CN113258926B - 基于集成电路的纳米继电器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于集成电路的纳米继电器。所述纳米继电器包括：通过根据由组合逻辑电路搭建的集成电路模块构建纳米继电器的集成电路系统，通过该集成电路模块调用集成的电力数据处理算法对输入的电力信号进行信号处理，输出电力业务数据；即通过组合逻辑电路为主构建集成电路，以硬件电路模块实现纳米继电器的保护逻辑，提高继电器的响应速度。
Description
技术领域
本申请涉及电气设备技术领域，特别是涉及一种基于集成电路的纳米继电器。
背景技术
继电保护技术是电力系统中不可或缺的一部分，是保障电力终端安全、防止或限制电力系统大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。电力系统中的所有一次设备都必须装设继电保护装置，相关电力规程规定：任何电气设备(线路、母线、发电机、变压器等)都不允许在无继电保护的状态下运行。可见，继电保护装置虽然不是电力系统的一次设备，但是在保障一次设备安全运行方面担任着不可或缺的重要角色。而且国内外实践证明，继电保护装置一旦发生不正确动作，往往会扩大事故，酿成严重后果。
早期的继电保护装置由众多分立的机电式继电器和物理模拟电路搭建，继电器动作慢、体积大、功耗高、功能单一、维护复杂，在效率、性能和能效等方面存在局限。随着电子计算机技术的发展，特别是微型计算机和微处理器的应用，计算机继电保护的研究已取得了显著的成果。微机继电保护装置由计算机软件算法来分析计算电力系统的故障判定电气量，再通过比对决定是否发出跳闸信号。然而，随着大量分布式电源、直流输电、电动汽车开放接入电力系统，逐步形成了以电力电子器件为主导的深度低碳新型电力系统，现有的微机继电保护装置的基础元件依赖软件程序逻辑，保护响应时间只能达到毫秒级，无法满足未来高电力电子渗透率下新型电力系统微秒级保护控制的速动性要求。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高继电器的响应速度的基于集成电路的纳米继电器。
一种基于集成电路的纳米继电器，所述纳米继电器由集成电路模块搭建而成，所述集成电路模块包括组合逻辑电路，所述组合逻辑电路模块包括不同硬件算法逻辑的电路子模块，所述组合逻辑电路模块用于通过调用电力数据处理算法对输入的电力信号进行信号处理，输出电力业务数据；所述电力数据处理算法集成于所述组合逻辑电路的电路子模块中；所述组合逻辑电路中包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块、逻辑判断电路子模块、信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块中至少一种电路子模块。
在其中一个实施例中，所述集成电路模块还包括外围信号处理电路模块，所述外围信号处理电路模块用于对所述组合逻辑电路输出的电力业务数据进行数据处理，对电力系统进行保护控制。
在其中一个实施例中，所述电力信号为数字信号，所述组合逻辑电路模块用于通过调用所述电力数据处理算法对所述数字信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号；所述组合逻辑电路模块包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块；其中：
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取所述数字信号的信号参数进行计算，得到特征量；所述数值比较电路子模块，用于将所述特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出对应的开关量信号。
在其中一个实施例中，所述电力数据处理算法至少包括半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算、最小二乘滤波算法、卡尔曼滤波算法以及直流分量计算算法中一种；所述特征量至少包括基波分量、直流分量和各整数次谐波分量中一种。
在其中一个实施例中，所述纳米继电器为基于集成电路的过电流保护逻辑继电器，所述数字信号为每相电流的离散采样值；
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取所述每相电流的离散采样值的信号参数进行计算，得到特征量；所述特征量为每相电流的模值；
所述数值比较电路子模块，用于将所述特征量与CPU发送预设的整定电流参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出过流保护开关量信号。
在其中一个实施例中，所述纳米继电器为基于集成电路的差动保护逻辑继电器，所述数字信号为所述差动保护逻辑继电器保护设备在正常情况下流入电流和流出电流的离散采样值；
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取所述流入电流和流出电流的矢量并进行计算，得到差电流值；
所述数值比较电路子模块，用于将所述差电流值与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出差动保护开关量信号。
在其中一个实施例中，所述电力信号为模拟量信号，所述组合逻辑电路模块用于通过调用所述电力数据处理算法对所述模拟量信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号；
