一種電壓型二次重合閘微機裝置的設計

胡 越， 韓思雨， 周逢道， 孫彩堂

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院,吉林 長春 130021)

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一種電壓型二次重合閘微機裝置的設計

胡 越， 韓思雨， 周逢道， 孫彩堂

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院,吉林 長春 130021)

傳統(tǒng)的一次重合閘裝置接線復雜，輔助設備多，易出現(xiàn)誤動、拒動情況，若故障無法在短時間內消除，重合閘裝置可能再次跳閘，造成合閘成功率不高。介紹了一種電壓型二次重合閘微機裝置，該裝置基于MSP430F149單片機進行控制，具有低功耗，低成本，數(shù)據(jù)實時顯示，單片機重合閘控制，上位機交互控制等特點。詳細介紹了硬件電路的設計方案，并給出了軟件程序的流程圖。對該裝置在實驗室環(huán)境下進行測試，實現(xiàn)了單片機二次重合閘操作并由上位機顯示和控制，此設計有效可行，具有一定的研究前景與應用價值。

單片機； 二次重合閘； 交互控制； 上位機

0 引 言

輸電線路經常因為自然因素和人類活動因素發(fā)生故障，其中瞬時性故障占90%。自動重合閘裝置是將因故障跳開后的斷路器按需要自動投入的一種自動裝置。它能夠檢測故障電路信息，并能在給定時間內切斷故障電流以及按設定次數(shù)進行重合閘。傳統(tǒng)的重合閘裝置多采用模擬電路進行一次合閘操作，一方面裝置接線復雜，輔助設備多，誤操作率高，另一方面不能合閘于故障點恢復較慢的瞬時性故障,且無法進行上位機實時監(jiān)測和控制[1-3]。

目前自動重合閘微機裝置的設計處于熱門研究方向，其具有高可靠性，高精度，高速度，智能通信，方便快捷，結構簡單等優(yōu)點。使用時只需對其控制字進行一定的設置，便可構成多種工作方式。而自動重合閘多次重合于永久性故障,將使系統(tǒng)遭受多次沖擊,導致嚴重后果[4]，所以從安全性和合閘成功率上說二次重合閘將是最適合的。近年來一種二次重合閘已廣泛應用于廣州地區(qū)，它是利用配電系統(tǒng)中饋線斷路器與柱上開關的動作配合,進行故障定位與隔離并迅速恢復供電的技術，但沒能實現(xiàn)上位機顯示與控制[5-7]。

本文提出一種電壓型二次重合閘微機裝置的設計方法，在實驗室制作了其原理樣機。該裝置選用MSP430F149單片機進行電壓采集數(shù)據(jù)的處理和繼電器控制，通過串口線實現(xiàn)單片機與上位機的通信，上位機進行人機交互控制。

1 整體結構

如圖1所示，該裝置可分單片機系統(tǒng)和上位機兩個部分，由串口通信模塊完成單片機系統(tǒng)和上位機的數(shù)據(jù)相互傳輸。

圖1 裝置整體結構圖

1.1 單片機系統(tǒng)

其中, λ為初始擾動波長, 無量綱Atwood數(shù)A=(ρh-ρl)/(ρh+ρl), ρh和ρl分別為重流體和輕流體密度. 當重流體密度遠遠大于輕流體密度時, 即A=1時, 非線性飽和閾值大約是擾動波長的0.1倍. 也就是說, 在Atwood數(shù)為1的情況下, 當基模的幅值達到擾動波長的1/10時, RT不穩(wěn)定性就已經進入非線性階段. 在進入非線性階段之前, 高次諧波的作用已經不可忽視. 當基模的幅值接近擾動波長的1/10時, RT不穩(wěn)定性正在經歷弱非線性階段, 高次諧波迅速增長, 和基模共同作用決定著界面的演化發(fā)展.

