Đang tải... (xem toàn văn)
Trong thời đại ngày nay, khi mà nhu cầu tiêu thụ điện càng cao thì việc bảo vệ các thiết bị điện tránh khỏi các sự cố là một điều cần thiết.
MỤC LỤC Chương I Trang Đặt vấn đề và nhiệm vụ thư I. Đặt vấn đề 1 II. Nhiệm vụ thư 3 Chương II Tổng quan về Rơle số I. Khái niệm về Rơle số 4 II. Một số chủng loại Rơle thành bộ ngày nay 6 1. Rơle bảo vệ đường dây truyền tải 6 2. Rơle bảo vệ đường dây phân phối 8 3. Rơle bảo vệ máy biến áp 9 4. Rơle bảo vệ động cơ 10 5. Rơle bảo vệ máy phát 11 6. Rơle bảo vệ thanh cái 12 7. Các loại rơle khác 13 III. Các loại sự cố 14 1. Sự cố quá tải 14 2. Sự cố quá dòng 14 3. Sự cố tần số thấp 17 Chương III Sơ đồ khối và thiết kế phần cứng I. Sơ đồ khối 18 II. Thiết kế phần cứng 18 1. Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu 18 2. Khối xử lý và điều khiển 22 2.1 Cổng vào ra song song 22 1 2.2 Cấu trúc bộ nhớ 24 2.3 Một số thanh ghi của AT90S8535 25 2.4 Timer/Counter của AT90S8535 28 2.5 Watchdog Timer của bộ vi điều khiển 30 2.6 Truy cập dữ liệu với EEPROM trong 31 2.7 Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI 31 2.8 UART 32 2.9 Bộ so sánh tương tự 33 2.10 Bộ biến đổi ADC 34 3 Khối ngoại vi (LCD, Phím, RTC, EEPROM) 37 3.1 Phím 37 3.2 Mạch đối thoại LCD 39 3.3 Mạch RTC DS12887 40 3.4 Mạch giao tiếp với EEPROM 24C16 42 4. Khối truyền tin với máy tính 43 5. Khối điều khiển tiếp điểm 45 6. Khối nguồn nuôi 46 Chương IV Modul phần mềm và lưu đồ thuật toán 49 Chương V Đánh giá thiết bị 61 Phụ lục Mã nguồn chương trình của Rơle 63 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, khi mà nhu cầu tiêu thụ điện càng cao thì việc bảo vệ các thiết bị điện tránh khỏi các sự cố là một điều cần thiết. Ở nước ta các nhà máy ,xí nghiệp càng ngày càng nhiều ,nhu cầu tiêu thụ điện sinh hoạt của người dân càng ngày càng tăng thì vấn đề bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện lại càng trở nên cấp bách hơn. Nhưng các thiết bị bảo vệ của nước ta đa số là nhập ngoại,giá thành của các thiết bị lại cao, đây là một phần nguyên nhân ảnh hưởng tới giá điện của nước ta. Nếu ta tự sản xuất được thiết bị thì có thể khắc phục nguyên nhân này. Trong đợt làm đồ án tốt nghiệp vừa qua,chúng em đã thiết kế và chế tạo rơle bảo vệ “sa thải tải theo tần số”. Với mong muốn đem những kiến thức đã học của mình đóng góp một phần nhỏ vào cuộc sống ,chúng em hy vọng thiết kế này sẽ được ứng dụng vào lưới điện của nước ta. Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths. Nguyễn Tuấn Ninh đã nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này.Chúng em xin cám ơn bộ môn Đo lường và Tin học Công nghiệp đã giúp đỡ chúng em về các thiết bị thí nghiệm và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành đồ án. 3 CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ I. Đặt vấn đề Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân. Do đó ngành công nghiệp năng lượng đóng một vai trò rất quan trọng trong tiến trình đó. Đặc biệt là ngành Điện, một ngành có vai trò then chốt quyết định sự phát triển của các ngành kinh tế khác. Để thực hiện được mục đích công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngành điện phải đi trước một bước, tạo điều kiện