Các bộ biến đổi này ngoài nhiệm vụ làm phù h p các giá trị tương tự cho mạch tín hiệu tiếp theo mà còn có chức năng ngăn cách về mặt vật lý giữa đầu vào và mạch bên trong rơle để bảo vệ
Trang 1Đối với các rơle dùng cả áp lẫn dòng như rơle khoảng cách có thể có tất cả các đầu vào như trên (8 đầu vào)
Các giá trị định mức của BU, BI được sử dụng tại các đầu vào tương tự cần phải được cài đặt trong bộ nhớ của rơle
Các đầu vào tương tự được nối tới các cuộn biến dòng hoặc biến áp trung gian đầu vào đặt bên trong rơle Các bộ biến đổi này ngoài nhiệm vụ làm phù
h p các giá trị tương tự cho mạch tín hiệu tiếp theo mà còn có chức năng ngăn cách về mặt vật lý giữa đầu vào và mạch bên trong rơle để bảo vệ phần điện có công suất thấp
3.2/ Đầu vào số
Đầu vào số hay con gọi là đầu vào trạng thái, cung cấp thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống điện Các đầu vào này có thể chia làm 3 loại và thay
đổi tùy theo từng rơle bảo vệ
• Thông tin do đối tượng bảo vệ cung cấp như máy cắt, dao tiếp đất ở trạng thái đóng, mở (do tiếp điểm phụ cung cấp) MC không làm việc vv…
• Thông tin do các bảo vệ cung cấp như bảo vệ khí của máy biến áp (bảo vệ Bucholz) cảnh báo hay tác động, tín hiệu khóa hay cho phép trong sơ đồ cắt liên động, tín hiệu cắt trực tiếp từ bảo vệ cấp dưới vv…
• Tín hiệu điều khiển từ xa của người sử dụng như giải trừ các cảnh báo, giải trừ rơle, điều khiển đóng, cắt máy cắt, lấy thông tin nhật ký làm việc của Rơle và bản ghi các sự kiện vv…
Tín hiệu đầu vào thường là tín hiệu áp được lấy từ nguồn phụ một chiều (Uphụ) Nguồn này có thể là nguồn 1 chiều nuôi rơle hoặc điện áp có các giá trị
định mức như sau: 24, 30, 60, 110, 220 V Thông thường một rơle được chế tạo
có khả năng làm việc với nhiều điện áp tín hiệu ở đầu vào số khác nhau Việc chuyển đổi điện áp làm việc được thực hiện bằng các cầu nhảy (Jumper) hay để nguyên hoặc cắt các dây nối tại một vài vị trí trên bản mạch thiết bị
Về mặt cấu tạo, sơ đồ mạch tín hiệu đầu vào thường là các bộ cách ly làm việc theo 2 nguyên tắc khác nhau có tác dụng bảo vệ thiết bị chống sự cố bên ngoài
Trang 2• Bộ cách ly đầu vào sử dụng Comparator có sơ đồ nh− hình 1 - 2
Hình 1 - 2: Bộ cách ly đầu vào sử dụng Comparator
Nó sử dụng khuếch đại thuật toán với tổng trở đầu vào lớn Tín hiệu đầu ra của bộ Comparator khi điện áp tín hiệu lớn hơn Ung−ỡng
Ta có: Ud= Ung−ỡng-Uphụ nên:
Khi Ud>0 tức là Ung−ỡng>Uphụ suy ra Ura=Vsat
Khi Ud<0 tức là Ung−ỡng<Uphụ suy ra Ura= - Vsat
Cuộn L: Có tác dụng chặn các xung nhiễu ở đầu vào điốt D: Đóng vai trò tạo ng−ỡng cho mạch đầu vào
• Bộ cách ly đầu vào sử dụng bộ chuyển đổi quang điện
Hình 1 - 3: Bộ cách ly đầu vào sử dụng bộ chuyển đổi quang điện
Khi có điện áp tín hiệu điốt phát quang sáng làm mở thông Tranzitor truyền tín hiệu điện áp vào mạch bên trong Bộ chuyển đổi quang điện đ−ợc thiết
kế với cổng có điều khiển ở đầu vào, nó chỉ cho tín hiệu vào bên trong khi bộ vi
