以单片机为核心的变电站综合自动化系统的总体设计

张君薇

辽宁装备制造职业技术学院（ 沈阳 110161 ）

1 系统结构与工作原理

系统由电源模块、单片机最小系统模块、电压电流采集模块、功率因数转换模块、A/D转换模块、继电器驱动模块、LCD显示接口模块、键盘输入模块、开关量采集模块和串行通信接口模块组成，其结构框图如图1所示。单片机通过电压、电流取样电路得到系统的电压、电流值，经过A/D转换电路便测得负载电流、电网电压以及电流、电压的相位差，通过计算得到功率因数和需要补偿的无功功率。然后根据电网电压、无功功率和功率因数三项判据，配合每组电容器的容量，输出控制信号至隔离、继电器驱动电路，经电气隔离和功率放大，控制电容器组的投运或退运。液晶界面可以实时显示电容器组的投切，系统的电压、电流、有功、无功、功率因数等信息。

2 关键模块电路设计

2.1 单片机最小系统模块设计

该最小系统由控制器W78E516B、片外的RAM6264、ROM W27C512、E2PROM AT24C02、锁存器74HC373等组成（图2所示）。

图1 变电站综合自动化系统结构框图

采用WINBOND公司的W78E516B，最高工作频率为 40MHz，片内有 64KB 可擦写的Flash内部程序存储器，512B RAM，32根可编程I/O线，一个6向量2级中断结构，一个全双工串行通信口。该控制器具有计算速度快，性价比高，功耗小，抗干扰能力强等特点。控制器W27C512用于存储液晶的字模。AT24C02为2KB串行E2PROM，用于存储事件记录等信息。系统可以实时动态显示电网的运行信息。

图2 单片机系统单元电路

2.2 功率因数转换模块电路设计

具体做法是：

图3 功率因数转换模块电路

(4)异或门的输出经过滤波电路和电压跟随器接入A/D转换电路，转换成数字量送入单片机计算φ值，进而计算功率因数的大小。

2.3 串行通信接口电路设计

在计算机和测控装置中最常用的标准串行通信接口RS-232和RS-485。利用MAXIM公司生产的MAX232E将计算机串口使用的RS-232C电平，转换为本控制仪使用的是TTL/CMOS电平。采用最简单常用的三线制接法，把TX、RX分别与MAX232的T1IN、R1OUT相连，这样，对外与发送数据、接收数据和地三脚相连，提供三线制的串口接口,如图4所示。

3 模糊控制系统的结构

本系统的控制目标是保证电压在合格的范围内和无功基本平衡，因此选择变压器二次侧电压偏差(ev)、系统无功偏差(eq)作为模糊控制器的输入变量，作用于变压器分接头和电容器投切的控制量作为模糊控制器的输出变量。由此构成了一个二输入二输出的一阶模糊控制系统，模糊控制器的模糊推理与去模糊化方法采用MIN-MAX-重心法（如图5所示）。

图4 串行通讯接口电路

图5 模糊系统结构框图

4 变电站综合自动化系统软件设计

4.1 主程序设计

系统软件采用模块化设计，主程序只负责调用各功能模块程序，主程序流程图,如图6所示。

上电后对系统进行初始化，初始化主要包括设置标志位和变量的初值，中断初始化，设置各接口芯片的初始化、电容器组投切状态指示灯和调压开关档位指示灯的初始状态等。然后程序进入主循环。首先进行键盘和显示处理；接着根据断路器的状态判断变压器和母线的运行方式；然后进行数据采集和处理，包括线电压的采集和处理、相电流的采集和处理、功率因数的采样数值处理；接着根据调压开关和电容器开关的位置，程序进入控制算法程序，控制算法程序首先根据控制策略进行比较判断，在保证电压不越限的前提下，再根据采集的电压、电流以及功率因数计算出无功功率，确定电容器组的投切组合，调压开关的档位升降，然后根据电容器组和调压开关的运行状态控制相应的电容器组的投切和调压开关的调节；最后决定是否发出控制指令使调压开关和电容器动作。

图6 主程序流程图

4.2 子程序设计

为了使编程的过程中思路清晰、结构分明，设计了子程序模块，在主程序中需要的地方可以直接调用这些子程序，大大提高了程序的编制和调试效率。子程序模块有键盘模块、显示模块、电流、电压采集模块、功率因数采集模块、控制模块和通讯模块等。

5 结束语

变电所综合自动化对于实现电网调度自动化和现场运行管理现代化，提高电网的安全和经济运行水平起到了很大的促进作用，它将能大大加强电网一次、二次系统的效能和可靠性，对保证电网安全稳定运行具有重大的意义。随着技术的进步和硬件软件环境的改善，它的优越性必将进一步体现出来。

[1]郭卫东.变电站电压无功自动控制装置研制.华北电力大学工程硕士学位论文.2002.

[2]齐宏伟,于洋等.智能型动态无功补偿控制器的设计.沈阳理工大学学报.2004.

[3]历小润.一种与接线无关的三相功率因数检测方法.电子技术应用.2003.

[4]郭华,马胜前.RS485接口芯片的介绍以及多机通讯的实现.信息技术.2006.

[5]赵登福,杨靖登.新型变电站电压无功综合控制装置的研制.电网技术.2000.