一種帶方向的距離保護硬件電路及其實現方法
【技術領域】：
[0001]本發明屬于計算機應用領域，具體涉及一種帶方向的距離保護硬件電路及其實現 方法。
【背景技術】：
[0002] 在現代電網中，隨著超高壓、大容量、遠距離輸電線路的不斷增多，對電力系統的 安全穩定運行提出了更高、更嚴格的要求。繼電保護系統是電力系統的重要組成部分，而對 于IlOkV及以上電壓等級的線路，由于負荷電流大、線路長，電流保護往往不能滿足技術要 求，從而需要采用距離保護。
[0003] 現階段距離保護主要是微機距離保護，其典型流程為：
[0004] 1)首先是經過啟動元件判斷有無故障，采用電流突變量法和零序電流法結合的方 式；
[0005] 2)然后經過選相元件判斷故障相，通常采用相電流差突變量選相和電流序分量選 相的方法；
[0006] 3)最后利用測量元件計算測量阻抗和判斷故障方向。
[0007] 可以看到由于需要經過先啟動后選相的過程，這種方法的主要缺點是阻抗計算缺 乏實時性，并且還存在啟動過程判斷可靠性差、速度慢及計算過程復雜等缺點。另一方面， 傳統微機距離保護采用微控制器(MCU)，但是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。因此，基于傳統的微機距離保護已經不能滿足新算法及理論的要 求。
【發明內容】
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[0008] 本發明的目的在于克服以上現有技術的缺點，提供了一種利用可編程ASIC技術實 現帶方向的距離保護硬件電路及其實現方法，代替了以往的電力系統微機保護。提供一種 智能電器專用芯片的設計方法，通過微機保護專用芯片，用硬件實現了以往軟件實現的距 離保護的功能。
[0009] 為達到上述目的，本發明采用如下技術方案來實現的：
[0010] -種帶方向的距離保護硬件電路，包括數據采集模塊、數據處理模塊、距離保護算 法模塊和繼電器模塊;其中，
[0011]數據采集模塊，用于采集電抗變壓器的輸入輸出三相電壓電流信號，并將采集的 電抗變壓器的輸入輸出三相電壓電流信號作為數據處理模塊的數據輸入；
[0012] 數據處理模塊，用于對輸入三相電壓電流信號進行濾波運算，并將濾波運算后的 結果作為距離保護算法模塊的輸入；
[0013] 距離保護算法模塊，用于對數據處理模塊輸入的電壓電流信號進行距離保護設 計，將最終動作信號作為繼電器的輸入；
[0014]繼電器模塊，用于根據距離保護算法模塊輸入的信號進行動作，若輸入信號為高， 則繼電器閉合;若輸入信號為低，則繼電器斷開。
[0015] 本發明進一步的改進在于，數據采集模塊包括電壓、電流互感器、多路模擬開關 MUX和A/D轉換器，其中，
[0016] 電壓、電流互感器，用于將采集到的電壓電流進行縮小，并將縮小后的電壓電流信 號作為多路模擬開關MUX的輸入；
[0017] 多路模擬開關MUX，用于對電壓電流信號進行通斷選擇，并將選擇通過的電壓電流 信號作為A/D轉換器的輸入；
[0018] A/D轉換器，用于將MUX選擇通過的信號進行模/數轉換，將轉換后的電壓電流信號 送入數據處理模塊。
[0019] 本發明進一步的改進在于，距離保護算法模塊包括正序電壓計算模塊、控制信號 及電壓鎖存輸出模塊、接地/相間距離保護阻抗計算模塊和方向距離保護繼電器動作模塊； 其中，
[0020] 正序電壓計算模塊，用于通過數據采集模塊測得三相電流和電壓，并通過數據處 理模塊對三相電流和電壓經過濾波算法，得到三相電流和電壓的實部虛部值，正序電壓計 算模塊根據三相電流和電壓的實部虛部值最終完成三相電壓正序分量實部虛部值及對應 相差電壓正序分量實部虛部值的計算；