xử lý quét đến đầu vào số đang xét, điều này làm giảm công suất tiêu thụ của mạch đầu vào số trong chế độ chờ
Trang 33.3/ Đầu ra số
Các tín hiệu đầu ra số có thể phân biệt theo 4 nhóm:
• Nhóm tín hiệu điều khiển
Nó được đóng, cắt mạch bởi các rơle đầu ra thường sử dụng rơle có tiếp
điểm làm phần tử thao tác đầu ra Điẹn áp làm việc của chúng thường là dòng một chiều dưới 24V Tiếp điểm có khả năng làm việc với dòng cắt lớn
Tiếp điểm điều khiển thường có công suất cắt và dòng làm việc lớn hơn tiếp điểm báo hiệu Đôi khi để tăng độ tin cậy thao tác người ta sử dụng các cặp tiếp điểm kép mắc song song để giảm khả năng tiếp điểm bị hở khi khép mạch Trên hình 1- 4 giới thiệu sơ đồ làm việc có kết hợp giữa đầu vào và đầu ra
số với cuộn điều khiển máy cắt
Hình 1- 4: Sơ đồ làm việc kết hợp giữa đầu vào/đầu ra số của rơle số
Khi MC mở, cuộn cắt bị khóa bởi tiếp điểm phụ 2 của MC Tiếp điểm phụ
3 đóng thì đầu vào số “MC mở” nhận được tín hiệu điện áp
Khi tiếp điểm Rơle đầu ra “Đóng MC” khép mạch, cuộn đóng CĐ có điện tiếp điểm phụ MC sẽ khóa cuộn đóng và đưa cuộn cắt CC vào tình trạng sẵn sàng làm việc Điện áp biến mất ở đầu vào I2, đồng thời ở đầu vào I1 thông báo trạng thái “MC đóng”
Trang 4• Nhóm các tín hiệu điều khiển
Cũng sử dụng các rơle có tiếp điểm để đi báo tín hiệu bằng đèn, còi vv…
• Nhóm tín hiệu điều khiển đèn LED
Trên mặt trước của rơle thông báo các thông tin cơ bản nhất về tình trạng làm việc của rơle Các tín hiệu này không sử dụng tiếp điểm đầu ra vì điện áp làm việc của đèn LED rất bé (<3V), mà lấy trực tiếp đầu ra của các vi mạch số phần lôgic sau khi đã được khuếch đại
Mỗi đèn LED tương ứng với một thông tin cần báo cho người sử dụng hoặc nó cũng có thể gán thông báo nào đó bằng cách lập trình từ bàn phím do người sử dụng thực hiện (marshaling)
• Nhóm các tín hiệu trạng thái bên trong rơle
Trong nhiều rơle số thường đặt một số thanh ghi để ghi nhận trạng thái của các phần tử lôgic và các chức năng bảo vệ dưới dạng tham số Qua đó người
sử dụng có thể hiển thị các tham số này trên màn hình của rơle hoặc truy suất từ
xa qua cổng tuần tự
4/ Xử lý tín hiệu tương tự
4.1/ Các bộ biến đổi đầu vào
Hình 1 - 5: Sơ đồ nối các BU,BI với các bộ biến đổi đầu vào
Trang 5Đó là các biến dòng, biến áp đầu vào Trên hình 1-5 Là sơ đồ khối các BU,BI với các bộ biến đổi đầu vào
R: Đóng vai trò là bộ loc dòng Trong nhiều trường hợp người ta có thể không sử dụng biến dòng và biến áp TTK mà dùng biến dòng pha mắc theo sơ
đồ hình sao và các biến điện áp pha mắc theo sơ đồ tam giác hở
4.2/ Các bộ lọc sơ bộ và khuếch đại
Tín hiệu đầu ra của các bộ biến đổi tín hiệu đầu vào thông qua các bộ lọc tần số thấp Chức năng của bộ lọc này là cho dòng điện tần số thấp đi qua mà biên độ không bị suy giảm, đồng thời làm giảm mạnh dòng điện ở tần số cao Các bộ lọc này thường có kiểu L - C
Tín hiệu đầu ra của bộ biến đổi tín hiệu chưa thể phù hợp ngay với giá trị
