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I E E E T R A N S A C T I O N S ON I N D U S T R I A L E L E C T R O N I C S , V O L . I E - 3 3 , N O . 1 , FEBRUARY 1 9 8 6

Microprocessor-Based O v e r c u r r e n t RelaysM UDH A F A R A . AL-NEMA, SINAN M . B A S H I , A ND ABDULHADI A . UBAID

A b s t r a c t - I n v e r s e o v e r c u r r e n t i s n o r m a l l y a s s o c i a t e d w i t h t h e o v e r c u r -r e n t r e l a y t y p e s , t h e o p e r a t i o n t i m e i s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l ( i n c e r t a i nd e g r e e s ) w i t h t h e i r o v e r c u r r e n t r a t i o .T h e g e n e r a l e q u a t i o n o f t h e i n v e r s e o v e r c u r r e n t r e l a y s c a n b e w r i t t e n a sI n t = c o n s t a n t a n d i s u s e d f o r t h e p r o t e c t i o n o f t r a n s m i s s i o n l i n e s a n de q u i p m e n t s . T h e v a l u e o f i n d e x n i s c h o s e n t o m a t c h t h e s p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c r e q u i r e d b y t h e s y s t e m u n d e r c o n s i d e r a t i o n . T h i s p a p e rd e s c r i b e s a p r o p o s e d s c h e m e o f o v e r c u r r e n t r e l a y s d e a l i n g w i t h p r o g r a m -m i n g o f a s i n g l e - b o a r d m i c r o c o m p u t e r T K - 8 5 , b u i l t b y NE C a r o u n d t h eI n t e l ' s 8 - b i t 8 0 8 5 m i c r o p r o c e s s o r , g e t t i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h b e t t e rr e l a y c h a r a c t e r i s t i c p e r f o r m a n c e s a n d h i g h f l e x i b i l i t y f o r i m p l e m e n t i n gt h e d e s i r e d v a l u e o f n i n c l u d i n g n o n - i n t e g e r v a l u e s .I . I N T R O D U C T I O N

HARD-WIRED s c h e m e s o f o v e r c u r r e n t r e l a y s s u f f e r f r o mt h e d e f e c t o f i n f l e x i b i l i t y w h i c h c a u s e s d i f f i c u l t i e s w h e nd e a l i n g w i t h t h e f o l l o w i n g p o i n t s [ 1 ] :1 ) t h e i n t r o d u c t i o n o f s p e c i a l c o n t r o l f e a t u r e s w h i c h d i f f e rf r o m t h e s t a n d a r d s y s t e m s ;2 ) t h e i m p l e m e n t a t i o n o f u n f o r e s e e n o p e r a t i o n a l c h a n g e sa f t e r i n s t a l l a t i o n o f a n e q u i p m e n t ;3 ) t h e r e c e n t t r e n d t o d e p a r t f r o m s t a n d a r d s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n s ;4 ) s u c c e s s i v e s t a g e s i n t h e d e v e l o p m e n t o f a s u b s t a t i o nw h i c h m a y r e q u i r e r a d i c a l c h a n g e s i n a u t o m a t i c s w i t c h i n gf a c i l i t i e s .I n s u c h c a s e s r e l a t i v e l y h i g h e n g i n e e r i n g c h a r g e s a n dd e v e l o p m e n t c o s t s m a y b e i n c u r r e d [ 1 ] .T h e s e f a c t o r s h a v e e n c o u r a g e d t h e m o v e m e n t t o w a r d s m o r ef l e x i b l e a p p r o a c h e s ; a n o b v i o u s o n e i s t o u s e p r o g r a m m a b l es e q u e n c e c o n t r o l l e r s w h i c h a r e b a s e d o n p l u g b o a r d o r d i o d em a t r i x s e g m e n t s [ 1 ] . W h i l e f o r m a n y a p p l i c a t i o n s t h e s ep r o v i d e e c o n o m i c e q u i p m e n t , f o r a p p l i c a t i o n s a b o v e a c e r t a i no r d e r o f c o m p l e x i t y t h e e q u i p m e n t m a y b e c o m e b u l k y w i t hm a n y c o m p o n e n t s .An a l t e r n a t i v e a p p r o a c h i s t h e u s e o f m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m s w h i c h o f f e r a n u m b e r o f a t t r a c t i o n s o v e r o t h e ra p p r o a c h e s . T h e a p p r o a c h l e n d s i t s e l f t o s o f t w a r e d e s i g n a n dt e s t i n g a i d s r u n n i \ n g e i t h e r o n t h e m i c r o p r o c e s s o r s y s t e m i t s e l fo r o n a m o r e p o w e r f u l l a r g e c o m p u t e r [ 1 ] . T h e r e l i a b i l i t y o fs u c h e q u i p m e n t i s , o f c o u r s e , o f g r e a t i m p o r t a n c e a n d h e r ea g a i n t h e m i c r o p r o c e s s o r s c o r e s w e l l . F i r s t l y , t h e p r i n c i p l e o ft h e s y s t e m i s s u c h t h a t w i d e u s e i s m a d e o f l a r g e - s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t s w h i c h m e a n s t h a t t h e n u m b e r o f c o m p o -n e n t s i s m i n i m i z e d , r e s u l t i n g i n g o o d r e l i a b i l i t y a n d s m a l l s i z e .S e c o n d l y , i t i s p o s s i b l e t o p e r f o r m a c e r t a i n a m o u n t o f s e l f -c h e c k i n g i n n o r m a l o p e r a t i o n .

