一種帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]傳統(tǒng)的繼電保護(hù)在發(fā)電廠、變電站基本上已經(jīng)被淘汰，繼而被代的就是微機(jī)保護(hù)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，由微機(jī)構(gòu)成的電力系統(tǒng)保護(hù)在很大程度上使得繼電保護(hù)的可靠性、靈敏性、速動(dòng)性得到了很大的改進(jìn)。一方面，處理器的速度越來越快，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)從單一的8位處理器到16和32位處理器，再到如今的多CPU和多DSP的混合結(jié)構(gòu)，另一方面，硬件自檢以及“看門狗”的應(yīng)用，使得硬件的可靠性也得到了一定程度的提高。但是這種微控制器(MCU)也有固有的不足，即使DSP也無法從根本上解決程序“跑飛”等問題。在處理速度方面，DSP及微處理器也不能滿足不斷出現(xiàn)的新算法和理論的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的在于克服以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路及其實(shí)現(xiàn)方法，代替以往的單片機(jī)用于電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)。該電路及方法處理速度大大提高，而且用硬件實(shí)現(xiàn)了以往軟件實(shí)現(xiàn)的差動(dòng)保護(hù)的功能，從而大大提高了動(dòng)作的可靠性和準(zhǔn)確性。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0005]—種帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、保護(hù)算法模塊和繼電器；其中，
[0006]數(shù)據(jù)采集模塊用于采集電抗變壓器的輸入輸出三相電流信號(hào)，并將采集的電抗變壓器的輸入輸出三相電流信號(hào)作為數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)輸入；
[0007]數(shù)據(jù)處理模塊用于對(duì)輸入的電抗變壓器的輸入輸出三相電流信號(hào)進(jìn)行濾波運(yùn)算，并將濾波運(yùn)算后的結(jié)果作為保護(hù)算法模塊的輸入；
[0008]保護(hù)算法模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊輸入的電流信號(hào)進(jìn)行比率差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)，將最終動(dòng)作信號(hào)作為繼電器的輸入；
[0009]繼電器根據(jù)保護(hù)算法模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，若輸入信號(hào)為高，則繼電器閉合；若輸入信號(hào)為低，則繼電器閉合。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，數(shù)據(jù)采集模塊包括電流互感器、多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器，其中，
[0011]電流互感器將采集到的電流進(jìn)行縮小，并將縮小后的電流信號(hào)作為多路模擬開關(guān)的輸入；
[0012]多路模擬開關(guān)對(duì)電流互感器采集到的電流信號(hào)進(jìn)行通斷選擇，并將選擇通過的電流信號(hào)作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入；
[0013]A/D轉(zhuǎn)換器將多路模擬開關(guān)選擇通過的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電流信號(hào)送入數(shù)據(jù)處理模塊。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，保護(hù)算法模塊包括有效值計(jì)算模塊、比較判斷模塊和保護(hù)動(dòng)作模塊；其中，
[0015]有效值計(jì)算模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊濾波處理的電流信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算，并將計(jì)算得到的值輸入比較判斷模塊；
[0016]比較判斷模塊將有效值計(jì)算的三相差電流值和最大相和電流值與設(shè)定值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果輸入保護(hù)動(dòng)作模塊；
[0017]保護(hù)動(dòng)作模塊將比較判斷模塊輸入模塊的高低進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果輸入繼電器。
[0018]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，有效值計(jì)算模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊輸入的電流信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算，該有效值包括:三相差電流有效值和最大差電流對(duì)應(yīng)相和電流有效值。
[0019]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，有效值計(jì)算模塊由加減法器、乘法器、開方器和比較器構(gòu)成；其中，減法器用于計(jì)算各對(duì)應(yīng)相電流的實(shí)部和虛部相減值；乘法器用于計(jì)算得到的實(shí)部虛部值的平方；加法器用于求得各相差電流的實(shí)部與虛部值得平方和；開方器用于求得各相差電流的有效值，比較器用于求得二相差動(dòng)電流最大值。
[0020]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，保護(hù)動(dòng)作模塊包括兩部分:比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作模塊和差流速斷保護(hù)動(dòng)作模塊，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作模塊將比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)輸出給繼電器，差流速斷保護(hù)動(dòng)作模塊將差流速斷保護(hù)模塊的動(dòng)作信號(hào)輸出給繼電器。
