一种基于单片机的变电站控制保护系统的实现

 以单片机8031为组成的采集、保护和通信模块，通过RS485的连接，与486工控微机构成了分布式35 kV变电站的自控系统，实现变电站的计量、保护和控制等功能，以达到变电站的无人值守或少人值守。
      1　概述

　　变电站设备和线路的安全保护是维持电网正常运行和用户安全用电的重要保证，随着电子技术和计算机应用技术的发展，以微处理器为的自动控制保护系统正逐步取代传统的继电保护装置，成为变电站重要的组成部分。在这里，我们提出了一种基于单片机8031的变电站自动控制保护系统，该系统能实现35 kV变电站的事故保护、计量、投切控制、实时显示打印、建立数据库等功能，满足35 kV变电站对设备、线路的保护、测量和控制，达到无人值守或少人值守。

      2　系统硬件结构和功能

　　系统硬件由工控微机系统、通讯板、线路(设备)保护计量板、电压监测保护计量板组成。在设计中采用上、下位机结构，上位机为工控微机系统，主机为486 以上档次工控PC机，配以键盘、打印机、大屏幕显示器、鼠标等输入输出设备；下位机(分机)为线路(设备)保护计量板单元，每一单元为独立的单片机采集保护系统，通过通讯线路与上位机联系；而通讯板则起到上下桥梁的作用，通过RS485与下位机形成一对多通讯网(框图如图1所示)。

图1　系统结构框图

       2.1　工控微机系统
　　

      完成整个系统的人机对话，显示各线路(设备)状态和计量数据、保护动作信息等，命令控制断路器的分合闸操作，并且具有密码辨别身份以及操作重复确认的安全操作措施，还可实现自动抄表，保护动作记录，操作记录，数据查询，自动生成各种报表，远动等功能。

      2.2　下位机
　　

      根据继电保护的要求，整个35 kV变电站必须完成：

      ①10 kV，35 kV线路和主变过流、过流速断、过负荷保护及该回线的计量测量；

      ②电容的过、欠压保护；

      ③主变的差动保护；

      ④10 kV及35 kV母线电压的采集测量及过、欠电压保护；

      ⑤分合闸操作等功能。为实现以上目标，我们在进行各功能模块设计时，采用8031工业单片机为，辅以存贮器、电流(或电压)传感器、A/D转换电路、断路器驱动电路、通讯连接电路等，分别组成电流采集、保护控制板，电压采集、保护控制板，主变差动保护控制板，功率因素采集板，脉冲电度表电度采集板。采集保护端的硬件大同小异，其框图如图2所示。

图2　采集保护端框图

　　电流采集控制板的传感器采用分档式传感器，该传感器将线路(10 kV或35 kV及主变电流)互感器二次0 A～5 A电流转换成0 V～2.5 V的电压信号，经12位的A/D转换器转换成数字信号供8031单片机读取，经与机内贮存的整定值比较判断后完成线路或主变的过流保护、时限速断、速断、纵差动等保护功能。对轻、重瓦斯，油开关，隔离开关，接地开关，储能开关等开关量，则直接进入8031的P1口，由8031读入片内RAM相应的位，软件判断其状态并作出相应的保护动作指令或防误操作指令。

      经测试，过流速断从事故发生到系统作出反应并驱动相应的出口继电器动作只需300 ms。该板同时还接收上位机的分合闸指令，驱动相应出口继电器动作。该电流采集控制板设计为通用式的，可通过不同的地址编码来识别，各控制板的地址编码由板上的硬件跳线或EPROM固化定值确定，这样可降低制造成本，提高互换性，减少使用者的备件数量。

　　电压采集控制板用电压传感器，对母线电压、零序电压进行采集，电压信号由电压互感器(传感器)经A/D转换电路传送到8031单片机系统处理，经与定值比较判断后完成线路过、欠压报警，电容过、欠压保护，接地报警等功能。

