组合电路的设计
组合电路的设计范文第1篇
关键词： 组合逻辑电路；电路设计；Multisim；仿真；交通信号灯；监控器
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）29-6625-04
1 概述
数字电子技术已广泛应用于各个专业技术领域，组合逻辑电路是数字电路重要的组成部分，也是时序逻辑电路设计的基础，在实践中被广泛应用。组合逻辑电路的输出仅与当前的输入状态有关，而与输入之前的信号状态无关，因此组合逻辑电路没有记忆功能，在其电路中没有反馈延迟电路[1-2]。
Multisim的前身是EWB（Electronics Workbench）软件，是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的交互式SPice仿真和电路分析软件，专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试[3-5]。Multisim软件包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
本文以交通信号灯监控器为例，分别运用与非门74LS00、中规模集成数据选择器74LS151和中规模集成译码器74LS138为主要元件设计三种实现监控交通信号灯状态的控制电路，并利用Multisim 12.0软件进行仿真测试。
2 组合逻辑电路的设计
2.1 组合逻辑电路设计的一般步骤
组合逻辑电路设计主要是将用户的具体设计要求用逻辑函数加以描述，再用具体的电路加以实现的过程。组合逻辑电路的设计可分为小规模集成电路、中规模集成电路、定制或半定制集成电路的设计[6]。其设计的一般步骤可用图1来表示：
1）首先对命题要求进行分析，确定输入变量、输出变量的个数和状态，并以真值表的形式列出；
2）根据真值表写出逻辑函数表达式；
3）通过逻辑化简，写出最简的逻辑函数表达式；
4）根据逻辑功能要求以及实际情况，选择合适的门器件，把最简的表达式转换为相应的表达式；
5）根据表达式画出该电路的逻辑电路图。
2.2 组合逻辑电路的设计方法
组合逻辑电路可以采用分立元件实现，随着微电子技术的迅速发展和集成电路工艺水平的提高，单块芯片的集成度越来越高，价格越来越便宜，也可用通过小规模集成电路SSI，中规模集成电路MSI、定制或半定制集成电路等来实现[7]。
本文以监控交通信号灯工作状态的监控器为例分析组合逻辑电路的设计方法。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言，每一组交通信号灯由红、黄、绿三盏灯组成。正常工作情况下，任何时刻必有一盏灯点亮，而且也仅有一盏灯亮。当出现其他状态时，电路发生故障，这时监控器发出故障信号以提醒维护人员前去修理。
2.2.1 命题分析
根据交通信号灯监控器的工作原理，确定红、黄、绿三盏灯的状态为输入变量，分别用A、B、C表示；取故障信号为输出变量，用F表示。
假设：A、B、C取1时，表示灯亮，A、B、C取0时，表示灯不亮；F为1时，表示工作状态正常，F为1时表示发生故障。
2.2.2 列写真值表
根据命题分析列出逻辑真值表，如表1所示。
计算机工程应用技术＼jxy02.jpg> （1）
运用卡诺图化简，可得简化的逻辑函数表达式：
2.2.4把最简的表达式转换为相应的表达式
逻辑电路图是根据逻辑函数表达式得出的，因此画逻辑电路图之前要根据逻辑功能要求以及实际情况确定元件，将最简的表达式转换为与所选用元件相对应的表达式。
1）选用与非门实现
选用集成与非门74LS00、74LS20实现交通信号灯监控器，将输出与输入之间的逻辑关系转换为与非表达式。通过表达式变换，得到式3。
数据选择器是一种多路输入、单路输出的逻辑部件。它在控制信号作用下，从多个输入数据中选一个送到输出端。式4给出了数据选择器输出与输入的逻辑关系，其中，A0、A1、……Ak表示控制信号，Y表示输出信号，Di为数据输入信号，mi为控制信号的最小项表示，2k=n。
从表达式4中可以看出，其输出实际上是数据输入与地址输入的最小项相与的关系，所以数据选择器可以实现各种组合逻辑功能。选用中规模集成数据选择器74LS151可实现交通信号监控器。74LS151是八选一数据选择器，对式1进行变换，可得式5：
[F =ABC+ABC+ABC+ABC+ABC =m0+m3+m5+m6+m7 =m0?1+m1?0+m2?0+m3?1+m4?0+m5?1+m6?1+m7?1] （5）
由式5可以看出，选用74LS151实现交通信号监控器需使F=Y，A=A2，B=A1，C=A0，则有D0=D3=D5=D6=D7=1，D1=D2=D4 =0。
3）选用变量译码器实现
变量译码器是组合逻辑电路中一个重要的器件，它是一个将n个输入变为2n个输出的多输出端的组合逻辑电路。变量译码器的输出与输入之间的逻辑关系可用式6表示：
