一种电压型二次重合闸微机装置的设计

胡 越， 韩思雨， 周逢道， 孙彩堂

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130021)



一种电压型二次重合闸微机装置的设计

胡 越， 韩思雨， 周逢道， 孙彩堂

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130021)

传统的一次重合闸装置接线复杂，辅助设备多，易出现误动、拒动情况，若故障无法在短时间内消除，重合闸装置可能再次跳闸，造成合闸成功率不高。介绍了一种电压型二次重合闸微机装置，该装置基于MSP430F149单片机进行控制，具有低功耗，低成本，数据实时显示，单片机重合闸控制，上位机交互控制等特点。详细介绍了硬件电路的设计方案，并给出了软件程序的流程图。对该装置在实验室环境下进行测试，实现了单片机二次重合闸操作并由上位机显示和控制，此设计有效可行，具有一定的研究前景与应用价值。

单片机； 二次重合闸； 交互控制； 上位机

0 引 言

输电线路经常因为自然因素和人类活动因素发生故障，其中瞬时性故障占90%。自动重合闸装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。它能够检测故障电路信息，并能在给定时间内切断故障电流以及按设定次数进行重合闸。传统的重合闸装置多采用模拟电路进行一次合闸操作，一方面装置接线复杂，辅助设备多，误操作率高，另一方面不能合闸于故障点恢复较慢的瞬时性故障,且无法进行上位机实时监测和控制[1-3]。

目前自动重合闸微机装置的设计处于热门研究方向，其具有高可靠性，高精度，高速度，智能通信，方便快捷，结构简单等优点。使用时只需对其控制字进行一定的设置，便可构成多种工作方式。而自动重合闸多次重合于永久性故障,将使系统遭受多次冲击,导致严重后果[4]，所以从安全性和合闸成功率上说二次重合闸将是最适合的。近年来一种二次重合闸已广泛应用于广州地区，它是利用配电系统中馈线断路器与柱上开关的动作配合,进行故障定位与隔离并迅速恢复供电的技术，但没能实现上位机显示与控制[5-7]。

本文提出一种电压型二次重合闸微机装置的设计方法，在实验室制作了其原理样机。该装置选用MSP430F149单片机进行电压采集数据的处理和继电器控制，通过串口线实现单片机与上位机的通信，上位机进行人机交互控制。

1 整体结构

如图1所示，该装置可分单片机系统和上位机两个部分，由串口通信模块完成单片机系统和上位机的数据相互传输。

图1 装置整体结构图

1.1 单片机系统

其中, λ为初始扰动波长, 无量纲Atwood数A=(ρh-ρl)/(ρh+ρl), ρh和ρl分别为重流体和轻流体密度. 当重流体密度远远大于轻流体密度时, 即A=1时, 非线性饱和阈值大约是扰动波长的0.1倍. 也就是说, 在Atwood数为1的情况下, 当基模的幅值达到扰动波长的1/10时, RT不稳定性就已经进入非线性阶段. 在进入非线性阶段之前, 高次谐波的作用已经不可忽视. 当基模的幅值接近扰动波长的1/10时, RT不稳定性正在经历弱非线性阶段, 高次谐波迅速增长, 和基模共同作用决定着界面的演化发展.

单片机系统包括电源模块，电压信号采集模块，单

砖子吃惊地问，你打电话骂那些女人了？砖子以为昨天赵仙童打电话给那些女人无非也就说些无聊的废话而已，想不到她骂上了。

当Ui1<0时，D1截止，D2导通，运算放大器U2构成同相比例放大器，运算放大器U3构成差分放大器。此时，

1.2 上位机

上位机包括数据采集、后台数据处理和主界面的设计。具体方法为，在Microsoft Visual Studio 2010软件中采用C#语言进行编程，设计主界面以供计算机终端的监控人员观察与控制，通过串口通信模块接受单片机发送的实时数据并显示于主界面。主界面也可送命令给单片机，单片机响应请求，并根据命令做出相应动作。

2 设计与实现

例如：教师在给学生进行地理教材中景观图讲解的时候，教师可以利用景观图的美观来激发学生的学习兴趣，让学生进行地理知识的记忆学习，同时也要培养学生自主阅读图像的积极性，让学生结合相关的风土人情进行地理知识的学习，给学生营造轻松快乐的学习环境。

硬件设计主要包括电压信号采集模块，单片机最小系统，继电器电路，电压显示与报警模块和RS232串口通信模块。

调查方法是指社会科学领域的信息数据收集、整理、分析的方法，它在不同的书籍或专业里还有多种多样的称谓，如社会科学研究方法、社会调查方法、传播研究方法、市场调查、媒介调查与分析、营销调研等。

IHPC是近年兴起的一种腹腔恶性肿瘤治疗手段，对各种腹腔恶性肿瘤的腹膜转移均具有可靠的临床疗效[10]。IHPC通过持续高温作用（42～43℃条件下作用90 min），能在不影响正常组织的情况下诱导肿瘤细胞凋亡；同时高温（＞41℃）可提高化疗药物进入肿瘤细胞的效率来达到更佳的肿瘤抑制效果[11]。

