Thiết kế xây dựng rơ le kỹ thuật số bảo vệ quá điện áp có đặc tính bảo vệ độc lập phục vụ công tác giảng dạy tại khoa điện – trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

 
dương nguồn (5 V); các chân số 4, 6, 8, 10 của 
MN nối với chân nối đất của nguồn (0 V). 
Hình 8. Sơ đồ chân kết nối mạch nạp và vi điều khiển 
3. Thiết kế phần mềm 
Để viết chương trình phần mềm cho rơ le, bài 
báo sử dụng trình biên dịch trên cơ sở sử 
dụng ngôn ngữ lập trình C, CodeVisionAVR, 
là môi trường phát triển tích hợp và bộ tạo 
7805 
Vcc 
C18 
106 
C17 
104 
1N4007 
(7-12V) 
C16 
5V 
+ 
GND 
BT1 
BT2 
BT3 
BT4 
Phím 1 
Phím 2 
Phím 3 
Phím 4 
C13 
104 
1N4007 
C14 
104 
RELAY 
C1815 
RL 
Vcc 
R25 
1K 
GND 
Cao Xuân Tuyển và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 505 - 512 
 Email: jst@tnu.edu.vn 508 
chương trình tự động được thiết kế cho họ các 
vi điều khiển AVR của Atmel [5]. Bên cạnh 
đó, tác giả viết thêm các module chương trình 
đặc thù căn cứ vào chức năng của rơ le. 
3.1. Lưu đồ thuật toán 
Lưu đồ thuật toán của rơ le được chỉ ra ở hình 
9. Trong đó: Uđ là trị hiệu dụng điện áp đặt; 
tđ – là thời gian đặt; UL – là điện áp lưới; 
TLTTBĐRL – là khối thiết lập trạng thái ban 
đầu cho rơ le. 
Hoạt động của lưu đồ thuật toán như sau: 
Khi cấp nguồn cho rơ le, phần mềm trong rơ 
le sẽ khởi tạo các cổng vào/ra cho VĐK, cụ 
thể các cổng của khối ADC (PORTA) của 
VĐK là cổng vào, các cổng nối với bàn phím 
(PORTB.0 đến PORTB.3 là cổng vào, các 
cổng nối với màn hình hiển thị tinh thể lỏng 
LCD là các cổng ra (các cổng PORTC.3, 
PORTC.4, PORTC.5, PORTB.4, PORTB.5, 
PORTB.6, PORTB.7). Tiếp theo phần mềm 
khởi tạo khối chuyển đổi tương tự số để kích 
hoạt khối ADC trong vi điều khiển hoạt động 
nhằm đọc điện áp lưới tương tự láy từ đầu ra 
của máy biến áp cách ly. Đồng thời với khởi 
tạo ADC, phần mềm cũng thực hiện khởi tạo 
khối hiển thị màn hình tinh thể lỏng LCD, 
mục đích là kích hoạt thiết bị LCD sẵn sàng 
làm việc, hiển thị các tham số của rơ le như 
điện áp đặt, điện áp lưới, thời gian đặt. Tiếp 
theo, phần mềm cho phép người sử dụng 
chọn, thay đổi điện áp đặt Uđ, thời gian đặt 
tđ, thông qua bàn phím, đồng thời đặt rơ le ở 
trạng thái ban đầu (chưa tác động). Tiếp theo 
phần mềm thực hiện đọc dữ liệu UL và lọc tín 
hiệu đọc vào, đồng thời hiển thị các tham số 
rơ le trên LCD và thực hiện so sánh điện áp 
lưới đọc được với điện áp đặt, nếu UL>=Uđ 
thì kích hoạt thủ tục tạo trễ thời gian, thời 
gian trễ này càng nhỏ nếu điện áp càng lớn. 
Vì nội dung bài báo là xây dựng đặc tính bảo 
vệ độc lập, nên thời gian trễ được giữ là hàng số 
ứng với mỗi khoảng điện áp xác định, các 
khoảng điện áp khác nhau có thời gian trễ khác 
nhau. Ngược lại, nếu UL<Uđ thì rơ le tiếp tục 
đọc UL và tiếp tục hiển thị các tham số rơ le và 
lại so sánh với điện áp đặt. Quá trình này được 
thực hiện trong vòng lặp vô hạn. 