（6）
其中，Yi 是输出端，mi是关于输入变量An-1，An-2，……，A0的最小项，0
由于译码器电路的输出列出了该电路的所有最小项表达式，而任何一个组合逻辑电路都可以写成最小项表达式的形式，因此我们可运用译码器电路实现各种组合逻辑电路。选用中规模集成译码器74LS138来实现交通信号灯监控器。由于74LS138的输出是反变量形式，低电平有效，因此变换式1得：
[F=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC=m0+m3+m5+m6+m7 =m0+m3+m5+m6+m7=m0?m3?m5?m6?m7] （7）
使74LS138的三个数据输入端分别为：A=A2，B=A1，C=A0，且三个使能端有效，则74LS138中的8个输出可分别与交通信号灯监控器输出的最小项一一对应。
2.2.5 根据表达式画出逻辑电路图
为了便于逻辑电路图的验证，利用Multisim 12.0设计逻辑电路图。根据2.2.4小节中三种设计方法的相应表达式：式3、式5、式7画出逻辑电路图，分别如图2、图3、图4所示。
图2～图4中的XLC1 为逻辑转换仪，它是Multisim软件的一种虚拟装置，可以接入交通信号灯监控器的输入与输出端，测试与验证其逻辑功能。通过逻辑转换仪中的“逻辑电路转换为真值表”的功能分别验证了图2～图4的逻辑功能，得到的真值表相同，如图5所示，该电路真值表及逻辑函数表达式与设计的要求一致。
2.3设计方法分析比较
选用不同的元件最后设计出的电路形式虽然差别很大，但是实现的逻辑功能却相同。选用如本文选用的74LS00、74LS20等SSI来实现电路，所用的集成电路芯片数量多，线路复杂，通用性不强，仅能够适应某一特殊的函数要求。在用SSI设计电路时，要力求逻辑门电路的数量、种类以及输入端的数量均应达到最少。
选用MSI设计组合逻辑电路，如本文选用的74LS151、74LS138，可以减少元件的数目，具有较强的通用性，可靠性高，易于设计、生产、调试和维护[8]。
3 组合逻辑电路的仿真
对于设计好的组合逻辑电路，不仅可以通过 Multisim中的逻辑转换仪来验证，还可以在Multisim窗口中搭建电路来仿真。从Multisim元件库在已经绘制好的逻辑电路图中添加电源、地、电阻、发光二极管等电器元件并进行连线，得到仿真电路图。由于篇幅有限，文中只给出了用74LS138实现交通信号灯监控器的仿真电路图，如图6所示。
在仿真过程中，S1、S2、S3三个开关在全部打开、全部闭合以及任意两个闭合的情况下，发光二极管就会亮，此时表示交通信号灯出现故障。
4 结束语
本文以交通信号灯监控器为例分析了组合逻辑电路设计的过程并进行了Multisim仿真测试。可以看出组合逻辑电路设计中，要实现相同的逻辑功能可根据实际情况选用不同的设计方法；同时，借助于EDA软件Multisim，可以显著提高电路设计工作的效率，为组合逻辑电路的设计仿真提供了一定的借鉴方法。
参考文献：
[1] 王毓银.数字电路逻辑设计[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2] 魏淑桃.计算机电路基础[M]. 北京：高等教育出版社，2008.
[3] 周润景，郝晓霞.Multisim&LabVIEW 虚拟仪器设计技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[4] 石嘉顺.基于multisim 环境下的电路设计与仿真[J].计算机仿真，2007，24（12）：306-308.
[5] 王延才.基于Multisim 的电路仿真分析与设计[J].计算机工程与设计，2004，25（4）：65-67.
[6] 黄进文.组合逻辑函数的实现方法讨论[J].宝山师专学报，2004，23（2）：42-46.
组合电路的设计范文第2篇
【关键词】教学方法 项目驱动 一体化 表决器 组合逻辑电路
【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）06-0241-01
引言
数字电子技术课程是电子、通信、自动化等理工科专业的基础课程。该课程知识点多，逻辑性强，且理论与实践结合密切，掌握基本理论和实践技能可为后续课程打下基础。学校在培养学生时应以市场为导向，以创新为动力，培养具有自学能力、创新意识、实践能力及团体协作能力的技能应用型人才。数字电子技术主要分为组合逻辑电路和时序逻辑电路，在教学方法上，采用了项目驱动，任务导向的一体化教学，起到了较好的学习效果，下文以组合逻辑电路中三变量多数表决器为例阐述。
1.项目驱动一体化教学
