CN113708488B - 继电保护系统硬件架构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种继电保护系统硬件架构，包括直流采样模块、交流采样模块、中性线采样模块、逻辑处理模块和执行模块；直流采样模块、交流采样模块和中性线采样模块均连接逻辑处理模块，逻辑处理模块连接执行模块，执行模块用于连接被保护对象。直流采样模块、交流采样模块和中性线采样模块分别用于采集被保护对象的直流电参数、交流电参数和中性线电参数，得到对应采样信号并发送至逻辑处理模块；逻辑处理模块用于获取采样信号，根据采样信号判断是否需要执行保护动作，并在需要执行保护动作时，向执行模块发送控制信号；控制信号用于指示执行模块对被保护对象执行继电保护。上述继电保护系统硬件架构，可以扩展继电保护系统的应用场景。

Description

继电保护系统硬件架构
技术领域
本申请涉及继电保护技术领域，特别是涉及一种继电保护系统硬件架构。
背景技术
众所周知，继电保护是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施，是电力系统及其元件安全的重要保障。随着电力行业的快速发展，电力系统的容量和规模日益增大，对继电保护系统硬件架构的要求不断提高。
传统的继电保护系统硬件架构，配置与被保护对象类型相应的采样模块，通过采集被保护对象的电气物理量得到采样信号，并将采样信号与预设阈值进行对比，判断是否需要执行保护动作。因此，传统的继电保护系统硬件架构，只适用于单一类型的被保护对象，具有应用场景受限的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种继电保护系统硬件架构，扩展继电保护系统硬件架构的应用场景。
一种继电保护系统硬件架构，包括直流采样模块、交流采样模块、中性线采样模块、逻辑处理模块和执行模块；所述直流采样模块、所述交流采样模块和所述中性线采样模块均连接所述逻辑处理模块，所述逻辑处理模块连接所述执行模块，所述执行模块用于连接被保护对象；
所述直流采样模块、所述交流采样模块和所述中性线采样模块分别用于采集被保护对象的直流电参数、交流电参数和中性线电参数，得到对应采样信号并发送至所述逻辑处理模块；
所述逻辑处理模块用于获取所述采样信号，根据所述采样信号判断是否需要执行保护动作，并在需要执行保护动作时，向所述执行模块发送控制信号；所述控制信号用于指示所述执行模块对所述被保护对象执行继电保护。
在其中一个实施例中，继电保护系统硬件架构还包括转换模块，所述转换模块连接所述直流采样模块、所述交流采样模块、所述中性线采样模块和所述逻辑处理模块。
在其中一个实施例中，所述转换模块包括第一整理单元和第一转换单元，所述第一整理单元连接所述直流采样模块和所述第一转换单元，所述第一转换单元连接所述逻辑处理模块。
在其中一个实施例中，所述转换模块包括信号识别单元，所述信号识别单元连接所述中性线采样模块和所述逻辑处理模块。
在其中一个实施例中，所述交流采样模块包括电流互感单元和电压互感单元，所述转换模块包括数据选择单元、第二整理单元、第二转换单元、第三整理单元和第三转换单元；所述数据选择单元连接所述电流互感单元、所述电压互感单元、所述第二整理单元和所述第三整理单元；所述第二转换单元连接所述第二整理单元和所述逻辑处理模块；所述第三转换单元连接所述第三整理单元和所述逻辑处理模块。
在其中一个实施例中，所述交流采样模块还包括同步获取单元和锁相倍频单元，所述同步获取单元连接所述电流互感单元和所述电压互感单元，所述锁相倍频单元连接所述同步获取单元和所述逻辑处理模块。
在其中一个实施例中，继电保护系统硬件架构还包括显示模块，所述显示模块连接所述逻辑处理模块。
在其中一个实施例中，所述显示模块包括脉冲产生单元、隔离单元和显示单元，所述脉冲产生单元连接所述逻辑处理模块，所述隔离单元连接所述脉冲产生单元和所述显示单元。
在其中一个实施例中，继电保护系统硬件架构还包括连接所述逻辑处理模块的存储模块和通信模块中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述执行模块包括过压保护单元、阈值保护单元和闭锁单元，所述过压保护单元、所述阈值保护单元和所述闭锁单元均连接所述逻辑处理模块。
上述继电保护系统硬件架构，配置直流采样模块、交流采样模块和中性线采样模块分别用于采集被保护对象的直流电参数、交流电参数或中性线电参数，可以根据被保护对象类型启用不同的采样模块，进而实现各种不同类型保护对象的继电保护，有利于扩展继电保护系统硬件架构的应用场景。
附图说明
图1为一实施例中继电保护系统硬件架构的组成框图；
图2为另一实施例中继电保护系统硬件架构的组成框图；
