原创论文 以FPGA为核心实现继电保护装置：暂态信号可定制实时时频精细分析算法及实现3

4 暂态信号可定制实时时频精细分析算法在继电保护算法设计中的应用策略

暂态信号可定制实时时频精细分析算法为后续保护算法模块提供了前所未有的实时时频关联精细信息。在电力系统故障分析阶段、原始保护算法设计阶段，对故障仿真数据、现场故障录波数据进行全频带、无遗漏、尽可能精细化的分析，将为分析各种故障所表现出的暂态特征、发现保护算法的新特征量、设计新特征量提取算法提供关键性的信息。笔者当前能想到的研究方向有：

寻找各带通滤波器滤出的m路暂态信号在几十、几百个频段上的实时分量信号的量值、量值的n次导数之间的交叉时序关系。

提取各带通滤波器滤出的m路暂态信号在几十、几百个频段上的实时分量信号数据序列以时间为横轴形成的包络线，寻找这几十、几百*m条包络线信号的量值、量值的n次导数之间的交叉时序关系。

由于暂态信号可定制实时时频精细分析算法可以被看做小波分析算法在时间、频率两个维度上的精细化、可定制化发展，所以暂态信号小波分析结果的各种后处理方法，如模极大值定位、窗奇异性指数分析、多分辨信息熵检测算法、基于能量分布的检测与分类算法[4]等等，应该也都可以用于暂态信号可定制实时时频精细分析算法的数据后处理。

5 对后续工作的展望

本文所做的工作，仅仅完成了暂态信号可定制实时时频精细分析的第一步：实时滤出各频段的分量信号，为后续算法模块提供基础数据，为新特征量的发现、新特征量提取算法的研究拓展思路。如第4章所述，后续的数据处理工作将更为复杂、繁重。

在发现保护算法的新特征量、设计新特征量提取算法阶段，需要从大量故障仿真数据、现场故障录波数据中滤出的更大量的频域细分数据流，对其离线进行多维度关联分析，这将有可能必须依赖大型机、云计算、大数据处理等执行大数据量、大运算量计算的最新科学计算工具，从而有可能必须在继电保护行业采用最先进的离线数据分析手段。

在将所设计的新特征量提取算法映射为保护装置可实时执行的实现算法之后，在实现算法的实时执行阶段（也包括在本文所述的频域细分数据提取阶段），将涉及大量的实时数据并行处理工作，将必须运用FPGA的并行运算能力予以实现。

FPGA的“片内大型计算机”属性[2]，使其在大量的实时数据并行处理方面比其它技术手段更具性价比优势，而运算量需求的急剧增多，又将导致几千、上万元一片甚至更加昂贵的高端FPGA芯片大量应用于继电保护装备制造业。这一成本将由于继电保护装置“四性”的提高、整个电力系统运行质量的提高而被客户所接受，进而把整个行业的蛋糕做大。

同时，与实时海量运算伴随而至的片内/多FPGA芯片系统架构设计问题、原始算法向实现算法映射的策略问题、实现算法的优化策略问题、单FPGA芯片多通道/多FPGA芯片多通道工作模式下的可靠性控制问题、冗余运算问题、热备用芯片/热备用通道的实时监测/状态判决/无缝切换问题、片间/板间的高速可靠数据传输问题、运算/传输的容错/前向纠错问题、功耗控制问题、芯片供电问题、EMC问题等等，都将成为无法回避的工作。

6 结语

个人猜测，这一思路是如此简单，应该已经有研究者想到过，之所以未曾公开发表，是因为它对运算能力提出了对于CPU、DSP来说过高的要求 – 这一困难使前人认为它完全是不切实际的纸上谈兵，从而没有继续进行研究。

当前，FPGA技术的发展为继电保护算法的实现提供了前所未有的运算能力，本文所做的工作证明了暂态信号可定制实时时频精细分析算法具有优异的性能，并且是完全可行的。

在此引用敝文《以FPGA为核心实现继电保护装置的片内系统架构及保护算法实现策略》结语部分的内容[2]：

“以FPGA为核心实现继电保护装置，将CPU、DSP架构下的‘运算能力天花板’抬升到了前所未有的高度，为各种新算法的开发、实现提供了坚实的基础。采取‘以硬件资源换性能’的策略提高保护装置的性能，需要各方面技术人员的通力协作，尤其需要保护算法设计师在设计理念上进行一定程度的调整，需要电力系统故障分析师、保护算法设计师、FPGA应用研发设计师、PCB设计师密切配合，甚至可能需要借鉴大型机系统架构设计师的经验，需要多方协作进行大量的理论探索、算法研究、实践验证，不可能一蹴而就。

事实上，这个过程在技术上必将是困难重重、成本高昂的。而且，由于其将在很大程度上改变继电保护行业现有的技术格局、产业格局，从而必将面对来自方方面面的阻力。尽管如此，正如历史上一再上演的由技术手段突破导致的产业变革一样，这一变革将是不可阻挡的。因为，一旦有企业率先取得成功，其产品将在性能上取得显著的优势，从而迫使其他企业在技术跟进与退出市场之间做出选择。”

参考文献：

1. 《小波分析在电力系统暂态信号处理中的应用》，何正友，中国电力出版社，2011年

2. 《以FPGA为核心实现继电保护装置的片内系统架构及保护算法实现策略》，林伟，2014年6、7月发布于各大电力论坛。

3. 《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》，于群等，机械工业出版社，2014年

4. 《电力系统暂态信号的小波分析方法及其在EHV输电线路暂态保护中的应用研究》，何正友，学位论文，西南交通大学，2000年

---------------------------

感谢：在此特别感谢我的同事刘益青先生，他在我构思此方案时提供了重要的继电保护专业知识，弥补了我在这方面的不足，为本文成稿提供了重要帮助。

另外，各位读者对本文的技术观点有任何异议，欢迎回帖讨论。若您能在讨论中证明本文的错误，将是对笔者的重要帮助，本人表示诚挚的谢意！

敝文《以FPGA为核心实现继电保护装置的片内系统架构及保护算法实现策略》已经发布在本版，请参阅，

欢迎积极参与讨论！

敝文《以FPGA为核心实现继电保护装置：算法实现--从DSP到FPGA、从FPGA到DSP》已经在本坛发布。

这一篇比较适合习惯于用DSP的继电保护技术人员阅读，请参阅。

欢迎积极参与讨论！

天津大学王成山教授今年1、2月份在《中国电机工程学报》上发表了两篇论文：《基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究（一）：功能模块实现》、《基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究（二）：系统架构与算例验证》。

尽管王教授的工作针对的是配电网暂态实时仿真，在算法特征上与继电保护算法有一定程度的区别，但这两篇论文在基于FPGA的电力系统计算方面做了很多工作，验证了用FPGA实现比较复杂的算法的可行性，对于评估“以FPGA为核心实现继电保护装置”这一技术方向具有重要的借鉴意义。

建议对此感兴趣的网友查阅王教授的这两篇论文。