Hình 9. Lưu đồ thuật toán 
Đánh giá lưu đồ thuật toán trong hình 9: lưu 
đồ thuật toán đã thực hiện được các chức 
năng cơ bản của một rơ le số đơn chức năng 
là bảo vệ quá áp với đặc tính thời gian độc lập 
theo tiêu chuẩn châu Âu, tuy nhiên vẫn còn 
một số hạn chế sau: chưa lưu giữ được thông 
tin sự cố và chưa thực hiện được việc truyền 
dữ liệu tới trạm điều khiển trung tâm. Đây 
cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của các 
tác giả. 
3.2. Viết chương trình sử dụng công cụ tạo 
chương trình tự động của phần mềm 
CodeVisionAVR 
3.2.1. Tạo project 
Để tạo mã chương trình cho rơ le, bài báo sử 
dụng phần mềm CodeVisionAvr và thực hiện: 
Chọn File/New→chọn project→OK 
Sau đó chọn sử dụng trợ giúp của phần mềm 
CodeVisionAvr. 
3.2.2. Chọn vi điều khiển 
Thông qua phần trợ giúp viết chương trình tự 
động của CodeVision Avr, chọn vi điều khiển 
Atmega16, chọn tần số xung nhịp là 16 MHz 
và chọn loại loại chương trình là chương trình 
ứng dụng. 
3.2.3. Thiết lập cổng vào/ra 
Bắt đầu 
Khởi tạo các cổng 
Khởi tạo ADC, 
LCD 
Chọn Uđ , tđ 
TLTTBĐRL 
Đọc UL và lọc 
Hiển thị Uđ, tđ, UL 
UL≥Uđ 
Tạo trễ 
Rơ le tác động 
Kết thúc 
Đúng 
Sai 
Cao Xuân Tuyển và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 505 - 512 
 Email: jst@tnu.edu.vn 509 
Các cổng vào là các cổng nối với bàn phím, 
nối với khối xử lý trung gian để nhận tín hiệu 
điện áp lưới đưa vào vi điều khiển, các cổng 
ra là các cổng nối với mạch hiển thị. Các cổng 
vào thì chọn là IN, các cổng ra thì chọn là 
OUT. Các thao tác này được thực hiện thông 
qua phần trợ giúp viết chương trình tự động 
của CodeVision Avr. 
3.2.4. Khởi tạo khối chuyển tương tự- số ADC 
Để chuyển tín hiệu áp tương tự thành tín hiệu số, 
ta phải sử dụng khối ADC trong vi điều khiển. 
Để kích hoạt khối ADC trong vi điều khiển 
hoạt động, ta phải thực hiện khởi tạo ADC sử 
dụng phần trợ giúp viết chương trình tự động 
của CodeVision Avr. 
3.2.5. Khở tạo màn hình hiển thị tinh thể lỏng LCD 
Để sử dụng được các thủ tục hiển thị số, ký tự 
trên LCD có trong thư viện của 
CodeVisionAVR, ta phải thực hiện khởi tạo 
LCD sử dụng phần trợ giúp viết chương trình 
tự động của CodeVision Avr. 
Ở bước này, ta phải khai báo việc nối các 
chân điều khiển và dữ liệu của LCD với vi 
điều khiển cũng như loại LCD mà ta đã sử 
dụng trong rơ le. 
3.2.6. Tạo code chương trình 
Phần mềm CodeVisionAVR sẽ tự động tạo 
code chương trình cho những phần đã khởi 
tạo ở trên thông qua thực hiện việc chọn 
Program/Generate, Save and Exit nhờ phần 
trợ giúp viết chương trình tự động của 
CodeVision Avr. 
3.3. Các module chương trình chức năng 
đặc thù 
3.3.1. Module hiển thị hệ cơ số 10 trên LCD 
Chức năng của module này là hiển thị giá trị 
điện áp lưới đọc được từ lưới nhờ khối ADC 
trong bộ vi điều khiển và các giá trị điện áp 
đặt, thời gian đặt (thiết lập qua bàn phím) ở 
dạng hệ cơ số 10 ở trên LCD. 
void lcd_putnum(signed int so){ 
unsigned char a,b,c,d; 
a=so/1000; b=(so-1000*a)/100; 
c=(so-1000*a-100*b)/10; 
d=(so-1000*a-100*b-10*c); 
if(a>0){ 
lcd_putchar(48+a); lcd_putchar(48+b); 
lcd_putchar(48+c);lcd_putchar(48+d); 
 ........... 
