CN105071345A - 一种带比率差动的差动保护硬件电路及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种带比率差动的差动保护硬件电路及其实现方法，包括数据采集模块、数据处理模块、保护算法模块和继电器。所述数据采集模块用于采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；数据处理模块用于对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；保护算法模块用于对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。本发明实现了比率差动保护的功能，可靠性和处理速度大大增加。
Description
技术领域：
本发明属于计算机应用领域，具体涉及一种带比率差动的差动保护硬件电路及其实现方法。
背景技术：
传统的继电保护在发电厂、变电站基本上已经被淘汰，继而被代的就是微机保护，随着计算机网络技术的飞速发展，由微机构成的电力系统保护在很大程度上使得继电保护的可靠性、灵敏性、速动性得到了很大的改进。一方面，处理器的速度越来越快，系统硬件结构从单一的8位处理器到16和32位处理器，再到如今的多CPU和多DSP的混合结构，另一方面，硬件自检以及“看门狗”的应用，使得硬件的可靠性也得到了一定程度的提高。但是这种微控制器(MCU)也有固有的不足，即使DSP也无法从根本上解决程序“跑飞”等问题。在处理速度方面，DSP及微处理器也不能满足不断出现的新算法和理论的要求。
发明内容：
本发明的目的在于克服以上现有技术的缺点，提供了一种带比率差动的差动保护硬件电路及其实现方法，代替以往的单片机用于电力系统微机保护。该电路及方法处理速度大大提高，而且用硬件实现了以往软件实现的差动保护的功能，从而大大提高了动作的可靠性和准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种带比率差动的差动保护硬件电路，包括数据采集模块、数据处理模块、保护算法模块和继电器；其中，
数据采集模块用于采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；
数据处理模块用于对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；
保护算法模块用于对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；
继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。
本发明进一步的改进在于，数据采集模块包括电流互感器、多路模拟开关和A/D转换器，其中，
电流互感器将采集到的电流进行缩小，并将缩小后的电流信号作为多路模拟开关的输入；
多路模拟开关对电流互感器采集到的电流信号进行通断选择，并将选择通过的电流信号作为A/D转换器的输入；
A/D转换器将多路模拟开关选择通过的信号进行模/数转换，将转换后的电流信号送入数据处理模块。
本发明进一步的改进在于，保护算法模块包括有效值计算模块、比较判断模块和保护动作模块；其中，
有效值计算模块对数据处理模块滤波处理的电流信号进行有效值计算，并将计算得到的值输入比较判断模块；
比较判断模块将有效值计算的三相差电流值和最大相和电流值与设定值进行比较，并将比较结果输入保护动作模块；
保护动作模块将比较判断模块输入模块的高低进行判断，并将判断结果输入继电器。
本发明进一步的改进在于，有效值计算模块对数据处理模块输入的电流信号进行有效值计算，该有效值包括：三相差电流有效值和最大差电流对应相和电流有效值。
本发明进一步的改进在于，有效值计算模块由加减法器、乘法器、开方器和比较器构成；其中，减法器用于计算各对应相电流的实部和虚部相减值；乘法器用于计算得到的实部虚部值的平方；加法器用于求得各相差电流的实部与虚部值得平方和；开方器用于求得各相差电流的有效值，比较器用于求得三相差动电流最大值。
本发明进一步的改进在于，保护动作模块包括两部分：比率差动保护动作模块和差流速断保护动作模块，比率差动保护动作模块将比率差动保护的动作信号输出给继电器，差流速断保护动作模块将差流速断保护模块的动作信号输出给继电器。
本发明进一步的改进在于，比率差动保护动作模块由一个定时器组成，设定延时时间为T，若标记位的结果满足动作方程，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作；差流速断保护动作模块由一个比较器和一个定时器组成，设定延时时间T若最大差电流值大于比率差动上限值，不满足比率差动保护动作方程，但是该最大值大于差流速断设定电流值，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作；其中，T为30ms。
本发明进一步的改进在于，比较判断模块包括两个带符号的减法器和一个比较器，并且定义了一个3位标记量用于存放结果，两个减法器用于计算：差电流最大值与设定动作电流值的差、对应相和电流与设定制动电流值的差，并将求得的两个差值最高位赋给标记量前两位；比较器用于比较比率差动保护方程，并将比较结果赋给标记量最低位，最后将该标记量输出给保护动作模块。
一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法，数据采集模块采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；数据处理模块对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；保护算法模块对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。
