童大中， 丁 鴻， 張 磊

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

基于Multisim10.0的數(shù)字式繼電保護(hù)裝置仿真

童大中， 丁 鴻， 張 磊

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

通過(guò)介紹數(shù)字式繼電保護(hù)裝置的A/D轉(zhuǎn)換原理、CPU原理、Trip原理和組成，以及利用Multisim軟件技術(shù)建立仿真模型的方法，全面闡述數(shù)字式繼電保護(hù)裝置的工作機(jī)理，為廣大繼電保護(hù)工作者提供借鑒.

數(shù)字式繼電保護(hù)裝置； 逐次比較法； BJT； 8051單片機(jī)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各大產(chǎn)業(yè)對(duì)能源的需求也在不斷增加，因此作為清潔能源，電力系統(tǒng)的發(fā)展也在與時(shí)俱進(jìn).毫無(wú)疑問(wèn)，電力系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，其影響范圍也將越來(lái)越大.為了保障整個(gè)社會(huì)的用電安全，確保電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，繼電保護(hù)將會(huì)在電力系統(tǒng)中扮演重要角色.但隨著科技的進(jìn)步，尤其是集成化數(shù)字電路的大規(guī)模運(yùn)用，繼電保護(hù)裝置被大大縮小，雖然節(jié)約了空間，并且提高了可靠性，卻逐漸使得裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式變得不為人所知.例如，作業(yè)人員在工作中一旦遇到繼電保護(hù)裝置內(nèi)部的問(wèn)題，首先想到的是直接更換裝置，而不去考慮問(wèn)題究竟出在哪里，怎樣去解決，久而久之便形成了習(xí)慣.長(zhǎng)此以往，就會(huì)影響到公司的可持續(xù)發(fā)展.本文的研究目的就在于利用現(xiàn)代仿真技術(shù)，對(duì)數(shù)字式繼電保護(hù)裝置進(jìn)行仿真，闡述其結(jié)構(gòu)和基本工作原理，脫去數(shù)字式保護(hù)裝置神秘的“外衣”，為二次作業(yè)人員的工作提供一定的參考和借鑒.

1 數(shù)字式繼電保護(hù)裝置的組成

數(shù)字式繼電保護(hù)裝置主要由A/D轉(zhuǎn)換、CPU和Trip三個(gè)部分組成，如圖1所示.電流和電壓互感器從線(xiàn)路、母線(xiàn)或變壓器上取得電流與電壓的信息量，作為一次模擬量輸入到A/D轉(zhuǎn)換部分，A/D轉(zhuǎn)換部分將所取得的電氣信息量由模擬量轉(zhuǎn)換為CPU部分可識(shí)別的數(shù)字量，CPU就會(huì)將該數(shù)字量進(jìn)行處理，判斷保護(hù)裝置是否應(yīng)該動(dòng)作.如果保護(hù)裝置應(yīng)該動(dòng)作，Trip部分的出口繼電器線(xiàn)圈上電，閉合操動(dòng)機(jī)構(gòu)回路，于是斷路器動(dòng)作.

從圖1和上面的分析不難看出，相比傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，數(shù)字式繼電保護(hù)裝置少了各類(lèi)繼電器，如電流繼電器、電壓繼電器和阻抗繼電器等.取代這些繼電器的是CPU強(qiáng)大的處理以及計(jì)算功能.CPU只需要將一次側(cè)采集到的電氣信息量進(jìn)行處理，再根據(jù)結(jié)果對(duì)Trip部分中的出口繼電器線(xiàn)圈是否上電作出指示，即可完成保護(hù)動(dòng)作.顯然，計(jì)算機(jī)的處理要比傳統(tǒng)的繼電器更加安全可靠，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不方便理解.

1.1A/D轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換俗稱(chēng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，其作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能的電子元件總稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC.常用的A/D轉(zhuǎn)換方法有三種，分別是逐次逼近法、雙積分法和電壓頻率轉(zhuǎn)換法.數(shù)字式繼電保護(hù)裝置中的A/D轉(zhuǎn)換常采用逐次逼近法.

根據(jù)圖2所示的原理框圖，在由啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)后，控制邏輯電路同時(shí)向移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器使能端ENB發(fā)出信號(hào)，使這三個(gè)電子器件處于工作狀態(tài).在第一個(gè)時(shí)鐘CP的作用下，移位寄存器的最高位置為1，其他位置為0，其輸出10000000經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器輸入D/A轉(zhuǎn)換器.此時(shí)，輸入模擬量電壓V1將首先與D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓(Vref/2)通過(guò)電壓比較器進(jìn)行比較，若V1≥(Vref/2)，則比較器輸出為1，反之則為0.比較器輸出的結(jié)果將反饋給數(shù)據(jù)寄存器并保存在Q7，之后作為數(shù)字量輸出.然后在第二個(gè)時(shí)鐘CP的作用下，移位寄存器的次高位置為1，其余低位置為0，如果最高位Q7已存1，則V1與(3Vref/4)比較，若V1≥(3Vref/4)，則比較器輸出為1，反之則輸出為0，結(jié)果將保存在Q6；如果最高位Q7已存0，則V1與(Vref/4)比較，之后反復(fù)以上過(guò)程，直到Q0最后輸出[1].