数字电子技术课程教学方法很多，可以采用传统的板书讲授法、多媒体讲解演示法、图示法、螺旋上升式和支架式教学法、支架式问题启发式教学法、比较法、项目导向-任务驱动教学法等[1]，各种教学方法各有利弊。在授课过程中应选择合适的教学工具，根据教学目的和内容特点将各种方式有效组合利用，以便使学生真正成为学习的主导与主体，激发他们更好的学习这门课程。
项目驱动一体化教学就是：即依附一个应用项目，设定具体任务，几人一组让同学分工合作进行理论设计[2]，实现理论教学区，模拟操作区，岗位训练区，实现教学场地“空间一体化”。项目驱动一体化教学体系框架结构如图1所示。
2.应用实施步骤
（1）布置项目：表决器在选举及投票时用的非常多，是比较贴近实际的一个产品。该项目要求利用所学的组合逻辑电路知识[3]，设计一个至少3变量的多数表决器，表决时无弃权情况。学生4人为一个小组，分工协作，共同完成理论到实践设计。
图1. 项目驱动一体化教学体系框架结构图
（2）理论教学区――电路理论设计：组合逻辑电路设计步骤：逻辑抽象，函数表达式，选择器件，电路连线。由项目要求可知，输入有3个，设为ABC，输出1个设为Y，可依此列出真值表，写出函数表达式如下：
选择器件，电路连线：
方案一：采用小规模集成门电路设计（门电路），从电路器件数目少，种类少的角度考虑，选用与非门设计电路图如图3（a）所示。
方案二：采用中规模集成芯片设计（译码器和数据选择器）。用3-8译码器74HC138及双4选1数据选择器74HC153根据函数构建实现，连线如图2（b）（c）所示。
（a）门电路 （b） 74HC138 （c）74HC153
图2. 三变量表决器电路设计图
（3）模拟操作区――软件模拟仿真：选用元器件及仪表与实物较接近的Multisim10，该软件的元件库提供了数千种电路元器件及其理想值，另外仪器库中的数字万用表，逻辑分析仪，函数信号发生器等多种电工电子仪表可供选用[4]。让学生根据所采用的器件进行Multisim模拟仿真，采用门电路进行的软件模拟如图3所示，当代表三变量的开关ABC有2个以上接高电平时，与G4与非门相接的灯就会点亮，表示方案通过。
图3. 采用门电路构成的3变量表决器
（4）岗位训练区――版图绘制及DIY、元件焊接调试[5]：采用Protel99SE进行PCB版图的设计；接下来进行PCB制板，看是否达到设计要求的效果。学生此部分若未学过Protel可先暂不操作。
（5）各组答辩、评价：根据各组理论设计、软件模拟、实物制作情况，给予合理的评价，总结各组的优缺点，看是否符合起初设计规定的要求，鼓励学生设计中的创新之处，让学生感到自学的快乐。
3.总结
项目驱动一体化教学法使学生通过一个与现实紧密的项目操作，完成理论教学区，模拟操作区，岗位训练区，实现教学场地“空间一体化”教学，使学生在学习数字电子技术的课程中，可以做到突出应用主线，注重学用结合，更好的培养学生创新、团体协作能力，为其以后提供更为广阔的发展空间。
参考文献：
[1]刘岩梅.浅谈数字电路的教学方法[J].科技信息，2010（26）：132
[2]蒋淑明，项目教学法在数字电子线路课程教学中的应用[J].实践与探索，2010（6）：158-159
[3]刘海燕 贾燕茹，《组合逻辑电路设计》的课堂教学设计与实践[J].郑州铁路职业技术学院学报，2010（2）：61-63
组合电路的设计范文第3篇
关键词:项目教学;数字电路;课程设置;教学实例
项目教学是将某门专业课程按类别分为若干知识和技能单元,每个知识和技能单元作为一个教学项目,每个教学项目都以应用该项知识和技能完成一个具体的项目任务作为目标,所以,项目教学是将理论与实践融于一体的教学模式。把理论知识和实践知识较好的融于到具体项目是搞好项目教学的关键,所以,数字电路课程结构必须按照项目教学模式来重新设置,本文结合作者项目教学实践经验和研究工作对基于项目教学模式的数字电路课程设置进行浅显探讨。
一、课程的性质与作用
《数字电路》是高等职业院校电子信息专业、通信专业等电类专业的一门核心职业技术基础课,是实践性较强的课程。
本课程主要针对企业生产第一线产品装配、调试、检验、维修、生产管理等岗位。通过基于工作任务的项目式教学,培养学生的逻辑电路分析能力、逻辑电路设计能力(即用中小规模集成电路设计具有一定功能的逻辑电路,而不是设计一个编码器、译码器、计数器等)、常用仪器仪表使用能力(如双踪示波器、稳压电源、信号源、计数器、频率计、万用表等仪器仪表使用能力)、逻辑电路制作能力、故障排除能力、仿真工具使用能力、自学能力、设计报告编写能力及职业素质养成,本课程培养的核心能力是逻辑电路分析能力、逻辑电路设计能力。
二、课程结构整体设计
课程教学设计的理念:以项目教学开展课程教学;实现理论实践一体化教学;以职业能力培养为主线,以应用为目的。依据此理念设计出的课程教学内容体系如图1所示。