本发明进一步的改进在于，保护算法模块通过硬件电路实现，其首先根据电流互感器将采集得到的电抗变压器两端的输入输出电流信号输入多路模拟开关，选择需要用到的电流信号输入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，将得到的数字信号进行滤波处理，然后对滤波处理后的三相电流信号进行保护动作模块设计，计算出三相差电流有效值，同时计算最大差电流对应相的和电流有效值，将计算得到的有效值输入比较判断模块，判断得到的结果作为保护动作模块的输入，保护动作模块根据判断的得到的结果进行判断，并将判断结果信号输入给继电器，继电器根据信号作出分合动作。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点：
本发明是基于FPGA设计开发的一种带比率差动的差动保护硬件电路，代替以往的微机保护装置，以硬件实现了以往软件实现的功能。
本发明所述的一种带比率差动保护的差动保护硬件电路的优点有高速性和高可靠性两个方面。首先，FPGA芯片时钟延迟可达到纳秒级，再结合其并行工作方式，因此处理速度很快；其次是高可靠性，该硬件电路中可以将整个系统下载于统一芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽，另外该硬件电路除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能“跑飞”的问题，因此可靠性大大增强。
本发明所述的一种带比率差动保护的差动保护实现方法上具有以下优点：1)在测量变压器输入端和输出端三相电流时，将对应相电流(例如IA与Ia)放在同一组通道上进行测量，这样可以减小电流测量时间不同导致相位差带来的影响，从而大大提高比率差动的精度。2)在计算三相差电流有效值及对应相和电流时，使用的是16*8位的乘法器，通过下面具体实施可以看出通过该乘法器可以计算得到16*16位的值，从而可以有效节约资源。3)在有效值计算模块中使用了状态机，通过状态机的分时复用，可以减少乘法器和开方器的使用，从而大大提高了FPGA资源利用率。
因此，本发明实现带比率差动的差动保护硬件电路及其实现方法更适合电力系统中的继电保护。
附图说明：
图1为硬件平台结构框图；
图2为比率差动保护特性图；
图3为A相差电流有效值流程图；
图4为比率差动保护比较判断模块和保护动作模块结构框图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明一种带比率差动的差动保护硬件电路，包括数据采集模块、数据处理模块、保护算法模块和继电器；其中，数据采集模块用于采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；数据处理模块用于对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；保护算法模块用于对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。
进一步的，数据采集模块包括电流互感器、多路模拟开关和A/D转换器，其中，电流互感器将采集到的电流进行缩小，并将缩小后的电流信号作为多路模拟开关的输入；多路模拟开关对电流互感器采集到的电流信号进行通断选择，并将选择通过的电流信号作为A/D转换器的输入；A/D转换器将多路模拟开关选择通过的信号进行模/数转换，将转换后的电流信号送入数据处理模块。
进一步的，保护算法模块包括有效值计算模块、比较判断模块和保护动作模块；其中，有效值计算模块对数据处理模块滤波处理的电流信号进行有效值计算，并将计算得到的值输入比较判断模块；比较判断模块将有效值计算的三相差电流值和最大相和电流值与设定值进行比较，并将比较结果输入保护动作模块；保护动作模块将比较判断模块输入模块的高低进行判断，并将判断结果输入继电器。
上述有效值计算模块对数据处理模块输入的电流信号进行有效值计算，该有效值包括：三相差电流有效值和最大差电流对应相和电流有效值。其中，有效值计算模块由加减法器、乘法器、开方器和比较器构成；其中，减法器用于计算各对应相电流的实部和虚部相减值；乘法器用于计算得到的实部虚部值的平方；加法器用于求得各相差电流的实部与虚部值得平方和；开方器用于求得各相差电流的有效值，比较器用于求得三相差电流最大值。该有效值计算模块最重要的一点是在计算三相差电流和最大差电流的对应相和电流时，加入了状态机的使用，这样可以大大节约FPGA芯片的资源。在计算过程中，由于乘法器和开方器所占资源比较多。但是三相差电流和最大差电流的对应相和电流的计算方法步骤相同，因此通过状态机的使用，在计算三相差电流值和最大差电流对应相和电流这4个有效值时，只需要一个乘法器和一个开方器即可。
上述保护动作模块包括两部分：比率差动保给护动作模块和差流速断保护动作模块，比率差动保护动作模块将比率差动保护的动作信号输出继电器，差流速断保护动作模块将差流速断保护模块的动作信号输出给继电器。
其中，比率差动保护动作模块由一个定时器组成，设定延时时间为T，若标记位的结果满足动作方程，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作；差流速断保护动作模块由一个比较器和一个定时器组成，设定延时时间T若最大差电流值大于比率差动上限值，不满足比率差动保护动作方程，但是该最大值大于差流速断设定电流值，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作；其中，T为30ms。
上述比较判断模块包括两个带符号的减法器和一个比较器，并且定义了一个3位标记量用于存放结果，两个减法器用于计算：差电流最大值与设定动作电流值的差、对应相和电流与设定制动电流值的差，并将求得的两个差值最高位赋给标记量前两位；比较器用于比较比率差动保护方程，并将比较结果赋给标记量最低位，最后将该标记量输出给保护动作模块。