3.3.2. Module chống rung bàn phím 
Bàn phím của chúng ta là bàn phím cơ học, bề 
mặt tiếp xúc của cơ cấu bên trong phím không 
phải là phẳng lí tưởng, do vậy, mỗi khi bấm 
phím hay nhả phím, xung vào vi điều khiển sẽ 
không phải là 1 xung thẳng đứng, mà là rất 
nhiều xung kim. Vì thời gian quét của vi điều 
khiển rất nhanh, nên tất cả các giá trị tại thời 
điểm rung đó đều được ghi lại. Chúng ta phải 
tìm cách sao cho vi điều khiển không lấy giá 
trị tại thời điểm rung. Có 2 phương pháp 
chống rung là chống rung bằng phần cứng và 
chống rung bằng phần mềm. Ở đây bài báo sử 
dụng chống rung bằng phần mềm. 
Mỗi khi phát hiện có tín hiệu bấm phím, 
chúng ta cho vi điều khiển không đọc liên tục 
giá trị của phím nữa bằng cách cho delay một 
khoảng thời gian, khoảng trên 10 ms, sau 
khoảng thời gian đó, chúng ta lại đọc phím 
như bình thường. Ví dụ code như sau: 
If(phát hiện bấm phím){ 
Delay_ms(10); 
//Tiêp tục làm các công việc khác 
} 
3.3.3. Module thay đổi điện áp đặt 
Đoạn code dưới đây sẽ cho phép tăng điện 
đặt với bước thay đổi là 0,4 V (tương ứng với 
1 đơn vị của biến dienapd). 
 if (!PINB.0 { 
 delay_ms(50); 
 if (!PINB.0){ 
 if (dienapd <1020) 
 { 
 dienapd+= 1; 
Cao Xuân Tuyển và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 505 - 512 
 Email: jst@tnu.edu.vn 510 
 } 
 ...... 
Đoạn code giảm điện áp đặt được viết tương tự. 
3.3.4. Đoạn code thay đổi thời gian đặt 
Đoạn code tăng giảm thời gian đặt được thực 
hiện tương tự như đoạn code tăng giảm điện 
áp đặt, trong bài báo này, thời gian đặt được 
thay đổi với bước thay đổi là 50 ms. 
3.3.5. Code tạo thời gian trễ 
Để tạo thời gian trễ, ta sử dụng thủ tục: 
 delay_ms(thời gian trễ); 
3.3.6. Code tạo rơ le trung gian tác động 
Vì cuộn dây rơ le qua transistor C1815, chân 
điều khiển của C1815 được nối với bít 0 của 
PORTD, nên để rơ le tác động, ta gửi mức 
logic 1(5v) ra bít 0 của PORTD, ngược lại 
muốn rơ le trung gian trở về trạng thái ban 
đầu (chưa tác động), ta gửi mức logic 0(0V) 
ra bít 0 của PORTD với các lệnh sau: 
PORTD.0=1; // khi cho rơ le tác động 
PORTD.0=0; // khi cho rơ le ngừng tác động 
3.3.7. Code hiển thị điện áp đặt, điện áp lưới, 
thời gian đặt trên LCD 
Sau khi khởi tạo LCD bằng phần mềm 
CodeVisionAVR, phần mềm sẽ cho phép sử 
dụng các thủ tục hiển thị trên LCD sau: 
lcd_clear();// Xoá màn hình. 
lcd_gotoxy(x,y);// Di chuyển con trỏ màn 
hình đến vị trí cột x, hàng y. 
lcd_putsf("chuỗi ký tự");// Hiển thị chuỗi 
ký tự. 