M a n u s c r i p t r e c e i v e d J a n u a r y 1 1 , 1 9 8 5 .T h e a u t h o r s a r e w i t h t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t yo f M o s u l , M o s u l , I r a q .I E E E L o g N u m b e r 8 4 0 6 3 5 8 .

I I . S Y S T E M D E S C R I P T I O N A ND O P E R A T I O N P R I N C I P L EF i g . 1 r e p r e s e n t s a b l o c k d i a g r a m o f a p r o p o s e d m i c r o p r o -c e s s o r - b a s e d o v e r c u r r e n t r e l a y .T h e l i m i t e d d c v o l t a g e o u t p u t o f t h e m e a s u r i n g u n i t i sp r o p o r t i o n a l t o t h e o p e r a t i n g c u r r e n t [ 7 ] , i . e . ,V = K - I * . ( 1 )

T h e v o l t a g e i s f e d t o a m i c r o c o m p u t e r [ 5 ] , w h o s e f u n c t i o n i s t op e r f o r m t h e f o l l o w i n g j o b s s e q u e n t i a l l y t h r o u g h an a p p r o p r i a t ep r o g r a m m i n g ( f l o w c h a r t i s s h o w n i n F i g . 2 ) :1 ) a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r s i o n ;2 ) f a u l t d e t e c t i o n ;3 ) f u n c t i o n g e n e r a t i o n ;4 ) a u t o m a t i c v a r i a b l e t i m e d e l a y a c h i e v e m e n t ;5 ) p u l s e g e n e r a t i o n .T h e m i c r o c o m p u t e r f i r s t c o n v e r t s t h e d c a n a l o g i n p u tv o l t a g e i n t o a d i g i t a l e q u i v a l e n t i n t e r m s o f t h e h e x a d e c i m a ls y s t e m [ 3 ] , [ 4 ] , [ 7 ] , i . e . ,

( X ) h = V.*. ( 2 )T h i s d i g i t a l v a l u e i s t e s t e d . I f t h e r e i s a f a u l t , t h i s m e a n s t h a tt e s t e d v a l u e e x c e e d s a s t o r e d d i g i t a l p i c k - u p v a l u e , t h e n i t w i l lb e p r o c e s s e d t h r o u g h a s o f t w a r e f u n c t i o n g e n e r a t o r , w h i c hc o n s e q u e n t l y d e t e r m i n e s t h e t y p e o f t h e r e s u l t i n g o v e r c u r r e n tr e l a y , i . e . ,

K 2( Y ) h = . . . .g ( X ) ( 3 )T h e o p e r a t i o n t i m e o f t h e r e l a y i s d e t e r m i n e d b y a s p e c i f i e dt i m e d e l a y s u b r o u t i n e [ 2 ] d e p e n d i n g u p o n t h e v a l u e o f ( Y ) h ,i . e . ,

t = K 3 ( Y ) h * * . ( 4 )H e n c e , p u l s e s a r e g e n e r a t e d t h r o u g h a n o u t p u t p o r t o f t h em i c r o p r o c e s s o r f e d t o t h e t r i g g e r i n g i s o l a t i n g c i r c u i t w h i c ht r i g g e r s t h e t r i a c a n d s o t h e t r i p p i n g c i r c u i t i s c o m p l e t e a n d t h ef a u l t c u r r e n t w i l l b e c l e a r e d .I f t h e r e i s no f a u l t , i . e . , t h e d i g i t a l v a l u e o f t h e A DC o u t p u ti s l e s s t h a n t h e p i c k - u p v a l u e , t h e r e l a y w i l l n o t o p e r a t e .S i m p l e m a t h e m a t i c a l o p e r a t i o n s o n t h e a b o v e e q u a t i o n s g i v ea r e l a t i o n b e t w e e n t h e o p e r a t i o n t i m e t o f t h e r e l a y a n d t h eo p e r a t i n g c u r r e n t I o f t h e l o a d t o b e p r o t e c t e d a s f o l l o w s [ 7 ] :