电压信号采集模块在整个装置中起着至关重要的作用，电路的放大特性、抗干扰能力以及稳定性直接影响采集到数据的准确性,如图2所示。

积极建立高校国有资产管理的制度框架和体系，是保证国有资产管理各项工作顺利开展的基础，也是确保国有资产管理科学化、规范化的关键。应该把握两点，一是要根据国家相关的法律法规并结合当下社会主义市场经济的形势，以及各个高校内部的具体情况，建立起相应的国有资产管理的规章制度。二是制定的有关国有资产管理的规章制度不是一成不变的，要积极响应国家政策、时代形势和实际情况作出相应的调整。高校的国有资产管理要根据经济和教育状况的发展，适应动态化的外部环境的要求，及时完善国有资产管理的规章细节，使得高校国有资产管理向着更好的方向前进。

为了满足单片机MSP430内置模数转换单元ADC12的0～3.3 V直流电压的输入模拟信号要求，

图2 电压信息采集模块电路图

先由DL-PT01电压互感器从市电220 V交流电感应出0～10 V交流电，再经稳压调节单元转换为0～3.3 V交流电，最后通过整流单元及滤波单元，得到纹波较小的直流信号。

(1) 稳压调节单元。电压互感器输出交流信号首先经过电压调节单元进行降压调节，通过设置电阻R1和R2的比值，来改变同相比例放大器输入信号的电压幅值，进而改变输出电压幅值。

根据铁路视频特点，3天内占5%的数据是热数据，3～7天占15%的数据是温数据，7天前占80%的数据是冷数据。将这些访问频率极低的“冷”数据存储在一个高性能IPSAN存储设备上，其性价比不高。如果我们能把他们迁移到一个专为冷数据而设计的低成本存储层中，将能大幅降低功耗，从而延长存储设备的寿命，降低系统全寿命周期成本。

(2) 整流单元。整流单元输入电压为Ui1，输出电压Uo，相关公式见(1)～(4)。

2.2 软件设计

(1)

(2)

片机处理模块，继电器电路，电压信息显示模块，报警模块。系统先通过电压信号采集模块和MSP430F149中的ADC12得到可供单片机处理的数字信号[8-9]。单片机处理模块通过有效的算法程序处理数据，并控制继电器的通断状态，当超过电压上限阀值或低于电压下限阀值时报警电路发出报警信号。整个过程中单片机将实时数据显示于LCD1602液晶屏，并通过串口通信模块传输给上位机[10-11]。各模块的电源供应都由电源模块提供。

2.1 硬件设计

(3)

(4)

(3) 滤波单元。滤波单元由两个二阶有源低通滤波电路级联组成。二阶有源低通滤波电路由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。同相比例放大器的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益。

2.1.2 继电器电路

电网输电线路的电压，电流通常较高，不易直接进行控制操作，同时存在一定危险。故本设计采用单片机输出低压信号控制高压线路，采用继电器电路隔离方式，实现更好的电气隔离。

2.1.1 电压信号采集模块

如图3所示，选用HK4100F-DC3V-SHG型继电器作为隔离控制继电器J1，MY2N-J型继电器作为220 V电路主控制继电器J2，将220 V/100 W白炽灯L1作为用电器接入220 V供电电路。隔离控制继电器控制端的电源为3.3 V，D2为黄色发光二极管，用做电源指示灯。D3为红色发光二极管，用做继电器动作指示灯，继电器J1常开触点闭合时即发光。由MSP430F149单片机输出继电器控制信号，当输出信号高电平时，PNP型三极管Q1关断，继电器动作指示灯D3不发光，继电器J1和J2保持常闭触点，220 V供电电路导通，白炽灯L1常亮。当输出信号低电平时，三极管Q1饱和导通，继电器动作指示灯D3发光，继电器J1和J2变为常开触点，220 V供电电路断开，白炽灯L1熄灭。

图3 继电器电路图

当Ui1>0时，D1导通，D2截止，运算放大器U3构成差分放大器。此时，

软件设计包括单片机编程和上位机界面的编程两部分。单片机编程采用C语言在IAR编译器中进行设计，上位机界面采用C#语言在Microsoft Visual Studio 2010软件中进行设计。

2.2.1 单片机编程

首先对各模块初始化，采集到的电压信号通过MSP430F149内部的ADC12进行转换，接收数据在LCD上实时显示,通过串口通信传送给上位机，上位机同时把相关设置和指令传送给继电器控制程序，它结合AD转换后的电压数据对继电器进行控制[12-13]。

然而，由于Alpha稳定分布的概率密度函数没有闭合解，故一个服从Alpha稳定分布的随机变量X可用其特征函数描述为

如图4所示继电器控制过程：当测量的电压位于电压上限阀值U上和电压下限阀值U下之间时，继电器J1和J2保持常闭触点。当测量的电压大于电压上限阀值或小于电压下限阀值时，单片机控制继电器J1和J2变为常开触点(跳闸)，经过设定的延时时间，单片机控制继电器J1和J2变为常闭触点进行一次合闸，并进行电压判断：若电压值恢复正常，继电器保持合闸状态，电路正常运行；若仍然不在电压阀值上下限之间，继电器再次跳闸。经过延时时间后二次合闸，并进行如上电压判断：若电压值恢复正常，继电器保持合闸状态，电路正常运行；若仍然不在电压阀值上下限之间，继电器维持跳闸状态等待工作人员处理。