tiền đề để các ngành công nghiệp khác phát triển. Ở nước ta trong suốt một thời gian dài , nhiệm vụ hàng đầu của ngành điện lực là sản xuất ra điện để sử dụng, yếu tố chất lượng được đặt xuống hàng thứ hai. Với chính sách đổi mớivà mở cửa của nước ta nền kinh tế phát triển nhanh đã và đang đặt ra những yêu cầu cấp bách về chất lượng dòng điện và điều này đòi hỏi ứng dụng rộng rãi hơn vào các thiết bị tự động hoá trong hệ thống điện với trình độ công nghệ ngày càng tiên tiến hơn. Rơle bảo vệ là bộ phận quan trọng trong số các thiết bị tự động hoá dùng trong ngành điện lực. Chúng có vai trò bảo vệ các phần tử của hệ thống điện trong các điều kiện làm việc bất thường bằng cách cô lập các sự cố càng nhanh càng tốt thông qua các thiết bị đóng. Khi sự cố xảy ra trong hệ thống mà không thực hiện các biện pháp phục hồi tức thời và có hiệu quả, từng phần hay toàn bộ hệ thống có thể ngưng làm việc. Điều này gây ra thiệt hại trực tiếp cho hệ thống điện và các hộ tiêu thụ đồng thời nhiều khi con để lại hậu quả gián tiếp lớn hơn cho nền kinh tế do việc ngưng cung cấp năng lượng gây ra. Do đó những thiết bị bảo vệ này ngày càng phải được cải tiến về chức năng bảo vệ và độ tin cậy. Do điều kiện lịch sử , cho đến nay các loại rơle bảo vệ ở nước ta phần lớn có xuất xứ từ các nước xã hội chủ nghĩa cũ (Liên Xô) . Chúng thường là các loại 4 Rơle điện cơ, một số khác là rơle tĩnh. Trong quá trình khai thác và sử dụng các loại rơle này bộc lộ ít nhiều nhược điểm như: Độ nhạy và độ chính xác bảo vệ chưa cao,dễ bị ảnh hưởng của nhiễu Chi phí khai thác, sử dụng cao ( chi phí duy trì điều kiện làm việc, chi ohí kiểm tra, chỉnh lại các tham số bảo vệ thường xuyên theo định kỳ, hay thiệt hại do việc ngừng cung cấp điện do các công việc này gây ra). Khả năng mềm dẻo kém do các chức năng bảo vệ đã được nối cứng Khả năng cung cấp thông tin về hệ thống điện trong chế độ làm việc bình thường và khi sự cố chưa cao nên gây nhiều khó khăn cho việc xác định nguyên nhân cũng như vị trí sự cố khi nó xảy ra. Tốc độ phát hiện và cách ly sự cố chưa nhanh. Việc áp dụng rơle số một cách đồng bộ để thay thế rơle kiều cũ cho phép khắc phục những nhược điểm trên và điều này đặc biệt tỏ ra cấp thiết đối với lưới truyền tải, nơi mà yều cầu về tốc độ thao tác của thiết bị bảo vệ ngày một trở nên gay gắt. Nhưng công việc này gặp phải một số vấn đề nan giải. Trước hết đó là vấn đề phải có số vốn đủ lớn để thay thế đồng loạt các rơle theo thứ tự ưu tiên từ cấp truyền tải xuống. Thực tế hiện nay, hàng năm ngành Điện đầu tư hàng ngàn tỷ đồng vào việc nâng cấp hệ thống lưới điện và trạm phân phối. Để tăng được hiệu quả của đồng vốn đầu tư, ngoài việc tăng cường quản lý tài chính thì việc giảm bớt tỷ trọng thiết bị nhập ngoại cũng là một yếu tố quyết định.Các loại rơle mua của những hãng nổi tiếng của nước ngoài có giá thành rất đắt trung bình là vài ngàn đôla Mỹ, trong đó giá thành các linh kiện điện tử chỉ chiếm tỷ trọng từ 10% - 15% còn lại là giá thành của phần mềm và thiết kế. Chính vì lẽ đó việc chế tạo rơle số, các thiết bị đo lường điều khiển trong nước sẽ làm cho giá thành của thiết bị rẻ hơn, chỉ bằng 1/2 thậm chí bằng 1/3 so với giá của nước ngoài mà chất lượng vẫn đảm