Trong thời gian gần đây, người ta cĩ thể xử lý một khối lượng lớn thơng tin trong một thời gian rất ngắn đối với chế độ làm việc của trang thiết bị điện được bảo vệ. Hiện nay, trong hệ thống điện những thơng tin này được xử lý bằng máy vi tính. Cũng tương tự như các bảo vệ thực hiện bằng điện cơ, điện tử, bảo vệ bằng kỹ thuật số cũng cĩ những phần chức năng: đo lường, tạo thời gian, phần logic hoạt động theo chương trình định trước để đi điều khiển các máy cắt.
Với khả năng linh động của các rơle dùng kỹ thuật số, ngồi chức năng phát hiện ngắn mạch, cịn làm nhiệm vụ đo lường, định vị trí sự cố, lưu trữ các hiện tượng trước và sau thời điểm ngắn mạch, phân tích dữ liệu hệ thống, dễ dàng giao tiếp với các bảo vệ khác, hiển thị thơng tin dễ dàng cho người sử dụng.
Một rơle kỹ thuật số cĩ thể bao gồm các bộ phận: bộ biến đổi I sang V, bộ lọc, bộ chỉnh lưu chính xác, bộ dịch pha, bộ phát hiện đi qua điểm zero, bộ chọn kênh, mạch lấy mẫu và giữ, bộ biến đổi ADC, bộ vi xử lý, bộ xuất nhập, các tiếp điểm rơle điều khiển…
Hình 5.1 Sơ đồ khối của Rơle số
Hình 5.1 minh họa cấu trúc điển hình phần cứng của một rơle. Điện áp đầu vào hoặc dịng điện đầu vào của rơle được lấy qua các BU và BI từ đối tượng bảo
vệ. Các tín hiệu tương tự chỉ chuyển sang tín hiệu số đối với điện áp nên đối với các tín hiệu dịng điện thì trước tiên phải biến đổi nĩ sang điện áp theo nhiều cách. Ví dụ: cho dịng điện chạy qua một điện trở cĩ giá trị xác định và lấy điện áp trên hai đầu của điện trở đĩ để biểu diễn dịng điện.
Tín hiệu từ máy biến điện áp và máy biến dịng sau khi đã được biến đổi thành tín hiệu áp tương ứng được cho qua bộ lọc để tránh lỗi giả. Sau khi qua bộ lọc, các tín hiệu này sẽ cho qua hay khơng cho qua bộ chỉnh lưu chính xác và đầu ra sẽ được đưa vào bộ chọn kênh. Bộ vi xử lý trung tâm sẽ gửi lệnh đến bộ chọn kênh để mở ra kênh mong muốn. Đầu ra bộ chọn kênh sẽ đưa vào bộ biến đổi A/D, để biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và đưa vào bộ vi xử lý. Nguyên lý biến đổi tín hiệu phải qua mạng lấy mẫu và giữ cho tín hiệu điện áp tức thời khơng thay đổi trong chu kỳ biến đổi.
Đầu ra của bộ biến đổi AD là tín hiệu số tương ứng với tín hiệu tương tự đầu vào và đưa vào bộ vi xử lý. Tác động liên thơng của bộ vi xử lý trung tâm với bộ nhớ (chương trình phần mềm) cho phép đo trị số đặt, xác định đặc tuyến khởi động của bảo vệ theo chương trình định trước, xác định thời gian làm việc, logic tác động, tự động thay đổi sự quan hệ trong phần logic phụ thuộc vào các tín hiệu từ các đối tượng được bảo vệ, và sau cùng cho quyết định đi điều khiển máy cắt, thơng qua các bộ xuất nhập, DAC, tiếp điểm rơle…
1.1.1. Bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý là một thiết bị số lập trình được, nĩ cĩ thể thực hiện tất cả các chức năng như một CPU của máy vi tính và nĩ được chế tạo thành một khối IC. Nĩ cĩ thể tìm kiếm những chỉ thị trong bộ nhớ, giải mã và thi hành các chỉ thị đĩ, thực hiện các phép tốn số học và logic, nhập dữ liệu từ thết bị nhập và gửi kết quả cho thiết bị xuất. Phần chính của một bộ vi xử lý giống như một CPU thơng thường, bao gồm: bộ số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU), bộ định thì và điều khiển (Timing and Control Unit – TCU), các thanh ghi. Bộ vi xử lý liên kết với bộ nhớ và các thiết bị nhập xuất cĩ dạng như một máy vi tính.
