一種基于單片機的變電站控制保護系統的實(shí)現

1　概述

　　變電站設備和線(xiàn)路的安全保護是維持電網(wǎng)正常運行和用戶(hù)安全用電的重要保證，隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機應用技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為核心的自動(dòng)控制保護系統正逐步取代傳統的繼電保護裝置，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(dòng)控制保護系統，該系統能實(shí)現35 kV變電站的事故保護、計量、投切控制、實(shí)時(shí)顯示打印、建立數據庫等功能，滿(mǎn)足35 kV變電站對設備、線(xiàn)路的保護、測量和控制，達到無(wú)人值守或少人值守。

2　系統硬件結構和功能

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

圖1　系統結構框圖

2.1　工控微機系統
　　完成整個(gè)系統的人機對話(huà)，顯示各線(xiàn)路(設備)狀態(tài)和計量數據、保護動(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確認的安全操作措施，還可實(shí)現自動(dòng)抄表，保護動(dòng)作記錄，操作記錄，數據查詢(xún)，自動(dòng)生成各種報表，遠動(dòng)等功能。

2.2　下位機
　　根據繼電保護的要求，整個(gè)35 kV變電站必須完成：①10 kV，35 kV線(xiàn)路和主變過(guò)流、過(guò)流速斷、過(guò)負荷保護及該回線(xiàn)的計量測量；②電容的過(guò)、欠壓保護；③主變的差動(dòng)保護；④10 kV及35 kV母線(xiàn)電壓的采集測量及過(guò)、欠電壓保護；⑤分合閘操作等功能。為實(shí)現以上目標，我們在進(jìn)行各功能模塊設計時(shí)，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轉換電路、斷路器驅動(dòng)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(dòng)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(xiàn)路(10 kV或35 kV及主變電流)互感器二次0 A～5 A電流轉換成0 V～2.5 V的電壓信號，經(jīng)12位的A/D轉換器轉換成數字信號供8031單片機讀取，經(jīng)與機內貯存的整定值比較判斷后完成線(xiàn)路或主變的過(guò)流保護、時(shí)限速斷、速斷、縱差動(dòng)等保護功能。對輕、重瓦斯，油開(kāi)關(guān)，隔離開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)，儲能開(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RAM相應的位，軟件判斷其狀態(tài)并作出相應的保護動(dòng)作指令或防誤操作指令。經(jīng)測試，過(guò)流速斷從事故發(fā)生到系統作出反應并驅動(dòng)相應的出口繼電器動(dòng)作只需300 ms。該板同時(shí)還接收上位機的分合閘指令，驅動(dòng)相應出口繼電器動(dòng)作。該電流采集控制板設計為通用式的，可通過(guò)不同的地址編碼來(lái)識別，各控制板的地址編碼由板上的硬件跳線(xiàn)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量。

　　電壓采集控制板用電壓傳感器，對母線(xiàn)電壓、零序電壓進(jìn)行采集，電壓信號由電壓互感器(傳感器)經(jīng)A/D轉換電路傳送到8031單片機系統處理，經(jīng)與定值比較判斷后完成線(xiàn)路過(guò)、欠壓報警，電容過(guò)、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(xiàn)的功率因素信號，反映電網(wǎng)有無(wú)功的運行工況。

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

2.3　通訊板
　　通訊控制板在整個(gè)系統中起到承上啟下的作用，由8031單片機、程序存貯器(EPROM)、擴展數據存貯器RAM、擴展串行口8251、通訊口電路及報警聲音驅動(dòng)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(guò)RS232與上位機串行口聯(lián)接。兩個(gè)方向的傳輸速率均為9 600 bps，滿(mǎn)足信息顯示的時(shí)效要求。通訊板減少上位機用于通訊的時(shí)間，使上位機有更多的時(shí)間處理其它事務(wù)。

3　軟件設計

　　系統的軟件包括微機應用軟件、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
　　上位機的應用軟件是建立在Windows3.1及其以上版本操作系統平臺上，用Borland C++3.0和Foxpro2.6開(kāi)發(fā)，分7個(gè)功能模塊，分別為：①系統管理程序；②位置圖顯示模塊；③變電站結線(xiàn)圖；④實(shí)時(shí)計量數據動(dòng)態(tài)顯示；⑤中斷服務(wù)程序和事故保護動(dòng)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(jìn)行初始化，包括讀取初值，數據庫設置，變量數組初始化，串口初始化等，各模塊間的切換通過(guò)菜單選擇來(lái)完成；系統管理程序定時(shí)向下位機發(fā)數傳命令，由通訊程序來(lái)完成數據的接收和發(fā)送，實(shí)時(shí)刷新屏幕顯示的數據；下位機的保護動(dòng)作和報警信號則通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)處理，若發(fā)生中斷，則中斷服務(wù)程序判斷中斷信號的來(lái)源及類(lèi)型并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)接收事故數據并保存。

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(yǔ)言編寫(xiě)。整個(gè)軟件對上采用中斷方式，對下用查詢(xún)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，是數傳命令則與上位機進(jìn)行數據傳送，并校驗，完成上位機――通訊板間的數據傳輸；若是控制命令，則向下位機發(fā)相應的命令；②事故判斷，當某一受保護的路線(xiàn)或設備發(fā)生跳閘或報警等保護動(dòng)作時(shí)，相應的分機狀態(tài)值置位并上送通訊板，通訊板事故判斷程序根據接收到的地址和狀態(tài)值來(lái)判斷哪一分機異常，然后驅動(dòng)相應的警笛或警鈴，并向上位機發(fā)出中斷信號，接通通訊線(xiàn)路后，向上傳送相應的事故信息和事故數據；③數據采集程序，與下位機的通訊采用RS485方式，設為多機通訊，用地址+命令的幀數據巡回向下位機發(fā)采集命令，接收從下位機傳上的數據。整個(gè)通訊板軟件的關(guān)鍵在于解決兩個(gè)中斷源的沖突和運行狀態(tài)保護問(wèn)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轉換器中讀取數據，保護模塊根據設定的整定值，進(jìn)行保護模式中分時(shí)段的過(guò)流、過(guò)流速斷和過(guò)負荷判斷，設置相應的狀態(tài)位，并驅動(dòng)相應的繼電開(kāi)關(guān)，其中8031片內定時(shí)器T0作時(shí)限計時(shí)用，片內RAM的20H，21H兩字節作為位操作，記錄運行、通訊、閘位置、事故標志等狀態(tài)，每次上送數據時(shí)都傳送這兩個(gè)字節，從而使上位機能隨時(shí)掌握各下位機的實(shí)時(shí)狀態(tài)。下位機編號為每一分機的唯一識別地址，程序根據編號(地址)來(lái)選擇執行流程，從而實(shí)現各自的功能。當接收到上位機的數傳命令后，通訊程序向上傳送采集數據，其作為一個(gè)模塊為其他程序調用，如傳送狀態(tài)值，測量數據，接收整定值等。

4　結語(yǔ)

　　基于8031單片機的分布式變電站自動(dòng)控制系統設計思想先進(jìn)，結構合理，在實(shí)際應用中取得了良好的效果。據統計，從1995年10月投入運行至1998 年，系統正確反映了10 kV線(xiàn)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(shí)際狀況。

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

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(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.499～508.