项目实验包括单元实验、仿真实验、设计实验3个方面。“单元实验”训练常用电子仪器的使用方法和数字电路的基本测试方法,它所涉及的内容与课堂教学内容紧密相关,充分体现课程的实践性。“仿真实验”主要利用EWB平台进行实验,使学生掌握仿真工具的使用方法,并能利用仿真工具对一些设计实验、项目实训内容进行仿真。“设计实验”是通过常用的数字集成电路实现简单功能的逻辑电路。
项目实训采用EWB仿真设计+实物制作相结合的手段,项目实训内容主要利用中小规模集成电路实现具有一定功能的数字系统。在项目实训中鼓励学生将课外科技活动、数字电路制作大赛纳入教学活动中来,课内外学习相互结合,使学生视野开阔、能力增强。
理论教学与实践教学时间比例为1∶1;并安排2周课程设计进行综合实践训练。
(一)项目设计的思路
项目设计的思路:设计的项目应覆盖整个工作领域和承载这个工作领域所需要的知识和技能;项目结构划分应体现工作体系的特征;在以项目划分为线索进行工作分析的基础上,合理设计项目结构。
项目内容设计具体原则:项目应覆盖知识点和技能要求;知识点的内容应最大限度地融于项目教学之中;项目大小要根据学习内容进度和要求来确定;项目内容设计要考虑教学组织的可行性和合理性。
(二)课程教学实施思路
课程教学实施思路:理论教学主要结合在项目实验、项目实训中进行教学。
课程的教学以项目作为核心实例带动知识点讲授,以工作任务完成过程为主线选择和组织课程内容,以完成工作任务为主要学习方式,每一个项目分解为若干个工作任务,通过每一个工作任务使学生掌握必要的理论知识和技能。大部分内容教学实施在实验室中进行理论实践一体化教学,可先分析再实践,或先实践再分析理论知识,或随讲随练,讲练结合,工学交替,理论教学与实践教学同步进行。教学实施过程中突出“以职业能力培养为主线,以应用为目的”原则,重点加强对学生实践能力的培养,通过对项目设计制作训练,培养学生综合应用知识的能力。
(三)实践教学的4个层面
本课程教学模式是基于工作过程的项目式教学,借助这种教学模式和项目实验、项目实训、课程设计3个实践平台,构建了由基础训练、应用训练、创新训练和综合训练组成的“四个层面”的实践教学体系,为学生实践能力培养提供强有力保障,能使学习者在实践活动中主动学习和有效应用知识,极大提高教学效果和学生职业能力培养的效率。
三、教学内容的选取与规划
(一)教学内容选取依据
教学内容要集中体现课程教学目标,内容的选取应该以企业对岗位知识能力要求和学生适应岗位变化的可持续发展能力要求为依据。这就要求数字电路课程组的教师经常到企业进行知识和能力要求的调研,对企业所要求的知识点和能力进行分析,根据调研结果及时调整教学内容,使数字电路的内容符合行业企业发展的需要。另外,教学内容的选取还要考虑能较好地解决“基础知识、技能与学生适应岗位变化的可持续发展能力”的关系,“基础知识与应用能力”的关系,“理论与实践”的融合关系、比例关系等关系,使《数字电路》课程内容体系具有高等职业教育的针对性,适应电子信息职业岗位能力的培养。
(二)教学内容具体规划
1、理论教学内容。必修模块:数字电路基础,逻辑门电路,组合逻辑电路,触发器,时序逻辑电路,脉冲电路;选修模块:半导体存储器与可编程器件,数/模转换与模/数转换;拓展模块:MAX+PLUSII软件操作训练,用VHDL语言设计功能模块(拓展模块不纳入正常教学,利用课余时间结合数字电路设计制作竞赛开展教学,满足部分学生需求)。
2、项目实训内容。项目实训内容体系如图2所示,具体实训内容:加法计算器的设计与制作包括逻辑门电路功能的测试和加法计算器的设计两个项目。涉及相关知识:与、或、非逻辑运算,复合逻辑运算,TTL门电路,OC门,三态门,TTL门电路、CMOS门电路的分类及其比较,TTL与CMOS数字集成电路的使用规则,逻辑代数的基本定律及规则,组合逻辑电路的描述,组合逻辑电路的分析,最小项与最大项,常用数制与BCD码;逻辑函数的化简,组合电路设计方法,数字信号与模拟信号,组合逻辑电路中的竞争-冒险现象。抢答器的设计与制作包括译码器功能的测试、编码器功能的测试、锁存器功能的测试和抢答器电路设计等4个项目。涉及相关知识:LED显示器,显示译码器,译码器,使用变量译码器实现组合逻辑函数;编码器,二进制优先编码器功能扩展;D 锁存器;抢答器的组成框图(包括编码器、译码器、锁存器)。计数器的设计与制作包括触发器逻辑功能测试、简单计数器逻辑功能测试、集成计数器功能测试和计数器的设计与调试等4个项目。涉及相关知识:基本RS触发器,同步触发器,边沿D触发器,边沿JK触发器;时序逻辑电路的组成,计数器的类型,计数器的分频功能,同步时序电路分析;集成四位二进制加法计数器 74LS161,集成四位二进制同步加法计数器 74LS163,集成异步十进制计数器74LS290,可逆计数器74193;计数器模数的变化,振荡器。数字钟的设计与制作完成有一定功能数字钟(能显示小时分钟基本功能)设计制作,这一个项目是对前面所有相关知识的综合运用和检验。
四、教学组织与实施