所述组合逻辑电路模块包括信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块；其中：
所述信号调理电路子模块，用于对所述模拟量信号进行放大和保护前段电路，得到放大信号；
所述带限滤波电路子模块，用于对所述放大信号进行滤波处理，得到去噪后的模拟信号量；
所述采样保持电路子模块，用于确保所述模/数转换电路子模块对所述去噪后的模拟信号量进行信号转换后得到数字信号的转换精度；
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取由所述模/数转换电路子模块进行信号转换后得到的数字信号的信号参数进行计算，得到特征量；
所述数值比较电路子模块，用于将所述特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出对应的开关量信号。
在其中一个实施例中，所述输入的电力信号为电力报文数据，所述外围信号处理电路模块还用于对所述电力报文数据进行风暴抑制和报文分发处理，得到待处理的电力原始报文数据。
在其中一个实施例中，所述组合逻辑电路模块用于通过调用所述电力数据处理算法对所述电力原始报文数据采样差值处理，输出采样值报文数据。
在其中一个实施例中，所述组合逻辑电路模块包括报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块，其中：
所述报文解码电路子模块，用于对经过抑制和分发处理后的电力报文数据进行识别、去重处理和解析，得到目标电力报文数据；
所述低通滤波电路子模块，用于对所述目标电力报文数据进行低通滤波处理，得到去噪后的目标电力报文数据；
所述插值电路子模块，用于通过调用采样值算法对所述目标电力报文数据进行插值同步处理，得到目标采样点数的采样值报文数据。
上述基于集成电路的纳米继电器，通过根据由组合逻辑电路中特征提取电路子模块、数值比较电路子模块、逻辑判断电路子模块、信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块中至少一种电路子模块搭建的集成电路模块构建纳米继电器，调用各电力数据处理算法对输入的电力信号进行信号处理，输出电力业务数据，即通过组合逻辑电路为主构建集成电路，以硬件电路模块实现纳米继电器的保护逻辑，提高继电器的响应速度。
附图说明
图1为一个实施例中一种集成电路的基于纳米继电器的结构框架示意图；
图2为另一个实施例中一种基于集成电路的纳米继电器的结构框架示意图；
图3为一个实施例中基于集成电路的逻辑判断纳米继电器的结构框架示意图；
图4为一个实施例中电流保护逻辑继电器的应用场景的框架示意图；
图5为一个实施例中Ａ相过流保护逻辑图；
图6为另一个实施例中基于集成电路的纳米继电器的结构框架示意图；
图7为一个实施例中基于集成电路的模拟量处理纳米继电器；
图8为另一个实施例中一种基于集成电路的纳米继电器的结构框架示意图；
图9为一个实施例中报文过滤流程的示意图；
图10为一个实施例中报文传输延时的示意图；
图11为一个实施例中报文时间插值同步的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于集成电路的纳米继电器。本实施例中，该纳米继电器包括由集成电路模块搭建而成，集成电路模块包括组合逻辑电路模块，组合逻辑电路模块中包括不同集成硬件算法逻辑的电路子模块，组合逻辑电路模块用于通过调用电力数据处理算法对输入的电力信号进行信号处理，输出电力业务数据；电力数据处理算法集成在组合逻辑电路的电路子模块中。
其中，电力信号可以是模拟量信号，也可以是数字信号，数字信号可以是电力报文数据；当电力信号为电力报文数据时，电力信号通过集成电路模块中的时间控制电路模块控制获取，其中，时间控制电路模块包括两个对时寄存器，以及一个纳秒计数器组合逻辑电路组成，纳秒计数器的计数周期为1s，用于实现外部IRIG-B码对时功能（其中，IRIG-B码对时功能是指电力报文数据进行对齐，获取相同采样时间的电力信号），支持正相B码、反相B码输入，即解析外部IRIG-B码输入并进行频率跟踪，外部对时信号正常时将IRIG-B对时时间保存在对时寄存器中，IRIG-B对时信息每秒刷新一次（整秒时刻），同时产生脉冲宽度为125ms的秒脉冲信号，且秒脉冲信号的下降沿对应整秒时刻。外部对时信号异常时纳米继电器根据之前学习的样本进行守时状态，对时寄存器进行清0处理，定期产生脉冲宽度125ms的秒脉冲信号，且秒脉冲信号的下降沿对应整秒时刻，CPU在检测到秒脉冲信号下降沿时读取对时寄存器信息。
组合逻辑电路是根据电力系统继电保护业务的保护算法逻辑进行构建的，即根据不同的保护算法逻辑可以构建不同类型的组合逻辑电路，得到不同功能类型的纳米继电器。组合逻辑电路模块包括不同硬件算法逻辑的电路子模块（即，电路子模块），组合逻辑电路模块中包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块、逻辑判断电路子模块、信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块中至少一种电路子模块，通过将不同的电路子模块集成可以得到不同功能的纳米继电器。电力系统继电保护业务包括输电线路保护、变压器保护、发电机保护、母线保护等业务场景。电力数据处理算法至少包括半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算、最小二乘滤波算法、卡尔曼滤波算法以及直流分量计算算法中一种。