[0021]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作模塊由一個(gè)定時(shí)器組成，設(shè)定延時(shí)時(shí)間為T，若標(biāo)記位的結(jié)果滿足動(dòng)作方程，則延時(shí)時(shí)間T后，定時(shí)器輸出指定寬度的觸發(fā)脈沖，用于驅(qū)動(dòng)繼電器完成跳閘動(dòng)作；差流速斷保護(hù)動(dòng)作模塊由一個(gè)比較器和一個(gè)定時(shí)器組成，設(shè)定延時(shí)時(shí)間T若最大差電流值大于比率差動(dòng)上限值，不滿足比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作方程，但是該最大值大于差流速斷設(shè)定電流值，則延時(shí)時(shí)間T后，定時(shí)器輸出指定寬度的觸發(fā)脈沖，用于驅(qū)動(dòng)繼電器完成跳閘動(dòng)作；其中，T為30ms。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，比較判斷模塊包括兩個(gè)帶符號(hào)的減法器和一個(gè)比較器，并且定義了一個(gè)3位標(biāo)記量用于存放結(jié)果，兩個(gè)減法器用于計(jì)算:差電流最大值與設(shè)定動(dòng)作電流值的差、對(duì)應(yīng)相和電流與設(shè)定制動(dòng)電流值的差，并將求得的兩個(gè)差值最高位賦給標(biāo)記量前兩位；比較器用于比較比率差動(dòng)保護(hù)方程，并將比較結(jié)果賦給標(biāo)記量最低位，最后將該標(biāo)記量輸出給保護(hù)動(dòng)作模塊。
[0023]—種帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法，數(shù)據(jù)采集模塊采集電抗變壓器的輸入輸出三相電流信號(hào)，并將米集的電抗變壓器的輸入輸出三相電流信號(hào)作為數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)輸入；數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)輸入的電抗變壓器的輸入輸出三相電流信號(hào)進(jìn)行濾波運(yùn)算，并將濾波運(yùn)算后的結(jié)果作為保護(hù)算法模塊的輸入；保護(hù)算法模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊輸入的電流信號(hào)進(jìn)行比率差動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)，將最終動(dòng)作信號(hào)作為繼電器的輸入；繼電器根據(jù)保護(hù)算法模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，若輸入信號(hào)為高，則繼電器閉合；若輸入信號(hào)為低，則繼電器閉合。
[0024]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，保護(hù)算法模塊通過硬件電路實(shí)現(xiàn)，其首先根據(jù)電流互感器將采集得到的電抗變壓器兩端的輸入輸出電流信號(hào)輸入多路模擬開關(guān)，選擇需要用到的電流信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，然后對(duì)濾波處理后的三相電流信號(hào)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作模塊設(shè)計(jì)，計(jì)算出三相差電流有效值，同時(shí)計(jì)算最大差電流對(duì)應(yīng)相的和電流有效值，將計(jì)算得到的有效值輸入比較判斷模塊，判斷得到的結(jié)果作為保護(hù)動(dòng)作模塊的輸入，保護(hù)動(dòng)作模塊根據(jù)判斷的得到的結(jié)果進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果信號(hào)輸入給繼電器，繼電器根據(jù)信號(hào)作出分合動(dòng)作。
[0025]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0026]本發(fā)明是基于FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)的一種帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路，代替以往的微機(jī)保護(hù)裝置，以硬件實(shí)現(xiàn)了以往軟件實(shí)現(xiàn)的功能。
[0027]本發(fā)明所述的一種帶比率差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路的優(yōu)點(diǎn)有高速性和高可靠性兩個(gè)方面。首先，F(xiàn)PGA芯片時(shí)鐘延遲可達(dá)到納秒級(jí)，再結(jié)合其并行工作方式，因此處理速度很快；其次是高可靠性，該硬件電路中可以將整個(gè)系統(tǒng)下載于統(tǒng)一芯片中，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽，另外該硬件電路除了不存在MCU所特有的復(fù)位不可靠與PC可能“跑飛”的問題，因此可靠性大大增強(qiáng)。
[0028]本發(fā)明所述的一種帶比率差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法上具有以下優(yōu)點(diǎn):1)在測量變壓器輸入端和輸出端三相電流時(shí)，將對(duì)應(yīng)相電流(例如1八與I J放在同一組通道上進(jìn)行測量，這樣可以減小電流測量時(shí)間不同導(dǎo)致相位差帶來的影響，從而大大提高比率差動(dòng)的精度。2)在計(jì)算三相差電流有效值及對(duì)應(yīng)相和電流時(shí)，使用的是16*8位的乘法器，通過下面具體實(shí)施可以看出通過該乘法器可以計(jì)算得到16*16位的值，從而可以有效節(jié)約資源。3)在有效值計(jì)算模塊中使用了狀態(tài)機(jī)，通過狀態(tài)機(jī)的分時(shí)復(fù)用，可以減少乘法器和開方器的使用，從而大大提高了 FPGA資源利用率。
[0029]因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)帶比率差動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)硬件電路及其實(shí)現(xiàn)方法更適合電力系統(tǒng)中的繼電保護(hù)。
【附圖說明】
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[0030]圖1為硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖；
[0031]圖2為比率差動(dòng)保護(hù)特性圖；
[0032