1.1.2. Các thiết bị nhập xuất
Bộ vi xử lý liên lạc với thế giới bên ngồi thơng qua các thiết bị nhấp xuất. nĩ nhận dũ liệu nhị phân và các chỉ thị từ thiết bị nhập và gửi kết quả đã xử lý đến thiết bị xuất. các thiết bị nhập xuất cịn gọi là thiết bị ngoại vi:
- Thiết bị nhập: bàn phím, bộ biến đổi tương tự số…
- Bộ cảm biến: dùng để nhận biết các thơng số vật lý thay đổi và biến đổi chúng thành dạng điện tử để đưa vào bộ vi xử lý.
- Màn hình: dùng để biến đổi tín hiệu ra thành dạng mà con người cĩ thể đọc được.
- Thiết bị xuất: dùng để dịch tín hiệu ngõ ra ở dạng logic sang tín hiệu điện hoặc cơ ở dạng tương tự (đèn bảy đoạn, LEDS, máy in, bộ biến đổi số tương tự…) 1.1.3. Bộ nhớ
Bộ vi xử lý cần cĩ bộ nhớ để lưu trữ chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ là sự tập hợp các thanh ghi, mội thanh ghi lưu trữ một từ cĩ số bit khác nhau. Bộ nhớ bán dẫn cĩ hai loại: ROM và RAM.
RAM: là bộ nhớ chủ yếu trong máy tính và cĩ thể thay đổi được, bởi vì dữ liệu lưu trữ trong RAM sẽ bị mất khi nĩ mất nguồn. RAM được dùng khi chương trình hoặc dữ liệu địi hỏi phải được lưu trữ cũng như thay đổi khi cần thiết. RAM cũng dùng để lưu trữ tín hiệu đo lường dịng áp trong một khoảng thời gian cho mục đích ghi nhận dạng sự cố. Từ một vị trí bất kỳ cĩ thể được truy xuất mà khơng cần quan tâm đến những vị trí khác. Nĩ cũng được gọi là bộ nhớ truy xuất trực tiếp.
ROM: được dùng để lưu trữ những chương trình cố định. Nĩ được gọi là bộ nhớ khơng thay đổi và dữ liệu khơng bị mất khi mất nguồn. Cĩ hai loại RAM:
- Loại được lập trình sẵn, dữ liệu chương trình được viết vào khi sản xuất. - Loại cho phép người dùng được lập trình như Programmable ROM (PROM) hoặc cĩ thể lập trình và xĩa như EPROM (được dùng để chứa các trị số đặt của rơle). 1.1.4. Các bộ chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự
a. Bộ chuyển đổi tương tự - số
Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thĩng xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự (ADC) nhằm biến dổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang số được minh họa bởi đặc tính truyền đạt.
Tín hiệu tương tự UA được chuyển thành dạng bậc thang đều. Với đặc tính truyền đạt như vậy, giá trị UA được biểu diễn bởi một giá trị đại diện số thích hợp. Các giá trị đại diện số là các giá trị rời rạc. Mạch biến đổi AD là các thiết bị số thường dùng hệ cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. 1 2 3 4 5 6 7 111 110 101 100 011 010 001 000 UD UA
Hình 5.2. Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số
Một cách tổng quát, gọi tín hiệu tương tự là SA (UA), tín hiệu số là SD (UD), SD được biểu diễn dưới dạng số nhị phân như sau:
SD = bn-1.2n-1+ bn-2.2n-2+ ... + b0.20
Trong đĩ: hệ số bk = 0 hoặc 1 (với k = 0,..., n-1) và được gọi là bit
bn-1– được gọi là bit cĩ nghĩa nhỏ nhất (MSB), tương ứng với cột đứng đầu bên trái của dãy mã số. Mỗi biến đổi giá trị của MBS ứng với sự biến đổi của tín hiệu là nửa dãy làm việc
b0 – được gọi là bit cĩ nghĩa nhỏ nhất (LSB), tương ứng với cột đứng đầu bên phải mã số. Mỗi biến đổi tín hiệu là một mức lượng tử (một nấc của hình bậc thang).