纳米继电器包括逻辑判断纳米继电器、采样值处理类纳米继电器、电气参量计算类纳米继电器、时间管理类纳米继电器和通信管理类纳米继电器等，纳米继电器的功能不同，其组合逻辑电路中电路子模块也是不同的。逻辑判断纳米继电器的输出只有两种状态，“是”或者“否”。“是”和“否”的临界点用“不等式”的“判据”来表达。所述的“不等式”的“判据”在电路中通过设计由数值比较、触发器和逻辑门电路构成的组合逻辑电路实现；如组合逻辑电路模块根据电力系统继电保护业务中“电流差动保护”、“方向电流保护”、“零序电流保护”、“距离保护”“纵联保护”、“高频保护”、“光纤差动保护”、“负序电流保护”的保护算法逻辑，分别进行构建确定的。
例如，采样值处理类纳米继电器用于将获取的模拟量信号进行采样以及差值处理，得到采样值报文；根据采样值报文进行计算获取相同采样时间的采样点数据并将采样点数据发送至其他节点；即采样值处理类纳米继电器的组合逻辑电路模块中具备集成了采样值同步算法的纳米级硬件电路模块（电路子模块）。
电气参量计算类纳米继电器用于实现对采集输入的周期性电气信号中基波分量、直流分量和各整数次谐波分量的提取，构建的组合逻辑电路为实现特定算法的硬件电路模块，硬件算法包括半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算、最小二乘滤波算法、卡尔曼滤波算法以及直流分量计算算法等。
例如，周傅里叶基波运算对电气信号进行处理，电力系统的电气信号是以基波及奇次谐波为主，设待分析的周期性时间函数为u(t)，则根据半周傅里叶算法，其n次倍频分量的实部U Rn 、虚部U In 为：
式中，N为一周期采样点数；u k 为第k次采样值。
设线路零序电流的瞬时值为i 0，电网零序电压的瞬时值为u 0。每周采12个点，求取基波分量，根据半周傅里叶算法，可求得电压、电流的实部U 0R和I 0R、虚部U 0I和I 0I分别为：
经过推导，可令
；
由此可设实现选择性故障保护的动作条件为
；
式中，K为整定阈值。对应于故障支路总有
，对非故障支路则总有
(当考虑线路绝缘电阻影响时，则对非故障支路有
，而故障支路的P op则得到加强)。滤除零序电流的无功分量后，则可利用有功电流准确、可靠地判断出故障线路。由于保护原理与电网零序电流的无功分量无关，故无须了解电网的出线长短、接地电流大小，有利于对瞬间接地故障的捕捉，提高芯片化保护装置的灵敏性和速动性。
上述基于集成电路的纳米继电器中，通过根据由组合逻辑电路搭建的集成电路模块构建纳米继电器，通过组合逻辑电路模块调用各电力数据处理算法对输入的电力信号进行信号处理，输出电力业务数据即通过组合逻辑电路为主构建集成电路，以硬件电路模块实现纳米继电器的保护逻辑，提高继电器的响应速度。
在另一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于集成电路的纳米继电器。本实施例中，该集成电路模块包括组合逻辑电路模块和外围信号处理电路模块搭建的，通过集成电路模块构成纳米继电器；当输入的电力信号为模拟量信号，通过调用组合逻辑电路模块中集成硬件算法的不同电路子模块，利用电力数据处理算法对模拟量信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号；外围信号处理电路模块用于对组合逻辑电路输出的电力业务数据进行数据处理，对电力系统进行保护控制；其中，组合逻辑电路模块中的电路子模块包括信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块；其中：
信号调理电路子模块，用于对模拟量信号进行放大和保护前段电路，得到放大信号；带限滤波电路子模块，用于对放大信号进行滤波处理，得到去噪后的模拟信号量；采样保持电路子模块，用于确保模/数转换电路子模块对去噪后的模拟信号量进行信号转换后得到数字信号的转换精度；特征提取电路子模块，用于通过调用电力数据处理算法提取由模/数转换电路子模块进行信号转换后得到的数字信号的信号参数进行计算，得到特征量；特征量至少包括基波分量、直流分量和各整数次谐波分量中一种，数值比较电路子模块，用于将特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出对应的开关量信号。
上述基于集成电路的纳米继电器，通过由外围信号处理电路与组合逻辑电路搭建而成的集成电路模块，外部输入的电压、电流等模拟量信号通过信号调理电路子模块、带宽限制滤波器电路子模块、采样保持电路子模块、模数转换电路子模块转换为数字信号，通过特征提取电路进行有效值计算、幅值计算、序量计算得到特征量，将提取的特征量与CPU传递过来的人为预设的整定参数通过一个数值比较电路子模块进行比较，将比较结果传递给逻辑判断电路子模块，逻辑判断电路子模块根据保护业务逻辑，根据数值比较结果驱动输出，输出一个开关量信号给外围电路子模块，即由组合逻辑电路搭建的集成电路模块组成，它的内部实现了程序逻辑的硬件化，具有自主计算和判断的能力，提高了继电器的响应速度。
在另一个实例中，如图3所示，提供了一种基于集成电路的纳米继电器。本实施例中集成电路模块包括组合逻辑电路模块，与该组合逻辑电路相连接的外围信号处理电路模块，输入的电力信号为数字信号（数字信号可以是从网络中获取的报文数据，也可以是图8所记载的报文解析纳米继电器获取的采样值报文数据），组合逻辑电路模块包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块。特征提取电路子模块用于通过调用电力数据处理算法对数字信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号；外围信号处理电路模块用于对组合逻辑电路输出的电力业务数据进行数据处理，对电力系统进行保护控制。