教学组织与实施的思路:教学内容结构以项目和案例作为单元展开教学内容,教学组织形式采取实际操作与讲解相结合,单元学习时间为4课时;教学过程中正确处理知识学习与工作任务的关系,做到知识学习为完成任务服务,知识学习为技能形成服务;最后,学生通过学习获得报告、图纸、工艺文件、作品等学习成果。
项目的具体组织实施过程中,重点考虑如何通过设计恰当的工作任务引入相关理论知识。例如通过“三人表决电路设计”、“简单加法计算电路设计”两项工作任务,引入组合电路设计方法、逻辑函数化简方法等知识点;通过这两个任务,学生容易理解化简后结果尽可能用相同芯片去实现它,因此“与或式”结果不如“与非与非式”,“与或式”就意味着要用与门和或门,再简单的逻辑函数至少要两个芯片,“与非与非式”只用与非门,如果逻辑函数不复杂,一个芯片可解决问题。又如通过“用74160及简单门电路构成八进制计数器(0-7)”和“数字钟中分钟指示电路设计与调试”两个工作任务,引入N进制计数器的构成方法:串接法(即级联法)、复 位法、置数法。
五、教材编写与选择
项目式教学教材选用应该是以主、辅两本教材结合使用的选用原则。为了保证项目教学的顺利实施,应该以自编校本教材为主教材,选择理论知识顺序与校本教材基本一致的规划教材为辅助教材。校本教材在章节顺序上,以项目和工作任务为主线来编排内容顺序,兼顾学生的认知规律,并将知识和能力有机地融入到完成工作任务的具体过程中;在内容编排上,按先基本逻辑电路后逻辑部件、先单元电路后系统电路、先数字电路后脉冲电路的原则编排,实践与理论在内容上相互充实、相互补充,边学边做。
采用两本教材的目的是满足部分自学能力较强学生扩展知识的需要,对一些内部电路的分析、原理的分析,自学能力较强学生可通过自学获得知识,培养学生的自学能力。
六、项目教学实例
以“智力竞赛抢答器的设计”这一项目为例说明项目教学的具体实施过程。这个项目的实施过程包括4个阶段:
第一阶段:任务布置。第一步是教师布置工作任务,讲解必要的相关知识,如原理框图;第二步是分小组讨论,按强弱搭配原则分小组讨论,教师参与学生的讨论,提出要解决的关键问题,即如何实现数码管显示与按键数字相对应的数码,如何实现闭锁功能,学生展开对这两个问题的讨论,教师逐步启发学生,得到解决问题的基本方法。
第二阶段:仿真设计。第一步是利用仿真平台在仿真实验室中进行仿真设计,搭接电路并激活仿真软件,查看所设计的电路能否实现工作任务所要求的技术指标;第二步是教师对学生仿真设计结果进行考核。
第三阶段:电路制作。第一步是学生在面包板上搭接电路,自行排除故障;第二步是分小组进行答辩并考核。
第四阶段:教师总结。可挑选1-2个电路进行演示,并讲解工作原理。
通过本项目的学习,学生不仅掌握了锁存器、编码器、显示译码器的原理,动手能力得到了很大提高,电路制作的速度、排除故障能力明显提高。整个项目教学体现了课程整体设计的理念,应用了计算机仿真、实验室制作教学手段,采用了项目教学式、小组讨论式、启发式等教学方法。
随着数字技术的不断发展,数字电路的教学内容和模式应不断的改革,这就要求数字电路课程组老师在总结经验的基础上大胆创新,做到与时俱进,并在今后的教学过程中还要不断深入研究和探索。
参考文献:
1、李珈.数字电路课程教学改革的实践[J].职业教育研究,2008(6).
2、侯国相.项目教学法在数字电路课程教学中的实践[J].辽宁教育行政学院学报,2008(8).
组合电路的设计范文第4篇
间歇电弧接地过电压只在中性点不直接接地系统中出现;切除容性负载过电压主要用于确定220kV及以下系统的绝缘配合;实际中解列过电压最大值的出现，同时要满足多个不利条件，出现概率很小。因此，本文主要分析研究发电厂至对侧变电站750kV线路的合空载长线过电压水平、单相重合闸过电压水平、合空载变压器过电压水平。
仿真计算合闸空载线路操作过电压无避雷器并取消断路器合闸电阻根据发电厂出线侧750kV线路首端、中间、末端合闸过电压分组频数，用Uabc进行统计计算，建立合闸统计过电压幅值分布直方图，如图1所示。Uabc表示对每次合闸过程均取三相过电压中的最大值进行统计时的过电压(共120个数据)。其中，横坐标表示过电压幅值(p．u．)，纵坐标表示分组频数(次)。从图1可以看出，合闸过电压近似服从某种正态分布，因此，采用拟合优度χ2检验法，假设Uabc服从正态分布，分布函数F(x)的统计假设为:（公式略）根据其均值u—、标准差σ，有Uabc拟合优度χ2检验的计算数据如下所示:首端———χ20．95(8)=15．51＞3．0667，末端———χ20．95(8)=15．51＞5．8667。由上可以看出，取置信度为α=0．05，接受统计假设H0，即接受样本Uabc为正态分布的假设，取消断路器合闸电阻并无避雷器时，合闸空载线路操作过电压服从正态分布。线路合闸过电压服从正态分布，查正态分布表有，其2%统计过电压为:（式略）采用ATP-EMTP仿真，沿线合闸统计过电压幅值情况。表中Ua，Ub，Uc表示A，B，C各相分别以120个数据进行统计时的相对地过电压。无避雷器并取消断路器合闸电阻时，750kV线路沿线合闸过电压2%统计过电压超过了750kV系统绝缘配合要求值1．8p．u．。因此，必须采取有效措施来限制线路沿线操作过电压，以保证750kV系统能够安全、可靠运行。
