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分布式變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:廣西水利水電 ? 作者:鐘國(guó)棟,甘發(fā)遠(yuǎn) ? 2020-04-25 08:01 ? 次閱讀
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1、概述

變電站設(shè)備和線路的安全保護(hù)是維持電網(wǎng)正常運(yùn)行和用戶(hù)安全用電的重要保證,隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,以微處理器為核心的自動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置,成為變電站重要的組成部分。在這里,我們提出了一種基于單片機(jī)8031的變電站自動(dòng)控制保護(hù)系統(tǒng),該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)35 kV變電站的事故保護(hù)、計(jì)量、投切控制、實(shí)時(shí)顯示打印、建立數(shù)據(jù)庫(kù)等功能,滿足35 kV變電站對(duì)設(shè)備、線路的保護(hù)、測(cè)量和控制,達(dá)到無(wú)人值守或少人值守。

2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)硬件由工控微機(jī)系統(tǒng)、通訊板、線路(設(shè)備)保護(hù)計(jì)量板、電壓監(jiān)測(cè)保護(hù)計(jì)量板組成。在設(shè)計(jì)中采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu),上位機(jī)為工控微機(jī)系統(tǒng),主機(jī)為486 以上檔次工控PC機(jī),配以鍵盤(pán)、打印機(jī)、大屏幕顯示器、鼠標(biāo)等輸入輸出設(shè)備;下位機(jī)(分機(jī))為線路(設(shè)備)保護(hù)計(jì)量板單元,每一單元為獨(dú)立的單片機(jī)采集保護(hù)系統(tǒng),通過(guò)通訊線路與上位機(jī)聯(lián)系;而通訊板則起到上下橋梁的作用,通過(guò)RS485與下位機(jī)形成一對(duì)多通訊網(wǎng)(框圖如圖1所示)。

t6401.gif (7056 字節(jié))

2.1工控微機(jī)系統(tǒng)

完成整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話,顯示各線路(設(shè)備)狀態(tài)和計(jì)量數(shù)據(jù)、保護(hù)動(dòng)作信息等,命令控制斷路器的分合閘操作,并且具有密碼辨別身份以及操作重復(fù)確認(rèn)的安全操作措施,還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表,保護(hù)動(dòng)作記錄,操作記錄,數(shù)據(jù)查詢(xún),自動(dòng)生成各種報(bào)表,遠(yuǎn)動(dòng)等功能。

2.2下位機(jī)

根據(jù)繼電保護(hù)的要求,整個(gè)35 kV變電站必須完成:①10 kV,35 kV線路和主變過(guò)流、過(guò)流速斷、過(guò)負(fù)荷保護(hù)及該回線的計(jì)量測(cè)量;②電容的過(guò)、欠壓保護(hù);③主變的差動(dòng)保護(hù);④10 kV及35 kV母線電壓的采集測(cè)量及過(guò)、欠電壓保護(hù);⑤分合閘操作等功能。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo),我們?cè)谶M(jìn)行各功能模塊設(shè)計(jì)時(shí),采用8031工業(yè)單片機(jī)為核心,輔以存貯器、電流(或電壓)傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、斷路器驅(qū)動(dòng)電路、通訊連接電路等,分別組成電流采集、保護(hù)控制板,電壓采集、保護(hù)控制板,主變差動(dòng)保護(hù)控制板,功率因素采集板,脈沖電度表電度采集板。采集保護(hù)端的硬件大同小異,其框圖如圖2所示。

電流采集控制板的傳感器采用分檔式傳感器,該傳感器將線路(10 kV或35 kV及主變電流)互感器二次0 A~5 A電流轉(zhuǎn)換成0 V~2.5 V的電壓信號(hào),經(jīng)12位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供8031單片機(jī)讀取,經(jīng)與機(jī)內(nèi)貯存的整定值比較判斷后完成線路或主變的過(guò)流保護(hù)、時(shí)限速斷、速斷、縱差動(dòng)等保護(hù)功能。對(duì)輕、重瓦斯,油開(kāi)關(guān),隔離開(kāi)關(guān),接地開(kāi)關(guān),儲(chǔ)能開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量,則直接進(jìn)入8031的P1口,由8031讀入片內(nèi)RAM相應(yīng)的位,軟件判斷其狀態(tài)并作出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作指令或防誤操作指令。經(jīng)測(cè)試,過(guò)流速斷從事故發(fā)生到系統(tǒng)作出反應(yīng)并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的出口繼電器動(dòng)作只需300 ms。該板同時(shí)還接收上位機(jī)的分合閘指令,驅(qū)動(dòng)相應(yīng)出口繼電器動(dòng)作。該電流采集控制板設(shè)計(jì)為通用式的,可通過(guò)不同的地址編碼來(lái)識(shí)別,各控制板的地址編碼由板上的硬件跳線或EPROM固化定值確定,這樣可降低制造成本,提高互換性,減少使用者的備件數(shù)量。

電壓采集控制板用電壓傳感器,對(duì)母線電壓、零序電壓進(jìn)行采集,電壓信號(hào)由電壓互感器(傳感器)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路傳送到8031單片機(jī)系統(tǒng)處理,經(jīng)與定值比較判斷后完成線路過(guò)、欠壓報(bào)警,電容過(guò)、欠壓保護(hù),接地報(bào)警等功能。

