基于RS232總線的自動重合閘控制系統設計

陳里+劉璐玲

【摘要】 目前供電線路由于瞬間過流產生的跳閘現象越來越頻繁，進行故障維修時，通常由維護人員進行手動合閘，這種手動方式不僅不能很快的恢復線路供電，且在合閘時若操作不當，將會引發生產事故的發生。針對以上問題，本文設計了一種采用AT89C51單片機和RS232通信總線實現的自動重合閘控制系統，實現了對供電線路供電狀態的監測和跳閘自動重合閘的控制功能，為供電線路的維護提供了一種智能的解決方案，提高了供電效率，對推進電力行業設備的自動化管理起到了非常重要的作用。

【關鍵詞】 RS232 過流 自動重合閘

前言

在電力供應中，過流跳閘現象是經常遇到的問題，線路故障中有90%都是由于都是瞬時過流導致的，如果能有效的解決由于瞬時過流導致的跳閘自動重合問題，將大大降低維護的成本，減少斷電時間，保障電力的正常供給。本系統正是為解決由于供電線路瞬時過流跳閘現象而設計，它能在斷路器因故障斷開時，自動的進行重連，有效的減少瞬時過流產生的跳閘現象，保障供電系統的正常運行。

一、系統介紹

本次設計的自動重合閘系統，需要實現監測與顯示功能、數據傳輸功能、報警功能、重合閘功能和設置功能。各功能具體要求如下：

（1）監測和顯示功能。能夠監測供電線路的傳輸電壓和電流，電壓監測范圍0～AC255V，電流檢測范圍0～255A，并能將監控的數據在本機上進行顯示。

（2）數據傳輸功能。能夠利用RS232總線將采集的本機數據及重合閘的次數傳輸給監控主機，便于監控主機端操作人員掌握節點分機的供電狀態。

（3）報警功能。當采集值超限或重合閘次數超限時，本機能夠給出報警提示，有助于本地的線路維護。

（4）重合閘功能。能夠在本機端斷路器跳閘時進行自動重連，便于解決瞬間過流和過壓引起的線路故障。當重連次數超過軟件設置的上限時，自動鎖死重連控制電路。

（5）設置功能。通過接收監控主機端下發的命令來對自動的重合閘次數與供電線路采集參數的上限報警值進行設置。

本系統選用AT89C51單片機作為主控芯片來展開設計。系統硬件由主控模塊、輸入采集模塊、報警指示模塊、通信模塊、液晶顯示模塊、重合閘控制模塊和電源模塊構成。系統結構如圖1所示。

二、自動重合閘控制系統的硬件實現

本設計將自動重合閘系統的硬件分為主控模塊、輸出檢測模塊、輸出控制模塊和通信模塊。以下將對自動重合閘系統的硬件實現過程進行具體說明。

2.1 主控模塊設計

AT89C51單片機、晶振電路和系統復位電路和組成了本次設計的主控模塊，電路如圖2所示。

2.2 輸入采集電路設計

輸入采集電路包括供電線輸出供電電壓和供電電流的檢測，通過檢測值可以判斷出供電電路是否工作正常。

（1）傳感器選擇

1、電流變送器選擇的電流檢測范圍是0～600A，精度范圍為+0.1%.F.S，輸出接口選擇4～20mA模擬量輸出，供電電壓為24V，實現對輸出小于600A的供電電流的檢測。

2、電壓變送器選擇電壓輸入范圍是AC0-500V，精度范圍為+0.2%，輸出接口選擇4～20mA模擬量輸出，供電電壓為24V，實現對輸出小于500A的供電電壓的檢測。

（2）輸入采集電路設計

本系統采用兩個4～20mA輸出的電壓和電流變送器來進行輸入采集電路設計。變送器的輸出經過AD8420進行電壓放大、模數轉換后傳送給單片機，通過單片機的處理，得到當前的供電電壓和電流值。輸入采集電路如圖3所示。圖中，變送器AI1上電后，將測量的供電電流轉換成4～20mA的模擬信號輸出，通過在輸出端并聯一個5Ω的采樣電阻，使輸出的電流信號轉換為電壓信號，該電壓信號由AD8420放大50倍后再送入ADC0832，經過ADC0832轉成數字信號傳送給單片機。單片機通過對P3.2～P34引腳的控制可以得到和模擬量等比例輸出的數字信號，并結合電流變送器的測量量程，便可計算出當前采集的電流值。供電線路電壓值的采集原理與電流值相同。