[0021] 控制信號及電壓鎖存輸出模塊，用于通過判斷是否三相短路，即利用比較器對正 序電壓計算模塊輸出的正序電壓分量進行判斷輸出控制信號，如果控制信號為1，則輸出正 序電壓前一周期的值直到控制信號變為〇;如果控制信號為〇,則直接實時輸出正序電壓值； [0022]接地/相間距離保護阻抗計算模塊，用于根據電壓鎖存輸出模塊得到的三相電壓 正序分量實部虛部值及對應相差電壓正序分量實部虛部值、三相電壓電流的實部虛部值以 及整定阻抗的實部虛部值，依據相位比較的方向圓距離保護動作方程，通過計算阻抗，判斷 距離保護是否動作，若計算結果的實部小于〇,則置動作標志為1;
[0023] 方向距離保護繼電器動作模塊，用于將接地/相間距離保護阻抗計算模塊輸出的 動作標志賦值給動作變量，將最終動作信號作為繼電器的輸入。
[0024] -種帶方向的距離保護硬件電路的實現方法，包括以下步驟：
[0025] 1)數據采集模塊采集電抗變壓器的輸入輸出三相電壓電流信號，并將采集的電抗 變壓器的輸入輸出三相電壓電流信號作為數據處理模塊的數據輸入；
[0026] 2)數據處理模塊對輸入三相電壓電流信號進行濾波運算，并將濾波運算后的結果 作為距離保護算法模塊的輸入；
[0027] 3)距離保護算法模塊對數據處理模塊輸入的電壓電流信號進行距離保護設計，將 最終動作信號作為繼電器的輸入；
[0028] 4)繼電器根據距離保護算法模塊輸入的信號進行動作，若輸入信號為高，則繼電 器閉合;若輸入信號為低，則繼電器斷開。
[0029] 本發明進一步的改進在于，步驟1)的實現方法如下：
[0030] 1-1)電壓、電流互感器，用于將采集到的電壓電流進行縮小，并將縮小后的電壓電 流信號作為多路模擬開關MUX的輸入；
[0031] 1-2)多路模擬開關MUX，用于對電壓電流信號進行通斷選擇，并將選擇通過的電壓 電流信號作為A/D轉換器的輸入；
[0032] 1-3)A/D轉換器，用于將MUX選擇通過的信號進行模/數轉換，將轉換后的電壓電流 信號送入數據處理模塊。
[0033]本發明進一步的改進在于，步驟3)中距離保護算法模塊包括正序電壓計算模塊、 控制信號及電壓鎖存輸出模塊、接地/相間距離保護阻抗計算模塊和方向距離保護繼電器 動作模塊;其實現方法如下：
[0034] 3-1)正序電壓計算模塊通過數據采集模塊測得三相電流和電壓，并通過數據處理 模塊對三相電流和電壓經過濾波算法，得到三相電流和電壓的實部虛部值，正序電壓計算 模塊根據三相電流和電壓的實部虛部值最終完成三相電壓正序分量實部虛部值及對應相 差電壓正序分量實部虛部值的計算；
[0035] 3-2)控制信號及電壓鎖存輸出模塊通過判斷是否三相短路，即利用比較器對正序 電壓計算模塊輸出的正序電壓分量進行判斷輸出控制信號，如果控制信號為1，則輸出正序 電壓前一周期的值直到控制信號變為0;如果控制信號為0,則直接實時輸出正序電壓值；
[0036] 3-3)接地/相間距離保護阻抗計算模塊根據電壓鎖存輸出模塊得到的三相電壓正 序分量實部虛部值及對應相差電壓正序分量實部虛部值、三相電壓電流的實部虛部值以及 整定阻抗的實部虛部值，依據相位比較的方向圓距離保護動作方程，通過計算阻抗，判斷距 離保護是否動作，若計算結果的實部小于〇,則置動作標志為1;
[0037] 3-4)方向距離保護繼電器動作模塊將接地/相間距離保護阻抗計算模塊輸出的動 作標志賦值給動作變量，將最終動作信號作為繼電器的輸入。
[0038] 本發明進一步的改進在于，步驟3-1)的實現方法如下：正序電壓計算模塊使用了 三個加法器、兩個減法器和一個乘法器，其中三個加法器和兩個減法器用于對三相電壓和 計算中間值的實部和虛部進行相加或相減，乘法器用于對實部和虛部乘以一定倍數，最終 得到正序分量的實部和虛部。
[0039] 本發明進一步的改進在于，步驟3-2)的實現方法如下：控制信號及電壓鎖存輸出 模塊使用了六個絕對值器、六個比較器和六個鎖存器，六個絕對值器用于對正序電壓分量 的實部或者虛部值取絕對值，六個比較器用于對絕對值器輸出的相電壓或相差電壓實部虛 部值分別與定值進行比較，并將比較結果輸出作為控