图3为一实施例中交流采样模块、转换模块和逻辑处理模块的组成框图；
图4为一实施例中交流采样模块的组成框图；
图5为又一实施例中继电保护系统硬件架构的组成框图；
图6为一实施例中显示模块的组成框图。
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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一转换单元称为第二转换单元，且类似地，可将第二转换单元称为第一转换单元。第一转换单元和第二转换单元两者都是转换单元，但其不是同一转换单元。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，提供了一种继电保护系统硬件架构，如图1所示，该继电保护系统硬件架构包括直流采样模块100、交流采样模块200、中性线采样模块300、逻辑处理模块500和执行模块600。直流采样模块100、交流采样模块200和中性线采样模块300均连接逻辑处理模块500，逻辑处理模块500连接执行模块600，执行模块600用于连接被保护对象。直流采样模块100、交流采样模块200和中性线采样模块300分别用于采集被保护对象的直流电参数、交流电参数和中性线电参数，得到对应采样信号并发送至逻辑处理模块500；逻辑处理模块500用于获取采样信号，根据采样信号判断是否需要执行保护动作，并在需要执行保护动作时，向执行模块600发送控制信号。该控制信号用于指示执行模块600对被保护对象执行继电保护。
其中，直流采样模块100和中性线采样模块300可以是包含敏感器件，通过敏感器件感受被测电参数实现电信号采样的电路模块；也可以是包含分压或分流器件，基于分压或分流原理进行电信号采样的电路模块。交流采样模块200可以是基于互感原理进行交流电信号采样的电路模块，也可以是包含采样芯片，基于软件算法进行交流电信号采样的电路模块。逻辑处理模块500可以是包含各类控制器或控制芯片及其外围电路，具备逻辑运算功能的电路模块。该控制芯片，可以是MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)芯片、DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)芯片或FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)芯片。执行模块600可以是包含保护器件，可以对被保护对象执行继电保护的电路模块。在一个实施例中执行模块600包括过流保护单元、过压保护单元、阈值保护单元、闭锁保护单元和差动保护单元中的一种或多种，各保护单元均连接逻辑处理模块500和被保护对象，分别用于执行对应类型的保护动作。
进一步的，直流采样模块100用于采集被保护对象的直流电参数，如电力系统直流母线的母线电压和母线电流；交流采样模块200用于采集被保护对象的交流电参数，如电力系统的三相电压和三相电流；中性线采样模块300用于采集被保护对象的中性线电参数，如电力系统的中性线的电压和电流。不同的被保护对象，与电力系统的连接关系各不相同，相关的电参数也不相同，根据被保护对象的类型，可以有选择地启用对应的采样模块，执行继电保护功能。具体的，对应的采样模块进行电信号采集，得到采样信号并发送至逻辑处理模块500。再由逻辑处理模块500根据采样信号判断是否需要执行保护动作，并在需要执行保护动作时，向执行模块600发送控制信号，指示执行模块600对被保护对象执行继电保护。进一步的，逻辑处理模块500还用于获取执行模块600的动作情况，以确定执行模块600是否已执行保护动作。
需要说明的是，逻辑处理模块500根据采样信号判断是否需要执行保护动作的方式并不唯一。例如，逻辑处理模块500可以判断采样信号是否满足预设条件，并在采样信号满足预设条件时，向执行模块600发送控制信号。该预设条件，可以是预存阈值，也可以是不同类型采样信号之间的相互关系。进一步的，预设阈值可以是标准数值，也可以是包含上下限的阈值区间。此外，还可以对不同类型的采样信号分别设置对应的预设条件，在其中一个或多个采样信号满足预设条件时，控制执行模块600执行保护动作。在一个实施例中，预设条件为中性线采样信号的变化情况在变化阈值范围内，且交流采样信号小于预设交流阈值。
进一步的，逻辑处理模块500还可以分别判断不同类型采样信号是否满足对应预设条件，并根据判断结果，以及判断结果与保护动作类型的对应关系，输出控制信号，控制执行模块600执行对应类型的保护动作。例如，逻辑处理模块500可以在电流信号超过预设电流阈值时，控制执行模块600执行过流保护动作。