單片機系統(tǒng)包括電源模塊，電壓信號采集模塊，單

磚子吃驚地問，你打電話罵那些女人了？磚子以為昨天趙仙童打電話給那些女人無非也就說些無聊的廢話而已，想不到她罵上了。

當Ui1<0時，D1截止，D2導通，運算放大器U2構成同相比例放大器，運算放大器U3構成差分放大器。此時，

1.2 上位機

上位機包括數(shù)據(jù)采集、后臺數(shù)據(jù)處理和主界面的設計。具體方法為，在Microsoft Visual Studio 2010軟件中采用C#語言進行編程，設計主界面以供計算機終端的監(jiān)控人員觀察與控制，通過串口通信模塊接受單片機發(fā)送的實時數(shù)據(jù)并顯示于主界面。主界面也可送命令給單片機，單片機響應請求，并根據(jù)命令做出相應動作。

2 設計與實現(xiàn)

例如：教師在給學生進行地理教材中景觀圖講解的時候，教師可以利用景觀圖的美觀來激發(fā)學生的學習興趣，讓學生進行地理知識的記憶學習，同時也要培養(yǎng)學生自主閱讀圖像的積極性，讓學生結合相關的風土人情進行地理知識的學習，給學生營造輕松快樂的學習環(huán)境。

硬件設計主要包括電壓信號采集模塊，單片機最小系統(tǒng)，繼電器電路，電壓顯示與報警模塊和RS232串口通信模塊。

調查方法是指社會科學領域的信息數(shù)據(jù)收集、整理、分析的方法，它在不同的書籍或專業(yè)里還有多種多樣的稱謂，如社會科學研究方法、社會調查方法、傳播研究方法、市場調查、媒介調查與分析、營銷調研等。

IHPC是近年興起的一種腹腔惡性腫瘤治療手段，對各種腹腔惡性腫瘤的腹膜轉移均具有可靠的臨床療效[10]。IHPC通過持續(xù)高溫作用（42～43℃條件下作用90 min），能在不影響正常組織的情況下誘導腫瘤細胞凋亡；同時高溫（＞41℃）可提高化療藥物進入腫瘤細胞的效率來達到更佳的腫瘤抑制效果[11]。

電壓信號采集模塊在整個裝置中起著至關重要的作用，電路的放大特性、抗干擾能力以及穩(wěn)定性直接影響采集到數(shù)據(jù)的準確性,如圖2所示。

積極建立高校國有資產管理的制度框架和體系，是保證國有資產管理各項工作順利開展的基礎，也是確保國有資產管理科學化、規(guī)范化的關鍵。應該把握兩點，一是要根據(jù)國家相關的法律法規(guī)并結合當下社會主義市場經濟的形勢，以及各個高校內部的具體情況，建立起相應的國有資產管理的規(guī)章制度。二是制定的有關國有資產管理的規(guī)章制度不是一成不變的，要積極響應國家政策、時代形勢和實際情況作出相應的調整。高校的國有資產管理要根據(jù)經濟和教育狀況的發(fā)展，適應動態(tài)化的外部環(huán)境的要求，及時完善國有資產管理的規(guī)章細節(jié)，使得高校國有資產管理向著更好的方向前進。

為了滿足單片機MSP430內置模數(shù)轉換單元ADC12的0～3.3 V直流電壓的輸入模擬信號要求，

圖2 電壓信息采集模塊電路圖

先由DL-PT01電壓互感器從市電220 V交流電感應出0～10 V交流電，再經穩(wěn)壓調節(jié)單元轉換為0～3.3 V交流電，最后通過整流單元及濾波單元，得到紋波較小的直流信號。

(1) 穩(wěn)壓調節(jié)單元。電壓互感器輸出交流信號首先經過電壓調節(jié)單元進行降壓調節(jié)，通過設置電阻R1和R2的比值，來改變同相比例放大器輸入信號的電壓幅值，進而改變輸出電壓幅值。

根據(jù)鐵路視頻特點，3天內占5%的數(shù)據(jù)是熱數(shù)據(jù)，3～7天占15%的數(shù)據(jù)是溫數(shù)據(jù)，7天前占80%的數(shù)據(jù)是冷數(shù)據(jù)。將這些訪問頻率極低的“冷”數(shù)據(jù)存儲在一個高性能IPSAN存儲設備上，其性價比不高。如果我們能把他們遷移到一個專為冷數(shù)據(jù)而設計的低成本存儲層中，將能大幅降低功耗，從而延長存儲設備的壽命，降低系統(tǒng)全壽命周期成本。