K2K3K 1 g ( I ) ( 5 )

0 2 7 8 - 0 0 4 6 1 8 6 / 0 2 0 0 - 0 0 4 9 $ 0 1 . 0 0 1 9 8 6 I E E E

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I E E E T R A N S A C T I O N S ON I N D U S T R I A L E L E C T R O N I C S , V O L . I E - 3 3 , N O . 1 , F E B R U A R Y 1 9 8 6

F i g . 1 . A p r o p o s e d m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d o v e r c u r r e n t r e l a y s b l o c k d i a g r a m .

i t ( M s )

1 0 -

1 0 -

F i g . 3 . T i m e - c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f o r n = 2 .

I I I . E X P E R I M E N T A L R E S U L T S

F i g . 2 . F l o w c h a r t o f t h e s o f t w a r e i n t h e m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d overcurrentr e l a y s .or

t I n = G . - . ( 6 )w h e r e G = K 2 K 3 / K 1 a n d I n =( I ) .Now i t can b e c o n c l u d e d t h a t ( 6 ) i s s i m i l a r t o t h e g e n e r a le q u a t i o n [ 6 ] o f t h e i n v e r s e t i m e o v e r c u r r e n t r e l a y s .

I n t h i s p r o p o s e d r e l a y s c h e m e , f u n c t i o n g e n e r a t i o n i s a ni m p o r t a n t t a s k a c h i e v e d b y t h e m i c r o c o m p u t e r s i n c e i t w i l ld e c i d e t h e t y p e o f r e s u l t i n g t i m e - c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c [ 7 ] .Two t y p e s o f f u n c t i o n g e n e r a t i o n s o f t w a r e h a v e b e e n u s e dh e r e .1 ) T h e i n t e g e r t y p e u s e d m a t h e m a t i c a l o p e r a t i o n s t h r o u g hm u l t i p l i c a t i o n a n d d i v i s i o n s u b r o u t i n e s t o o b t a i n c h a r a c t e r i s -t i c s w i t h i n t e g e r v a l u e s o f n . F i g . 3 s h o w s t i m e - c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c f o r n = 2 .2 ) T h e f l e x i b l e t y p e u s e d a l o o k - u p t a b l e m e t h o d i n o r d e r t oo b t a i n t h e d e s i r a b l e v a l u e o f n w h e t h e r i n t e g e r o r n o n - i n t e g e ra s i s s h o w n i n F i g . 4 f o r n = 1 . 3 , w h i c h c a n n o t b e o b t a i n e d i na n y o t h e r t y p e .T i m e m u l t i p l i e r s e t t i n g s c a n b e o b t a i n e d t h r o u g h a c h a n g e i nt h e t i m e - d e l a y s u b r o u t i n e .I t i s u s e f u l t o m e n t i o n t h a t t h e p r o p o s e d t e c h n i q u e c a n n o t b eu s e d f o r i n s t a n t a n e o u s t y p e o v e r c u r r e n t r e l a y [ 7 ] .

s o

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A L - N E M A e t a l . : O V E RCU R R E N T R E L A Y Sl i n e i m p e d a n c e . B e c a u s e o f t h e s t e e p n a t u r e o f t h e c u r v e , i tp e r m i t s t h e u s e o f t h e s a m e - t i m e m u l t i p l i e r s e t t i n g f o r s e v e r a lr e l a y s i n s e r i e s . T h i s r e d u c e s t h e t i m e e r r o r s a n d o v e r t r a v e l s ot h a t t h e t i m e m a r g i n f o r g ra d i n g c a n b e r e d u c e d .3 ) V e r y i n v e r s e t i m e ( n = 2 ) : F u s e c o o r d i n t a t i o n a n dt h e r m a l p r o t e c t i o n o f t r a n s f o r m e r s a n d i n d u c t i o n m o t o r sr e q u i r e s u c h c h a r a c t e r i s t i c . T h e y a r e u s e f u l t o p r o t e c t a g a i n s tu n b a l a n c e d o p e r a t i o n o f g e n e r a t o r s .

