基于C8051F020控制的有载自动调压控制器

陶 煜，杨玉铭

(1．沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110016;2．沈阳东电科发科技有限公司，辽宁 沈阳 110016)

目前，我国电网企业面临着一些特殊问题，如国家电网尚未建成坚强骨干网架，电网抵御多重故障的能力较弱;各区域电网主干网架较薄弱，电网稳定水平偏低，电网运行灵活性不强;现有高压、超高压输电线路输送能力偏低，线路走廊利用率不高;企业信息化建设相对滞后，没有形成一体化生产经营管理系统，信息技术在重大决策和现代化管理中的作用还没有得到充分发挥［1］。

电力系统中网络节点交织密布，有功潮流、无功潮流、高次谐波、负序电流等以光速在全系统范围传播。既能输送大量电能，创造巨大财富，也能在瞬间造成重大的灾难性事故。电力系统的频率特性是负荷频率特性、发电机频率特性及电压影响的综合结果。电力系统频率异常或频率崩溃将对电力系统本身及电力用户带来严重的后果［2］。

为保证系统安全、稳定、经济运行，必须在不同层次根据不同要求配置各类自动控制装置与通信系统，组成信息与控制子系统，成为实现电力系统信息传递的神经网络，使电力系统具有可观测性与可控性，确保电能生产与消费过程的正常进行及事故状态下的紧急处理。

1 设备构成及工作原理

1.1 控制系统

采用C8051F020单片机作为中心控制单元，实时采样被测控的电压、电流信号，经微机计算处理，与设定值相比较，一旦电压偏离预先设定的范围，控制器就产生一个升或降的命令，控制相关的有载调压开关动作。控制系统主要由信号采集电路、单片机控制系统、电压过零检测电路、触发电路等部分组成，单片机控制系统如图1所示。

图1 单片机控制系统

C8051F020单片机是高集成度的混合信号系统级芯片［3］，具有与8051兼容的CIP－51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。

C8051F020通过优先权交叉开关译码器 (如图2所示)控制数字开关网路，端口引脚的分配顺序是从P0.0开始一直到P3.7。

图2 信号采集及过零检测电路图

C8051F020拥有8个8位的I/O端口，减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。C8051F020具有标准JTAG接口，片内JTAG调试电路允许使用MCU进行非侵入式 (不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。

1.2 信号采集及过零检测电路

如图2所示，从电力线路上获得的信号数值、输入范围经过调整和变换，输入信号分压后，与2.5 V电位相加，把双极性交流信号变为单极性单片机可识别的0～5 V信号。

C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC。ADC有2个:ADC0是8路12位逐次逼近型ADC，可编程转换速率最大为100 ksps，集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器;ADC0是8路8位逐次逼近型ADC，可编程转换速率最大为500 ksps，集成了跟踪保持电路。通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入，而且内有可编程增益放大器PGA，用于将输入的信号放大，提高A/D转换精度。

1.3 程序功能模块框图

程序功能模块框图如图3所示。

图3 程序功能模块框图

1.4 显示模块

由于数码管具有性价比高、显示清晰、亮度高、使用方便、电路简单、使用寿命长的特点，应用到该系统中符合硬件简单、灵活等要求，既满足控制系统硬件简单要求，又能如实显示被测电压、电流等参数，设计采用3片HD7279驱动数码管及控制按键。

1.5 程序存储器

为使定值永久保存和随时更改，设计采用电可擦除存储器及串行输入输出方式，该方式具有体积小、成本低、电路连接少等特点，作为片上存储器嵌入片上系统 (SOC)或微控制器 (MCU)内部，对于传输速率要求不高的系统具有很高的实用价值［4］。

1.6 通信系统

控制器采用以下通信方式。

a． 通过串口与计算机连接后，经安装在计算机中的上位机软件获取存储在控制器设备中的运行记录等相关参数，也可通过上位机软件完成控制器参数设置。

b． 通过加装GPRS－DTU模块实现监控中心和远程监控终端之间的通信。远程监控终端应用GPRS－DTU，通过GPRS主干网实现与Internet的连接。GPRS－DTU与GSM基站通信，分组数据经SGSN封装后，通过GPRS主干网与网关支持接点GGSN进行通信，GGSN对分组数据进行相应处理，再发送到目的网络［5］。