此外，在一个实施例中，继电保护系统硬件架构还配置有电源模块，该电源模块连接直流采样模块100、交流采样模块200、中性线采样模块300、逻辑处理模块500和执行模块600，用于给各模块提供工作电能。具体的，电源模块可以是供电插头，用于向外部电源获取电能；也可以是包含储能器件，可以向外输出电能的电路模块。该储能器件，可以是储能电池组或超级电容。进一步的，在一个实施例中，电源模块中还可以包含电压转换单元，用于同时实现多种电压的输出，匹配不同类型负载的使用需求。
上述继电保护系统硬件架构，配置直流采样模块100、交流采样模块200和中性线采样模块300分别用于采集被保护对象的直流电参数、交流电参数或中性线电参数，可以根据被保护对象类型启用不同的采样模块，进而实现各种不同类型保护对象的继电保护，有利于扩展继电保护系统硬件架构的应用场景。
在一个实施例中，如图2所示，继电保护系统硬件架构还包括转换模块400，转换模块400连接直流采样模块100、交流采样模块200、中性线采样模块300和逻辑处理模块500。
其中，转换模块400是可以对输入信号进行转换处理的电路模块，该转换处理，可以是滤波、放大、稳压、隔离中的一种或多种，对应的，转换模块400可以包含滤波电路、放大电路、稳压电路、数模转换电路、模数转换电路和隔离电路中的一种或多种。
具体的，直流采样模块100、交流采样模块200和中性线采样模块300采集得到的初始采样信号，经过转换模块400处理后，得到处理后的采样信号，并发送至逻辑处理模块500。
上述实施例中，配置转换模块400对初始采样信号进行处理后，得到处理后的采样信号再发送至逻辑处理模块500，有利于提高逻辑处理模块500的工作效率，进而提升保护效果。
在一个实施例中，如图3所示，转换模块400包括第一整理单元410和第一转换单元420，第一整理单元410连接直流采样模块100和第一转换单元420，第一转换单元420连接逻辑处理模块500。
其中，第一整理单元410可以是包含滤波电路、放大电路和稳压电路中一种或多种的电路单元。第一转换单元420可以是各种类型的模数转换器，如间接模数转换器或直接模数转换器。在一个实施例中，第一转换单元420为双通道模数转换器，一方面可以将模拟采样信号转换成数字信号后，发送至逻辑处理模块500，另一方面可以获取逻辑处理模块500的反馈信号，确定逻辑处理模块500接收到了对应的数字采样信号。
在一个实施例中，请继续参考图3，转换模块400还包括信号识别单元430，信号识别单元430连接中性线采样模块300和逻辑处理模块500。
其中，信号识别单元430是用于确定输入信号类型的单元。如前文所述，中性线采样模块300采集的中性线电参数，可以是电压信号和/或电流信号。信号识别单元430用于获取并识别中性线采样信号，确定中性线采样信号的类型，得到信号类型标识，并将带有标识的对应信号发送至逻辑处理模块500，以便于逻辑处理模块500进行对应信号的分析和处理。
在一个实施例中，请继续参考图3，交流采样模块200包括电流互感单元210和电压互感单元220，转换模块400还包括数据选择单元430、第二整理单元440、第二转换单元450、第三整理单元460和第三转换单元470。数据选择单元430连接电流互感单元210、电压互感单元220、第二整理单元440和第三整理单元460；第二转换单元450连接第二整理单元440和逻辑处理模块500；第三转换单元470连接第三整理单元460和逻辑处理模块500。
其中，数据选择单元430是可以将多个通道的数据传送到唯一的公共数据通道上，实现数据选择功能的电路单元。第二整理单元440和第三整理单元460的具体限定请参见第一整理单元410，第二转换单元450和第三转换单元470具体限定请参见第一转换单元420，此处不再赘述。进一步的，第二整理单元440和第三整理单元460，以及第二转换单元450和第三转换单元470，可以为同一类型的电路单元，也可以为不同类型的电路单元。
具体的，数据选择单元430用于获取电流互感单元210和电压互感单元220的电流初始采样信号和电压初始采样信号，并将其中之一发送到后端的第二整理单元440和第三整理单元460，进行后续处理。例如，若选择的数据是电流初始采样信号，则处理过程是：电流互感单元210采集的电流初始采样信号通过第二整理单元440和第二转换单元450处理后，得到第一电流信号发送至逻辑处理模块500；电流初始采样信号还通过第三整理单元460和第三转换单元470处理后，得到第二电流信号发送至逻辑处理模块500。再由逻辑处理模块500根据第一电流信号和第二电流信号，判断第一电流信号和第二电流信号是否满足预设条件，若是则启动保护动作。该预设条件，可以是预设电流阈值，也可以是预设关系式。例如，逻辑处理模块500可以在第一电流信号或第二电流信号其中之一满足预设电流阈值时，启动保护动作。
