一种带方向的距离保护硬件电路及其实现方法
【技术领域】：
[0001]本发明属于计算机应用领域，具体涉及一种带方向的距离保护硬件电路及其实现 方法。
【背景技术】：
[0002] 在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的 安全稳定运行提出了更高、更严格的要求。继电保护系统是电力系统的重要组成部分，而对 于IlOkV及以上电压等级的线路，由于负荷电流大、线路长，电流保护往往不能满足技术要 求，从而需要采用距离保护。
[0003] 现阶段距离保护主要是微机距离保护，其典型流程为：
[0004] 1)首先是经过启动元件判断有无故障，采用电流突变量法和零序电流法结合的方 式；
[0005] 2)然后经过选相元件判断故障相，通常采用相电流差突变量选相和电流序分量选 相的方法；
[0006] 3)最后利用测量元件计算测量阻抗和判断故障方向。
[0007] 可以看到由于需要经过先启动后选相的过程，这种方法的主要缺点是阻抗计算缺 乏实时性，并且还存在启动过程判断可靠性差、速度慢及计算过程复杂等缺点。另一方面， 传统微机距离保护采用微控制器(MCU)，但是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。因此，基于传统的微机距离保护已经不能满足新算法及理论的要 求。
【发明内容】
：
[0008] 本发明的目的在于克服以上现有技术的缺点，提供了一种利用可编程ASIC技术实 现带方向的距离保护硬件电路及其实现方法，代替了以往的电力系统微机保护。提供一种 智能电器专用芯片的设计方法，通过微机保护专用芯片，用硬件实现了以往软件实现的距 离保护的功能。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
[0010] -种带方向的距离保护硬件电路，包括数据采集模块、数据处理模块、距离保护算 法模块和继电器模块;其中，
[0011]数据采集模块，用于采集电抗变压器的输入输出三相电压电流信号，并将采集的 电抗变压器的输入输出三相电压电流信号作为数据处理模块的数据输入；
[0012] 数据处理模块，用于对输入三相电压电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的 结果作为距离保护算法模块的输入；
[0013] 距离保护算法模块，用于对数据处理模块输入的电压电流信号进行距离保护设 计，将最终动作信号作为继电器的输入；
[0014]继电器模块，用于根据距离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，则继电器断开。
[0015] 本发明进一步的改进在于，数据采集模块包括电压、电流互感器、多路模拟开关 MUX和A/D转换器，其中，
[0016] 电压、电流互感器，用于将采集到的电压电流进行缩小，并将缩小后的电压电流信 号作为多路模拟开关MUX的输入；
[0017] 多路模拟开关MUX，用于对电压电流信号进行通断选择，并将选择通过的电压电流 信号作为A/D转换器的输入；
[0018] A/D转换器，用于将MUX选择通过的信号进行模/数转换，将转换后的电压电流信号 送入数据处理模块。
[0019] 本发明进一步的改进在于，距离保护算法模块包括正序电压计算模块、控制信号 及电压锁存输出模块、接地/相间距离保护阻抗计算模块和方向距离保护继电器动作模块； 其中，
[0020] 正序电压计算模块，用于通过数据采集模块测得三相电流和电压，并通过数据处 理模块对三相电流和电压经过滤波算法，得到三相电流和电压的实部虚部值，正序电压计 算模块根据三相电流和电压的实部虚部值最终完成三相电压正序分量实部虚部值及对应 相差电压正序分量实部虚部值的计算；
