一種基于單片機的變電站控制保護系統(tǒng)的實現(xiàn)

1　概述

　　變電站設(shè)備和線路的安全保護是維持電網(wǎng)正常運行和用戶安全用電的重要保證，隨著電子技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的自動控制保護系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的繼電保護裝置，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8031的變電站自動控制保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)35 kV變電站的事故保護、計量、投切控制、實時顯示打印、建立數(shù)據(jù)庫等功能，滿足35 kV變電站對設(shè)備、線路的保護、測量和控制，達到無人值守或少人值守。

2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能

　　系統(tǒng)硬件由工控微機系統(tǒng)、通訊板、線路(設(shè)備)保護計量板、電壓監(jiān)測保護計量板組成。在設(shè)計中采用上、下位機結(jié)構(gòu)，上位機為工控微機系統(tǒng)，主機為486 以上檔次工控PC機，配以鍵盤、打印機、大屏幕顯示器、鼠標等輸入輸出設(shè)備；下位機(分機)為線路(設(shè)備)保護計量板單元，每一單元為獨立的單片機采集保護系統(tǒng)，通過通訊線路與上位機聯(lián)系；而通訊板則起到上下橋梁的作用，通過RS485與下位機形成一對多通訊網(wǎng)(框圖如圖1所示)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1　工控微機系統(tǒng)
　　完成整個系統(tǒng)的人機對話，顯示各線路(設(shè)備)狀態(tài)和計量數(shù)據(jù)、保護動作信息等，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)確認的安全操作措施，還可實現(xiàn)自動抄表，保護動作記錄，操作記錄，數(shù)據(jù)查詢，自動生成各種報表，遠動等功能。

2.2　下位機
　　根據(jù)繼電保護的要求，整個35 kV變電站必須完成：①10 kV，35 kV線路和主變過流、過流速斷、過負荷保護及該回線的計量測量；②電容的過、欠壓保護；③主變的差動保護；④10 kV及35 kV母線電壓的采集測量及過、欠電壓保護；⑤分合閘操作等功能。為實現(xiàn)以上目標，我們在進行各功能模塊設(shè)計時，采用8031工業(yè)單片機為核心，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)動電路、通訊連接電路等，分別組成電流采集、保護控制板，電壓采集、保護控制板，主變差動保護控制板，功率因素采集板，脈沖電度表電度采集板。采集保護端的硬件大同小異，其框圖如圖2所示。

圖2　采集保護端框圖

　　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，經(jīng)12位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供8031單片機讀取，經(jīng)與機內(nèi)貯存的整定值比較判斷后完成線路或主變的過流保護、時限速斷、速斷、縱差動等保護功能。對輕、重瓦斯，油開關(guān)，隔離開關(guān)，接地開關(guān)，儲能開關(guān)等開關(guān)量，則直接進入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)的保護動作指令或防誤操作指令。經(jīng)測試，過流速斷從事故發(fā)生到系統(tǒng)作出反應(yīng)并驅(qū)動相應(yīng)的出口繼電器動作只需300 ms。該板同時還接收上位機的分合閘指令，驅(qū)動相應(yīng)出口繼電器動作。該電流采集控制板設(shè)計為通用式的，可通過不同的地址編碼來識別，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，對母線電壓、零序電壓進行采集，電壓信號由電壓互感器(傳感器)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路傳送到8031單片機系統(tǒng)處理，經(jīng)與定值比較判斷后完成線路過、欠壓報警，電容過、欠壓保護，接地報警等功能。

　　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，反映電網(wǎng)有無功的運行工況。

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

3　軟件設(shè)計

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

3.1　上位機(工控微機)軟件
　　上位機的應(yīng)用軟件是建立在Windows3.1及其以上版本操作系統(tǒng)平臺上，用Borland C++3.0和Foxpro2.6開發(fā)，分7個功能模塊，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實時計量數(shù)據(jù)動態(tài)顯示；⑤中斷服務(wù)程序和事故保護動作信息顯示、打印程序；⑥通訊程序；⑦歷史資料庫的建立、報表輸出。上電后進行初始化，包括讀取初值，數(shù)據(jù)庫設(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菜單選擇來完成；系統(tǒng)管理程序定時向下位機發(fā)數(shù)傳命令，由通訊程序來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實時刷新屏幕顯示的數(shù)據(jù)；下位機的保護動作和報警信號則通過中斷服務(wù)程序來處理，若發(fā)生中斷，則中斷服務(wù)程序判斷中斷信號的來源及類型并實時顯示，同時接收事故數(shù)據(jù)并保存。

3.2　通訊板軟件
　　通訊板是介于上位機和下位機之間起橋梁作用的功能模塊，以8031為核心，軟件用8031匯編語言編寫。整個軟件對上采用中斷方式，對下用查詢方式，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發(fā)送的命令，并作出判斷，是數(shù)傳命令則與上位機進行數(shù)據(jù)傳送，并校驗，完成上位機――通訊板間的數(shù)據(jù)傳輸；若是控制命令，則向下位機發(fā)相應(yīng)的命令；②事故判斷，當某一受保護的路線或設(shè)備發(fā)生跳閘或報警等保護動作時，相應(yīng)的分機狀態(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)值來判斷哪一分機異常，然后驅(qū)動相應(yīng)的警笛或警鈴，并向上位機發(fā)出中斷信號，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，與下位機的通訊采用RS485方式，設(shè)為多機通訊，用地址+命令的幀數(shù)據(jù)巡回向下位機發(fā)采集命令，接收從下位機傳上的數(shù)據(jù)。整個通訊板軟件的關(guān)鍵在于解決兩個中斷源的沖突和運行狀態(tài)保護問題。

3.3　下位機軟件
　　下位機也以8031匯編編程，完成采集、保護控制、通訊 3大功能。采集程序從A/D轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù)，保護模塊根據(jù)設(shè)定的整定值，進行保護模式中分時段的過流、過流速斷和過負荷判斷，設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)位，并驅(qū)動相應(yīng)的繼電開關(guān)，其中8031片內(nèi)定時器T0作時限計時用，片內(nèi)RAM的20H，21H兩字節(jié)作為位操作，記錄運行、通訊、閘位置、事故標志等狀態(tài)，每次上送數(shù)據(jù)時都傳送這兩個字節(jié)，從而使上位機能隨時掌握各下位機的實時狀態(tài)。下位機編號為每一分機的唯一識別地址，程序根據(jù)編號(地址)來選擇執(zhí)行流程，從而實現(xiàn)各自的功能。當接收到上位機的數(shù)傳命令后，通訊程序向上傳送采集數(shù)據(jù)，其作為一個模塊為其他程序調(diào)用，如傳送狀態(tài)值，測量數(shù)據(jù)，接收整定值等。

4　結(jié)語

　　基于8031單片機的分布式變電站自動控制系統(tǒng)設(shè)計思想先進，結(jié)構(gòu)合理，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。據(jù)統(tǒng)計，從1995年10月投入運行至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行的實際狀況。

　　該系統(tǒng)成本低，操作簡便，在當前電網(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

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