有避雷器无断路器合闸电阻取消断路器合闸电阻，沿线分别装有避雷器，配置方案为:1组避雷器(首端装1组避雷器);2组避雷器(首末端各装1组避雷器);3组避雷器(首中末端各装1组避雷器)。采用ATP-EMTP进行合空线操作过电压仿真计算，合闸操作120次(服从正态分布)进行统计分析。不同避雷器配置方案下线路沿线合闸统计过电压幅值分布如表6所示。，取消断路器合闸电阻首末端及线路中部各有一组避雷器(共3组)时，线路沿线合闸过电压2%统计过电压满足750kV系统绝缘配合要求值1．8p．u．以下，最大值为1．7890p．u．。沿线2%统计过电压随着距首端距离的增加先增大后减小呈弓形分布。有避雷器且断路器并联合闸电阻600Ω断路器并联合闸电阻600Ω，并且在首端和末端各有1组用避雷器时，采用ATP-EMTP进行合空线操作过电压仿真计算，合闸操作120次(服从正态分布)进行统计分析，线路沿线合闸统计过电压幅值分布如表（图略）。线路两端装有750kV线用避雷器，断路器并联600Ω合闸电阻时，全线过电压均小于750kV系统绝缘配合要求值1．8p．u．。单相重合闸过电压分析对于超高压线路，由于线间距离大，运行经验表明，其中绝大部分故障都是单相接地短路。现假设线路末端A相在0．1s时发生单相接地，故障持续时间0．25s，线路末端断路器在0．3s时开断，首端断路器0．45s时开断，在0．6s时成功重合闸，仿真计算时利用统计开关实现120次合闸操作，合闸时间为一个工频周期内的随机分布时间，分布规律符合正态分布。线路首端单相合闸过电压2%统计过电压如表（表略）。，线路装有避雷器时，单相合闸过电压2%统计过电压为1．7250p．u．，小于750kV系统绝缘配合要求值1．8p．u．。
组合电路的设计范文第5篇
关键词：变电站；继电保护；调试
变电站继电保护综合调试是变电站投运前最重要的一项技术把关工作。通过调试,发现和解决变电站二次回路在设计和安装中存在的问题,检验保护和测控装置动作是否正确,与电力系统的通信是否可靠,确保各设备以及保护和测控系统安全稳定运行。结合某变电站继电保护综合调试的工程实践,向读者简要介绍继电保护调试的主要内容、调试方法、调试步骤和调试经验。
1 工作原则
精心组织、合理安排、确保安全、高效、高质量地完成调试工作。落实工作计划，争取多方支持，做好部门协调，减少设备停运时间和重复工作，缩短工作时间。
2 变电站继电保护调试前期准备工作
2.1 组建项目调试小组
新建变电站综合调试内容多,工作量大,包括完成全站保护、测控、站用电、直流电、二次控制和测量回路等内容。因此,新站的调试组一般需有6～ 7人组成,其中调总1人,负责施工安全、全面工作安排、协调和指导,可以根据现场情况设调试组2-3组，每组负责所管辖该电压等级内继电保护装置调试、测控装置调试及二次回路检查调试，后台监控系统及五防系统调试1人。
2.2 技术及资料准备
接到调试委托书后立即组织具有继保调试经验的技术人员参加调试任务，并对其进行纪律教育和技术交底、业务培训工作，同时应要求委托方提供与调试工作有关的所有资料，包括设计资料、厂家资料以及工作计划等，指定工作负责人对上述资料进行分析审查，制定调试方案。如对资料存在疑问，应立即以书面方式通知委托单位，要求其给予确认，技术资料准备工作应在调试工作开始前完成，如因客观原因无法按委托单位制定的时间表进场调试，应尽早书面通知委托单位。
2.3 准备调试用的仪器设备和工具
(1)微机继电保护测试仪；(2)互感器综合测试仪；(3)多功能交流采样测试仪；(4)数字万用表、绝缘电阻表(1000V)、数字钳形电流表、相序表、双钳数字相位表；(5)手提电脑、对讲机、打印机、铰钳、剥线钳、电烙铁、板手、螺丝批、电工胶布等。
2.4 熟悉和核对全站二次回路设计图纸,制定工作计划
进场调试作业前,安排2～3天时间集中调试小组阅读和核对全站二次回路图纸,包括装置的原理接线图(设计单位及厂家的图纸) 及与之对应的二次回路安装接线图,电缆敷设图,电缆编号图,断路器和隔离开关操作回路图,电流电压互感器端子箱图等全部图纸,以及成套保护、自动装置的技术说明书和开关操作机构说明书,电流、电压互感器的试验报告等,全面了解和掌握全站的设计思路,主要设备的布置及其性能和参数,弄清各回路的作用、原理和连接方式。
根据厂家相关技术资料和二次回路设计要求,编制各装置和设备的调试报告范本。同时,结合工程进度要求,由调试小组讨论制定具体调试工作计划。
3继电保护调试的内容和经验