3.3.8. Lệch đọc điện áp lưới vào vi điều khiển 
Sau khi khởi tạo ADC, cho phép chúng ta sử 
dụng hàm đọc dữ liệu vào từ khối ADC thông 
qua hàm read_adc(): 
Biến chứa điện áp lưới = read_adc(0); 
3.3.9. Module theo dõi giám sát điện áp lưới 
cần bảo vệ 
Đoạn chương trình này thực hiện theo dõi 
giám sát điện áp lưới cần bảo vệ, khi điện áp 
lưới lớn hơn hoặc bằng điện áp đặt thì sẽ gửi 
tín hiệu tác động tới rơ le trung gian đầu ra. 
if (data>=dienapdat) { 
 delay_ms(thời gian trễ); 
 PORTD.0=1;// Rơ le tác động 
 break;// thoát khỏi vòng lặp 
 } 
3.4. Thực hiện biên dịch chương trình thành 
mã hexa và nạp mã chương trình dưới dạng 
file Hex vào bộ nhớ vi điều khiển 
Để nạp chương trình vào bộ nhớ của vi điều 
khiển, ta phải thực hiện biên dịch chương 
trình đã viết dưới dạng ngôn ngữ C thành mã 
hexa sử dụng phần mềm CodeVisionAVR 
bằng thao tác: Project→Build All 
Sau đó sử dụng phần mềm PROGISP nạp file 
HEX của chương trình vào bộ nhớ Flash của 
vi điều khiển. 
4. Kiểm tra thử nghiệm, đánh giá rơ le 
4.1. Hệ thống kiểm tra, thử nghiệm 
Hệ thống kiểm tra, thử nghiệm rơ le như hình 10. 
Hình 10. Hệ thống kiểm tra, thử nghiệm rơ le 
Trong hình 10: (1) là rơ le bảo vệ quá dòng có 
đặc tính thời gian độc lập; (2) là khối đồng hồ 
đo điện áp lưới, là các đồng hồ Voltmet 
không thuộc rơ le; (3) là khối nguồn bên 
ngoài có thể điều chỉnh được điện áp thông 
qua máy biến áp tự ngẫu; (4) là máy tính ghép 
nối với rơ le. 
Việc kiểm tra, thử nghiệm rơ le được thực 
hiện trong phòng thí nghiệm của bộ môn 
Thiết bị điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công 
nghiệp – Đại học Thái Nguyên, Việt Nam. 
4.2. Nội dung kiểm tra và thử nghiệm 
4.2.1. Cài đặt điện áp đặt, thời gian đặt cho 
rơ le 
(1) 
(2) 
(3) 
(4) 
Cao Xuân Tuyển và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 505 - 512 
 Email: jst@tnu.edu.vn 511 
Cài đặt điện áp đặt, thời gian đặt cho rơ le 
được thực hiện thông qua bàn phím và quan 
sát hiển thị trên màn hình LCD. 
4.2.2. Xác định điện áp tác động Utđ và điện 
áp trở về Utv và hệ số ktv của rơ le ứng với 
Uđặt = 250, 300, 350, 400 V 
Kết quả thí ngiệm được ghi ở bảng 1. 
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm xác định điện áp tác 
động Utđ, điện áp trở về Utv và hệ số ktv của rơ le 
ứng với Uđặt= 250, 300, 350, 400 V 
Uđặt(V) 250 300 350 400 
Utđ(V) 250 300 350 400 
Utv (V) 248,8 298,8 348,8 398,8 
Ktv=Utv/Utđ 0,995 0,996 0,996 0,997 
Nhận xét: Từ bảng 1, cho thấy rơ le đã thay 
đổi được điện áp đặt, giá trị điện áp tác động 
bằng giá trị điện áp đặt, hệ số trở về cao (từ 
0,995 đến 0,999), điều này khẳng định độ 
nhậy rơ le cao, đáp ứng được tiêu chuẩn của 
châu Âu [3]. 
4.2.3. Xây dựng đặc tính bảo vệ có thời gian 
tác động độc lập thay đổi được thời gian tác 
động của rơ le 
Theo thiết kế, khoảng giá trị của các mức điện 
áp tác động và thời gian trễ tương ứng được 
ghi ở bảng 2. 
Bảng 2. Khoảng giá trị của các mức điện áp tác 
động và thời gian trễ tương ứng 
Utđ(V) 250÷299 300÷349 350÷400 
tđ(ms) 3*tđ 2*tđ tđ 
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm với tđ =50 ms 
Utđ(V) 250÷299 300÷349 350÷400 
ttđ(ms) 150 100 50 
Nhận xét bảng 3: Kết quả thí nghiệm ở bảng 
3 cho thấy thời gian tác động đúng bằng thời 
gian đặt thiết kế ứng với các khoảng điện áp 
khác nhau thư thiết kế ở bảng 2. 
Từ kết quả thí nghiệm bảng 3, ta vẽ được đặc 
tính bảo vệ thời gian độc lập như hình 11. 
