基于Multisim10.0的數(shù)字式繼電保護裝置仿真

童大中， 丁 鴻， 張 磊

(國網(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)字式繼電保護裝置仿真

童大中， 丁 鴻， 張 磊

(國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

通過介紹數(shù)字式繼電保護裝置的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)字式繼電保護裝置的工作機理，為廣大繼電保護工作者提供借鑒.

數(shù)字式繼電保護裝置； 逐次比較法； BJT； 8051單片機

隨著我國經(jīng)濟規(guī)模的不斷擴大，各大產(chǎn)業(yè)對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)展也在與時俱進.毫無疑問，電力系統(tǒng)將會越來越復(fù)雜，其影響范圍也將越來越大.為了保障整個社會的用電安全，確保電網(wǎng)的可靠運行，繼電保護將會在電力系統(tǒng)中扮演重要角色.但隨著科技的進步，尤其是集成化數(shù)字電路的大規(guī)模運用，繼電保護裝置被大大縮小，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裝置內(nèi)部的問題，首先想到的是直接更換裝置，而不去考慮問題究竟出在哪里，怎樣去解決，久而久之便形成了習(xí)慣.長此以往，就會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)，對數(shù)字式繼電保護裝置進行仿真，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)字式繼電保護裝置的組成

數(shù)字式繼電保護裝置主要由A/D轉(zhuǎn)換、CPU和Trip三個部分組成，如圖1所示.電流和電壓互感器從線路、母線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部分可識別的數(shù)字量，CPU就會將該數(shù)字量進行處理，判斷保護裝置是否應(yīng)該動作.如果保護裝置應(yīng)該動作，Trip部分的出口繼電器線圈上電，閉合操動機構(gòu)回路，于是斷路器動作.

從圖1和上面的分析不難看出，相比傳統(tǒng)的繼電保護裝置，數(shù)字式繼電保護裝置少了各類繼電器，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強大的處理以及計算功能.CPU只需要將一次側(cè)采集到的電氣信息量進行處理，再根據(jù)結(jié)果對Trip部分中的出口繼電器線圈是否上電作出指示，即可完成保護動作.顯然，計算機的處理要比傳統(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)換俗稱模數(shù)轉(zhuǎn)換，其作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能的電子元件總稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱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，在由啟動脈沖啟動后，控制邏輯電路同時向移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器使能端ENB發(fā)出信號，使這三個電子器件處于工作狀態(tài).在第一個時鐘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，輸入模擬量電壓V1將首先與D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓(Vref/2)通過電壓比較器進行比較，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.然后在第二個時鐘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)以上過程，直到Q0最后輸出[1].

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，逐次比較型ADC的原理和天平稱重的原理相似.天平稱重時先將最終的砝碼拿上來，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，反復(fù)這個過程，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，是一臺計算機的核心部件.它的功能主要是運行計算機的指令和計算數(shù)據(jù).同樣，數(shù)字式繼電保護裝置的CPU也是其核心，是完成保護的關(guān)鍵.從ADC出來的數(shù)字量將會輸入CPU進行處理，并判斷保護是否動作，而且是何種保護需要動作.

然而，光有CPU并不夠，它仍需要像隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O端口以及中斷、定時等其它功能的電路來完成整套保護動作.例如，通過I/O端口來完成CPU數(shù)字的輸入和輸出；通過中斷、定時來完成保護的延時等.因此，可以將所有這些電路集成到一塊微小的芯片上構(gòu)成一個完善的計算機系統(tǒng)，通常稱之為單片機.數(shù)字式繼電保護裝置的CPU部分實際上就是由單片機組成的，該單片機不僅能夠完成數(shù)字量的輸入或輸出，而且能夠外接鍵盤、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的指令對外部操動機構(gòu)進行通斷的操作.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來實現(xiàn)對繼電器線圈的通斷作用，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BJT的開關(guān)效應(yīng)進行說明.

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

2 基于Multisim10.0的保護裝置仿真

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

8051單片機可采用C語言與匯編語言兩種編程方式.其編程的基本思路就是根據(jù)輸入數(shù)字量來判斷是否需要進行保護動作.如果需要保護動作，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，繼電器線圈上電使K1閉合，操動機構(gòu)上電.

表1為8051單片機各個引腳的作用.

表1 8051單片機引腳

3 結(jié) 語

本文對數(shù)字式繼電保護裝置各個部分作了簡單介紹，說明了各個部分是如何運作的，并且運用Multisim10.0軟件進行了仿真，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數(shù)字式保護裝置有一個簡單的認(rèn)識，為解決日后在工作中有可能遇到的有關(guān)問題提供思路，同時也為日后在繼電保護方面的深入學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ).

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

[2] 朱松林.繼電保護培訓(xùn)實用教程[M].北京：中國電力出版社，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：電力保護與控制.E-mail:397903923@qq.com

TM774

A

1009-1734(2017)08-0061-05

[責(zé)任編輯吳志慧]