　　功率因素采集板主要功能是采集主要干线的功率因素信号，反映电网有无功的运行工况。

　　主变差动保护控制板，脉冲电度表电度采集板，都是专用功能板，完成单一功能。

      2.3　通讯板
　　

      通讯控制板在整个系统中起到承上启下的作用，由8031单片机、程序存贮器(EPROM)、扩展数据存贮器RAM、扩展串行口8251、通讯口电路及报警声音驱动电路组成，与下位机的通讯用8031自带的异步串行口，采用MAX485芯片形成一对多的通讯方式，而与上位机(微机)的通讯则利用扩展串行口，通过RS232与上位机串行口联接。两个方向的传输速率均为9 600 bps，满足信息显示的时效要求。通讯板减少上位机用于通讯的时间，使上位机有更多的时间处理其它事务。

      3　软件设计

　　系统的软件包括微机应用软件、通讯板软件和下位机软件3部分。

      3.1　上位机(工控微机)软件
　　

      上位机的应用软件是建立在Windows3.1及其以上版本操作系统平台上，用Borland C++3.0和Foxpro2.6开发，分7个功能模块，分别为：

      ①系统管理程序；

      ②位置图显示模块；

      ③变电站结线图；

      ④实时计量数据动态显示；

      ⑤中断服务程序和事故保护动作信息显示、打印程序；

      ⑥通讯程序；

      ⑦历史资料库的建立、报表输出。上电后进行初始化，包括读取初值，数据库设置，变量数组初始化，串口初始化等，各模块间的切换通过菜单选择来完成；系统管理程序定时向下位机发数传命令，由通讯程序来完成数据的接收和发送，实时刷新屏幕显示的数据；下位机的保护动作和报警信号则通过中断服务程序来处理，若发生中断，则中断服务程序判断中断信号的来源及类型并实时显示，同时接收事故数据并保存。

      3.2　通讯板软件
　　

      通讯板是介于上位机和下位机之间起桥梁作用的功能模块，以8031为，软件用8031汇编语言编写。整个软件对上采用中断方式，对下用查询方式，包括3大模块：

      ①中断服务程序，该程序模块接收从上位机发送的命令，并作出判断，是数传命令则与上位机进行数据传送，并校验，完成上位机——通讯板间的数据传输；若是控制命令，则向下位机发相应的命令；

      ②事故判断，当某一受保护的路线或设备发生跳闸或报警等保护动作时，相应的分机状态值置位并上送通讯板，通讯板事故判断程序根据接收到的地址和状态值来判断哪一分机异常，然后驱动相应的警笛或警铃，并向上位机发出中断信号，接通通讯线路后，向上传送相应的事故信息和事故数据；③数据采集程序，与下位机的通讯采用RS485方式，设为多机通讯，用地址+命令的帧数据巡回向下位机发采集命令，接收从下位机传上的数据。整个通讯板软件的关键在于解决两个中断源的冲突和运行状态保护问题。

      3.3　下位机软件
　　

       下位机也以8031汇编编程，完成采集、保护控制、通讯 3大功能。采集程序从A/D转换器中读取数据，保护模块根据设定的整定值，进行保护模式中分时段的过流、过流速断和过负荷判断，设置相应的状态位，并驱动相应的继电开关，其中8031片内定时器T0作时限计时用，片内RAM的20H，21H两字节作为位操作，记录运行、通讯、闸位置、事故标志等状态，每次上送数据时都传送这两个字节，从而使上位机能随时掌握各下位机的实时状态。下位机编号为每一分机的识别地址，程序根据编号(地址)来选择执行流程，从而实现各自的功能。当接收到上位机的数传命令后，通讯程序向上传送采集数据，其作为一个模块为其他程序调用，如传送状态值，测量数据，接收整定值等。

       4　结语

　　基于8031单片机的分布式变电站自动控制系统设计思想先进，结构合理，在实际应用中取得了良好的效果。据统计，从1995年10月投入运行至1998 年，系统正确反映了10 kV线路故障6次，雷击短路故障13次，二相短路故障1次，35 kV接地故障1次，分、合闸操作上百次，基本反映了变电站运行的实际状况。