基于RS232總線的自動重合閘控制系統(tǒng)設(shè)計

陳里+劉璐玲

【摘要】 目前供電線路由于瞬間過流產(chǎn)生的跳閘現(xiàn)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(fù)線路供電，且在合閘時若操作不當(dāng)，將會引發(fā)生產(chǎn)事故的發(fā)生。針對以上問題，本文設(shè)計了一種采用AT89C51單片機和RS232通信總線實現(xiàn)的自動重合閘控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對供電線路供電狀態(tài)的監(jiān)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(yè)設(shè)備的自動化管理起到了非常重要的作用。

【關(guān)鍵詞】 RS232 過流 自動重合閘

前言

在電力供應(yīng)中，過流跳閘現(xiàn)象是經(jīng)常遇到的問題，線路故障中有90%都是由于都是瞬時過流導(dǎo)致的，如果能有效的解決由于瞬時過流導(dǎo)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(tǒng)正是為解決由于供電線路瞬時過流跳閘現(xiàn)象而設(shè)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(chǎn)生的跳閘現(xiàn)象，保障供電系統(tǒng)的正常運行。

一、系統(tǒng)介紹

本次設(shè)計的自動重合閘系統(tǒng)，需要實現(xiàn)監(jiān)測與顯示功能、數(shù)據(jù)傳輸功能、報警功能、重合閘功能和設(shè)置功能。各功能具體要求如下：

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

（2）數(shù)據(jù)傳輸功能。能夠利用RS232總線將采集的本機數(shù)據(jù)及重合閘的次數(shù)傳輸給監(jiān)控主機，便于監(jiān)控主機端操作人員掌握節(jié)點分機的供電狀態(tài)。

（3）報警功能。當(dāng)采集值超限或重合閘次數(shù)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(dāng)重連次數(shù)超過軟件設(shè)置的上限時，自動鎖死重連控制電路。

（5）設(shè)置功能。通過接收監(jiān)控主機端下發(fā)的命令來對自動的重合閘次數(shù)與供電線路采集參數(shù)的上限報警值進行設(shè)置。

本系統(tǒng)選用AT89C51單片機作為主控芯片來展開設(shè)計。系統(tǒng)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(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、自動重合閘控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

本設(shè)計將自動重合閘系統(tǒng)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(tǒng)的硬件實現(xiàn)過程進行具體說明。

2.1 主控模塊設(shè)計

AT89C51單片機、晶振電路和系統(tǒng)復(fù)位電路和組成了本次設(shè)計的主控模塊，電路如圖2所示。

2.2 輸入采集電路設(shè)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(xiàn)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(xiàn)對輸出小于500A的供電電壓的檢測。

（2）輸入采集電路設(shè)計

本系統(tǒng)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(shè)計。變送器的輸出經(jīng)過AD8420進行電壓放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給單片機，通過單片機的處理，得到當(dāng)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(zhuǎn)換成4～20mA的模擬信號輸出，通過在輸出端并聯(lián)一個5Ω的采樣電阻，使輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號由AD8420放大50倍后再送入ADC0832，經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)成數(shù)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(shù)字信號，并結(jié)合電流變送器的測量量程，便可計算出當(dāng)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(shè)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(xiàn)對采集數(shù)據(jù)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(shè)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(gòu)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(tài)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(dāng)檢測到出現(xiàn)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(shè)計

當(dāng)采集值超過設(shè)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(dāng)需要下發(fā)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(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警提示音。反之當(dāng)P2.7輸出高電平時，蜂鳴器供電回路被切斷，蜂鳴器禁止發(fā)聲。

（3）液晶顯示模塊電路設(shè)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(shù)。硬件設(shè)計中LCD1602與單片機的接口為11線并行接口。其中，LCD1602的數(shù)據(jù)線與單片機的P1口相連；寫數(shù)據(jù)/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(shè)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(shè)計中單片機通過P2.4和P2.5引腳實現(xiàn)對兩個指示燈的控制。當(dāng)單片機的P2.4引腳輸出低電平時，過流指示燈亮。當(dāng)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(shè)計

通信電路用于將本機采集數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機，并從監(jiān)控主機接收下發(fā)的修改命令對本機的報警參數(shù)、自動重合閘次數(shù)和重合閘監(jiān)控時間進行修改。電設(shè)計中采用MAX232將單片機的串口電平轉(zhuǎn)換成TTL電平來實現(xiàn)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(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1主程序設(shè)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(shù)進行初始化，初始化完成后，程序進入1個while（1）的循環(huán)體中，順序執(zhí)行如流程圖所示操作。

3.2通信程序設(shè)計

（1）通信協(xié)議設(shè)計

本次設(shè)計通信雙方進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式如表1所示，一幀數(shù)據(jù)由8字節(jié)組成。第1位為數(shù)據(jù)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(fā)送地址，其余為從機上傳地址；第3位為標(biāo)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(fù)主機下發(fā)命令；第4位～第7位為4字節(jié)通信數(shù)據(jù)，本機在上傳數(shù)據(jù)狀態(tài)下第1個字節(jié)數(shù)據(jù)表示當(dāng)前采集的電壓值，在回復(fù)本機命令狀態(tài)下表示當(dāng)前的電壓報警值；本機在上傳數(shù)據(jù)狀態(tài)下第2個字節(jié)數(shù)據(jù)表示當(dāng)前采集的電流值，在回復(fù)本機命令狀態(tài)下表示當(dāng)前的電流報警值；第3個字節(jié)數(shù)據(jù)主機表示下發(fā)的重合閘次數(shù)，本機表示當(dāng)前的重合閘次數(shù)；第4個字節(jié)數(shù)據(jù)主機表示下發(fā)重合閘時間間隔，本機表示當(dāng)前的重合閘時間間隔。最后一位為幀結(jié)束，用CC表示。

根據(jù)通信協(xié)議可知，表1中數(shù)據(jù)表示主機下發(fā)電壓報警值255V，電流報警命令255A，自動重合閘次數(shù)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(shù)據(jù)的收發(fā)進行判斷，若為數(shù)據(jù)發(fā)送，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入串口發(fā)送緩沖區(qū)，等待發(fā)送完成后，退出通信程序。若為數(shù)據(jù)接收，將串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出，對新的設(shè)置值和重合閘設(shè)置值進行保存，便于主機進行設(shè)置值的更新。

四、結(jié)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(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對供電線傳輸參數(shù)實時監(jiān)測，并能在供電線出現(xiàn)過壓或過流跳閘故障時，實現(xiàn)重合閘的自動控制。

而且本系統(tǒng)應(yīng)用RS232總線來實現(xiàn)主機和本機的數(shù)據(jù)通信，使主機能對本機監(jiān)控端的供電線傳輸情況進行監(jiān)測，簡化了供電線故障定位的難度，降低了維護過程中出現(xiàn)人員傷亡的幾率，對提高供電線故障維護工作效率發(fā)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(tǒng)自動化， 2006， 30（24）： 49-52.

[2]王秀華.網(wǎng)絡(luò)化智能電機保護器的設(shè)計[J].電機與控制應(yīng)用，2011.4：85-99