bảo yêu cầu. 5 Đề tài nghiên cứu chế tạo rơle sa thải tải theo tần số trên cơ sở vi xử lý nhằm phục vụ cho mục đích chung của ngành là từng bước tiến đến chế tạo tất cả các loại rơle dùng trong ngành. II. Nhiệm vụ thư: Với mục đích từng bước tiến đến chế tạo tất cả các loại rơle dùng trong ngành Điện Thầy Ths Nguyễn Tuấn Ninh đã hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu và chế tạo rơle bảo vệ đường dây với chức năng chính như sau: • Sa thải tải tần số. • Giao tiếp đơn giản dễ dàng với người dùng (đặt các thông số config và setting nhanh, dễ) • Lưu giữ lịch sử lịch sử sự cố • Truyền tin với máy tính chủ Mặc dù chức năng của rơle này không nhiều nhưng nó cũng mở ra một hướng đi trong lĩnh vực chế tạo rơle số dùng trong ngành Điện 6 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ RƠLE SỐ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG CỦA RƠLE SỐ MỚI CÁC LOẠI SỰ CỐ BẢO VỆ CỦA RƠLE BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI I. khái niệm về rơle số Rơle số là loại khí cụ điện tử, thiết kế thành bộ từng loại để bảo vệ cho một loại thiết bị điện bằng cách đóng hay cắt nhứng máy cắt để kịp thời loại trừ một hoặc nhiều sự cố của thiết bị điện ấy. Rơle số sử dụng kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển và vi điện tử. Đó là những công cụ thực hiện rất tốt những công việc cơ bản của rơle như: lọc các tín hiệu vào, đo nhanh nhiều biến (ba dòng, ba áp, thời gian, tần số và các đại lượng khác…), tính toán nhanh những xử lý phức tạp (số học, giải tích, đếm, phân tích phổ…), và so nhiều ngưỡng… có thể lưu trữ dữ liệu thu thập với khối lượng lớn. Có thể cài đặt vào máy in để in dữ liệu dạng số hay đồ thị. Rơle số có những bộ phận chính sau: • Bộ phận đo canh: Là chức năng đầu tiên và quan trọng nhằm đo, lọc tính ra những thông số mạch điện mà rơle phải canh. Các lượng đầu vào nói chung là: dòng 3 pha, dòng trung tính , áp 3 pha, áp thứ tự zero. Số lượng đầu vào cụ thể tuỳ theo yêu cầu cụ thể của từng kiểu rơle. Những lượng này khi không có sự cố thường là hình sin và cân bằng, dòng trung tính, áp thứ tự zero bằng không. Nhưng khi có sự cố sẽ có biến động mạnh của thành phần tần số công nghiệp, thường kèm theo mất đối xứng khiến sinh ra các thành phần thứ tự ngược và zero. Một nét đặc biệt quan trọng khác nữa là kèm theo đó thường sinh ra những thành phần quá độ tự do lớn, không chu kỳ, khiến dòng áp quá độ sự cố mất dạng hình sin. Do đó những dòng áp cần đo được : 7 - Biến nhỏ bằng những biến dòng CT (current transformer), biến áp VT (voltage transformer) đặc biệt không bão hoà và dải rộng. - Lọc thông thấp ra thành phần tần số công nghiệp gồm lọc cứng khi cần kết hợp với lọc mềm, do tất cả các rơle tính toán bằng giá trị hiệu dụng hình sin của U, mà các đại lượng U,I khi sảy ra sự cố đều không có hình sin nên phải lọc để có tín hiệu hình sin. Ví dụ khi đo tần số bằng phương pháp đo chu kỳ thì phải tạo ra xung vuông từ xung hình sin đi qua điểm không. Do đó muốn có kết quả đo chính xác thì phải tiến hành lọc thông thấp.