1.7 工作原理

控制器与具有9个分接头的自耦变压器及有载调压开关共同组成电力线路自动调压控制系统。电源侧主接线可通过有载调压开关从分接头1到分接头9切换。负荷侧主接线根据用户需要的调压范围确定固定接线。如用户需求的调压范围为0～20%时，负荷侧主接线固定接在分接头1，此时控制器1档为调压器直通档;用户需求调压范围为－5%～+15%时，负荷侧主接线固定接在分接头3，此时控制器3档为调压器直通档;用户需求调压范围为－10%～+10%时，负荷侧主接线固定接在分接头5，此时控制器5档为调压器直通档。

控制器的主要工作过程是通过测量线路实时电压判断有载调压开关工作方向。电压在设定电压上限和下限之间，控制器不控制有载调压开关动作;测量线路实时电压小于设定电压下降，控制器控制有载调压开关升档提高电压;测量线路实时电压大于设定电压上限，控制器控制有载调压开关降档降低电压。

2 主要技术参数

工作电源;100～280 V交直流，50 Hz;

模拟量:最大2路0～110 V电压量输入，最大1路0～2 A电流量输入，1路铂电阻油温输入;

开关量:最大18路开关量输入，最大6路开关量输出;

电压、电流测量精度:0.5级;

RS232、RS485各一个串口，可使用无线GPRS、无线WIFI、有线通信方式;

额定电压:35 kV、10.5 kV或6.3 kV;

额定容量:500～10 000 kVA(10 kV等级);额定功率:50 Hz;

接线方式:三相三线式单绕组星形接线，三角接线绕组;

分接级数:9;

冷却方式:油浸自冷;

电压互感器:10 000/100 V 50 VA;

电流互感器:500/1 A或200/1 A，两相差接方式;

三次绕组额定电压:220 V;

调压范围:(－10% ～+10%)、(－5% ～+15%)、(0～ +20%)。

3 设备特点

a． 延长变电所供电半径，合适农村电网的长距离送电。在地域广阔、用电负荷分散的电网中，新建变电所经济上不合理，不建变电所，供电质量又满足不了要求。因此，使用线路自动调压器可很好地解决该问题，并可延长送电距离，提高供电电压质量。

b． 电压合格率达100%。根据线路参数进行计算，确定调压器的安装位置和整定参数，通过线路自动调压器自身测量线路电压，调节后确保整条线路电压达到国家标准。

c． 电压调节区间的高、低值可任意设定。电压调节范围可通过控制器或笔记本电脑任意设定，电压高、低整定值可根据不同负荷状况随时修改。

d． 可有效降低线路损耗及配变损耗。通过提高线路运行电压的方法，输出相同功率可降低运行电流，降低线路功率损耗。控制线路运行电压在额定值附近，可降低配变损耗及用户用电设备损耗，延长用电设备使用寿命。本体采用自耦变压器，自身损耗低。

e． 调压器投入或退出运行不必停电操作。该控制器有2种旁路方案。一种方案配套专门设计的组合旁路刀闸，通过刀闸完成投、退调压器;另一方案使用2台带隔离刀闸的柱上真空断路器和1组隔离刀闸，通过控制器进行“一键操作”。2种方案检修时都不必停电就可将调压器退出运行，调压器投入运行时也不必停电操作，提高了供电可靠性。

f． 具有多重保护。除断路器配置的速断、过流等保护，调压器还具有过高电压保护、油温超限等保护措施。

g． 自由选择通信方式。依据不同需求，可对控制器扩展安装无线数传电台或GPRS网络方式的专用模块，达到无线通信的要求。

4 结束语

控制器选用C8051F020单片机作为主控芯片，具有良好的抗干扰能力。采用集成运放构成精密整流电路和12位A/D模数转换，提高了测量精度，保证了控制系统的准确调节。可广泛应用于供电距离比较远、供电负荷大、电压波动大、电能质量达不到使用标准的供电线路，也可用于电压质量不能满足生产需要的工矿企业。

［1］ 宋 菁，唐 静，肖 峰．国内外智能电网的发展现状与分析 ［J］．电工电气，2010，30(3):1－4．

［2］ 鲁 顺，金晓明，李 响．东北电网静态频率特性分析［J］．东北电力技术，2003，24(12):17－19．

［3］ 张媛媛，何怡刚，徐雪松．基于C8051F020的温湿度控制箱设计 ［J］．国外电子元器件，2004，12(10):18－21．

［4］ 李和太，蒋晶鑫，陆 虹．嵌入式串行 EEPROM研究［J］．微处理机，2007，27(1):29－31．

［5］ 谭秀华．基于GPRS路灯线路微机监控系统 ［J］．东北电力技术，2010，31(9):42－44．