本发明中一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法是根据差动保护的基本原理与动作方程实现差动保护的硬件电路算法，差动保护的动作特性图如图2所示：图中Id为动作电流，Iop为最小动作电流，Ir为制动电流，Ires为最小制动电流；最小动作电流与最小制动电流构成无制动段，动作值不随制动电流变化而变化；斜线的斜率称为比率制动系数，当区外故障短路电流中含有大量非周期分量，制动电流Ir增大，当动作电流Id大于启动电流时，差电流即动作电流为全部短路电流，制动电流则为流过非电源侧的短路电流，数值较小，平行于纵、横轴的两条直线交点必定落在动作区内，差动保护可靠动作。
其中比率差动保护动作方程如下：
方程1：|IT-IN|>Iop|IT+IN|/2≤Ires
方程2：|IT-IN|－Iop>S*{|IT+IN|/2-Ires}|IT+IN|/2>Ires
式中IT为电抗器首端电流，IN为尾端电流，S为比率制动系数，IOP为差动电流最小动作定值，Ires为最小制动电流。
本发明一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法具体为：数据采集模块采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；数据处理模块对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；保护算法模块对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。
进一步的，保护算法模块通过硬件电路实现，其首先根据电流互感器将采集得到的电抗变压器两端的输入输出电流信号输入多路模拟开关，选择需要用到的电流信号输入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，将得到的数字信号进行滤波处理，然后对滤波处理后的三相电流信号进行保护动作模块设计，计算出三相差电流有效值，同时计算最大差电流对应相的和电流有效值，将计算得到的有效值输入比较判断模块，判断得到的结果作为保护动作模块的输入，保护动作模块根据判断的得到的结果进行判断，并将判断结果信号输入给继电器，继电器根据信号作出分合动作。
根据比率差动保护原理以及动作方程，参考图3和图4，对本发明所述的保护算法模块进一步说明，保护算法模块包括有效值计算模块、比较判断模块和保护动作模块。图3是计算A相差电流的有效值流程图：首先根据滤波算法得到的电流A和a相的实部虚部值，在状态1中求得A与a相实部差；在状态2中根据状态1求得的实部值，将16位实部值乘以其低8位，将求得的值赋给M1；在状态3中将16位实部值乘以其高8位，将求得的值赋给M2；状态4中通过减法器求得A与a相虚部差；状态5中根据状态4求得的虚部值，将16位虚部值乘以其低8位，并将求得的值赋给M1；状态6中将16位虚部值乘以其高8位，并将求得的值赋给M2。根据时钟信号的不同，加法器取得状态2和3中A与a相差电流的实部的低八位乘积和高八位乘积，在状态4中进行加法计算从而得到实部的平方；加法器取得状态5和6中A与a相差电流的虚部与其低八位乘积和高八位乘积，在状态6中进行加法计算从而得到虚部的平方。根据求得的实部平方与虚部平方，在加法器2中求得A与a相差电流的平方和，最后通过开方求得有效值，同理可以求出B与b相和C与c相差电流，这样通过状态机的分时复用，用一个减法器、一个乘法器、两个加法器和一个开方器就能计算三相的差电流，从而大大节约了FPGA的资源。
有效值计算模块得到的差电流最大值以及对应相和电流作为比较判断模块的输入，参考图4，该模块主要用于输出比率差动保护的标记量和最大差电流值。比率差动输出值主要由两个减法器和一个比较器组成，同时定义一个标记量(3位)用于存放比较得到的结果，并将标记量输出至保护动作模块用于判断比率差动保护。其中两个减法器是带符号的减法器，用于计算差电流最大值与设定动作电流值的差和对应相和电流与设定制动电流值的差，并将求得的两个差值最高位赋给标记量前两位。例如，最大差电流值大于设定电流动作值，则最大差电流值与设定电流动作值的差值为正，即差值最高位为0，反之最高位为1。比较器用于比较动作方程2，比较器有两个输入端的数据Data1和Data2，Data1等于|IT-IN|-IOP，Data2等于S*(|IT+IN|/2-IRES)，如果Data1大于Data2，则比较结果为1，反之则比较结果为0，同时将比较结果赋给标记量最低位。差流速断模块的输出为差电流的最大值，在保护动作模块中将该值与差流速断定值进行比较，从而判断差流速断保护是否动作。
比较判断模块的判断结果作为动作保护模块的输入，参考图4，比率差动保护为长延时动作保护，差流速断保护为速动保护。比率差动保护动作模块由一个定时器组成，设定延时时间为T，若标记位的结果满足动作方程，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作。若在此期间，若标记位的结果不满足动作方程，则输出结果由高变低，定时器复位，继电器合闸。差流速断动作保护模块由一个比较器和一个定时器组成，比较器的两个输入端Data1和Data2分别为模块1中求得的最大差电流值和预先设定的差流速断定值，如果Data1大于Data2时，比较器的输出信号由低变高启动定时器工作。定时器延时时间T设定30ms，定时器定时时间T到则输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作，为速动保护，其动作时间约为30ms。若在此期间，出现Data1小于Data2，比较器的输出则由高变低，定时器复位，继电器合闸。
Claims (10)