(Những công việc trên chủ yếu thực hiện bằng phần cứng) • Bộ phận xử lý tính toán: Đây là bộ phận nhận số liệu từ bộ phận canh đo để: Lọc số tiếp nếu cần Tnh toán phân tích ra các số liệu cần như dòng, áp hiệu dụng, thứ tự pha, góc lệch pha dòng áp. Tính các biểu thức đặc trưng sự cố, so ngưỡng để phát hiện sự cố. Cắt hay không cắt trong khoảng bao nhiều thời gian. (Tất cả những công việc sử lý tính toán trên được thực hiện bằng phần mềm). • Bộ phận máy cắt : Đây là bộ phận theo dõi việc cắt máy (thời gian chuẩn bị cắt máy cắt, thời gian tác động máy cắt). • Bộ phận đóng lại. • Bộ phận lịch thời gian. • Bộ phận ghi chép sự cố, đèn báo, còi báo. • Bộ phận đối thoại phím. • Bộ phận truyền tin, đối thoại đọc viết của PC. • Bộ phận nguồn cung cấp ổn áp một chiều hoặc từ xoay chiều. Phần lớn các bộ phận ấy chạy bằng phần mềm theo các modul: 8 Truyền tin Khởi động Power – on. o Chuẩn hoá đo canh. o Xử lý tính toán. o Cắt. o Đóng lại. o Lịch. o Truyền tin. o Phím. o Một số modul khác. Rơle số hoạt động theo nguyên tắc thời gian thực nên các modul này được gọi bằng các ngắt khác nhau. II. Một số chủng loại rơle thành bộ ngày nay. 1. Rơle bảo vệ đường dây truyền tải. Đường dây truyền tải được chia thành các loại: - Cao và siêu cao áp từ 200 đến 500 kV hoặc cao hơn. - Trung và cao áp 6 – 22 – 35 – 66 và 110 kV. Hình ?: Sơ đồ kết cấu của rơle số Phím Đèn Còi Mạch cắt MẠCH CHUẨN HOÁ ADC VI ĐIỀU KHIỂN INT U , I 9 Trong các bảo vệ đường dây cao áp và siêu cao áp bao gồm các bảo vệ chính sau: - So dọc phương hướng và khoảng cách giữa các miền (có thể từ 3 đến 4 miền). - Quá dòng so lệch từng pha. - Khoá và cắt khi dao động mất đồng bộ. - Chạm đất tức thời. - So lệch pha. Tất cả các bảo vệ trên đều có thể đóng lai và truyền tin về trung tâm. Trong các rơle bảo vệ đường dây trung và cao áp có các loại bảo vệ sau: − Khoảng cách giữa các miền, giữa pha và từng pha − Quá dòng 4 đoạn thứ tự không − So dọc khoảng cách có hướng. − Quá dòng cắt nhanh, quá dòng định thời gian. − Quá và thấp áp − Sa thải theo tần số. − Đóng lại. − Chạm đất. − Báo hư hỏng biến điện áp, biến dòng, cầu chì. Các chức năng đo lường và giám sát, có thể có một vài hoặc tất cả các chức năng sau: − Đo tổng hợp các thông số − Báo vùng sự cố − Ghi lại các sự cố trước đó − Ghi lại các sự kiện(có thể từ vài chục đến 100 sự kiện trước đó). − Giám sát dòng cắt − Flexible oscillography (vẽ hình dáng của dòng chạm đất). 10 [...]... đầu vào để phát hiện sự cố trên đường dây, nó có thể bảo vệ các loại sự cố sau: + Bảo vệ quá tải + Bảo vệ quá dòng, tự động đóng lại + Bảo vệ sa thải theo tần số + bảo vệ chạm đất Rơle này có thể bảo vệ tất cả các sự cố trên hay một trong những sự cố trên tuỳ vào người thiết kế và điều kiện lưới điện 1 Sự cố quá tải Sự cố này xảy ra khi dòng điện trên đường truyền lớn hơn giá trị định mức,dòng quá tải. .. nơi cần những bảo vệ đơn lẻ hoặc các bảo vệ để liên kết các bộ lớn, do vậy hiện nay người ta vẫn chế tạo song song hai loại III Các loại sự cố bảo vệ của rơle số hoá bảo vệ đường dây phân phối Rơle số làm việc dựa trên nguyên tắc đo lường số Các trị số của đại lượng tương tự dòng, áp nhận được từ phía thứ cấp của máy biến dòng và biến điện áp là những đầu vào của rơle Rơle số hoạt động theo hệ thời... Đo điện áp và dòng điện − Tự kiểm tra − Đầu vào IRIG – B Giao diện người dùng: − Màn hình hiển thị và bàn phím − Lựa chọn