Với một mạch biến đổi cĩ N bit, tức N số hạng trong dãy nhị phân (hình vẽ trên 16n = 3) thì mỗi nấc thang trên hình bậc thang chiếm giá trị
Q = ULSB = UAM/2N-1
Trong đĩ: UAM là giá trị cực đại cho phép của điện áp tương tự ở đầu vào ADC. Giá trị của ULSB hay Q gọi là mức lượng tử.
Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc nên trong quá trình chuyển đổi AD xuất hiện một sai số gọi là sai số lượng tử hĩa, được xác định như sau:∆UQ= 1/2 Q.
Khi chuyển đổi AD phải thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm bảo khơi phục lại tín hiệu một cách trung thực, tần số lấy mẫu fM phải thỏa mãn điều kiện sau: fM≥ 2fthmax ≈ 2B
Trong đĩ: fthmax – tần số cực đại của tín hiệu; B – dải tần số của tín hiệu. b. Bộ chuyển đổi số - tương tự
Chuyển đổi số - tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ n số hạng (N bit) đã biết tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử (một LSB).
Chuyển đổi số - tương tự khơng phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi tương tự - số vì khơng thể thực hiện phép thực hiện phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hĩa. Quá trình chuyển đổi số - tượng tự dễ dàng hơn quá trình chuyển đổi tượng tự số.
Quá trình chuyển đổi số - tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự đã lấy mẫu được. Tín hiệu dầu ra là tín hiệu rời rạc theo tời gian, tín hiệu này được đưa qua một bọ lọc thơng thấp lý tưởng. Trên đầu ra của bộ lọc cĩ tín hiệu UA biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của UM.
1.1.5. Bộ lấy mẫu và giữ
Khi bộ ADC thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số phải mất thời gian biến đổi. Nếu tín hiệu tương tự đầu vào khơng là hằng số trong chu kỳ biến đổi, tín hiệu số ra của ADC sẽ khơng tương ứng với các giá trị tín hiệu tương tự khởi đầu. Một mạch lấy mẫu và giữ (S/H) được dùng để giữ giá trị tức thời thay đổi của tín hiệu tương tự là hằng số trong chu kỳ biến đổi. Mạch sẽ cĩ hai chức năng lấy mẫu và giữ.
1.2. Bộ chọn kênh
Các tín hiệu sau đi qua mạch lấy mẫu và giữ được đưa vào bộ chọn kênh, sau đĩ tùy tín hiệu của máy đưa vào để điều khiển mà kênh được chọn sẽ là kênh nào tín hiệu sẽ được đưa tiếp vào bộ biến đổi AD.
Các bộ chọn kênh là các hệ lơgic tổ hợp cĩ nhiều đầu vào và một hoặc hai đầu ra (liên hợp với nhau) các đầu vào gồm cĩ ba loại:
Các đầu vào dữ liệu: dùng để đưa dữ liệu vào. Các đầu vào địa chỉ: dùng để chọn địa chỉ.
Đầu vào cho phép: thực hiện chức năng điều khiển.
Một bộ chọn kênh cĩ thể biểu diễn như hình 5. 2. Nhiệm vụ của bộ chọn kênh là chuyển thơng tin từ một đầu vào dữ liệu cĩ địa chỉ xác định nhờ các đầu vào địa chỉ đến đầu ra khơng đảo khi đầu vào cho phép ở trạng thái tích cực.