(2) 整流單元。整流單元輸入電壓為Ui1，輸出電壓Uo，相關公式見(1)～(4)。

2.2 軟件設計

(1)

(2)

片機處理模塊，繼電器電路，電壓信息顯示模塊，報警模塊。系統(tǒng)先通過電壓信號采集模塊和MSP430F149中的ADC12得到可供單片機處理的數(shù)字信號[8-9]。單片機處理模塊通過有效的算法程序處理數(shù)據(jù)，并控制繼電器的通斷狀態(tài)，當超過電壓上限閥值或低于電壓下限閥值時報警電路發(fā)出報警信號。整個過程中單片機將實時數(shù)據(jù)顯示于LCD1602液晶屏，并通過串口通信模塊傳輸給上位機[10-11]。各模塊的電源供應都由電源模塊提供。

2.1 硬件設計

(3)

(4)

(3) 濾波單元。濾波單元由兩個二階有源低通濾波電路級聯(lián)組成。二階有源低通濾波電路由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。同相比例放大器的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益。

2.1.2 繼電器電路

電網輸電線路的電壓，電流通常較高，不易直接進行控制操作，同時存在一定危險。故本設計采用單片機輸出低壓信號控制高壓線路，采用繼電器電路隔離方式，實現(xiàn)更好的電氣隔離。

2.1.1 電壓信號采集模塊

如圖3所示，選用HK4100F-DC3V-SHG型繼電器作為隔離控制繼電器J1，MY2N-J型繼電器作為220 V電路主控制繼電器J2，將220 V/100 W白熾燈L1作為用電器接入220 V供電電路。隔離控制繼電器控制端的電源為3.3 V，D2為黃色發(fā)光二極管，用做電源指示燈。D3為紅色發(fā)光二極管，用做繼電器動作指示燈，繼電器J1常開觸點閉合時即發(fā)光。由MSP430F149單片機輸出繼電器控制信號，當輸出信號高電平時，PNP型三極管Q1關斷，繼電器動作指示燈D3不發(fā)光，繼電器J1和J2保持常閉觸點，220 V供電電路導通，白熾燈L1常亮。當輸出信號低電平時，三極管Q1飽和導通，繼電器動作指示燈D3發(fā)光，繼電器J1和J2變?yōu)槌ｉ_觸點，220 V供電電路斷開，白熾燈L1熄滅。

圖3 繼電器電路圖

當Ui1>0時，D1導通，D2截止，運算放大器U3構成差分放大器。此時，

軟件設計包括單片機編程和上位機界面的編程兩部分。單片機編程采用C語言在IAR編譯器中進行設計，上位機界面采用C#語言在Microsoft Visual Studio 2010軟件中進行設計。

2.2.1 單片機編程

首先對各模塊初始化，采集到的電壓信號通過MSP430F149內部的ADC12進行轉換，接收數(shù)據(jù)在LCD上實時顯示,通過串口通信傳送給上位機，上位機同時把相關設置和指令傳送給繼電器控制程序，它結合AD轉換后的電壓數(shù)據(jù)對繼電器進行控制[12-13]。

然而，由于Alpha穩(wěn)定分布的概率密度函數(shù)沒有閉合解，故一個服從Alpha穩(wěn)定分布的隨機變量X可用其特征函數(shù)描述為

如圖4所示繼電器控制過程：當測量的電壓位于電壓上限閥值U上和電壓下限閥值U下之間時，繼電器J1和J2保持常閉觸點。當測量的電壓大于電壓上限閥值或小于電壓下限閥值時，單片機控制繼電器J1和J2變?yōu)槌ｉ_觸點(跳閘)，經過設定的延時時間，單片機控制繼電器J1和J2變?yōu)槌ｉ]觸點進行一次合閘，并進行電壓判斷：若電壓值恢復正常，繼電器保持合閘狀態(tài)，電路正常運行；若仍然不在電壓閥值上下限之間，繼電器再次跳閘。經過延時時間后二次合閘，并進行如上電壓判斷：若電壓值恢復正常，繼電器保持合閘狀態(tài)，電路正常運行；若仍然不在電壓閥值上下限之間，繼電器維持跳閘狀態(tài)等待工作人員處理。

