基于P89C591的变电站变送器设计

张天鹏 张修太 翟亚芳

引言

目前，我国基本上进人大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。用电负荷增长速度快，超高电压输电网络不断扩建，电压等级越来越高。各地的变电站建设与管理显得尤为重要，在此背景下，变电站的集中控制技术得到大力推广。它要求变电站能够向集中控制系统传送足够的信息，要求变电站的保护定值和控制装置的整定能够在集中控制系统中进行设定，要求各类保护能够进行协调和匹配。为此，设计了一个变电站变送器，它在功能上支持灵活的处理数据，能够可靠地与设备进行通信，并将数据可靠地传给集中控制系统。

变电站变送器主要是用于电网中箱式变电站以及更高电压等级的变电站中，以满足对变电站监测、控制和通讯的需要。该装置主要监测变压器高低压侧电流与电压、频率及开关量状态，计算有功功率、无功功率、有功电量、无功电量，分析电能质量，统计电能数据等，结合变电站的综合保护装置，可以实现过电流保护、过负荷保护、零序电压保护等。并将监测到的数据和计算结果通过CAN(控制器局域网)总线传送到上位机中，实现对变电站的远程控制。系统结构框图如图1所示。

系统硬件设计

本系统采用CAN总线将各个变电站的变送器组成通信网络，用以实现对变电站的集中控制。微控制器采用带有CAN控制器的单片机P89CS91。P89C591是由NXP开发生产的，适用于自动和通用工业应用的8位高性能微控制器。它自带有6路模拟输入的10位ADc，2个8位分辨率的咏宽调制输出，带有CAN控制器，在应用时可以省去CAN控制器PCA82C200或SJA1000，减少了电路连接。其硬件连接框图如图2所示。本设计中采用X5045作为系统上电复位、电源监控和看门狗电路，可以大幅度提高整个电路的抗干扰能力；采用集成数字温湿度传感器LTM8901采集变电站内部的温度和湿度：键盘管理芯片采用ZLG7289B，液晶显示采用LM3033B，0BR3芯片：光电隔离采用GH140Z。

模拟量输入电路

P89C591的模拟输入电路包括一个6输入模拟多路复用器和一个10位标准二进制逐次逼近式ADC。A／D还可通过置位ADC8(AUXR1.7)配置成快速转换的8位模式。8位结果保存在ADCH寄存器中。模拟参考电压和模拟电源通过单独的输入引脚连接。对于10位精度，转换需要50个机器周期，当晶振为12MHz-时为2sus。对于8位精度，转换需要24个机器周期。输入电压范围为0～+5V。系统的测量量是变电站二次侧的电压量和电流量，取自于电压互感器和电流互感器的输出端，其数值一般不能直接满足A／D转换的要求，需要经过电量变换电路转换成满足A／D转换要求的数值。满足要求的模拟量经过低通滤波器以后可以直接连接到P89C591的P1.2～P1.7上，进行A／D转换。

CAN总线接口电路

CAN总线接口电路主要由P89C591的内部CAN控制器和CAN总线驱动器82C250组成。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力、P89C591芯片的CTX0和CRX0并不直接与82C250的TXD和RXD相连，而设计为通过高速光耦6N137后与82C250相连，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电器隔离。光耦部分电路所采用的2个电源完全隔离，这样可以提高节点的稳定性和安全性，其电路连接如图3所示。

开关量输入/输出

开关量输入／输出系统在变电站中担负着各种保护装置的出口跳闸、信号报警、外部接点输入能功能。它主要由光电隔离器件和中间继电器组成，在此不再赘述。

系统软件设计

本系统软件设计采用模块化结构，各个功能子块独立，方便调试。系统主流程图如图4所示。从图中可以看出，整个软件在结构上分为主程序、键盘程序、数据采集程序、显示程序、CAN总线通信程序以及输出控制程序。主程序实现各个模块的初始化，然后进入中断等待。键盘程序主要任务是判断被按下键的键值，然后根据键值去执行相应的程序。数据采集程序主要是定时读取A／D转换的结果，并将结果保存到单片机中，然后调用显示程序将结果显示，调用CAN总线通信程序将结果通过CAN总线上传给主控制机。

结语

该系统以P89C591为核心控制器，以CAN总线作为通信网络，经仿真测试表明，各模拟量的测量误差不超过额定值的±1％，功率测量误差不超过额定值的±2％，开关量输入电压(DC24V)，分辨率不大于Sins，基本可以实现对变电站运行参数的自动监测，并且结合变电站的综合保护装置，可以实现对变电站运行的自动控制。利用CAN总线将检测结果传送到集中控制系统中去，在集中控制室可以监控各个变电站的运行情况，并可以修改变电站的运行参数、从而实现对变电站的远程控制。