đầu vào của bộ chuyển đổi tương tự - số Vì vậy người ta thường dùng các bộ biến đổi và khuếch tín hiệu dòng, áp thành giá trị phù hợp Trong rơle số thì bộ khuếch đạit hường dùng là khuếch đại thuật toán
4.3/ Bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC)
Trong ADC, tín hiệu đầu vào là liên tục, tín hiệu số mã hóa ở đầu ra là rời rạc Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu với tín hiệu tương tự ở đầu vào ở những thời điểm quy định Sau đó chuyển các giá trị mẫu đó thành số lượng đầu
ra Vì vậy, quy trình chuyển đổi AD nói chung gồm 4 bước: lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa và mã hóa thành cơ số 2
Từ 8 giá trị và áp đầu vào ( Ia, Ib, Ic, Io và Ua, Ub, Uc, Uo) khi qua bộ biến
đổi tạo ra 11 tín hiệu liên tục ( Ia, Ib, Ic, Io và Ua, Ub, Uc, Uo, Uab, Ubc, Uca) Chúng
được trích và giữ mẫu với tần số N khoảng từ 8, 12, 16 lần trong 1 chu kỳ 20 ms tùy từng rơ le
Ví dụ: Rơle so lệch N = 8
Rơle khoảng cách SEL - 231 N = 16
Bộ ADC thường có 12 bite trong đó có 11 bite dữ liệu và 1 bite dấu
Trang 6Hình 1- 6: Bộ chuyển đổi tương tự số nhiều dải đo
Vì tín hiệu đầu vào biến thiên rất lớn (Dòng Inm có thể đạt giá trị 100 lần dòng định mức) nên người ta phải sử dụng bộ ADC 2 dải đo, dải đo với dòng nhỏ
và dải đo với dòng lớn Việc chuyển dải đo này có thể được thực hiện theo 2 phương pháp là phương pháp phần mềm hoặc phương pháp phần cứng
Trên hình 1 - 6 trình bày sơ đồ chuyển dải đo bằng phương pháp phần cứng, khi tín hiệu đầu vào lớn (vượt quá 3,125 lần Iđm) các bit đầu ra số của bộ chuyển đổi bị tràn, bộ chuyển đổi sẽ phát tín hiệu cờ báo để chuyển mạch trích
và giữ mẫu SH sang làm việc với dải đo mới bằng cách thay đổi hệ số khuyếch
đại của mạch Khi đó mỗi bit cơ số 2 của bộ ADC sẽ có giá trị gấp 32 lần giá trị trong chế độ dải đo thấp
Trong một số rơle số do tốc độ thu thập thông tin nhanh, người ta phải trang bị một bộ vi xử lý và bộ nhớ riêng có công suất lớn để điều khiển vài bộ ADC
5/ Các bộ lọc số
Tín hiệu rời rạc nhận được ở đầu ra của bộ chuyển đổi tiếp tục được xỷ lý để
sử dụng cho các ứng dụng thuật toán tiếp theo Cũng giống như bộ lọc tương tự, các bộ lọc số cũng có thể chia thành các nhóm sau
• Lọc tần số thấp
• Lọc dải
Trang 7• Lọc tần số cao
• Lọc loại bỏ một dải tần số nào đó (lọc chắn)
Có 3 chỉ tiêu cơ bản để đánh giá hoạt động của một bộ lọc số trong các ứng dụng bảo vệ và điều khiển
Truyền các thành phần cần thiết của tín hiệu với độ chính xác thỏa đáng
và loại bỏ có hiệu quả tất cả các nhiễu
Tín hiệu đầu ra nhanh chóng ổn định khi tín hiệu đầu vào thay đổi mạnh
Sử dụng tối thiểu các khả năng của hệ thống như tính toán là ít nhất
Đáng tiếc là các yêu cầu trên lại mâu thuẫn với nhau và mỗi bộ lọc đều phải hòa hợp chúng
6/ Bộ nguồn dùng cho rơle số