3.1 继电保护调试的主要内容和方法
变电站继电保护综合调试实质上是要对整个变电站二次回路进行全面检查和调试,包括二次保护、控制、信号、计量等回路设计和安装正确性检查,互感器极性判别和特性检验,保护控制逻辑核对和保护装置动作校验,测控装置采样和动作试验以及其它回路等。
⑴ 二次回路的安装接线检查
二次回路的安装主要是根据端子图进行。由于安装人员不一定很熟悉二次回路,大多按图施工,所以二次回路的安装接线难免有误。因此,二次回路的接线检查核对是现场调试工作的第一步,对于电源回路、交流电流电压回路、控制回路等重要回路一定要进行认真对线, 把错误的接线、接触不良的接线、虚接线排除掉。
⑵ 各线路、主变及电容器继电保护装置和各测控装置的调试
不同厂家设备的控制和保护逻辑有所不同,装置操作及相关参数设置也不一样。因此,保护和测控装置调试的具体内容和方法与设备有关,但调试的基本内容和方法是一致的。
保护装置调试主要是根据厂家提供的装置技术说明书所提供的保护功能、保护逻辑、参数设置方法以及设计图纸,用继电保护测试仪在端子处加相关的电流电压量和开关量以检验保护装置采样是否精确,动作是否准确。保护装置调试的主要内容包括:①外观及接线检查；② 绝缘及耐压检验；③ 逆变电源检验；④初步通电检验；⑤ 定值整定、固化和切换检验；⑥开关量输入回路检验；⑦ 模数变换系统检验⑧保护功能检验；⑨ 输出信号及接点检验；⑩整组传动试验。
测控装置主要是完成采样和实现控制功能。采样检测一般用多功能交流采样测试仪加电量,多点查看装置采样结果是否超差；控制功能的调试重在检测各种控制操作功能是否能正确实现,闭锁是否可靠。测控装置调试的主要内容包括:①外观及接线检查②绝缘及耐压检验；③逆变电源检验；④GPS对时检验；⑤开入开出试验；⑥交流工频输入量误差试验；⑦同期操作及闭锁检查。
⑵ 故障录波装置的调试
当保护动作或电量异常突变时,故障录波装置自动启动将故障前后的相关电流电压波形记录存储下来并自动进行数据分析,指出事故原因甚至事故地点,达到事故追忆和分析的作用。故障录波装置调试时,先根据设计图纸确认装置录波范围,确认相关设备配线(配置对象所取的电压和电流量),然后如继电保护装置试验方法一样,在端子处加上模拟各种故障时的电流和电压量,以及保护动作启动故障录波的量(最好能在保护装置试验时一起观察录波装置,这样可提高调试的效率),观察装置是否能正确进行录波并分析事故原因。
（3）计量回路的检查和调校
对于110KV及以上电压等级计量回路由相关电力试验部门或机构进行调试和校验,包括互感器特性试验、绕组极性判别、以及电能表的校验等,其它则由继电保护调试组进行检查和调校。调试的后期需要调试小组对所有计量回路进行一次核查,确保各电压电流回路连接正确,各线路在倒闸操作后能取得正确的计量电压信号。
（4） 站用直流电系统的检查及调试
站用直流电系统采用双电源、双馈线结构型式,每组电源均配有智能充电模块,一台集中监控机,一台微机绝缘监测仪组成。直流系统的调试包括蓄电池检查与充放电试验、各回路绝缘监测试验,充电模块、监控机和绝缘监测仪的装置检查及试验等。
直流电系统采用两组分段运行的方式,不允许两段直流电联接在一起。因此,将直流电系统所有馈线开关合上,由绝缘监测仪所测的绝缘电阻值均应为最大值。此外,对于负责每一个蓄电池容量、充电和馈线回路、交流输入回路等进行监控的集中监控机,要测试并检查其与后台机的遥测和遥信功能。
（5）UPS系统的检查与测试
UPS作为后台机以及通信装置的重要电源,一般由两套在线式UPS 装置组成,一套为工作机,一套为备份机(串联热备份方式),其直流电源分别取自站用直流电系统的两组蓄电池,交流电源也有两回路。
UPS系统的测试应在完成对输入输出回路绝缘测量无误后按以下步骤进行:①断开直流电源,检查单个UPS装置工作时输出电压和频率是否在允许范围内；②合上直流电源,突然断开交流电源,检查单个U PS装置工作时输出是否有突变；③模拟工作机故障时,检查备份机工作是否正常；④模拟工作机故障排除时,检查系统是否能切至工作机输出。在上述试验过程中,注意检查相关信号是否能经公用测控屏送至后台机。
（6）刀闸和断路器远动和现地操作调试
湘山变主要隔离刀闸都具有远动和现地操作功能,现地操作还有手动和电动两种操作方式。断路器全部采用SF6断路器并采用交流电机实现弹簧储能。刀闸、断路器远动和现地操作调试的内容包括:① 用相序表检查各开关三相交流电源相序是否一致,用万用表检查电源电压是否正常；②现地手动和电动操作各隔离刀闸和地刀,检查其动作是否正确；③现地操作断路器分合闸,检查其动作是否正确；④根据闭锁条件检查各隔离开并的闭锁是否正确；⑤在测控屏和后台机远控各开关分合闸,检查远控操作是否正常；⑥检查核对后台机全站隔离开关和断路器的动作状态和位置是否与现场一致。
（7）后台监控系统的调试