功率因素采集板主要功能是采集主要干線的功率因素信號(hào),反映電網(wǎng)有無(wú)功的運(yùn)行工況。

主變差動(dòng)保護(hù)控制板,脈沖電度表電度采集板,都是專(zhuān)用功能板,完成單一功能。

2.3通訊板

通訊控制板在整個(gè)系統(tǒng)中起到承上啟下的作用,由8031單片機(jī)、程序存貯器(EPROM)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器RAM、擴(kuò)展串行口8251、通訊口電路及報(bào)警聲音驅(qū)動(dòng)電路組成,與下位機(jī)的通訊用8031自帶的異步串行口,采用MAX485芯片形成一對(duì)多的通訊方式,而與上位機(jī)(微機(jī))的通訊則利用擴(kuò)展串行口,通過(guò)RS232與上位機(jī)串行口聯(lián)接。兩個(gè)方向的傳輸速率均為9 600 bps,滿足信息顯示的時(shí)效要求。通訊板減少上位機(jī)用于通訊的時(shí)間,使上位機(jī)有更多的時(shí)間處理其它事務(wù)。

3、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括微機(jī)應(yīng)用軟件、通訊板軟件和下位機(jī)軟件3部分。

3.1上位機(jī)(工控微機(jī))軟件

上位機(jī)的應(yīng)用軟件是建立在Windows3.1及其以上版本操作系統(tǒng)平臺(tái)上,用Borland C++3.0和Foxpro2.6開(kāi)發(fā),分7個(gè)功能模塊,分別為:①系統(tǒng)管理程序;②位置圖顯示模塊;③變電站結(jié)線圖;④實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示;⑤中斷服務(wù)程序和事故保護(hù)動(dòng)作信息顯示、打印程序;⑥通訊程序;⑦歷史資料庫(kù)的建立、報(bào)表輸出。上電后進(jìn)行初始化,包括讀取初值,數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置,變量數(shù)組初始化,串口初始化等,各模塊間的切換通過(guò)菜單選擇來(lái)完成;系統(tǒng)管理程序定時(shí)向下位機(jī)發(fā)數(shù)傳命令,由通訊程序來(lái)完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,實(shí)時(shí)刷新屏幕顯示的數(shù)據(jù);下位機(jī)的保護(hù)動(dòng)作和報(bào)警信號(hào)則通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)處理,若發(fā)生中斷,則中斷服務(wù)程序判斷中斷信號(hào)的來(lái)源及類(lèi)型并實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)接收事故數(shù)據(jù)并保存。

3.2通訊板軟件

通訊板是介于上位機(jī)和下位機(jī)之間起橋梁作用的功能模塊,以8031為核心,軟件用8031匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。整個(gè)軟件對(duì)上采用中斷方式,對(duì)下用查詢(xún)方式,包括3大模塊:①中斷服務(wù)程序,該程序模塊接收從上位機(jī)發(fā)送的命令,并作出判斷,是數(shù)傳命令則與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,并校驗(yàn),完成上位機(jī)——通訊板間的數(shù)據(jù)傳輸;若是控制命令,則向下位機(jī)發(fā)相應(yīng)的命令;②事故判斷,當(dāng)某一受保護(hù)的路線或設(shè)備發(fā)生跳閘或報(bào)警等保護(hù)動(dòng)作時(shí),相應(yīng)的分機(jī)狀態(tài)值置位并上送通訊板,通訊板事故判斷程序根據(jù)接收到的地址和狀態(tài)值來(lái)判斷哪一分機(jī)異常,然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的警笛或警鈴,并向上位機(jī)發(fā)出中斷信號(hào),接通通訊線路后,向上傳送相應(yīng)的事故信息和事故數(shù)據(jù);③數(shù)據(jù)采集程序,與下位機(jī)的通訊采用RS485方式,設(shè)為多機(jī)通訊,用地址+命令的幀數(shù)據(jù)巡回向下位機(jī)發(fā)采集命令,接收從下位機(jī)傳上的數(shù)據(jù)。整個(gè)通訊板軟件的關(guān)鍵在于解決兩個(gè)中斷源的沖突和運(yùn)行狀態(tài)保護(hù)問(wèn)題。

3.3下位機(jī)軟件

下位機(jī)也以8031匯編編程,完成采集、保護(hù)控制、通訊 3大功能。采集程序從A/D轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù),保護(hù)模塊根據(jù)設(shè)定的整定值,進(jìn)行保護(hù)模式中分時(shí)段的過(guò)流、過(guò)流速斷和過(guò)負(fù)荷判斷,設(shè)置相應(yīng)的狀態(tài)位,并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電開(kāi)關(guān),其中8031片內(nèi)定時(shí)器T0作時(shí)限計(jì)時(shí)用,片內(nèi)RAM的20H,21H兩字節(jié)作為位操作,記錄運(yùn)行、通訊、閘位置、事故標(biāo)志等狀態(tài),每次上送數(shù)據(jù)時(shí)都傳送這兩個(gè)字節(jié),從而使上位機(jī)能隨時(shí)掌握各下位機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。下位機(jī)編號(hào)為每一分機(jī)的唯一識(shí)別地址,程序根據(jù)編號(hào)(地址)來(lái)選擇執(zhí)行流程,從而實(shí)現(xiàn)各自的功能。當(dāng)接收到上位機(jī)的數(shù)傳命令后,通訊程序向上傳送采集數(shù)據(jù),其作為一個(gè)模塊為其他程序調(diào)用,如傳送狀態(tài)值,測(cè)量數(shù)據(jù),接收整定值等。

4、結(jié)語(yǔ)

基于8031單片機(jī)的分布式變電站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想先進(jìn),結(jié)構(gòu)合理,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì),從1995年10月投入運(yùn)行至1998 年,系統(tǒng)正確反映了10 kV線路故障6次,雷擊短路故障13次,二相短路故障1次,35 kV接地故障1次,分、合閘操作上百次,基本反映了變電站運(yùn)行的實(shí)際狀況。

責(zé)任編輯:gt


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