即特征提取电路子模块，用于通过调用电力数据处理算法提取数字信号的信号参数进行计算，得到特征量；数值比较电路子模块，用于将特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；其中，电力数据处理算法至少包括半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算、最小二乘滤波算法、卡尔曼滤波算法以及直流分量计算算法中一种；所述特征量至少包括基波分量、直流分量和各整数次谐波分量中一种；逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出对应的开关量信号。通过特征提取电路进行有效值计算、幅值计算、序量计算等，将提取的特征量与CPU传递过来的人为预设的整定参数通过一个数值比较电路进行比较，将比较结果传递给逻辑判断电路，逻辑判断电路根据保护业务逻辑，根据数值比较结果驱动输出，输出一个开关量信号给外围电路，纳米级继电器通过内置了程序逻辑，具有自主计算和判断的能力，提高响应速度。
可选地，在一个实施例中，纳米继电器为基于集成电路的过电流保护逻辑继电器，数字信号为每相电流的离散采样值；组合逻辑电路模块中包括提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块；其中，特征提取电路子模块，用于通过调用电力数据处理算法（例如，半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算）提取每相电流的离散采样值的信号参数进行计算，得到特征量；特征量为每相电流的模值；数值比较电路子模块，用于将特征量与CPU发送预设的整定电流参数进行比较，得到比较结果。
换言之，根据得到的每相电流的矢量确定每相电流的矢量的模值，将矢量的模值和各段电流定值相比较，得到数值大小比较的结果；逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出过流开关量信号（例如，跳闸），保护业务逻辑为电力系统的过电流保护逻辑，在此不做赘述；根据输出的过滤开关量信号触发过电流元件的动作，实现过电流保护；即通过将不同逻辑的电路子模块进行组合，得到集成电路，以硬件电路模块实现电流保护逻辑继电器的保护逻辑，提高继电器的响应速度。
其中，过流保护（即三段式定时限过流保护），三段式定时限过流保护各段定值相互独立，每相电流分别和各段电流定值相比较，装置检测到电流大于定值，过流保护启动，启动计时元件，触发过电流元件的动作，实现过电流保护。例如，以过电流Ⅰ段为例，过电流元件的动作条件表达为：
其中，为“过流Ⅰ段电流定值”，Ia为Ａ相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流。以带方向和复压闭锁元件的过流Ⅰ段为例，当过电流保护逻辑继电器检测到Ａ相正方向电流值大于过流Ⅰ段电流定值时，过流保护启动，启动计时元件t1，触发过电流I段的动作，实现过电流保护；其中，B相和C相电流的保护逻辑相同，在此不做赘述。
如图4所示，为过电流保护逻辑继电器的应用场景，即复压方向过流I端保护，当满足Ａ相正方向电流值大于过流Ⅰ段电流定值、且为A相正方向、PT异常以及复压满足异常条件时，过流保护启动，启动计时元件t1，触发过电流I段的动作，实现过电流保护；其中，PT异常，带复压闭锁元件的过流保护会自动退出复压闭锁元件；如果复压闭锁元件未投入，过流保护动作逻辑不受PT异常的影响；PT异常，带方向元件的过流保护会自动退出方向元件；如果方向元件未投入，过流保护动作逻辑不受PT异常的影响。
可选地，在一个实施例中，纳米继电器为基于集成电路的差动保护逻辑继电器，数字信号为差动保护逻辑继电器保护设备在正常情况下进行流进电流的离散采样值；组合逻辑电路中包括提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块，特征提取电路子模块，用于通过调用电力数据处理算法（例如，半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算）提取保护设备在正常情况下流入电流和流出电流的离散采样值的信号参数进行计算，得到差电流值；数值比较电路子模块，用于将差电流值与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出差动保护开关量信号，根据输出的过滤开关量信号触发差动保护逻辑继电器动作，实现差动保护；即通过组合逻辑电路为主构建集成电路，以硬件电路模块实现差动保护逻辑继电器的保护逻辑，提高继电器的响应速度。
其中，差动保护是输入TA（电流互感器）的两端电流矢量差，当达到设定的动作值时启动动作元件。保护范围在输入CT的两端之间的设备（可以是线路，发电机，电动机，变压器等电气设备）。差动保护是根据“电路中流入节点电流的总和等于零”原理制成的。
电流差动保护是继电保护中的一种保护。正相序是A超前B，B超前C各是120度。反相序（即是逆相序）是 A 超前C，C超前B各是120度。有功方向变反只是电压和电流的之间的角加上180度，就是反相功率，而不是逆相序。
差动保护把被保护的电气设备看成是一个节点，那么正常时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。当设备出现故障时，流进被保护设备的电流和流出的电流不相等，差动电流大于零。当差动电流大于差动保护装置的整定值时，上位机报警保护出口动作，将被保护设备的各侧断路器跳开，使故障设备断开电源。
