童大中， 丁 鸿， 张 磊

(国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

基于Multisim10.0的数字式继电保护装置仿真

童大中， 丁 鸿， 张 磊

(国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

通过介绍数字式继电保护装置的A/D转换原理、CPU原理、Trip原理和组成，以及利用Multisim软件技术建立仿真模型的方法，全面阐述数字式继电保护装置的工作机理，为广大继电保护工作者提供借鉴.

数字式继电保护装置； 逐次比较法； BJT； 8051单片机

随着我国经济规模的不断扩大，各大产业对能源的需求也在不断增加，因此作为清洁能源，电力系统的发展也在与时俱进.毫无疑问，电力系统将会越来越复杂，其影响范围也将越来越大.为了保障整个社会的用电安全，确保电网的可靠运行，继电保护将会在电力系统中扮演重要角色.但随着科技的进步，尤其是集成化数字电路的大规模运用，继电保护装置被大大缩小，虽然节约了空间，并且提高了可靠性，却逐渐使得装置内部的结构和运行方式变得不为人所知.例如，作业人员在工作中一旦遇到继电保护装置内部的问题，首先想到的是直接更换装置，而不去考虑问题究竟出在哪里，怎样去解决，久而久之便形成了习惯.长此以往，就会影响到公司的可持续发展.本文的研究目的就在于利用现代仿真技术，对数字式继电保护装置进行仿真，阐述其结构和基本工作原理，脱去数字式保护装置神秘的“外衣”，为二次作业人员的工作提供一定的参考和借鉴.

1 数字式继电保护装置的组成

数字式继电保护装置主要由A/D转换、CPU和Trip三个部分组成，如图1所示.电流和电压互感器从线路、母线或变压器上取得电流与电压的信息量，作为一次模拟量输入到A/D转换部分，A/D转换部分将所取得的电气信息量由模拟量转换为CPU部分可识别的数字量，CPU就会将该数字量进行处理，判断保护装置是否应该动作.如果保护装置应该动作，Trip部分的出口继电器线圈上电，闭合操动机构回路，于是断路器动作.

从图1和上面的分析不难看出，相比传统的继电保护装置，数字式继电保护装置少了各类继电器，如电流继电器、电压继电器和阻抗继电器等.取代这些继电器的是CPU强大的处理以及计算功能.CPU只需要将一次侧采集到的电气信息量进行处理，再根据结果对Trip部分中的出口继电器线圈是否上电作出指示，即可完成保护动作.显然，计算机的处理要比传统的继电器更加安全可靠，但结构较为复杂，不方便理解.

1.1A/D转换原理

A/D转换俗称模数转换，其作用是将模拟信号转换为数字信号.实现这一转换功能的电子元件总称为A/D转换器，简称ADC.常用的A/D转换方法有三种，分别是逐次逼近法、双积分法和电压频率转换法.数字式继电保护装置中的A/D转换常采用逐次逼近法.

根据图2所示的原理框图，在由启动脉冲启动后，控制逻辑电路同时向移位寄存器、数据寄存器和D/A转换器使能端ENB发出信号，使这三个电子器件处于工作状态.在第一个时钟CP的作用下，移位寄存器的最高位置为1，其他位置为0，其输出10000000经数据寄存器输入D/A转换器.此时，输入模拟量电压V1将首先与D/A转换器输出电压(Vref/2)通过电压比较器进行比较，若V1≥(Vref/2)，则比较器输出为1，反之则为0.比较器输出的结果将反馈给数据寄存器并保存在Q7，之后作为数字量输出.然后在第二个时钟CP的作用下，移位寄存器的次高位置为1，其余低位置为0，如果最高位Q7已存1，则V1与(3Vref/4)比较，若V1≥(3Vref/4)，则比较器输出为1，反之则输出为0，结果将保存在Q6；如果最高位Q7已存0，则V1与(Vref/4)比较，之后反复以上过程，直到Q0最后输出[1].

通过以上分析不难发现，逐次比较型ADC的原理和天平称重的原理相似.天平称重时先将最终的砝码拿上来，如果砝码重，则拿掉砝码，反之则留下砝码.然后，再将次重的砝码拿上来，反复这个过程，直到拿完重量最小的砝码，则物体的重量就是所有砝码的重量.

1.2CPU原理

CPU，中央处理器，是一块超大规模的数字集成电路，是一台计算机的核心部件.它的功能主要是运行计算机的指令和计算数据.同样，数字式继电保护装置的CPU也是其核心，是完成保护的关键.从ADC出来的数字量将会输入CPU进行处理，并判断保护是否动作，而且是何种保护需要动作.

然而，光有CPU并不够，它仍需要像随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O端口以及中断、定时等其它功能的电路来完成整套保护动作.例如，通过I/O端口来完成CPU数字的输入和输出；通过中断、定时来完成保护的延时等.因此，可以将所有这些电路集成到一块微小的芯片上构成一个完善的计算机系统，通常称之为单片机.数字式继电保护装置的CPU部分实际上就是由单片机组成的，该单片机不仅能够完成数字量的输入或输出，而且能够外接键盘、显示器和按键等设备[2].

1.3Trip原理

Trip在英文中的意思是跳出，显然Trip部分的作用是根据CPU的指令对外部操动机构进行通断的操作.Trip部分的主要器件就是出口继电器，该继电器采用三极管BJT来实现对继电器线圈的通断作用，这与传统继电器的结构有很大的区别，因此有必要对BJT的开关效应进行说明.

图3是NPN型共射极BJT输出特性曲线.从图3中不难看出,BJT有三个工作区，分别是截止区、线性区和饱和区.BJT以B极电流的大小来控制其工作在何种状态.当IB=0 μA时为截止区，BJT工作在图4(a)状态，此时C、E两极开路；当IB≥60 μA时为饱和区，BJT工作在图4(b)状态，此时C、E两极为通路[3].

2 基于Multisim10.0的保护装置仿真

整个保护电路的仿真如图5所示.A/D转换部分采用ADC模块；CPU部分采用8051单片机；Trip部分采用BJT和继电器K1.

8051单片机可采用C语言与汇编语言两种编程方式.其编程的基本思路就是根据输入数字量来判断是否需要进行保护动作.如果需要保护动作，则结果输出为高电平，反之则为低电平.如果输出为高电平，则BJT为通路，继电器线圈上电使K1闭合，操动机构上电.

表1为8051单片机各个引脚的作用.

表1 8051单片机引脚

3 结 语

本文对数字式继电保护装置各个部分作了简单介绍，说明了各个部分是如何运作的，并且运用Multisim10.0软件进行了仿真，确认了其正确性.但其中也忽略了模拟量滤波、算法演示等环节，希望在日后的论文中可以逐一将其阐述.

本文的研究目的在于让工作人员对数字式保护装置有一个简单的认识，为解决日后在工作中有可能遇到的有关问题提供思路，同时也为日后在继电保护方面的深入学习打下一定的基础.

[1] 张英平.基于单片机的逐次比较型AD转换电路设计[J].阜阳师范学院学报(自然科学版),2014(2):54-57.

[2] 朱松林.继电保护培训实用教程[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3] 康华光.电子技术基础模拟部分[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，助理工程师，研究方向：电力保护与控制.E-mail:397903923@qq.com

TM774

A

1009-1734(2017)08-0061-05

[责任编辑吴志慧]