Ngoài tín hiệu lấy từ BI, BU để cho rơle số làm việc được nó phải được cấp nguồn từ bên ngoài Nguồn này thường là nguồn một chiều cấp từ ắcquy hoặc từ bộ chuyển đổi xoay chiều - một chiều (AC/DC) Trong rơle số nguồn một chiều thường có điện áp sau: 24, 30, 48, 60, 110, 220V
Trong rơle số có bộ chuyển đổi một chiều - một chiều (DC/DC) sử dụng
điện áp một chiều cao ở đầu vào để tạo ra các điện áp thấp hơn ở đầu ra phục vụ cho các mục đích khác nhau như nuôi vi mạch số, bộ khuếch đại thuật toán, điều khiển cuộn đóng, cắt của rơle đầu ra Mức điện áp thường sử dụng là 5, 12, 15
và 24V
Trên hình 1- 7 giới thiệu sơ đồ khối của bộ nguồn DC/DC dùng cho rơle bảo vệ
Hình 1-7: Bộ nguồn một chiều DC/DC của Rơle số
Trang 8Người ta cho điện áp đầu vào Eb có một giá trị dã nêu ở trên Nhờ có bộ lọc cao tần Hf-ft và bộ lọc đầu vào ft, các thành phần chu kỳ bị loại bỏ Tiếp điểm
điện tử SW được đóng mở tùy theo tín hiệu điều khiển lấy từ bộ biến điệu theo
độ rộng xung Mn Mạch áp đầu ra làm việc theo chế độ phân chia thời gian mỗi cấp áp sẽ lần lượt được so sánh với giá trị ngưỡng, ở đây mạch ngưỡng Sn bao gồm điốt ổn áp và điện trở so sánh, áp sai lệch so với giá trị ngưỡng sẽ được bộ
Mn biến đổi thành độ rộng xung Bộ tạo xung/chia tần Os/Di tạo tín hiệu điều khiển sẽ mở tiếp điểm điện tử lâu hay chóng tùy thuộc vào áp vi sai Nhờ có mạch phản hồi âm tại sơ đồ tổng hợp áp In, áp này đươc điều chỉnh về không, khi
đó điện áp ra sẽ đạt bằng giá trị ngưỡng và được bộ khuếch đại đầu ra OP khuếch
đại công suất và giữ lại trên các tụ áp đầu ra
Điện áp đầu ra 6.6 V và ±19.5 V được các vi mạch ổn áp7805, 7815 và
7915 đưa về điện áp 5 V, 15 V để đi nuôi các vi mạch số và tương tự Điện áp 24
V được đưa thẳng đến cuộn đóng cắt của rơle đầu ra Để các bộ ổn áp làm việc tốt, các điện áp ra của bộ chuyển đổi DC/DC phải cao hơn một chút so với điện
áp định mức của các vi mạch ổn áp Nếu vì nguyên nhân nào đó điện áp đầu ra bị suy giảm, bộ phát hiện giảm áp Uvm sẽ phát tín hiệu cảnh báo
7/ Cổng vào ra thông tin tuần tự
Ưu điểm nổi bật của rơle số là nó có khả năng trao đổi thông tin với thiết
bị ở xa Chức năng này được thực hiện thông qua giắc cắm chữ D có 9 hoặc 25 chân đặt ở mặt trước hay mặt sau của rơle
Đó chính là các cổng vào ra thông tin tuần tự được nối tới bộ giao diện vào/ra thông tin số Bộ giao diện này có những chức năng sau:
• Phối hợp giữa bộ phận truyền thông tindạng song song bên trong rơle số với bộ phận truyền thông tin tuần tự ở bên ngoài
• Đồng bộ về mặt thời gian giữa phần thu và phần phát Bình thường các bộ thu và phát thuộc các thiết bị khác nhau nên thông tin trong chúngđược truyền với tốc độ khác nhau Vì vậy phải đồng bộ hóa chế độ làm việc của hai phía về mặt thời gian
• Phối hợp về mức điện áp và mã số của tín hiệu được truyền
Trang 9Để các thiết bị thu phát có thể làm việc có hiệu quả và không gặp rắc rối khi làm việc phối hợp, từ lâu người ta đã đặt ra tiêu chuẩn cho các cổng vào ra tín hiệu tuần tự trong các thiết bị số Đó là tiêu chuẩn RS-232C, với giắc cắm chữ