差动保护是利用基尔霍夫电流定理工作的，当变压器正常工作或区外故障时，将其看作理想变压器，则流入变压器的电流和流出电流（折算后的电流）相等，差动继电器不动作。当变压器内部故障时，两侧（或三侧）向故障点提供短路电流，差动保护感受到的二次电流的和正比于故障点电流，差动继电器动作。
此处的保护业务逻辑为差动保护逻辑，以保护设备为变压器为例对差动保护逻辑进行说明，如图5所示，其中，
为比率制动系数整定值，D3为二次谐波制动系数整定值。可见比率差动保护动作的三个判据是“与”的关系，必须同时满足才能动作于跳闸。而差动速断保护是作为比率差动保护的辅助保护。其定值为D4=Iact.s，在比率差动保护不能快速反映严重区内故障时，差动速断保护应无时延地快速出口跳闸。因此这两种保护是“或”的逻辑关系。比率差动保护在TA二次回路断线时会产生很大的差电流而误动作，所以必须经TA断线闭锁的否门再经与门Y3才能出口动作。当TA断线时与门Y3被闭锁住，不能出口动作。
上述基于集成电路的纳米继电器，通过I/O接口对获取数字信号，将获取的数字信号输入至特征提取电路子模块中，进行特征提取，得到对应的特征量，将提取的特征量与CPU传递过来的预设的整定参数通过一个数值比较电路子模块进行比较，将比较结果传递给逻辑判断电路，逻辑判断电路根据保护业务逻辑，根据数值比较结果驱动输出，输出一个开关量信号给外围电路模块，即由组合逻辑电路搭建的集成电路模块组成，它的内部实现了程序逻辑的硬件化，具有自主计算和判断的能力，提高了继电器的响应速度。
在另一个实例中，如图6所示，提供了一种基于集成电路的纳米继电器。本实施例中集成电路模块包括组合逻辑电路模块，与该组合逻辑电路相连接的外围信号处理电路模块，输入的电力信号为模拟量信号，组合逻辑电路模块除包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块之外还包括信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块，其中，信号调理电路子模块，用于对模拟量信号进行放大和保护前段电路，得到放大信号；带限滤波电路子模块，用于对放大信号进行滤波处理，得到去噪后的模拟信号量；采样保持电路子模块，用于确保模/数转换电路子模块对去噪后的模拟信号量进行信号转换后得到数字信号的转换精度；其中，将信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块进行集成可以得到如图7所示的模拟量处理纳米继电器。
具体地，基于集成电路的逻辑判断纳米继电器中，集成电路模块包括组合逻辑电路模块和外围信号处理电路模块，接收外输入的模拟量信号（例如，采集的电流和电压的模拟量信号），通过组合逻辑电路模块中信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块将模拟量信号转换为数字信号，采用电力数据算法中的傅里叶滤波算法，通过特征提取电路子模块对数字信号进行特征提取进行有效值、幅值计算、序量计算得到特征量（即，对电压电流采样数据进行滤波处理，从非正弦信号中直接计算出基波、各次谐波、直流分量的特征量）），通过数值比较电路子模块将提取的特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果，并将比较结果发送至逻辑判断电路子模块，根据业务保护逻辑电路进行判断，输出电力业务数据，即开关量量信号，并将开关量信号输出到对应的外围信号处理电路模块，对开关量量信号进行数据处理，对电力系统进行保护控制。
上述基于集成电路的纳米继电器中，将外部输入的模拟量信号输入至模拟量处理纳米继电器进行信号转换，也就是说通过信号调理电路路子模块、带宽限制滤波器电路路子模块、采样保持电路路子模块、模数转换电路路子模块转换为数字信号，通过特征提取电路进行有效值计算、幅值计算、序量计算得到特征量，将提取的特征量与CPU传递过来的人为预设的整定参数通过一个数值比较电路子模块进行比较，将比较结果传递给逻辑判断电路，逻辑判断电路根据保护业务逻辑，根据数值比较结果驱动输出，输出一个开关量信号给外围电路模块，即由组合逻辑电路搭建的集成电路模块组成，它的内部实现了程序逻辑的硬件化，具有自主计算和判断的能力，提高了继电器的响应速度。
在另一个实施例中，如图8所示，提供了一种基于集成电路的纳米继电器。本实施例中，纳米继电器为报文解析纳米继电器，该纳米继电器包括由组合逻辑电路模块和外围信号处理电路模块搭建的集成电路模块构成；输入的电力信号为电力报文数据，外围信号处理电路模块用于对所述电力报文数据进行风暴抑制和报文分发处理，得到待处理的电力原始报文数据，即外围信号处理电路模块中的通信处理电路子模块对电力报文数据进行抑制和分发处理，得到待分发的电力原始报文数据，例如，通信处理电路子模块对接收的电力报文数据中的MMS/GOOSE报文和其他类型报文数据进行风暴抑制和报文分发处理后，上传至共享RAM内存中进行保存，将SV报文数据发送至组合逻辑电路模块；组合逻辑电路模块通过调用电力数据处理算法对电力报文数据采样差值处理，输出采样值报文数据。
其中，通信处理电路子模块支持不同类型的通信功能，包括MMS/GOOSE报文通信类、HSR环网通信类、光纤纵差通信类等；MMS/GOOSE报文通信类负责MMS报文或GOOSE报文的收发工作，对MMS报文具备杂散接收、广播抑制、组播抑制、单播接收等工作模式；对GOOSE报文处理具备GOOSE风暴抑制、流量抑制、GOOSE订阅接收等功能。具有以太网报文接收模块，用于将以太网接口接收到的GOOSE、自定义报文等经过必要的报文解析和流量抑制处理后转发给CPU进行后续处理；具有以太网报文发送模块用于将CPU处理后的GOOSE、GMRP、自定义报文等转发至以太网口。