上述实施例中，即是给出了转换模块400的具体组成，相当于针对不同的采样模块，配置不同的转换单元，进行对应采样信号的处理，有利于进一步提高采样信号的质量，提升逻辑处理模块500的处理效率。
在一个实施例中，如图4所示，交流采样模块200还包括同步获取单元230和锁相倍频单元240，同步获取单元230连接电流互感单元210和电压互感单元220，锁相倍频单元240连接同步获取单元230和逻辑处理模块500。
其中，同步获取单元230是包含时钟校准功能，可获取同步采样信号的电路单元。锁相倍频单元240是指可以实现倍频功能的电路单元。具体的，同步获取单元230获取同步采样的电流采样信号和电压采样信号后，将对应信号发送至锁相倍频单元240，产生与对应信号成倍率关系的第二交流采样信号，并发送至逻辑处理模块500，逻辑处理模块500可以根据第二采样信号，对转换模块400发送的第一交流采样信号进行修正，再进行后续分析和处理。
上述实施例中，配置同步获取单元230和锁相倍频单元240，有利于提高交流采样信号的稳定性，提升逻辑处理模块500的处理效率。
在一个实施例中，如图5所示，该继电保护系统硬件架构还包括显示模块700，显示模块700连接逻辑处理模块500。
其中，显示模块700可以包括显示器件及其外围电路。该显示器件，可以是数码管、显示灯或显示屏。具体的，逻辑处理模块500一方面获取采样信号，根据采样信号判断是否需要执行保护动作，并在需要执行保护动作时，向执行模块600发送控制信号，指示执行模块600对被保护对象执行继电保护；另一方面，还获取执行模块600、电源模块、转换模块400等各功能模块的工作状态，并根据该工作状态向显示模块700发送显示信号，以便工作人员及时获取当前继电保护系统的运行情况。
上述实施例中，配置显示模块700进行工作状态的显示，可以便于工作人员及时了解当前继电保护系统的运行情况，进而获取被保护对象的运行状态，有利于提高工作效率。
在一个实施例中，如图6所示，显示模块700包括脉冲产生单元710、隔离单元720和显示单元730，脉冲产生单元710连接逻辑处理模块500，隔离单元720连接脉冲产生单元710和显示单元730。
其中，脉冲产生单元710是具备脉冲信号输出功能的电路单元。该脉冲信号的类型并不唯一，例如可以是梯形波、三角波或锯齿波脉冲信号。隔离单元720是可以实现输入信号和输出信号相互隔离的电路单元。该隔离单元720可以是磁隔离单元或光电隔离单元。显示单元730可以是数码管、显示灯或显示屏。
具体的，逻辑处理模块500获取执行模块600的工作状态，并根据该工作状态向脉冲产生单元710发送对应的触发信号，控制脉冲产生单元710产生对应脉冲，再经过隔离单元720后，指示后端的显示单元730进行对应信息的显示。
上述实施例中，在逻辑处理模块500和显示单元730之间配置隔离单元720，可以隔离信号干扰，有利于提高继电保护系统的可靠性。
在一个实施例中，请继续参考图5，该继电保护系统硬件架构还包括连接逻辑处理模块500的存储模块800和通信模块900中的至少一种。
其中，存储模块800可以是各类存储器或存储芯片。通信模块900可以是有线通信模块或无线通信模块。该有线通信模块，可以为总线通信模块，如USB通信模块、485通信模块、CAN通信模块或RS232通信模块，也可以为。该无线通信模块，可以是蓝牙通信模块、无线通信模块或蜂窝通信模块。
具体的，逻辑处理模块500可以通过通信模块900实现与终端和服务器之间的交互。该终端，包括但不限于各类智能手机、智能穿戴设备、平板、计算机等。例如，工作人员可以使用终端，通过通信模块900向逻辑处理模块500发送被保护对象的类型，以便逻辑处理模块500自动启用对应的采样模块。进一步的，逻辑处理模块500还可以将判断结果发送至存储模块800，便于后续分析调用。需要说明的是，该判断结果，可以包含采样模块采集得到的被保护对象的对应电参数，逻辑处理模块500根据电参数得到的是否需要执行保护动作的判断结果，以及执行模块600的保护动作执行情况。
在一个实施例中，存储模块800包括数据存储器和高速缓冲存储器，通信模块900为USB通信模块。该数据存储器连接逻辑处理模块500和高速缓冲存储器，高速缓冲存储器连接USB通信模块，USB通信模块用于连接终端。具体的，逻辑处理模块500还可以依次通过数据存储器、高速缓冲存储器和USB通信模块实现与终端之间的通信。
上述实施例中，配置存储模块800和通信模块900，可以提高工作人员与继电保护系统之间信息传输的便利性，提升工作效率。
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。
以上该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)

