一種基于單片機(jī)的變電站控制保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1　概述

　　變電站設(shè)備和線路的安全保護(hù)是維持電網(wǎng)正常運(yùn)行和用戶安全用電的重要保證，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的自動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，成為變電站重要的組成部分。在這里，我們提出了一種基于單片機(jī)8031的變電站自動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)35 kV變電站的事故保護(hù)、計(jì)量、投切控制、實(shí)時(shí)顯示打印、建立數(shù)據(jù)庫(kù)等功能，滿足35 kV變電站對(duì)設(shè)備、線路的保護(hù)、測(cè)量和控制，達(dá)到無(wú)人值守或少人值守。

2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能

　　系統(tǒng)硬件由工控微機(jī)系統(tǒng)、通訊板、線路(設(shè)備)保護(hù)計(jì)量板、電壓監(jiān)測(cè)保護(hù)計(jì)量板組成。在設(shè)計(jì)中采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為工控微機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)為486 以上檔次工控PC機(jī)，配以鍵盤、打印機(jī)、大屏幕顯示器、鼠標(biāo)等輸入輸出設(shè)備；下位機(jī)(分機(jī))為線路(設(shè)備)保護(hù)計(jì)量板單元，每一單元為獨(dú)立的單片機(jī)采集保護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)通訊線路與上位機(jī)聯(lián)系；而通訊板則起到上下橋梁的作用，通過(guò)RS485與下位機(jī)形成一對(duì)多通訊網(wǎng)(框圖如圖1所示)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1　工控微機(jī)系統(tǒng)
　　完成整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話，顯示各線路(設(shè)備)狀態(tài)和計(jì)量數(shù)據(jù)、保護(hù)動(dòng)作信息等，命令控制斷路器的分合閘操作，并且具有密碼辨別身份以及操作重復(fù)確認(rèn)的安全操作措施，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，保護(hù)動(dòng)作記錄，操作記錄，數(shù)據(jù)查詢，自動(dòng)生成各種報(bào)表，遠(yuǎn)動(dòng)等功能。

2.2　下位機(jī)
　　根據(jù)繼電保護(hù)的要求，整個(gè)35 kV變電站必須完成：①10 kV，35 kV線路和主變過(guò)流、過(guò)流速斷、過(guò)負(fù)荷保護(hù)及該回線的計(jì)量測(cè)量；②電容的過(guò)、欠壓保護(hù)；③主變的差動(dòng)保護(hù)；④10 kV及35 kV母線電壓的采集測(cè)量及過(guò)、欠電壓保護(hù)；⑤分合閘操作等功能。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，我們?cè)谶M(jìn)行各功能模塊設(shè)計(jì)時(shí)，采用8031工業(yè)單片機(jī)為核心，輔以存貯器、電流(或電壓)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、斷路器驅(qū)動(dòng)電路、通訊連接電路等，分別組成電流采集、保護(hù)控制板，電壓采集、保護(hù)控制板，主變差動(dòng)保護(hù)控制板，功率因素采集板，脈沖電度表電度采集板。采集保護(hù)端的硬件大同小異，其框圖如圖2所示。

圖2　采集保護(hù)端框圖

　　電流采集控制板的傳感器采用分檔式傳感器，該傳感器將線路(10 kV或35 kV及主變電流)互感器二次0 A～5 A電流轉(zhuǎn)換成0 V～2.5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)12位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供8031單片機(jī)讀取，經(jīng)與機(jī)內(nèi)貯存的整定值比較判斷后完成線路或主變的過(guò)流保護(hù)、時(shí)限速斷、速斷、縱差動(dòng)等保護(hù)功能。對(duì)輕、重瓦斯，油開(kāi)關(guān)，隔離開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量，則直接進(jìn)入8031的P1口，由8031讀入片內(nèi)RAM相應(yīng)的位，軟件判斷其狀態(tài)并作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作指令或防誤操作指令。經(jīng)測(cè)試，過(guò)流速斷從事故發(fā)生到系統(tǒng)作出反應(yīng)并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的出口繼電器動(dòng)作只需300 ms。該板同時(shí)還接收上位機(jī)的分合閘指令，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)出口繼電器動(dòng)作。該電流采集控制板設(shè)計(jì)為通用式的，可通過(guò)不同的地址編碼來(lái)識(shí)別，各控制板的地址編碼由板上的硬件跳線或EPROM固化定值確定，這樣可降低制造成本，提高互換性，減少使用者的備件數(shù)量。

　　電壓采集控制板用電壓傳感器，對(duì)母線電壓、零序電壓進(jìn)行采集，電壓信號(hào)由電壓互感器(傳感器)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路傳送到8031單片機(jī)系統(tǒng)處理，經(jīng)與定值比較判斷后完成線路過(guò)、欠壓報(bào)警，電容過(guò)、欠壓保護(hù)，接地報(bào)警等功能。

　　功率因素采集板主要功能是采集主要干線的功率因素信號(hào)，反映電網(wǎng)有無(wú)功的運(yùn)行工況。

　　主變差動(dòng)保護(hù)控制板，脈沖電度表電度采集板，都是專用功能板，完成單一功能。

2.3　通訊板
　　通訊控制板在整個(gè)系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，由8031單片機(jī)、程序存貯器(EPROM)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器RAM、擴(kuò)展串行口8251、通訊口電路及報(bào)警聲音驅(qū)動(dòng)電路組成，與下位機(jī)的通訊用8031自帶的異步串行口，采用MAX485芯片形成一對(duì)多的通訊方式，而與上位機(jī)(微機(jī))的通訊則利用擴(kuò)展串行口，通過(guò)RS232與上位機(jī)串行口聯(lián)接。兩個(gè)方向的傳輸速率均為9 600 bps，滿足信息顯示的時(shí)效要求。通訊板減少上位機(jī)用于通訊的時(shí)間，使上位機(jī)有更多的時(shí)間處理其它事務(wù)。