圖4 繼電器控制流程圖

2.2.2 上位機編程

圖5為上位機軟件設計流程圖。本設計中上位機界面采用Visual Studio 2010來設計和編寫，根據(jù)設計要求添加7個button控件：開始、修改電壓上限閥值、修改電壓下限閥值、修改延時時間、退出和跳閘、合閘?？紤]220 V供電電路中當前的電壓有效值，主要設計4個textBox：測量電壓(有效值)，電壓上限閥值，電壓下限閥值和延時時間[14-15]。測量電壓由單片機串口通信模塊將測量的電壓值通過RS232串口發(fā)送給上位機；電壓上限閥值、電壓下限閥值和延時時間供上位機操作人員設置，通過RS232串口發(fā)送給單片機來控制繼電器；跳閘與合閘button同樣通過串口將指令傳送給單片機，能夠直接控制繼電器動作，以便線路正常運行時也能人為斷開繼電器進行設備維護等操作[16-17]。

圖5 上位機軟件設計流程圖

3 測試結果分析

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，顯示電壓與實際電壓之間的函數(shù)關系接近于線性變化，誤差范圍在1 V以內，證明該裝置測取的電壓真實可靠，保證測試的準確性。

演化博弈起源于生物進化論，被廣泛用于分析群體演化過程，能夠分析重復博弈中，當存在有限理性引起的偏差的干擾，是否存在能夠回復穩(wěn)定的均衡策略，如存在該策略，即為演化穩(wěn)定策略均衡。

如表2所示，在延時后的第一次合閘以及第二次合閘都能及時準確的對電路狀態(tài)進行判斷，執(zhí)行主繼電器的通斷操作。圖6所示為上位機操控界面，能夠實時顯示單片機發(fā)送的測量電壓值，在故障發(fā)生后，測量電壓值紅色顯示起警示作用。二次合閘操作的執(zhí)行，較大提升了繼電設備在瞬時性故障中合閘的成功率。

圖6 上位機VS界面

表1 實際電壓和顯示電壓對比表

表2 實驗結果分析表

4 結 語

本設計實現(xiàn)了電壓信號采集，由MSP430F149單片機進行二次重合閘和相關外設的控制，并能通過串口通信實現(xiàn)上位機的顯示與控制。該實驗樣機充分驗證了本文所述電壓型二次重合閘微機裝置的工作原理是有效可行的。在本文實驗原理驗證的基礎上，今后可采用無線或網絡數(shù)據(jù)傳輸代替有線傳輸，完成電壓信號采集的模塊優(yōu)化和集成，使上位機控制功能更加完善，實現(xiàn)產品化。

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A Voltage-type Secondary Reclosing Microcomputer Device

HUYue,HANSi-yu,ZHOUFeng-dao,SUNCai-tang

(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130021, China)

Traditional reclosing device has complex wiring and much auxiliary equipment. It often malfunctions and refuses to work. If the fault is not eliminated in a short time, reclosing device may appear again. It makes that the success rate low. A voltage-type secondary reclosing computer device is developed in this paper. The device is based on MSP430F149 single-chip with low power consumption, low cost, real-time display of data, single-chip reclosing control, interactively controlled by PC and so on. The circuit design and flow chart are described in detail. The device has been tested in the lab. It implements the single-chip microcomputer reclosing operation for the second time and it can be displayed and controlled by the host computer. This proves the design is effective and feasible. It has some prospects for the study and application value.

single-chip; secondary reclosing device; interactive control; host computer

2015-11-04

國家大學生創(chuàng)新實驗計劃基金項目(2013B65278)

胡 越(1990-)，男，吉林通化人，在讀碩士，主要研究方向：電力電子與電力傳動。

Tel:15143083688;E-mail:15143083688@126.com

周逢道(1970-)，男，吉林長春人，博士，教授，主要研究方向：功率變換技術及其應用。E-mail:zhoufd@jlu.edu.cn

TM 774

A

1006-7167(2016)03-0110-05