后台机有A和B两个操作站,是操作和远动以及通信的重要窗口, 分别接至变电站的A网和B网,两站的数据能定时刷新并保持一致。后台机的调试在厂家技术人员完成设备及网络定义、实时数据库定义(根据各现场状态和模拟输入量、输出控制量所连接设备的地址和具体接口进行定义)、监控界面组态后,即可进行后台机的调试。
后台机调试的主要内容是检查核对网络连接是否正常,组态是否正确,控制动作是否可靠,监测结果是否准确,与系统的通信是否畅通等内容。实际上,后台机的调试可与保护装置调试以及刀闸和断路器远动/现地操作调试等项目结合起来并行进行。
（8）400V配电的检查与调试
400V配电的检查与调试主要内容有:①检查进线断路器及母联断路器动作的可靠性与闭锁性；②检查各配电回路的去向是否正确；③检查各进线以及配电回路相序和电压是否正确；④计量和监控回路是否正确；⑤与站用变保护以及备自投装置一起联调,检查其动作的正确性。
3．2 继电保护综合调试经验
(1)在核对图纸过程中,要注意设计图纸与厂家图纸相结合,重点审核电源回路、交流电流电压回路、跳合闸控制回路以及闭锁回路的原理图设计是否有误,对应的端子图接线是否正确;
(2)因厂家在装置设计会考虑到不同地域、不同用户对设计有不同要求, 所以要注意核对装置内部的逻辑设计,特别是跳合闸回路的设计是否满足本站的要求;
(3)如果对所调试的装置不是很熟悉,可要求厂家派相关技术人员到场调试,以提高调试的效率;
(4)二次回路对线是进场调试工作的第一步,重点要认真核对装置的电源回路、电流电压回路和跳合闸回路接线是否正确;
(5)对地绝缘检查前, 应先确认已拆除各电压回路的击穿保险( 额定电压220V),以免用绝缘电阻表测量回路对地电阻时造成击穿保险损坏;
(6)直流电回路绝缘监测检查时,可先将绝缘电阻报警值设为20 kΩ,在某一空支路对地间接上一个18kΩ的电阻,绝缘检测仪应能正确报警并可查询相应回路号。但如果出现绝缘电阻测量结果翻倍的现象,一般是由于两段直流电的某一极在系统中某处短接构成环路造成的；
(7)有些故障录波装置不具备根据隔离刀闸位置自动进行配线。因此,调试人员应先了解装置的配线操作方法,每次试验前要注意核对配线是否与所加故障电量一致；
(8)隔离刀闸电动调试前要先核对电源相序,然后手动操作刀闸离开极限位置一定距离再电动操作,以免因电机转向相反导致隔离刀闸损坏；
(9)隔离刀闸主刀和地刀的闭锁是通过刀闸的辅助接点实现电气闭锁的。因此,闭锁调试前要注意查验二次回路电气闭锁信号是否正常再进行电气操作检查,以免闭锁失效导致电动操作损坏刀闸；
(10)测控装置所发的分合闸信号一般是脉冲信号,如果发现二次回路没有问题但分合闸远控不正常的时候,要注意核查厂家在装置中所设的分合闸脉冲宽度是否合理；
(11)保护装置第一次试验应注意断开跳合闸出口回路,待保护装置基本试验完成和断路器现地操作无误后可带断路器一起做传动试验；
(12)刀闸和断路器的控制试验要按照控制地点、控制方式、压板投退的所有逻辑组合进行传动试验,以排除设计或安装错误出现误动作的可能性；
(13)可利用互感器特性试验仪在一次侧加电流并查看装置的采样结果来判别电流互感器二次接线极性是否正确；
(14)主变电流互感器变比的试验可通过将工频交流电(要注意电流核算)接至主变一次绕组并在装置处查看采样结果来实现。
4变电站继电保护验收
变电站继电保护的综合验收由业主组织,调试小组配合。继电保护的验收按照继电保护调试内容的(2)～(10)项内容重新做一遍,由业主确认二次保护、控制、信号、计量、电源、网络及通信等回路正常。由于调试小组已进行了全面的调试并排除了设计和安装过程中存在的问题。因此,验收过程比较快,也比较顺利。
5变电站试运行
变电站试运行是在包括土建、安全、消防和机电安装与调试等各工程项目施工完毕,验收合格且相关技术资料完备的情况下,由业主组织,各工程施工单位和使用单位以及主要设备生产厂商技术人员到现场后进行。
变电站的试运行先要成立由业主、施工单位、运行和维护单位等组成的变电站试运行工作小组,并由小组制定试运行方案并报相关部门审核和批准。由于试运行会将新建变电站连接到系统上,因而要相当慎重。
5．1 试运行条件
(1)已完成相关线路的施工并验收合格,各装置已处于正确位置或状态；
(2)变电站设备安装完毕,综合调试完成,与地调、中调通信畅通, 远动数据正确；
(3)与系统连接的对站已做好准备,将有关负荷转移并留出一条母线供本次试运行使用；
(4) 各保护装置定值已输入装置并由运行单位人员核对无误；
(5) 中调、低调已同意本站投入试运行；
(6) 试运行操作和监护人员已落实并报地调和中调备案。
6 结语
变电站继电保护综合调试的重要任务是检查和排除变电站二次回路设计及安装过程中存在问题和不足,所涉及的设备多,项目繁, 任务重,技术性强,本文仅就调试工作的组织实施并结合调试小组工程实践的收获浅谈变电站调试工作的一些经验,供读者参考。
参考文献