2.3 輸出控制電路設計

輸出控制電路包括重合閘電路、液晶顯示電路、蜂鳴器報警電路和LED指示電路，實現對采集數據的顯示、過壓/過流的指示、報警及自動重合閘的控制，整體電路如圖4所示。

（1）重合閘控制電路設計

重合閘控制電路用于重新接通供電線路的供電電源，由K1繼電器及其輔助電路構成。繼電器的觸點K1A接AC220V公共端，K1B常開觸點接供電線路的接觸線圈電源。正常狀態下單片機的P2.6輸出高電平，K1A和K1B的AC220V電壓不對接觸器進行控制。當檢測到出現輸入過壓或過流時，P2.7引腳輸出低電平，控制AC220作用在供電線接觸線圈上，控制線圈吸合進行重合閘操作。

（2）報警指示模塊電路設計

當采集值超過設置的正常電流電壓范圍時，由SP1蜂鳴器、Q2三極管燈組成的報警電路開始工作。當需要下發報警命令時，單片機控制P2.7引腳輸出低電平，蜂鳴器的供電回路在Q2的控制下導通，蜂鳴器發出報警提示音。反之當P2.7輸出高電平時，蜂鳴器供電回路被切斷，蜂鳴器禁止發聲。

（3）液晶顯示模塊電路設計

顯示模塊電路用于顯示采集的供電電流、供電電壓和自動重合閘次數。硬件設計中LCD1602與單片機的接口為11線并行接口。其中，LCD1602的數據線與單片機的P1口相連；寫數據/命令寄存器RS和單片機的P3.5引腳相連；R/W寄存器和單片機的P3.6引腳相連；使能引腳E和單片機的P3.7引腳相連。

（4）LED指示模塊電路設計

LED指示模塊電路用于對供電線路的過流/過壓進行指示。電路設計中單片機通過P2.4和P2.5引腳實現對兩個指示燈的控制。當單片機的P2.4引腳輸出低電平時，過流指示燈亮。當單片機P2.5的引腳輸出低電平時，過壓指示燈亮。

2.4 通信電路設計

通信電路用于將本機采集數據上傳至監控主機，并從監控主機接收下發的修改命令對本機的報警參數、自動重合閘次數和重合閘監控時間進行修改。電設計中采用MAX232將單片機的串口電平轉換成TTL電平來實現與RS232總線電平的匹配。MAX232的4組電荷泵引腳接12V的電解容，9腳和11腳與單片機的P3.0和P3.1相連。串口通訊電路如圖5所示。

三、系統軟件實現

3.1主程序設計

主程序流程圖如圖6所示。主流程首先對單片機各個參數進行初始化，初始化完成后，程序進入1個while（1）的循環體中，順序執行如流程圖所示操作。

3.2通信程序設計

（1）通信協議設計

本次設計通信雙方進行數據傳輸的數據幀格式如表1所示，一幀數據由8字節組成。第1位為數據幀起始，用3AH表示；第2位為地址，用（00～15）表示，其中0默認為主機發送地址，其余為從機上傳地址；第3位為標志位，用（00～03）表示，其中00代表主機下命令，01代表從機上傳命令，02代表從機回復主機下發命令；第4位～第7位為4字節通信數據，本機在上傳數據狀態下第1個字節數據表示當前采集的電壓值，在回復本機命令狀態下表示當前的電壓報警值；本機在上傳數據狀態下第2個字節數據表示當前采集的電流值，在回復本機命令狀態下表示當前的電流報警值；第3個字節數據主機表示下發的重合閘次數，本機表示當前的重合閘次數；第4個字節數據主機表示下發重合閘時間間隔，本機表示當前的重合閘時間間隔。最后一位為幀結束，用CC表示。

根據通信協議可知，表1中數據表示主機下發電壓報警值255V，電流報警命令255A，自動重合閘次數6次，自動重合閘時間間隔7min。

（2）本機通信流程

本機通信流程如圖7所示。通信程序首先對數據的收發進行判斷，若為數據發送，將需要發送的數據寫入串口發送緩沖區，等待發送完成后，退出通信程序。若為數據接收，將串口緩沖區的數據讀出，對新的設置值和重合閘設置值進行保存，便于主機進行設置值的更新。

四、結語

本文完成了由AT89C51單片機和RS232總線控制的自動重合閘系統的軟硬件設計，實現了對供電線傳輸參數實時監測，并能在供電線出現過壓或過流跳閘故障時，實現重合閘的自動控制。

而且本系統應用RS232總線來實現主機和本機的數據通信，使主機能對本機監控端的供電線傳輸情況進行監測，簡化了供電線故障定位的難度，降低了維護過程中出現人員傷亡的幾率，對提高供電線故障維護工作效率發揮了積極的作用。

參 考 文 獻

[1]林軍. 一種提高超高壓輸電線自動重合閘成功率的方法[J]. 電力系統自動化， 2006， 30（24）： 49-52.

[2]王秀華.網絡化智能電機保護器的設計[J].電機與控制應用，2011.4：85-99