3　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件包括微機(jī)應(yīng)用軟件、通訊板軟件和下位機(jī)軟件3部分。

3.1　上位機(jī)(工控微機(jī))軟件
　　上位機(jī)的應(yīng)用軟件是建立在Windows3.1及其以上版本操作系統(tǒng)平臺(tái)上，用Borland C++3.0和Foxpro2.6開(kāi)發(fā)，分7個(gè)功能模塊，分別為：①系統(tǒng)管理程序；②位置圖顯示模塊；③變電站結(jié)線圖；④實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示；⑤中斷服務(wù)程序和事故保護(hù)動(dòng)作信息顯示、打印程序；⑥通訊程序；⑦歷史資料庫(kù)的建立、報(bào)表輸出。上電后進(jìn)行初始化，包括讀取初值，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置，變量數(shù)組初始化，串口初始化等，各模塊間的切換通過(guò)菜單選擇來(lái)完成；系統(tǒng)管理程序定時(shí)向下位機(jī)發(fā)數(shù)傳命令，由通訊程序來(lái)完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實(shí)時(shí)刷新屏幕顯示的數(shù)據(jù)；下位機(jī)的保護(hù)動(dòng)作和報(bào)警信號(hào)則通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)處理，若發(fā)生中斷，則中斷服務(wù)程序判斷中斷信號(hào)的來(lái)源及類型并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)接收事故數(shù)據(jù)并保存。

3.2　通訊板軟件
　　通訊板是介于上位機(jī)和下位機(jī)之間起橋梁作用的功能模塊，以8031為核心，軟件用8031匯編語(yǔ)言編寫。整個(gè)軟件對(duì)上采用中斷方式，對(duì)下用查詢方式，包括3大模塊：①中斷服務(wù)程序，該程序模塊接收從上位機(jī)發(fā)送的命令，并作出判斷，是數(shù)傳命令則與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并校驗(yàn)，完成上位機(jī)――通訊板間的數(shù)據(jù)傳輸；若是控制命令，則向下位機(jī)發(fā)相應(yīng)的命令；②事故判斷，當(dāng)某一受保護(hù)的路線或設(shè)備發(fā)生跳閘或報(bào)警等保護(hù)動(dòng)作時(shí)，相應(yīng)的分機(jī)狀態(tài)值置位并上送通訊板，通訊板事故判斷程序根據(jù)接收到的地址和狀態(tài)值來(lái)判斷哪一分機(jī)異常，然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的警笛或警鈴，并向上位機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，接通通訊線路后，向上傳送相應(yīng)的事故信息和事故數(shù)據(jù)；③數(shù)據(jù)采集程序，與下位機(jī)的通訊采用RS485方式，設(shè)為多機(jī)通訊，用地址+命令的幀數(shù)據(jù)巡回向下位機(jī)發(fā)采集命令，接收從下位機(jī)傳上的數(shù)據(jù)。整個(gè)通訊板軟件的關(guān)鍵在于解決兩個(gè)中斷源的沖突和運(yùn)行狀態(tài)保護(hù)問(wèn)題。

3.3　下位機(jī)軟件
　　下位機(jī)也以8031匯編編程，完成采集、保護(hù)控制、通訊 3大功能。采集程序從A/D轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù)，保護(hù)模塊根據(jù)設(shè)定的整定值，進(jìn)行保護(hù)模式中分時(shí)段的過(guò)流、過(guò)流速斷和過(guò)負(fù)荷判斷，設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)位，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電開(kāi)關(guān)，其中8031片內(nèi)定時(shí)器T0作時(shí)限計(jì)時(shí)用，片內(nèi)RAM的20H，21H兩字節(jié)作為位操作，記錄運(yùn)行、通訊、閘位置、事故標(biāo)志等狀態(tài)，每次上送數(shù)據(jù)時(shí)都傳送這兩個(gè)字節(jié)，從而使上位機(jī)能隨時(shí)掌握各下位機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。下位機(jī)編號(hào)為每一分機(jī)的唯一識(shí)別地址，程序根據(jù)編號(hào)(地址)來(lái)選擇執(zhí)行流程，從而實(shí)現(xiàn)各自的功能。當(dāng)接收到上位機(jī)的數(shù)傳命令后，通訊程序向上傳送采集數(shù)據(jù)，其作為一個(gè)模塊為其他程序調(diào)用，如傳送狀態(tài)值，測(cè)量數(shù)據(jù)，接收整定值等。

4　結(jié)語(yǔ)

　　基于8031單片機(jī)的分布式變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1995年10月投入運(yùn)行至1998 年，系統(tǒng)正確反映了10 kV線路故障6次，雷擊短路故障13次，二相短路故障1次，35 kV接地故障1次，分、合閘操作上百次，基本反映了變電站運(yùn)行的實(shí)際狀況。

　　該系統(tǒng)成本低，操作簡(jiǎn)便，在當(dāng)前電網(wǎng)改造中具有廣闊的應(yīng)用前景。

作者單位：(廣西玉林市電力管理站　537000)
　　　　　(廣西玉林市水電科研所　537000)

參考文獻(xiàn)

1　李　華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.499～508.