*sin(4*ts*PI*i)+0.5*sin(5*ts*PI*i) 4、卡爾曼濾波的FPGA實現(xiàn) 仿真結(jié)論不含非周期分量的信號含非周期分量的信號基波分量實部基波分量虛部基波分量實部基波分量虛部真實值2.12132.1213

11、2.12132.1213Fourier濾波結(jié)果2.11912.11902.12972.1955誤差0.1%0.1%0.4%3.5%Kalman濾波結(jié)果2.12112.12342.12512.1250誤差0.01%0.1%0.18%0.17%Fourier濾波的數(shù)據(jù)窗為一個周期（20ms），只有在20ms后才能得到正確的濾波結(jié)果，而Kalman濾波由于是遞歸計算，估計越來越接近真實值，所以不用20ms就可以得到接近正確的濾波結(jié)果。因此，可以說Kalman濾波的速度要優(yōu)于Fourier濾波。在同樣的采樣精度下，無論是對不含非周期分量的信號的處理，還是對含非周期分量的信號的處理，Kalman濾波的效果要略好于Fourier濾波。結(jié)論1、對微機(jī)保護(hù)各種濾波算法特性的研究表明，在FIR型的濾波算法中，綜合各方面的特性比較，傅氏算法比其他算法具有優(yōu)勢。IIR型的濾波算法中，卡爾曼濾波比一般的IIR濾波器要性能更優(yōu)。2、研究采樣率對濾波算法的影響表