Hình 5.3. Sơ đồ khối của bộ chọn kênh
Tín hiệu đầu ra của bộ ADC cĩ thể biến đổi tùy ý bởi bộ vi xử lý. Nhìn chung trong một rơle số người ta sử dụng nhiều bộ vi xử lý (để thực hiện các chức năng khác nhau). Ví dụ bộ vi xử lý TMS320 để thực hiện thuật tốn của rơle, bộ vi xử lý 80186 để thực hiện các phép tốn logic. Bộ vi xử lý được đưa vào chế độ làm việc theo chương trình được cài đặt sẵn trong bộ nhớ ROM, đây là bộ nhớ khơng thay đổi được và khơng bị mất dữ liệu khi bị mất nguồn. Nĩ so sánh thơng tin đầu vào với các giá trị đặt chứa trong bộ nhớ EEPROM (bộ nhớ chỉ đọc, lập trình điện và xĩa được bằng điện). Các phép tính trung gian được lưu giữ tạm thời ở bộ nhớ RAM.
Modul nguồn làm nhiệm vụ biến đổi nguồn một chiều thành nhiều nguồn một chiều cĩ cấp điện áp khác nhau để cung cấp cho các chức năng khác nhau của rơle. Đây là bộ biến đổi DC/DC với đầu vào lấy từ acquy, hoặc bộ nguồn chỉnh lưu lấy điện từ lưới điện tự dùng của trạm. Vì nguồn cung cấp từ acquy thường khơng ổn định trong khi rơle số lại rất nhạy đối với sự thăng giáng của điện áp nên trong nội bộ rơle
Đầu ra khơng đảo BỘ CHỌN KÊNH Đầu ra đảo F F Đầu vào dữ liệu
Đầu vào địa chỉ E
số đã được tích hợp một nguồn DC phụ cĩ giá trị biến đổi với phạm vi ± 5 V hoặc ± 1 V nhằm ổn định nguồn cung cấp cho rơle số.
1.2.1. Giao diện của rơle số
Truyền dữ liệu (communication) là điều cần thiết vì ba lý do sau đây: - Để dễ dàng cho việc cài đặt các chương trình vào bên trong rơle. - Rơle phải trao đổi dữ liệu với các bộ phận đo lường ở xa.
- Rơle phải phát ra tín hiệu đi cắt (Trip) và tín hiệu báo động (Alarm) khi cĩ sự cố.
Khơng giống các rơle điện cơ và các loại rơle tĩnh khác, rơle số hầu như khơng cần phải hiệu chỉnh. Việc cài đặt thường thực hiện bằng các chương trình phần mềm từ một máy tính cá nhân hay được tích hợp trong rơle. Vì lý do đĩ mà một số loại giao diện đã được sử dụng để người dùng trao đổi dữ liệu với rơle.
* Loại 1: Loại này phổ biến đối với các loại rơle số hiện đại cĩ màn hình tinh thể lỏng (LCD) và bàn phím lắp ở mặt trước của rơle. Để nhập các giá trị cài đặt, người sử dụng phải ấn các phím để hiển thị và thay đổi các giá trị số xuất hiện trên màn hình.
* Loại 2: Sử dụng màn hình hiển thị thơng thường (VDU) nối đến rơle số thơng qua cổng nối tiếp. Loại giao diện này thường thấy ở các trạm biến áp (để hiển thị sơ đồ vận hành) hoặc được sử dụng trong sơ đồ kết nối với rơle tại trạm qua modem từ trung tâm điều khiển ở xa để lấy dữ liệu hay cài đặt lại thơng số.
Yêu cầu đối với rơle số là phải cĩ phương pháp phát ra tín hiệu đi cắt và tín hiệu báo động thích hợp. Vì các tín hiệu này cĩ dạng mã nhị phân (Binary) cho nên bộ vi xử lý dễ dàng giải mã các địa chỉ. Mặc dù cơng nghệ số đã được áp dụng trong bảo vệ rơle nhưng các tín hiệu cắt và báo động vẫn phải là các tín hiệu tương tự để đưa đến các rơle điện cơ thực hiện mệnh lệnh.
1.2.2. Phân loại
- Theo chức năng sử dụng: Rơle bảo vệ và Rơle điều khiển
- Theo khả năng xử lý thơng tin: Rơle cĩ tiếp điểm và Rơle khơng cĩ tiếp điểm.
- Theo số lượng đại lượng đầu vào: Rơ le một đại lượng (Rơle dịng điện, Rơle điện áp…), Rơle nhiều đại lượng vào (Rơle cơng suất…)