1.一种带比率差动的差动保护硬件电路，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块、保护算法模块和继电器；其中，
数据采集模块用于采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；
数据处理模块用于对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；
保护算法模块用于对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；
继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。
2.根据权利要求1所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路，其特征在于：数据采集模块包括电流互感器、多路模拟开关和A/D转换器，其中，
电流互感器将采集到的电流进行缩小，并将缩小后的电流信号作为多路模拟开关的输入；
多路模拟开关对电流互感器采集到的电流信号进行通断选择，并将选择通过的电流信号作为A/D转换器的输入；
A/D转换器将多路模拟开关选择通过的信号进行模/数转换，将转换后的电流信号送入数据处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路，其特征在于：保护算法模块包括有效值计算模块、比较判断模块和保护动作模块；其中，
有效值计算模块对数据处理模块滤波处理的电流信号进行有效值计算，并将计算得到的值输入比较判断模块；
比较判断模块将有效值计算的三相差电流值和最大相和电流值与设定值进行比较，并将比较结果输入保护动作模块；
保护动作模块将比较判断模块输入模块的高低进行判断，并将判断结果输入继电器。
4.根据权利要求3所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路，其特征在于：有效值计算模块对数据处理模块输入的电流信号进行有效值计算，该有效值包括：三相差电流有效值和最大差电流对应相和电流有效值。
5.根据权利要求3或4所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法，其特征在于：有效值计算模块由加减法器、乘法器、开方器和比较器构成；其中，减法器用于计算各对应相电流的实部和虚部相减值；乘法器用于计算得到的实部虚部值的平方；加法器用于求得各相差电流的实部与虚部值得平方和；开方器用于求得各相差电流的有效值，比较器用于求得三相差动电流最大值。
6.根据权利要求3所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路，其特征在于：保护动作模块包括两部分：比率差动保护动作模块和差流速断保护动作模块，比率差动保护动作模块将比率差动保护的动作信号输出给继电器，差流速断保护动作模块将差流速断保护模块的动作信号输出给继电器。
7.根据权利要求6所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法，其特征在于：比率差动保护动作模块由一个定时器组成，设定延时时间为T，若标记位的结果满足动作方程，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作；差流速断保护动作模块由一个比较器和一个定时器组成，设定延时时间T若最大差电流值大于比率差动上限值，不满足比率差动保护动作方程，但是该最大值大于差流速断设定电流值，则延时时间T后，定时器输出指定宽度的触发脉冲，用于驱动继电器完成跳闸动作；其中，T为30ms。
8.根据权利要求3所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法，其特征在于：比较判断模块包括两个带符号的减法器和一个比较器，并且定义了一个3位标记量用于存放结果，两个减法器用于计算：差电流最大值与设定动作电流值的差、对应相和电流与设定制动电流值的差，并将求得的两个差值最高位赋给标记量前两位；比较器用于比较比率差动保护方程，并将比较结果赋给标记量最低位，最后将该标记量输出给保护动作模块。
9.权利要求1至8中任一项所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法，其特征在于，数据采集模块采集电抗变压器的输入输出三相电流信号，并将采集的电抗变压器的输入输出三相电流信号作为数据处理模块的数据输入；数据处理模块对输入的电抗变压器的输入输出三相电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果作为保护算法模块的输入；保护算法模块对数据处理模块输入的电流信号进行比率差动保护设计，将最终动作信号作为继电器的输入；继电器根据保护算法模块输入的信号进行动作，若输入信号为高，则继电器闭合；若输入信号为低，则继电器闭合。
10.根据权利要求9所述的一种带比率差动的差动保护硬件电路的实现方法，其特征在于，保护算法模块通过硬件电路实现，其首先根据电流互感器将采集得到的电抗变压器两端的输入输出电流信号输入多路模拟开关，选择需要用到的电流信号输入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，将得到的数字信号进行滤波处理，然后对滤波处理后的三相电流信号进行保护动作模块设计，计算出三相差电流有效值，同时计算最大差电流对应相的和电流有效值，将计算得到的有效值输入比较判断模块，判断得到的结果作为保护动作模块的输入，保护动作模块根据判断的得到的结果进行判断，并将判断结果信号输入给继电器，继电器根据信号作出分合动作。
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