图4 继电器控制流程图

2.2.2 上位机编程

图5为上位机软件设计流程图。本设计中上位机界面采用Visual Studio 2010来设计和编写，根据设计要求添加7个button控件：开始、修改电压上限阀值、修改电压下限阀值、修改延时时间、退出和跳闸、合闸。考虑220 V供电电路中当前的电压有效值，主要设计4个textBox：测量电压(有效值)，电压上限阀值，电压下限阀值和延时时间[14-15]。测量电压由单片机串口通信模块将测量的电压值通过RS232串口发送给上位机；电压上限阀值、电压下限阀值和延时时间供上位机操作人员设置，通过RS232串口发送给单片机来控制继电器；跳闸与合闸button同样通过串口将指令传送给单片机，能够直接控制继电器动作，以便线路正常运行时也能人为断开继电器进行设备维护等操作[16-17]。

图5 上位机软件设计流程图

3 测试结果分析

通过表1可以发现，显示电压与实际电压之间的函数关系接近于线性变化，误差范围在1 V以内，证明该装置测取的电压真实可靠，保证测试的准确性。

演化博弈起源于生物进化论，被广泛用于分析群体演化过程，能够分析重复博弈中，当存在有限理性引起的偏差的干扰，是否存在能够回复稳定的均衡策略，如存在该策略，即为演化稳定策略均衡。

如表2所示，在延时后的第一次合闸以及第二次合闸都能及时准确的对电路状态进行判断，执行主继电器的通断操作。图6所示为上位机操控界面，能够实时显示单片机发送的测量电压值，在故障发生后，测量电压值红色显示起警示作用。二次合闸操作的执行，较大提升了继电设备在瞬时性故障中合闸的成功率。

图6 上位机VS界面

表1 实际电压和显示电压对比表

表2 实验结果分析表

4 结 语

本设计实现了电压信号采集，由MSP430F149单片机进行二次重合闸和相关外设的控制，并能通过串口通信实现上位机的显示与控制。该实验样机充分验证了本文所述电压型二次重合闸微机装置的工作原理是有效可行的。在本文实验原理验证的基础上，今后可采用无线或网络数据传输代替有线传输，完成电压信号采集的模块优化和集成，使上位机控制功能更加完善，实现产品化。

[1] 杨会翔，朱凌云，冯丽丽.一种新型双核继电保护装置设计[J].实验室研究与探索, 2015,34(3): 150-154.

[2] 张祥军.传统与现代微机型综合自动重合闸装置的分析[J].辽宁科技学院学报, 2008,10(1): 1-2.

[3] 袁 越，张保会.电力系统自动重合闸研究的现状和展望[J].中国电力，1997，30(10):44-47.

[4] 龙启峰，陈 昊.二次重合故障的原因分析[J].电工技术, 2012(12): 10-13.

[5] 陈明辉,张少凡,文福拴.二次重合闸与二级二次重合闸在配电系统中的应用[J].华北电力大学学报，2011,38(2):21-26.

[6] 汪志彬，杨海平.浅议重合闸与自动恢复供电[J].重庆电力高等专科学校学报，2005,10(1):1-3.

[7] 徐海龙.输电线路瞬时故障与自动重合闸的作用浅析[J].机电信息，2012(33):32-33.

[8] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.

[9] 花汉兵.基于MSP430F449单片机的数据采集实验设计[J].实验室研究与探索, 2007,26(5): 59-60.

[10] 王党属，王新霞.基于DSP的矿用馈电开关保护系统设计[J].实验室研究与探索, 2014,33(9):74-77.

[11] 潘 方.RS232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012,35(13):126-129.

[12] 何 桥，段清明，邱春玲.单片机原理及应用[M].北京：中国铁道出版社，2004.

[13] 谭浩强.C程序设计[M].3版.北京：清华大学出版社,2005.

[14] 高 亮.电力系统微机继电保护[M].北京：中国电力出版社， 2007.

[15] 福克塞尔.Visual C# 2005入门经典[M].北京：人民邮电出版社,2007.

[16] 管同根.电力系统继电保护新技术分析[J].技术与市场，2013，20(12):161.

[17] 丰明宝，李晓梅.新型微机保护装置硬件和软件的研究[D].济南：山东科技大学，2006.

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

国家大学生创新实验计划基金项目(2013B65278)

胡 越(1990-)，男，吉林通化人，在读硕士，主要研究方向：电力电子与电力传动。

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

周逢道(1970-)，男，吉林长春人，博士，教授，主要研究方向：功率变换技术及其应用。E-mail:zhoufd@jlu.edu.cn

TM 774

A

1006-7167(2016)03-0110-05