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以單片機8031為核心組成的采集、保護和通信模塊，通過RS485的連接，與486工控微機構成了分布式35 kV變電站的自控系統，實現變電站的計量、保護和控制等功能，以達到變電站的無人值守或少人值守。 1 概述 變電站設備和線路的安全保護是維持電網正常運行和用戶安全用電的重要保證，隨著電子技術和計算機應用技術的發展，以微處理器為核心的自動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的變電站自動控制保護系統，該系統能實現35 kV變電站的事故保護、計量、投切控制、實時顯示打印、建立數據庫等功能，滿足35 kV變電站對設備、線路的保護、測量和控制，達到無人值守或少人值守。 2 系統硬件結構和功能 系統硬件由工控微機系統、通訊板、線路(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、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，通過通訊線路與上位機聯系；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(框圖如圖1所示)。 圖1系統結構框圖 2.1工控微機系統 完成整個系統的人機對話，顯示各線路(設備)狀態和計量數據、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確認的安全操作措施，還可實現自動抄表，保護動作記錄，操作記錄，數據查詢，自動生成各種報表，遠動等功能。 2.2下位機 根據繼電保護的要求，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。為實現以上目標，我們在進行各功能模塊設計時，采用8031工業單片機為核心，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電流轉換成0 V～2.5 V的電壓信號，經12位的A/D轉換器轉換成數字信號供8031單片機讀取，經與機內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，隔離開關，接地開關，儲能開關等開關量，則直接進入8031的P1口，由8031讀入片內RAM相應的位，軟件判斷其狀態并作出相應的保護動作指令或防誤操作指令。 經測試，過流速斷從事故發生到系統作出反應并驅動相應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，驅動相應出口繼電器動作。該電流采集控制板設計為通用式的，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A/D轉換電路傳送到8031單片機系統處理，經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。 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開發，分7個功能模塊，分別為： ①系統管理程序； ②位置圖顯示模塊； ③變電站結線圖； ④實時計量數據動態顯示； ⑤中斷服務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菜單選擇來完成；系統管理程序定時向下位機發數傳命令，由通訊程序來完成數據的接收和發送，實時刷新屏幕顯示的數據；下位機的保護動作和報警信號則通過中斷服務程序來處理，若發生中斷，則中斷服務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中斷服務程序，該程序模塊接收從上位機發送的命令，并作出判斷，是數傳命令則與上位機進行數據傳送，并校驗，完成上位機——通訊板間的數據傳輸；若是控制命令，則向下位機發相應的命令； ②事故判斷，當某一受保護的路線或設備發生跳閘或報警等保護動作時，相應的分機狀態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值來判斷哪一分機異常，然后驅動相應的警笛或警鈴，并向上位機發出中斷信號，接通通訊線路后，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采集命令，接收從下位機傳上的數據。整個通訊板軟件的關鍵在于解決兩個中斷源的沖突和運行狀態保護問題。 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轉換器中讀取數據，保護模塊根據設定的整定值，進行保護模式中分時段的過流、過流速斷和過負荷判斷，設置相應的狀態位，并驅動相應的繼電開關，其中8031片內定時器T0作時限計時用，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，每次上送數據時都傳送這兩個字節，從而使上位機能隨時掌握各下位機的實時狀態。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)來選擇執行流程，從而實現各自的功能。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，其作為一個模塊為其他程序調用，如傳送狀態值，測量數據，接收整定值等。 4 結語 基于8031單片機的分布式變電站自動控制系統設計思想先進，結構合理，在實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。 |