HSR环网通信类实现IEC62439-3-2012协议中定义的环网拓扑结构中报文的通信。由HSR环网管理接口、HSR报文接收模块和HSR报文发送模块组成，HSR环网管理接口用于管理HSR环网通信模块，实现环内节点报文通信、网络对时、SV报文延时可测等相关功能；HSR报文接收模块用于接收通过HSR环网上送的环网内部报文，根据配置对报文进行过滤和采样值同步处理；HSR报文发送模块用于将ADC采样值、以太网SV接收采样值经过插值同步处理后组织为HSR内部采样值报文，通过环网发送给其他装置。
光纤纵差通信类为光纤纵差通信提供物理链路，支持主模式、从模式两种通信方式，支持2048kbit/s、4096kbit/s等波特率，并内置光纤纵差通信报文收发控制模块，用于光纤纵差通信报文的接收和发送控制。在收发报文的同时，光纤纵差通信报文收发控制模块具有精确打时标功能，可实现本、对侧光纤纵差通信同步，该时标同步于纳秒计数器。
其中，组合逻辑电路模块包括采样值的报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块，报文解码电路子模块，用于对经过风暴抑制和报文分发处理后的电力报文数据，即采样测量值报文（sampled value，SV）进行识别、去重处理和解析处理得到目标电力报文数据，即有效报文数据；也就是说，对接收到的SV报文进行识别，此阶段称为SV报文的订阅，该阶段主要根据报文的MAC地址与配置的SV接收模式确认此SV报文是否接收，当识别通过之后，通过重复报文过滤算法对订阅到的SV报文进行重复报文丢弃，SV报文中的特定信息包括目的MAC地址、报文APPID、SV报文接收端口号等进行报文特征值计算，得到新的特征值，判断新的特征值（特征值_new）与预先存储的特征值（特征值_old）是否相等，将不相等的报文进行丢弃，将特征值相等的报文进行保存，并更新特征值_old的生存时间，如图9所示。
报文的SV通信报文帧格式如表1所示，其内容中采用“T-L-V”即“类型-长度-数值”的编码规则，报文发送的主要特征包括如下：
表1 SV通信报文帧格式
其中，（1）发送时间间隔：每交流周期80点，即250μs发送一帧，精度要求±10μs。
（2）发送方式：支持组播发送与单播方式发送。为保证报文传输的可靠性，采用A/B网方式发送两份数据，接收端根据接收先后取一份数据。
（3）发送报文格式：SV报文分为报文头与APDU单元及循环冗余检验（cyclicredundancy check，CRC）校验段，如表1所示。其中报文头与CRC部分信息主要用于接收端进行判断与校验。APDU单元中通常包含1个ASDU单元，内容包含采样值计数、采样值同步标记、实际采样值通道数值。
（4）发送报文通道采样值：采样值数据存放在ASDU单元中，最多可以支持49个采样通道且支持挑选通道，支持配置通道系数进行数据缩放。此外，ASDU单元中还包含的信息主要有报文计数信息，用于接收侧判断是否丢点以及SV计数器同步；SV报文的同步标识位“SmpSynch”应为TRUE，不同步时，“SmpSynch”应为FALSE；SV报文传输延时信息，用于接收侧做插值同步的依据等。
可选地，在一个实施例中，对订阅到的SV报文进行重复报文丢弃，在在特征值中加入了接收端口号信息，提高了报文过滤的准确性以及过滤效率。
低通滤波电路子模块，用于对目标电力报文数据进行低通滤波处理，得到去噪后的目标电力报文数据。
插值电路子模块，用于通过调用采样值算法对目标电力报文数据进行插值同步处理，得到目标采样点数的采样值报文数据，将采样值报文数据发送至对应的节点。
由于其中各个厂家合并单元上送报文额定延时不一致和网络抖动的影响以及采样模式混用情况下不同采样模式的SV数据路径不一致影响，给采样值同步带来较大的困难，如图10所示，将采样值报文数据经互感器传递到采集回路后送入合并单元CPU中，合并单元将数据组成IEC61850规范的SV报文后，组网送至保护或其他智能电子装置（intelligent electronic device，IED）。点对点方式传输在过程中不经交换式网络，直接由合并单元送至IED。直接模拟量采集方式则将采集回路放在IED侧。T a为互感器延时；T b为RC滤波器造成的延时；T c为采集回路到合并单元CPU的传输延时；T d为合并单元处理延时；T e为合并单元到保护装置的网络传输延时；T 额为合并单元额定延时；T 总为采样值传输总延时。
其中，T 额可以为固定值，但每个厂家标称的额定延时都不相同，电力行业技术规范要求额定延时不大于2ms；网络传输延时T e为抖动值，电力行业技术规范要求传输各种帧长数据时交换机固有时延应小于10μs，任两台智能电子设备之间的数据传输路由不应超过4台交换机。在实现采样值同步的关键是根据先等后（快等慢）的原则，缓存一定数量的采样值报文以计算获得相同采样时间的采样点数据。即报文解析纳米继电器对电力报文数据进行解析后，可以获取报文的时间戳。
也就是说，插值同步处理是指时间插值同步即根据报文到达时间和插值脉冲触发时间之间的关系，通过一阶拉格朗日插值算法（一阶线性插值）计算出插值触发时刻的采样值，从而实现同步。根据电力行业技术规范要求合并单元上送的SV报文的偏差时间必须控制在+/－10μs范围之内，才能保证插值满足精度要求。