[0021] 控制信号及电压锁存输出模块，用于通过判断是否三相短路，即利用比较器对正 序电压计算模块输出的正序电压分量进行判断输出控制信号，如果控制信号为1，则输出正 序电压前一周期的值直到控制信号变为〇;如果控制信号为〇,则直接实时输出正序电压值； [0022]接地/相间距离保护阻抗计算模块，用于根据电压锁存输出模块得到的三相电压 正序分量实部虚部值及对应相差电压正序分量实部虚部值、三相电压电流的实部虚部值以 及整定阻抗的实部虚部值，依据相位比较的方向圆距离保护动作方程，通过计算阻抗，判断 距离保护是否动作，若计算结果的实部小于〇,则置动作标志为1;
[0023] 方向距离保护继电器动作模块，用于将接地/相间距离保护阻抗计算模块输出的 动作标志赋值给动作变量，将最终动作信号作为继电器的输入。
[0024] -种带方向的距离保护硬件电路的实现方法，包括以下步骤：
[0025] 1)数据采集模块采集电抗变压器的输入输出三相电压电流信号，并将采集的电抗 变压器的输入输出三相电压电流信号作为数据处理模块的数据输入；
[0026] 2)数据处理模块对输入三相电压电流信号进行滤波运算，并将滤波运算后的结果 作为距离保护算法模块的输入；
[0027] 3)距离保护算法模块对数据处理模块输入的电压电流信号进行距离保护设计，将 最终动作信号作为继电器的输入；
[0028] 4)继电器根据距离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，则继电器断开。
[0029] 本发明进一步的改进在于，步骤1)的实现方法如下：
[0030] 1-1)电压、电流互感器，用于将采集到的电压电流进行缩小，并将缩小后的电压电 流信号作为多路模拟开关MUX的输入；
[0031] 1-2)多路模拟开关MUX，用于对电压电流信号进行通断选择，并将选择通过的电压 电流信号作为A/D转换器的输入；
[0032] 1-3)A/D转换器，用于将MUX选择通过的信号进行模/数转换，将转换后的电压电流 信号送入数据处理模块。
[0033]本发明进一步的改进在于，步骤3)中距离保护算法模块包括正序电压计算模块、 控制信号及电压锁存输出模块、接地/相间距离保护阻抗计算模块和方向距离保护继电器 动作模块;其实现方法如下：
[0034] 3-1)正序电压计算模块通过数据采集模块测得三相电流和电压，并通过数据处理 模块对三相电流和电压经过滤波算法，得到三相电流和电压的实部虚部值，正序电压计算 模块根据三相电流和电压的实部虚部值最终完成三相电压正序分量实部虚部值及对应相 差电压正序分量实部虚部值的计算；
[0035] 3-2)控制信号及电压锁存输出模块通过判断是否三相短路，即利用比较器对正序 电压计算模块输出的正序电压分量进行判断输出控制信号，如果控制信号为1，则输出正序 电压前一周期的值直到控制信号变为0;如果控制信号为0,则直接实时输出正序电压值；
[0036] 3-3)接地/相间距离保护阻抗计算模块根据电压锁存输出模块得到的三相电压正 序分量实部虚部值及对应相差电压正序分量实部虚部值、三相电压电流的实部虚部值以及 整定阻抗的实部虚部值，依据相位比较的方向圆距离保护动作方程，通过计算阻抗，判断距 离保护是否动作，若计算结果的实部小于〇,则置动作标志为1;
[0037] 3-4)方向距离保护继电器动作模块将接地/相间距离保护阻抗计算模块输出的动 作标志赋值给动作变量，将最终动作信号作为继电器的输入。
[0038] 本发明进一步的改进在于，步骤3-1)的实现方法如下：正序电压计算模块使用了 三个加法器、两个减法器和一个乘法器，其中三个加法器和两个减法器用于对三相电压和 计算中间值的实部和虚部进行相加或相减，乘法器用于对实部和虚部乘以一定倍数，最终 得到正序分量的实部和虚部。
[0039] 本发明进一步的改进在于，步骤3-2)的实现方法如下：控制信号及电压锁存输出 模块使用了六个绝对值器、六个比较器和六个锁存器，六个绝对值器用于对正序电压分量 的实部或者虚部值取绝对值，六个比较器用于对绝对值器输出的相电压或相差电压实部虚 部值分别与定值进行比较，并将比较结果输出作为控