hệ thống bảo vệ và kiểm tra − Truyền thông RS 232, RS 485… − Có thể truyền thông tin bằng cáp quang 7 Rơle bảo vệ từng chức năng riêng rẽ khác Bảo vệ tần số, bảo vệ quá dòng, bảo vệ công suất có xu hướng, bảo vệ chạm đất…Nói chung các rơle cơ khí có loại nào thì rơle số có loại... sử dụng biết và có thể cắt máy cắt nếu người dùng muốn 20 CHƯƠNG III SƠ ĐỒ KHỐI VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I Sơ đồ khối Rơle sa thải tải tần số được thiết kế như sau: LCD U, f Mạch lọc thông thấp và Mạch chuẩn hoá tín hiệu đo Vi Điều khiển AT90S8535 RTC Phím EEPROM Truyền tin máy tính RS 232 Rơle Hình 2: Sơ đồ khối của Relay II Thiết kế phần cứng 1 Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu Rơle làm việc... phím hoặc phím số − Màn hình hiển thị − Các đèn led chỉ thị − Truyền thông RS 232 hay RS 485, RS 422 − Truyền thông tin bằng cáp quang 3 Rơle bảo vệ máy biến áp Bao gồm các bảo vệ sau: − Bảo vệ so lệch − Quá tải và quá dòng thời gian − Bảo vệ nhiệt độ − Bảo vệ rơle ga (do ngắn mạch trong cuộn dây biến áp) − Kìm hãm thành phần điều hoà Chức năng đo lường giám sát có thể có các chức năng sau: − Ghi lại... năng sau: − Bàn phím − Màn hình tinh thể lỏng hay LED 7 thanh − Đèn led hiển thị trạng thái rơle − Đèn led hiển thị trạng thái báo động − Cổng truyền thông nối tiếp RS 232 hoặc RS 485 − Protocols ASCII hoặc tuỳ theo từng hãng chế tạo − Đầu vào IRIG-B 2 Rơle bảo vệ đường dây phân phối Bao gồm bảo vệ chính : − Quá dòng thời gian − Quá dòng tức thời − Bảo vệ công suất có hướng − Quá áp và thấp áp − Sa thải. .. lượng đầu vào hoặc máy biến đổi đo lường, có nhiệm vụ cách ly mạch bảo vệ khỏi điện áp cao phía hệ thống, đồng thời giảm biên độ của điện áp và dòng điện của hệ thống xuống đến những trị số chuẩn ở phía thứ cấp, thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng các thiết bị bảo vệ đo lường và điều khiển 1.1 Mạch lọc và chuẩn hoá điện áp Tín hiệu vào của rơle là áp từ: 0 ÷ 220V 21 Tín hiệu ra : 0 ÷ 5V Điện áp vào này... Timer 16 bit với tần số định trước có chế độ compare và capture Lập trình cho watchdog timer với tần số trên chíp Có bộ so sánh tưng tự trên chíp Và có một số chức năng đặc biệt khác như : 25 Khởi động bằng mạch khởi động Có mạch Realtime clock với mạch dao động riêng và chế độ đếm Các nguồn ngắt trong và ngắt ngoài Ba chế độ ngủ: Idle, power save, power down 2.1 Cổng vào ra song song:... số của xung vuông này chính bằng tần số đầu vào từ máy biến áp của mạch Để cắt bỏ phần âm của tín hiệu ta dùng một diode Vì trong đồ án này sử dụng phương pháp đo tần số bằng cách đo chu kỳ do đó tìn hiệu xung vuông tần số được đưa vào chân ngắt INT0 để khởi động timer sau đó ta đếm thời gian của 2 lần ngắt chính là chu kỳ cần đo Và ta có tần số f = 1/T 2 Khối xử lý và điều khiển Dòng vi điều khiển... thị thông tin − Bàn phím và phím điều khiển − Cổng truyền thông RS 232 , RS 485 − Truyền thông tin bằng cáp quang 5 Rơle bảo vệ máy phát Bao gồm các bảo vệ sau: − So lệch − Công suất ngược − Quá dòng tức thời − Hạn chế điện áp pha quá dòng − Khống chế quá dòng liên tiếp − Quá kích thích − Mất từ trường − Quá áp và thấp áp − Ngược pha điện áp − Chạm đất Stato − Vượt và thấp tần − Quá nhiệt độ Stato