1.一种继电保护系统硬件架构，其特征在于，应用于电力系统继电保护，包括直流采样模块、交流采样模块、中性线采样模块、逻辑处理模块、转换模块和执行模块；所述直流采样模块、所述交流采样模块和所述中性线采样模块均连接所述逻辑处理模块，所述逻辑处理模块连接所述执行模块，所述执行模块用于连接被保护对象；所述转换模块连接所述直流采样模块、所述交流采样模块、所述中性线采样模块和所述逻辑处理模块；所述被保护对象包括电力系统的直流母线和中性线；
所述直流采样模块、所述交流采样模块和所述中性线采样模块分别用于采集被保护对象的直流电参数、交流电参数和中性线电参数，得到对应采样信号并发送至所述逻辑处理模块；
所述转换模块包括第一整理单元和第一转换单元，所述第一整理单元连接所述直流采样模块和所述第一转换单元，所述第一转换单元连接所述逻辑处理模块；所述第一转换单元为双通道模数转换器，用于将所述直流电参数对应的模拟采样信号转换成数字信号后，发送至所述逻辑处理模块，还用于获取所述逻辑处理模块的反馈信号，以确定所述逻辑处理模块接收到了所述数字信号；
所述交流采样模块包括电流互感单元和电压互感单元，所述转换模块还包括数据选择单元、第二整理单元、第二转换单元、第三整理单元和第三转换单元；所述数据选择单元连接所述电流互感单元、所述电压互感单元、所述第二整理单元和所述第三整理单元；所述第二转换单元连接所述第二整理单元和所述逻辑处理模块；所述第三转换单元连接所述第三整理单元和所述逻辑处理模块；
所述电流互感单元采集的电流初始采样信号通过所述第二整理单元和所述第二转换单元处理后，得到第一电流信号发送至所述逻辑处理模块；所述电流初始采样信号还通过所述第三整理单元和所述第三转换单元处理后，得到第二电流信号发送至所述逻辑处理模块；所述逻辑处理模块在所述第一电流信号和所述第二电流信号的其中之一满足预设电流阈值时，确定所述第一电流信号和所述第二电流信号对应的电流采样信号满足预设条件；
所述逻辑处理模块用于获取采样信号，分别判断不同类型采样信号是否满足对应预设条件，并在多个采样信号满足预设条件的情况下，输出控制信号；所述预设条件包括所述中性线 电参数对应的中性线 电采样信号的变化值在变化阈值范围内，且所述交流电参数对应的交流采样信号小于预设交流阈值；所述控制信号用于指示所述执行模块对所述被保护对象执行继电保护；
所述逻辑处理模块还用于获取所述执行模块的动作情况，以确定所述执行模块是否已执行与所述控制信号对应的保护动作。
2.根据权利要求1所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述执行模块包括连接所述逻辑处理模块的过流保护单元、过压保护单元、阈值保护单元、闭锁保护单元和差动保护单元中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述继电保护系统硬件架构还包括连接所述直流采样模块、交流采样模块、中性线采样模块、逻辑处理模块、转换模块和执行模块的电源模块。
4.根据权利要求1所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述转换模块包括信号识别单元，所述信号识别单元连接所述中性线采样模块和所述逻辑处理模块。
5.根据权利要求1所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述交流采样模块还包括同步获取单元和锁相倍频单元，所述同步获取单元连接所述电流互感单元和所述电压互感单元，所述锁相倍频单元连接所述同步获取单元和所述逻辑处理模块。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块连接所述逻辑处理模块。
7.根据权利要求6所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述显示模块包括脉冲产生单元、隔离单元和显示单元，所述脉冲产生单元连接所述逻辑处理模块，所述隔离单元连接所述脉冲产生单元和所述显示单元。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，还包括连接所述逻辑处理模块的存储模块和通信模块中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述存储模块包括数据存储器和高速缓冲存储器，所述通信模块为USB通信模块。
10.根据权利要求1至5任意一项所述的继电保护系统硬件架构，其特征在于，所述执行模块包括过压保护单元、阈值保护单元和闭锁单元，所述过压保护单元、所述阈值保护单元和所述闭锁单元均连接所述逻辑处理模块。
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