V . C ON CL U SI O NST h e p r o p o s e d t e c h n i q u e f o r g e n e r a t i n g i n v e r s e t i m e o v e r -c u r r e n t r e l a y c h a r a c t e r i s t i c s f o r a n y d e s i r e d v a l u e o f n i s a na c c u r a t e m e t h o d o f a p p r o a c h i n g t h e o r e t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s .T h e b a s i c d e s i g n o f t h e r e l a y d o e s n o t c h a n g e w i t h t h e d i f f e r e n t

v a l u e s o f n d e s i r e d . O n l y c h a n g i n g t h e s u b r o u t i n e o f t h ef u n c t i o n g e n e r a t i o n i s r e q u i r e d . T h i s r e l a y h a s a g r e a ta d v a n t a g e i n e a s e o f m a n f a c t u r i n g a n d f l e x i b i l i t y f o r a n y t y p eo f c h a r a c t e r i s t i c s d e s i r e d .

1 1 . , >I1 5 1 0 i 5 2 0 MF i g . 4 . T i m e - c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f o r n = 1 . 3 .

I V . P R A C T I C A L A P P L I C A T I O N SA b r i e f d i s c u s s i o n f o r a p p l i c a t i o n s - o f d i f f e r e n t t y p e s o ft i m e - c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s can b e e x p l a i n e d a s f o l l o w s [ 7 ] :1 ) D e f i n i t e t i m e ( n = 0 ) : T h i s i s g e n e r a l l y e m p l o y e d i n

cases o f w i d e v a r i a t i o n o f s y s t e m g e n e r a t i n g c o n d i t i o n s .A n o t h e r p o s s i b l e a p p l i c a t i o n i s t h e d i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n o ft r a n s f o r m e r s . A l s o , i t i s u s e d as b a c k u p r e l a y s f o r d i f f e r e n t i a la n d d i s t a n c e p r o t e c t i o n s c h e m e s . D e f i n i t e t i m e i s p r e f e r r e d t oi n s t a n t a n e o u s o v e r - c u r r e n t r e l a y ( d i s c u s s e d l a t e r ) t o serve as ac h e c k a g a i n s t s h o r t - t i m e a s y m m e t r i c a l c u r r e n t s .2 ) I n v e r s e t i m e ( n = 1 ) : T h i s i s g e n e r a l l y e m p l o y e d i ncases w h e r e t h e source i m p e d a n c e i s m u c h s m a l l e r t h a n t h e

R E F E R E N C E S[ 1 ] P . B . A l l i s o n a n d T . H . L o m a s , " D e ve l o p m en t s i n p o we r s y s t e mp r o t e c t i o n , " IEE C o n f . P u b l . , no . 1 2 5 , p p . 2 4 4 - 2 5 1 , M a r . 1 1 - 1 3 ,1 9 7 5 .[ 2 ] N a s e e r M o y a s s a r B a s h e e r , " M i c r o c o m p u t e r a p p l i c a t i o n t o U PS s y s -t e m , " M . S c . t h e s i s , E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p t . , U n i v e r s i t y o fM o s u l , M o s u l , I r a q , J a n . 1 9 8 4 .[ 3 ] R o g e r F r a n k , " M i c r o p r o c e s s o r b a s e d A/D c o n v e r s i o n , " T h e B e s t o fB Y T E , v o l . 1 , p p . 2 2 2 - 2 2 5 , 1 9 7 7 .[ 4 ] We s F r e e m a n a n d W i l l R i t m a n i c h , " C u t A /D c o n v e r s i o n c o s t s b y u s i n g

s o f t w a r e a n d D/ A c o n v e r t e r s , " E l e c t r o n . D e s . , v o l . 9 , A p r . 2 6 , 1 9 7 7 ,p p . 8 6 - 8 9 .[ 5 ] NEC: " T K - 8 5 T r a i n i n g B o o k , " N i p p o n E l e c t r i c C o . , L t d . , J a p a n ,J u n e 1 9 8 0 .[ 6 ] M. R a m m a m o r t y , S . N . L a l l , a n d V . S a x e n a , " D i g i t a l i n v e r s e t i m eo v e r c u r r e n t r e l a y u s i n g c o u n t e r s , " I E E ( I ) J . - E L , v o l . 6 0 , p p . 1 7 8 - 1 8 1 ,F e b . 1 9 8 0 .[ 7 ] A b d u l h a d i Ahmmed U b a i d , " I m p r o v e d s o l i d s t a t e o v e r c u r r e n t r e l a y s , "M . S c . t h e s i s , E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p t . , M o s u l U n i v e r s i t y , M o s u l ,I r a q , 1 9 8 4 .

( M s )

1 0

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