由于插值同步处理后的数据根据应用的不同需要输出不同的采样点数，如母差及线路保护需要24点/周波采样率，测控需要48点/周波采样率而组织SV发送需要80点/周波采样率。为了处理简单化及减少FPGA芯片资源的利用，统一插值成240点/周波采样率，再根据配置抽点输出相应点数的采样值报文给不同应用。
如图11所示，在一个实施例中，插值同步处理的时间插值同步程序采用缓存32个采样值报文，分别记录各个报文到达时间（t i ），然后根据带插值时刻（t k ）寻找相应的插值区间，采用一阶拉格朗日插值算法（即，一阶线性插值），计算出插值时刻的采样值；t i ,…,t i－14分别代表接收到报文的时刻值，待插值时刻为插值脉冲触发时间，回退时间是为了保证线性插值是区内插值（精度高）而特意设置的，额定延时时间为合并单元报文上送的额定延时时间。
实际插值时刻对应的采样值计算公式为：
式中，Y real为实际插值时刻采样值；Y i－7为插值区间前一个报文的采样值；Y i－6为插值区间后一个报文的采样值；T d为插值时刻到前一个报文接收时刻的时间差；T为前后两个报文时间差。由于T值是一个较为稳定的值，可以为250μs。
为了减少数据处理延时，提高保护的速动性，回退时间的确定成为一个关键因素，如果回退时间过长则影响保护的速动性，如果过短则有可能会造成额定延时调相出界插值数据错误，因此在程序中根据检测到的各个合并单元上送的额定延时值，筛选出最大额定延时值，然后用24点采样间隔时间来拟合，得出回退时间为多少个24点采样间隔时间，实现回退时间的实时调整，并将此值上送给CPU作为光纤差动保护的重要参数。
例如，当系统中连接了3个合并单元，额定延时分别为1.7ms、1.85ms、1.4ms，筛选出最大额定延时为1.85ms，再加上一个固定回退值500μs，总的回退时间为2.35ms，在母差保护、变压器保护、录波等应用场合回退时间选为2.35ms，而在线路保护（光纤差动保护）应用场合，为了和对侧同步只能进行24点采样间隔的整点调整，所以回退时间应该设置为整数个24点采样间隔，对应的大于2.35ms的最小24点采样间隔数为3，那么回退时间选为2.5ms（3×0.833≈2.5ms）。目前，算法中设置的最大回退时间为5个24点采样间隔4.165ms（5×0.833=4.165ms）。
以下为基于集成电路的纳米继电器的应用场景，通过外围信号处理电路模块对接收电路报文数据进行风暴抑制、报文分发后得到电力报文数据；通过报文解析纳米继电器中的报文解码电路子模块对经过抑制和分发处理后的电力报文数据进行识别、去重处理和解析，得到目标电力报文数据；通过低通滤波电路子模块对目标电力报文数据进行低通滤波处理，得到去噪后的目标电力报文数据；通过插值电路子模块调用采样值算法对所述目标电力报文数据进行插值同步处理，得到目标采样点数的采样值报文数据。
将得到的采样值报文数据通过I/O接口传送至逻辑判断纳米继电器，通过组合逻辑电路中的特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块进行逻辑处理，即通过调用电力数据处理算法对数字信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号；外围信号处理电路模块用于对组合逻辑电路输出的电力业务数据进行数据处理，对电力系统进行保护控制。
上述基于集成电路的报文解析纳米继电器中，通过外围信号处理电路模块对接收电路报文数据进行风暴抑制、报文分发后，将SV报文数据进行识别和去重处理，得到目标电力报文数据；低通滤波电路子模块，用于对目标电力报文数据进行低通滤波处理，得到去噪后的目标电力报文数据；插值电路子模块，用于通过调用采样值算法对目标电力报文数据进行插值同步处理，得到目标采样点数的采样值报文数据，并上传至共享RAM内存中进行保存，即由组合逻辑电路搭建的集成电路模块组成，它的内部实现了程序逻辑的硬件化，具有自主计算和判断的能力，提高了继电器的响应速度。
应该理解的是，虽然图1-11的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-11中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于集成电路的纳米继电器，其特征在于，所述纳米继电器由集成电路模块搭建而成，所述集成电路模块包括组合逻辑电路模块，所述组合逻辑电路模块包括不同硬件算法逻辑的电路子模块，所述组合逻辑电路模块用于通过调用电力数据处理算法对输入的电力信号进行信号处理，输出电力业务数据；所述电力数据处理算法集成于所述组合逻辑电路的电路子模块中；所述电力数据处理算法至少包括半周傅里叶基波运算、全周傅里叶基波运算、最小二乘滤波算法、卡尔曼滤波算法以及直流分量计算算法中一种；
所述组合逻辑电路模块中包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块、逻辑判断电路子模块、信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块中至少一种电路子模块，通过将不同的电路子模块集成可以得到不同功能的纳米继电器；所述纳米继电器包括逻辑判断纳米继电器、采样值处理类纳米继电器、电气参量计算类纳米继电器、时间管理类纳米继电器、通信管理类纳米继电器、过电流保护逻辑继电器、差动保护逻辑继电器、模拟量处理纳米继电器和报文解析纳米继电器中任意一种；所述组合逻辑电路是根据电力系统继电保护业务的保护算法逻辑进行构建的；
当所述电力信号为模拟量信号时，所述组合逻辑电路模块包括信号调理电路子模块、带限滤波电路子模块、采样保持电路子模块、模/数转换电路子模块、特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块；
