以單片機為核心的變電站綜合自動化系統(tǒng)的總體設(shè)計

張君薇

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學院（ 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)換電路便測得負載電流、電網(wǎng)電壓以及電流、電壓的相位差，通過計算得到功率因數(shù)和需要補償?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)三項判據(jù)，配合每組電容器的容量，輸出控制信號至隔離、繼電器驅(qū)動電路，經(jīng)電氣隔離和功率放大，控制電容器組的投運或退運。液晶界面可以實時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

2.1 單片機最小系統(tǒng)模塊設(shè)計

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)部程序存儲器，512B RAM，32根可編程I/O線，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口。該控制器具有計算速度快，性價比高，功耗小，抗干擾能力強等特點?？刂破鱓27C512用于存儲液晶的字模。AT24C02為2KB串行E2PROM，用于存儲事件記錄等信息。系統(tǒng)可以實時動態(tài)顯示電網(wǎng)的運行信息。

圖2 單片機系統(tǒng)單元電路

2.2 功率因數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計

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)字量送入單片機計算φ值，進而計算功率因數(shù)的大小。

2.3 串行通信接口電路設(shè)計

在計算機和測控裝置中最常用的標準串行通信接口RS-232和RS-485。利用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232E將計算機串口使用的RS-232C電平，轉(zhuǎn)換為本控制儀使用的是TTL/CMOS電平。采用最簡單常用的三線制接法，把TX、RX分別與MAX232的T1IN、R1OUT相連，這樣，對外與發(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 變電站綜合自動化系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 主程序設(shè)計

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

上電后對系統(tǒng)進行初始化，初始化主要包括設(shè)置標志位和變量的初值，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。然后程序進入主循環(huán)。首先進行鍵盤和顯示處理；接著根據(jù)斷路器的狀態(tài)判斷變壓器和母線的運行方式；然后進行數(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，程序進入控制算法程序，控制算法程序首先根據(jù)控制策略進行比較判斷，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)和電容器動作。

圖6 主程序流程圖

4.2 子程序設(shè)計

為了使編程的過程中思路清晰、結(jié)構(gòu)分明，設(shè)計了子程序模塊，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

變電所綜合自動化對于實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化和現(xiàn)場運行管理現(xiàn)代化，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行水平起到了很大的促進作用，它將能大大加強電網(wǎng)一次、二次系統(tǒng)的效能和可靠性，對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。隨著技術(shù)的進步和硬件軟件環(huán)境的改善，它的優(yōu)越性必將進一步體現(xiàn)出來。

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