D dao động từ 4 đến 37 chân (4, 9, 15, 25, 37 chân) Trong các rơle số thường dùng loại giắc cắm 9 chân và loại 25 chân
Chuẩn RS-232 quy định mức áp, tốc độ truyền và chức năng của các chân của giắc Để truyền tín hiệu xa hơn và nối tới nhiều thiết bị đầu cuối hơn người
ta dùng chuẩn RS-485
Tín hiệu tuần tự được trao đổi với rơle thông qua thông tin hữu tuyến hoặc cáp quang, trong mọi trường hợp được đưa về dạng mã số tuần tự hoặc song song
Bộ phận chính của thiết bị giao diện là mạch thu phát vạn năng không
đồng bộ UART, thực chất là bộ ghi dịch được chế tạo thành vi mạch chuẩn Vi mạch này gồm 3 phần chính: đầu thu, đầu phát và mạch điều khiển Nhiệm vụ của nó là phối hợp 2 thiết bị có xung đồng bộ khác nhau theo phương thức gọi là thông tin liên lạc không đồng bộ Điều này có nghĩa là các bit thông tin được trao đổi qua lại không kèm theo tín hiệu đồng bộ thời gian để chỉ điểm đầu và
điểm cuối của gói thông tin
Trên đương truyền các bit dữ liệu có thể bị sai lệch vì vậy, để phát hiện ra sai lệch của gói thông tin người ta sử dụng thêm bit “chẵn lẻ” (Parity) đặt ở vị trí
có nghĩa cao nhất (bên trái) của bit dữ liệu
Ví dụ: Mã ASCII của chữ Alà: 1000001
Sau khi sử dụng bite “chẵn lẻ” có mã: 11000001
Có 2 kiểu bite “chẵn lẻ” là chẵn và lẻ Nếu bit theo kiểu lẻ thì tổng các số
1 trong các bit dữ liệu cộng với bit “chẵn lẻ” phải là số lẻ Nếu bite theo kiểu chẵn thì tổng các số 1 trong các bit dữ liệu cộng với bit “chẵn lẻ” phải là số chẵn Bit “chẵn lẻ”do đầu phát tính toán và ghi lại Đầu thu nhận dữ liệu sẽ kiểm tra bit “chẵn lẻ” và khi phát hiện ra lỗi sai sẽ yêu cầu đầu phát của tín hiệu ngoại vi phát lại Trên hình vẽ giới thiệu giắc cắm 25 chân
Trang 10Hình 1 - 8: Nguyên lý làm việc của giao diện thông tin tuần tự
Chân 1 và 7 nối đất, chân 2 (TD) là đường truyền dữ liệu theo một chiều tới thiết bị bên ngoài Các tín hiệu tuần tự được truyền từ đầu phát của bộ UART tới đầu vào đảo (-) của bộ KĐTT làm việc theo chế độ so sánh Nếu tín hiệu hiện tại () là 5 V và cao hơn điện áp 1.5 V tại (+), điện áp đầu ra của bộ KĐTT sẽ là -12V, tương ứng với mức logic 1 Nếu tín hiệu vào tại (-) là 0 V và nhỏ hơn điện
áp tại (+), điện áp đầu ra của bộ KĐTT sẽ là +12V, tương ứng với mức logic 0 Chân 3 (RD) là đường nhận dữ liệu của đầu vào tuần tự Các tín hiệu ngoại vi truyền tín hiệu tới rơle qua chân này và điốt tạo ngưỡng đến đầu vào đảo (-) của
bộ Comparator Đầu vào không đảo của nó được giữ ở 2V, khi điện áp vượt quá 2.5V điốt sẽ thông mạch, bộ Comparator dẫn điện theo chiều từ đầu ra tới đầu vào và điện áp đầu ra của nó tụt xuống 0V tương ứng với mức logic 0 Khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn +2.5V, bộ Comparator sẽ không dẫn điện, điện áp ở đầu ra
là +5V tương ứng với mức logic 1 Khi tín hiệu đầu vào đổi trạng thái, đầu ra của
bộ Comparator cũng thay đổi và làm cho các bit của thanh ghi dịch cung thay
đổi từ D0 đến D7