当所述电力信号为数字信号时，所述组合逻辑电路模块包括特征提取电路子模块、数值比较电路子模块和逻辑判断电路子模块；
当所述电力信号为电力报文数据时，所述组合逻辑电路模块包括报文解码电路子模块、低通滤波电路子模块和插值电路子模块。
2.根据权利要求1所述的纳米继电器，其特征在于，所述集成电路模块还包括外围信号处理电路模块，所述外围信号处理电路模块用于对所述组合逻辑电路输出的电力业务数据进行数据处理，对电力系统进行保护控制。
3.根据权利要求1所述的纳米继电器，其特征在于，所述电力信号为数字信号，所述组合逻辑电路模块用于通过调用所述电力数据处理算法对所述数字信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号，其中：
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取所述数字信号的信号参数进行计算，得到特征量；所述数值比较电路子模块，用于将所述特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出对应的开关量信号。
4.根据权利要求3所述的纳米继电器，其特征在于，所述特征量至少包括基波分量、直流分量和各整数次谐波分量中一种。
5.根据权利要求3所述的纳米继电器，其特征在于，所述纳米继电器为基于集成电路的过电流保护逻辑继电器，所述数字信号为每相电流的离散采样值；
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取所述每相电流的离散采样值的信号参数进行计算，得到特征量；所述特征量为每相电流的模值；
所述数值比较电路子模块，用于将所述特征量与CPU发送预设的整定电流参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出过流保护开关量信号。
6.根据权利要求3所述的纳米继电器，其特征在于，所述纳米继电器为基于集成电路的差动保护逻辑继电器，所述数字信号为所述差动保护逻辑继电器保护设备在正常情况下流入电流和流出电流的离散采样值；
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取所述流入电流和流出电流的矢量并进行计算，得到差电流值；
所述数值比较电路子模块，用于将所述差电流值与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出差动保护开关量信号。
7.根据权利要求1所述的纳米继电器，其特征在于，所述电力信号为模拟量信号，所述组合逻辑电路模块用于通过调用所述电力数据处理算法对所述模拟量信号进行逻辑判断处理，输出开关量信号，其中：
所述信号调理电路子模块，用于对所述模拟量信号进行放大和保护前段电路，得到放大信号；
所述带限滤波电路子模块，用于对所述放大信号进行滤波处理，得到去噪后的模拟信号量；
所述采样保持电路子模块，用于确保所述模/数转换电路子模块对所述去噪后的模拟信号量进行信号转换后得到数字信号的转换精度；
所述特征提取电路子模块，用于通过调用所述电力数据处理算法提取由所述模/数转换电路子模块进行信号转换后得到的数字信号的信号参数进行计算，得到特征量；
所述数值比较电路子模块，用于将所述特征量与CPU发送预设的整定参数进行比较，得到比较结果；
所述逻辑判断电路子模块，用于根据保护业务逻辑对所述比较结果进行数值比较结果驱动输出，输出对应的开关量信号。
8.根据权利要求2所述的纳米继电器，其特征在于，所述输入的电力信号为电力报文数据，所述外围信号处理电路模块还用于对所述电力报文数据进行风暴抑制和报文分发处理，得到待处理的电力原始报文数据。
9.根据权利要求8所述的纳米继电器，其特征在于，所述组合逻辑电路模块用于通过调用所述电力数据处理算法对所述电力原始报文数据采样差值处理，输出采样值报文数据。
10.根据权利要求9所述的纳米继电器，其特征在于，所述报文解码电路子模块，用于对经过抑制和分发处理后的电力报文数据进行识别、去重处理和解析，得到目标电力报文数据；
所述低通滤波电路子模块，用于对所述目标电力报文数据进行低通滤波处理，得到去噪后的目标电力报文数据；
所述插值电路子模块，用于通过调用采样值算法对所述目标电力报文数据进行插值同步处理，得到目标采样点数的采样值报文数据。
Priority Applications (3)
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Application publication date: 20210813 Assignee: China Southern Power Grid Artificial Intelligence Technology Co.,Ltd. Assignor: Southern Power Grid Digital Grid Research Institute Co.,Ltd. Contract record no.: X2023990000086 Denomination of invention: Nanometer relay based on integrated circuit Granted publication date: 20211022 License type: Common License Record date: 20230112 |
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