通過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，逐次比較型ADC的原理和天平稱(chēng)重的原理相似.天平稱(chēng)重時(shí)先將最終的砝碼拿上來(lái)，如果砝碼重，則拿掉砝碼，反之則留下砝碼.然后，再將次重的砝碼拿上來(lái)，反復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到拿完重量最小的砝碼，則物體的重量就是所有砝碼的重量.

1.2CPU原理

CPU，中央處理器，是一塊超大規(guī)模的數(shù)字集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的核心部件.它的功能主要是運(yùn)行計(jì)算機(jī)的指令和計(jì)算數(shù)據(jù).同樣，數(shù)字式繼電保護(hù)裝置的CPU也是其核心，是完成保護(hù)的關(guān)鍵.從ADC出來(lái)的數(shù)字量將會(huì)輸入CPU進(jìn)行處理，并判斷保護(hù)是否動(dòng)作，而且是何種保護(hù)需要?jiǎng)幼?

然而，光有CPU并不夠，它仍需要像隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O端口以及中斷、定時(shí)等其它功能的電路來(lái)完成整套保護(hù)動(dòng)作.例如，通過(guò)I/O端口來(lái)完成CPU數(shù)字的輸入和輸出；通過(guò)中斷、定時(shí)來(lái)完成保護(hù)的延時(shí)等.因此，可以將所有這些電路集成到一塊微小的芯片上構(gòu)成一個(gè)完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通常稱(chēng)之為單片機(jī).數(shù)字式繼電保護(hù)裝置的CPU部分實(shí)際上就是由單片機(jī)組成的，該單片機(jī)不僅能夠完成數(shù)字量的輸入或輸出，而且能夠外接鍵盤(pán)、顯示器和按鍵等設(shè)備[2].

1.3Trip原理

Trip在英文中的意思是跳出，顯然Trip部分的作用是根據(jù)CPU的指令對(duì)外部操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行通斷的操作.Trip部分的主要器件就是出口繼電器，該繼電器采用三極管BJT來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器線(xiàn)圈的通斷作用，這與傳統(tǒng)繼電器的結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別，因此有必要對(duì)BJT的開(kāi)關(guān)效應(yīng)進(jìn)行說(shuō)明.

圖3是NPN型共射極BJT輸出特性曲線(xiàn).從圖3中不難看出,BJT有三個(gè)工作區(qū)，分別是截止區(qū)、線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū).BJT以B極電流的大小來(lái)控制其工作在何種狀態(tài).當(dāng)IB=0 μA時(shí)為截止區(qū)，BJT工作在圖4(a)狀態(tài)，此時(shí)C、E兩極開(kāi)路；當(dāng)IB≥60 μA時(shí)為飽和區(qū)，BJT工作在圖4(b)狀態(tài)，此時(shí)C、E兩極為通路[3].

2 基于Multisim10.0的保護(hù)裝置仿真

整個(gè)保護(hù)電路的仿真如圖5所示.A/D轉(zhuǎn)換部分采用ADC模塊；CPU部分采用8051單片機(jī)；Trip部分采用BJT和繼電器K1.

8051單片機(jī)可采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言?xún)煞N編程方式.其編程的基本思路就是根據(jù)輸入數(shù)字量來(lái)判斷是否需要進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作.如果需要保護(hù)動(dòng)作，則結(jié)果輸出為高電平，反之則為低電平.如果輸出為高電平，則BJT為通路，繼電器線(xiàn)圈上電使K1閉合，操動(dòng)機(jī)構(gòu)上電.

表1為8051單片機(jī)各個(gè)引腳的作用.

表1 8051單片機(jī)引腳

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)數(shù)字式繼電保護(hù)裝置各個(gè)部分作了簡(jiǎn)單介紹，說(shuō)明了各個(gè)部分是如何運(yùn)作的，并且運(yùn)用Multisim10.0軟件進(jìn)行了仿真，確認(rèn)了其正確性.但其中也忽略了模擬量濾波、算法演示等環(huán)節(jié)，希望在日后的論文中可以逐一將其闡述.

本文的研究目的在于讓工作人員對(duì)數(shù)字式保護(hù)裝置有一個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)，為解決日后在工作中有可能遇到的有關(guān)問(wèn)題提供思路，同時(shí)也為日后在繼電保護(hù)方面的深入學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ).

[1] 張英平.基于單片機(jī)的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(2):54-57.

[2] 朱松林.繼電保護(hù)培訓(xùn)實(shí)用教程[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2012.

SimulationofDigitalRelayProtectionDeviceBasedonMultisim10.0

TONG Dazhong, DING Hong, ZHANG Lei

(Huzhou Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Huzhou 313000, China)

This paper introduces the principle and composition of the digital relay protection device and a method of using Multisim to establish the simulation model of the comprehensive exposition of the working mechanism of digital relay protection, and it can provide a reference for the relay protection workers.

digital relay protection device; successive comparison method; BJT; 8051 SCM

2016-10-12

童大中，助理工程師，研究方向：電力保護(hù)與控制.E-mail:397903923@qq.com

TM774

A

1009-1734(2017)08-0061-05

[責(zé)任編輯吳志慧]