以單片機(jī)為核心的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

張君薇

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院（ 沈陽 110161 ）

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電壓電流采集模塊、功率因數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示接口模塊、鍵盤輸入模塊、開關(guān)量采集模塊和串行通信接口模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)通過電壓、電流取樣電路得到系統(tǒng)的電壓、電流值，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路便測(cè)得負(fù)載電流、電網(wǎng)電壓以及電流、電壓的相位差，通過計(jì)算得到功率因數(shù)和需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率。然后根據(jù)電網(wǎng)電壓、無功功率和功率因數(shù)三項(xiàng)判據(jù)，配合每組電容器的容量，輸出控制信號(hào)至隔離、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)電氣隔離和功率放大，控制電容器組的投運(yùn)或退運(yùn)。液晶界面可以實(shí)時(shí)顯示電容器組的投切，系統(tǒng)的電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)等信息。

2 關(guān)鍵模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

該最小系統(tǒng)由控制器W78E516B、片外的RAM6264、ROM W27C512、E2PROM AT24C02、鎖存器74HC373等組成（圖2所示）。

圖1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用WINBOND公司的W78E516B，最高工作頻率為 40MHz，片內(nèi)有 64KB 可擦寫的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，512B RAM，32根可編程I/O線，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口。該控制器具有計(jì)算速度快，性價(jià)比高，功耗小，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。控制器W27C512用于存儲(chǔ)液晶的字模。AT24C02為2KB串行E2PROM，用于存儲(chǔ)事件記錄等信息。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示電網(wǎng)的運(yùn)行信息。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)單元電路

2.2 功率因數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

具體做法是：

圖3 功率因數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路

(4)異或門的輸出經(jīng)過濾波電路和電壓跟隨器接入A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)計(jì)算φ值，進(jìn)而計(jì)算功率因數(shù)的大小。

2.3 串行通信接口電路設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)和測(cè)控裝置中最常用的標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口RS-232和RS-485。利用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232E將計(jì)算機(jī)串口使用的RS-232C電平，轉(zhuǎn)換為本控制儀使用的是TTL/CMOS電平。采用最簡(jiǎn)單常用的三線制接法，把TX、RX分別與MAX232的T1IN、R1OUT相連，這樣，對(duì)外與發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和地三腳相連，提供三線制的串口接口,如圖4所示。

3 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的控制目標(biāo)是保證電壓在合格的范圍內(nèi)和無功基本平衡，因此選擇變壓器二次側(cè)電壓偏差(ev)、系統(tǒng)無功偏差(eq)作為模糊控制器的輸入變量，作用于變壓器分接頭和電容器投切的控制量作為模糊控制器的輸出變量。由此構(gòu)成了一個(gè)二輸入二輸出的一階模糊控制系統(tǒng)，模糊控制器的模糊推理與去模糊化方法采用MIN-MAX-重心法（如圖5所示）。

圖4 串行通訊接口電路

圖5 模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序只負(fù)責(zé)調(diào)用各功能模塊程序，主程序流程圖,如圖6所示。

上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化主要包括設(shè)置標(biāo)志位和變量的初值，中斷初始化，設(shè)置各接口芯片的初始化、電容器組投切狀態(tài)指示燈和調(diào)壓開關(guān)檔位指示燈的初始狀態(tài)等。然后程序進(jìn)入主循環(huán)。首先進(jìn)行鍵盤和顯示處理；接著根據(jù)斷路器的狀態(tài)判斷變壓器和母線的運(yùn)行方式；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，包括線電壓的采集和處理、相電流的采集和處理、功率因數(shù)的采樣數(shù)值處理；接著根據(jù)調(diào)壓開關(guān)和電容器開關(guān)的位置，程序進(jìn)入控制算法程序，控制算法程序首先根據(jù)控制策略進(jìn)行比較判斷，在保證電壓不越限的前提下，再根據(jù)采集的電壓、電流以及功率因數(shù)計(jì)算出無功功率，確定電容器組的投切組合，調(diào)壓開關(guān)的檔位升降，然后根據(jù)電容器組和調(diào)壓開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)控制相應(yīng)的電容器組的投切和調(diào)壓開關(guān)的調(diào)節(jié)；最后決定是否發(fā)出控制指令使調(diào)壓開關(guān)和電容器動(dòng)作。

圖6 主程序流程圖

4.2 子程序設(shè)計(jì)

為了使編程的過程中思路清晰、結(jié)構(gòu)分明，設(shè)計(jì)了子程序模塊，在主程序中需要的地方可以直接調(diào)用這些子程序，大大提高了程序的編制和調(diào)試效率。子程序模塊有鍵盤模塊、顯示模塊、電流、電壓采集模塊、功率因數(shù)采集模塊、控制模塊和通訊模塊等。

5 結(jié)束語

變電所綜合自動(dòng)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理現(xiàn)代化，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平起到了很大的促進(jìn)作用，它將能大大加強(qiáng)電網(wǎng)一次、二次系統(tǒng)的效能和可靠性，對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。隨著技術(shù)的進(jìn)步和硬件軟件環(huán)境的改善，它的優(yōu)越性必將進(jìn)一步體現(xiàn)出來。

[1]郭衛(wèi)東.變電站電壓無功自動(dòng)控制裝置研制.華北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文.2002.

[2]齊宏偉,于洋等.智能型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì).沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào).2004.

[3]歷小潤(rùn).一種與接線無關(guān)的三相功率因數(shù)檢測(cè)方法.電子技術(shù)應(yīng)用.2003.

[4]郭華,馬勝前.RS485接口芯片的介紹以及多機(jī)通訊的實(shí)現(xiàn).信息技術(shù).2006.

[5]趙登福,楊靖登.新型變電站電壓無功綜合控制裝置的研制.電網(wǎng)技術(shù).2000.