Nhận xét hình 11: Hình 11 có dạng là đặc tính 
bảo vệ thời gian độc lập theo thiết kế với tiêu 
chuẩn châu Âu [3]. 
Để chứng minh khả năng thay đổi thời gian 
tác động của rơ le, bài báo tiến hành thí 
nghiệm với thời gian đặt khác, tđ=100 ms, kết 
quả thí nghiệm ở bảng 4. 
Hình 11. Đặc tính bảo vệ với tđ =50 ms 
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm với tđ =100 ms 
Utđ(V) 250÷299 300÷349 350÷400 
ttđ(ms) 300 200 100 
Nhận xét bảng 4: Kết quả thí nghiệm ở bảng 
4 cho thấy thời gian tác động đúng bằng thời 
gian đặt thiết kế ứng với các khoảng điện áp 
khác nhau thư thiết kế ở bảng 2, đồng thời 
cũng cho thấy tính năng thay đổi được thời 
gian tác động của rơ le. 
Từ kết quả thí nghiệm bảng 4, ta vẽ được đặc 
tính vảo vệ thời gian độc lập như hình 12. 
Hình 12. Đặc tính bảo vệ với tđ =100 ms 
Nhận xét hình 12: Hình 12 có dạng là đặc tính 
bảo vệ thời gian độc lập theo thiết kế với tiêu 
chuẩn châu Âu [3]. 
4.3. Đánh giá khả năng làm việc của rơ le 
Qua các kết quả thí nghiệm thu được, ta thấy 
rơ le đã làm việc tốt trong phạm vi điện áp 
làm việc dưới 400 V, hệ số ktv lớn phản ánh 
độ nhạy của rơ le cao, đặc tính bảo vệ thu 
được có dạng như yêu cầu thiết kế theo tiêu 
chuẩn châu Âu [3], thời gian đặt cho phép 
thay đổi từ 0 đến 60 s. 
5. Kết luận 
Qua các kết quả thí nghiệm và đánh giá ở 
trên, bài báo khẳng định đã thiết kế và xây 
t(ms) 
U(V) 
130 
100 
50 
250 300 350 400 
t(ms) 
U(V) 
300 
200 
100 
250 300 350 400 
Cao Xuân Tuyển và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 505 - 512 
 Email: jst@tnu.edu.vn 512 
dựng được rơ le bảo vệ quá áp kỹ thuật số có 
đặc tính bảo vệ độc lập, thay đổi và hiển thị 
được giá trị điện áp đặt (đến 400 V) và thời 
gian đặt (đến 60 s), hiển thị được điện áp lưới, 
kết nối được với máy tính. Việc thay đổi các 
tham số và dạng đặc tính bảo vệ cũng có thể 
được thực hiện thông qua máy tính PC và 
chương trình trên máy tính. Điều này có ý nghĩa 
lớn với công tác giảng dạy và nghiên cứu tiếp 
theo đối với các loại thiết bị bảo vệ kỹ thuật số 
trong thực tế tại Trường Đại học Kỹ thuật Công 
nghiệp – Đại học Thái Nguyên. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES 
[1]. H. Q. Nguyen, “Inverse time overcurrent 
protection numerical relay,” (in Vietnamese), 
TNU - Journal of Science and Technology, vol. 
137, no. 07, pp. 112-120, 2015. 
[2]. T. V. Nguyen, Research, design, manufacture 
of intelligent digital relays in the electricity 
system, (in Vietnamese), Periodical report of 
implementation of KC03.19, term 1, Nov., 
2009. 
[3]. Siprotech team, “Numerical Votage, 
Frequency and OverFlux Protection Relay 
SIPROTECT 7RW600 v3.0,” Siemens AG, 
2001. [Online]. Available: 
anuals1/manuals/protective-
relays/siemens/7rw600. [Accessed April 12, 
2020]. 
[4]. Atmel team, “Atmega 16A Datasheet,” 
Microchip Technology Inc, 2014. [Online], 
Available: 
iceDoc/Atmel-8154-8-bit-AVR-
ATmega16A_Datasheet.pdf. [Accessed April 
12, 2020]. 
[5]. The HP Info Tech team, “CodeVisionAvr 
User Manual,” Pavel HaiDuc and HP 
InfoTech S.R.L., 2016. [Online]. Available: 
[Accessed April 12, 2020].