基于P89C591的變電站變送器設計

張天鵬 張修太 翟亞芳

引言

目前，我國基本上進人大電網、大電廠、大機組、高電壓輸電、高度自動控制的新時代。用電負荷增長速度快，超高電壓輸電網絡不斷擴建，電壓等級越來越高。各地的變電站建設與管理顯得尤為重要，在此背景下，變電站的集中控制技術得到大力推廣。它要求變電站能夠向集中控制系統傳送足夠的信息，要求變電站的保護定值和控制裝置的整定能夠在集中控制系統中進行設定，要求各類保護能夠進行協調和匹配。為此，設計了一個變電站變送器，它在功能上支持靈活的處理數據，能夠可靠地與設備進行通信，并將數據可靠地傳給集中控制系統。

變電站變送器主要是用于電網中箱式變電站以及更高電壓等級的變電站中，以滿足對變電站監測、控制和通訊的需要。該裝置主要監測變壓器高低壓側電流與電壓、頻率及開關量狀態，計算有功功率、無功功率、有功電量、無功電量，分析電能質量，統計電能數據等，結合變電站的綜合保護裝置，可以實現過電流保護、過負荷保護、零序電壓保護等。并將監測到的數據和計算結果通過CAN(控制器局域網)總線傳送到上位機中，實現對變電站的遠程控制。系統結構框圖如圖1所示。

系統硬件設計

本系統采用CAN總線將各個變電站的變送器組成通信網絡，用以實現對變電站的集中控制。微控制器采用帶有CAN控制器的單片機P89CS91。P89C591是由NXP開發生產的，適用于自動和通用工業應用的8位高性能微控制器。它自帶有6路模擬輸入的10位ADc，2個8位分辨率的詠寬調制輸出，帶有CAN控制器，在應用時可以省去CAN控制器PCA82C200或SJA1000，減少了電路連接。其硬件連接框圖如圖2所示。本設計中采用X5045作為系統上電復位、電源監控和看門狗電路，可以大幅度提高整個電路的抗干擾能力；采用集成數字溫濕度傳感器LTM8901采集變電站內部的溫度和濕度：鍵盤管理芯片采用ZLG7289B，液晶顯示采用LM3033B，0BR3芯片：光電隔離采用GH140Z。

模擬量輸入電路

P89C591的模擬輸入電路包括一個6輸入模擬多路復用器和一個10位標準二進制逐次逼近式ADC。A／D還可通過置位ADC8(AUXR1.7)配置成快速轉換的8位模式。8位結果保存在ADCH寄存器中。模擬參考電壓和模擬電源通過單獨的輸入引腳連接。對于10位精度，轉換需要50個機器周期，當晶振為12MHz-時為2sus。對于8位精度，轉換需要24個機器周期。輸入電壓范圍為0～+5V。系統的測量量是變電站二次側的電壓量和電流量，取自于電壓互感器和電流互感器的輸出端，其數值一般不能直接滿足A／D轉換的要求，需要經過電量變換電路轉換成滿足A／D轉換要求的數值。滿足要求的模擬量經過低通濾波器以后可以直接連接到P89C591的P1.2～P1.7上，進行A／D轉換。

CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要由P89C591的內部CAN控制器和CAN總線驅動器82C250組成。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力、P89C591芯片的CTX0和CRX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而設計為通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點間的電器隔離。光耦部分電路所采用的2個電源完全隔離，這樣可以提高節點的穩定性和安全性，其電路連接如圖3所示。

開關量輸入/輸出

開關量輸入／輸出系統在變電站中擔負著各種保護裝置的出口跳閘、信號報警、外部接點輸入能功能。它主要由光電隔離器件和中間繼電器組成，在此不再贅述。

系統軟件設計

本系統軟件設計采用模塊化結構，各個功能子塊獨立，方便調試。系統主流程圖如圖4所示。從圖中可以看出，整個軟件在結構上分為主程序、鍵盤程序、數據采集程序、顯示程序、CAN總線通信程序以及輸出控制程序。主程序實現各個模塊的初始化，然后進入中斷等待。鍵盤程序主要任務是判斷被按下鍵的鍵值，然后根據鍵值去執行相應的程序。數據采集程序主要是定時讀取A／D轉換的結果，并將結果保存到單片機中，然后調用顯示程序將結果顯示，調用CAN總線通信程序將結果通過CAN總線上傳給主控制機。

結語

該系統以P89C591為核心控制器，以CAN總線作為通信網絡，經仿真測試表明，各模擬量的測量誤差不超過額定值的±1％，功率測量誤差不超過額定值的±2％，開關量輸入電壓(DC24V)，分辨率不大于Sins，基本可以實現對變電站運行參數的自動監測，并且結合變電站的綜合保護裝置，可以實現對變電站運行的自動控制。利用CAN總線將檢測結果傳送到集中控制系統中去，在集中控制室可以監控各個變電站的運行情況，并可以修改變電站的運行參數、從而實現對變電站的遠程控制。