基于C8051F120單片機自動重合閘系統的設計與實現

張 毅，李建偉

（長治學院 電子信息與物理系，山西 長治 046011）

在電力系統故障中，輸電線故障約占電力故障的90%，而瞬時性故障高達90%。所謂瞬時性故障，一般是由外部自然環境引起的線路短路，使得斷路器斷開，此時線路的絕緣性能恢復從而使這些短路情況通過線路重合閘解決。因此自動重合閘系統（ARC）可以提高用電系統的分斷和過流能力，保證對用戶的供電連續性和供電質量。

如果線路發生永久性故障，自動重合閘裝置發出重合閘的動作后故障并沒有得到徹底的解決。出于繼電保護斷路器會再次斷開，一般來說，重合閘時間越快效果越好，最短間隔時間為0.15～0.5秒，這時應在查明故障原因并排除故障后繼續送電。

基于此，本研究設計了以C8051F120單片機為核心的自動重合閘系統，該系統利用了C8051F120硬件設計的高效性、便利性，僅由電源模塊、鍵盤/顯示模塊、控制斷路器模塊、信息存儲模塊等構成。在設計過程中，系統的實時性、安全性、穩定性和可移植性成為設計該系統首要考慮的問題。通過反復試驗，證明了本系統具有適應性強、開放性好、功耗低、傳輸實時和穩定等一系列優點。

1 總體設計

該測試系統結構圖如圖1所示，電源部分需給系統供5 V和3.3 V電源。系統在上電之后主控制器先從外部存儲器中讀取參數，再檢測總回路開關狀態和手動操作回路狀態。如果斷路器發生跳閘現象，當合閘的次數小于允許重合閘次數設定值時，單片機向斷路器發出重合閘信號；當合閘的次數是否大于允許重合閘次數設定值時，可視為永久性故障。液晶顯示模塊實時顯示當前系統的狀態。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

系統硬件主要由電源電路、信息存儲電路、鍵盤電路與液晶顯示電路、繼電器控制電路等組成。電源電路設計以LM2576和AMS1117為核心，為系統提供5 V和3.3 V電源；信息存儲電路設計以AT24C512為核心，用來存儲系統設定參數，如重合閘次數、延時時間和閉鎖時間等；鍵盤電路主要功能是菜單的選擇和參數的輸入；液晶顯示電路用于顯示當前系統的狀態。

2.1 電源電路設計

本系統供電電源有3.3 V和5 V兩種，其中3.3 V電源是以AMS1117為核心設計的，5 V電源是以LM2576為核心設計的，具體的設計電路如圖2和3所示。

圖2 直流5V電源電路圖

圖3 直流3.3V電源電路圖

2.2 信息存儲電路設計

本系統的外部存儲器是AT24C512，設計電路圖如圖4所示。

圖4 外部存儲器是AT24C512電路圖

2.3 斷路器控制電路設計

本系統的斷路器控制電路的設計如圖5所示。

圖5 斷路器控制電路圖

3 系統軟件設計

3.1 系統總體設計

系統總體軟件設計主要由五個模塊組成，主要包括：初始化模塊、延時函數模塊、液晶顯示模塊、鍵盤掃描模塊、外部存儲器驅動模塊。原理框圖如圖6所示。

圖6 系統原理框圖

3.2 主函數的設計

系統主函數的總體設計思路如圖7所示，從流程圖上可知系統功能如下：

（1）系統上電后首先判斷斷路器手動合閘狀態，若為斷開狀態進入“線路未投運界面”，若為閉合狀態則進入主回路狀態的判斷；

（2）主回路若為閉合狀態，則需要進一步判斷是否該狀態是否是合閘操作后的狀態。主回路若為斷開狀態，則需進一步判斷重合閘的次數；

（3）重合閘的次數若小于設定值，則進行重合閘動作，反之，顯示重合失敗界面。

圖7 主函數流程圖

3.3 中斷服務子程序的設計

本系統的外部中斷服務子程序主要功能是設置菜單的參數，設計流程圖如圖8所示，

圖8 中斷服務子程序流程圖

4 系統調試

自動重合閘系統在初始化完成之后如圖9所示，通過輸入“菜單”鍵、“UP”鍵、“DOWN”鍵和“菜單”鍵可以操作本系統。通過“UP”鍵和“DOWN”鍵可以選擇菜單，箭頭移動到相應位置后按“確認”鍵可以進入二級菜單設置參數。部分測試顯示如圖10所示。

圖9 系統正常運行

圖10 部分測試界面

5 結論

該測試系統采用具有高速數據采集的C8051F120單片機為主要的硬件平臺，利用這一平臺將采集到的數據進行分析，并可通過按鍵設置相應參數后進行重合閘操作。該系統使用12864做顯示、用鍵盤做輸入，提高了系統的可靠性。該系統經過接斷路器反復測試，表明該系統具有測試準確、實時性強、穩定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。