（电机与电器专业论文）单片机有载分接开关控制器的研制.pdf

单片机有载分接开关控制器的研制 d e v d o p m 蛐t o fo n - l o a dt a po n - o f fc o n t m e rw i t hm i c m c o m p u t e r a b s t r 砌 t h ed e c t r i cv 0 l t a g ei sak e yi n d e xs i g ni nt h ee l o 吲cp 鲫旧rs y s t 锄s ot h ec l e c t r i c v o l 娜黟r c 差弘l a t i 加i s 伽eo ft h em a i nm i 鹞i o 璐o ft h ed e 嘶cp o w e rs y s t e m ，t h es n 锄gn e c d f o rp o w e rs u p p l yi ss t a b l e ，鲫l t 佃u e 锄dd 印e n d a b l e 比触i o ft h ew a v em o b 姐o ft h ep 0 啊e r 蛐p p l ye l c 吲cv o l t 纠吕ca n d 也e 嘣e t yo ft h e l ds i z c ，t h cs u p p l yv o l t a g co ft h cs y s t 锄o r c nt a k 略p l a o cv a r i c t y 删t y ，i tw m 蛐e 噼 t h ew o r l 【o ft l l ec l e c t r i cc q u i p m e n t s 0 n ee f ! e c t i v em e t h o di su s cc 嘶t m l l e rt 0 n t r o lt h e 彻一l dt a p 彻o f ! fs w i t c h ，w h e nt h ep o w e rs u p p l yi si n s t a b l et l l ef i r s tr o u n de l e c 缸cr c s t a n s t i c kw o u l db cr e g i l l a t c d t h ek c yc q u i p m e n to f 彻一l o a dr c g l l l a t ep o w c rs u ys y s t e mi s - 1 0 a dt a p o f fs 喇t c hc o n t r o l l e r i ti s 湖t i 咖t o ft h ep 矿盯s u p p l y ss y s t 锄，i 协 p 曲咖卸c ci i l n u 衄c e sd 疵吼l yt ot h en o m mm 衄j n go fo n l o a dr e g i l l a t cp o w c fs u p p l y s y s t c m 1 1 l i s 呻i cb a s c do nt r a d i t i o n a ls i n g l e m p u t c r l o a dt a po n - 0 f fs w i “c hc d n 咖u 盯 a d d i n gt h e0 p t i c s e l c c t r i ci n s u l a t e 柚df i i t c r 洒i ti n 锄l a t et h ee l e 硎cc i i c u i t ，t h e 硼m b c ro f r e p l a y 啪b er e d u c c da n dt h ep 豇f 咖a n c co fc i r c u i tc a nb ee n h 粕c c d t h i sd i g nu p i c l 6 f 8 7 7s i i l g l e 伽p u t c r 器ac o n t r o l l e r ，b ys o 俄v a ml o g i c n n d lt 0 a l i z et h ec o n 垃o l 如d 佗g i l l a t et ot h e 一l o a dt a p 硝s w i t c l l t h ei n t e r f a c eb e 柳e 饥h u m 觚柚d 咖p u t c r 锄d p i c 锄b e 曲e c t e d ，s e t u pt h f o u g hi c d a n dp 缸锄e t e r 啪b e 仃a n s p ( ，n i 耐t or c m o t e 咖p u t e r 董o r 删o t e n 仃o l 卸d - h u m a no p c 翔t i t 0h a v ep r e d s ed a t a t h et h e s i sh 鹤 i n t r o d u c c dt h e 删p l ea _ b o u tm e 够u r cd 删i t ，一o f cc 0 硼i t i o nt 皓td 枷吒d i ! i v ec i 】旧j 记l c d d i s p 埘c i r c u i t 锄d m m l l n i 龃t i o n 咖“i nt h ch a r d w a r cd e s i 留n es p c c i 丘cd e s i 伊c a l lb c s e 衄i nt h es o f h m f cd e s i g n t h a tc o n t m l l c r 锄e i l h 柚c cm es t a b i l i z i n go ft 1 1 es y s t e me f f e c t i v e l y 柚ds i m p l i f y i n gt h c s y s t e mw a r e n 啪叩e 均t co n - 0 f ! fs w i 妯彻l d ，i t 锄s a t i s f ya n yn e c do ft m 璐f 0 姗e r ，a n d a 龉u t h eq u a l i t yo ft h eo u t p u t t i n gc l c c t r i cv 0 l t a g e k e yw o r d s ：s i n g l ec h i p m p u t e r ，o n - 蛔dt a p - s w i t c h ，c o m m u n i c a t i o n i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：蓬丝益日期：塑：；：堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：盏鏊超 导师签名：圣耋竺 日期：2 唧葺日硼 沈阳工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题研究的意义和目的 随着科研技术的飞速发展，自动控制技术有了较强的技术支持。在高压电力系统中， 电力系统要求供电连续、稳定并且可靠。但是，由于电源电压的波动和负载大小的变化， 系统的供电电压时常发生变化，严重时，会影响电气设备的正常运行。有载分接开关控 制器是保证有载调压变压器输出电压质量的关键，随着电压等级的不断提高，对有载分 接开关控制器的可靠性和安全性也提出了更高的要求 有载分接开关的控制器是保证变压器输出电压稳定的关键。过去的有载分接控制器 大都是采用单片机制作，用数码管对数据进行显示，但由于变压器周围电场强度非常强， 因此，为了降低电场对单片机系统的影响，要求单片机系统必须具有很强的抗干扰能力， 并对其采取一定的屏蔽措施，而且在编程软件中也要编写相应的抗干扰程序，由于变压 器周围温度也较高，要求所采用的元件也必须有较高的稳定性及较低的温度系数；因此 元件的选择是比较困难的，由于还要实现数据输出，远距离监控等要求，那就更难了i l l 。 目前大多数国家研制的有载分接开关控制器大都是基于p l c 控制，主要是由于p i c 内部有r c 滤波模块和通讯接口，这样更能使系统的控制能力和抗干扰能力增强，但是 p l c 的造价很高，因此本课题研制一种新型控制器，其使用p i c 单片机控制，并通过用 工业人机界面和p i c 相连，实现远程控制，为防止干扰和提高系统精度，在测量电路中 加入r c 滤波电路，在位置检测电路中加入光电耦合电路，因此具有很强的抗干扰能力， 可工作于工业现场。由于采用软件编程控制，因此避免了很多接线从而更加避免了干扰 的引入，同时p i c 接入4 8 5 接口，可直接与人机界面或计算机相连，完成数据的通讯，实 现远程监控1 2 j 。 变压器有载分接开关控制器研制的意义主要体现在以下几方面： ( 1 ) 稳定电网各负荷中心的电压，提高供电质量 对变压器采用有载调压，或以调整由于负荷变化而引起的电压波动，从而使用户电 压稳定在允许电压偏差范围以内，使用电设备有稳定的不间断的电源电压。 ( 2 ) 联络电网，调节负荷潮流 单片机有载分接开关控制器的研制 变压器有载分接开关控制器可以方便地分配网络之间的负荷，从而大大地提高了电 网的调度灵活性及运行的技术经济指标。 ( 3 ) 具有抗干扰能力强、组态灵活、编程方便、可安装于现场 由于其配有人机界面，使得显示更直观，工作寿命更长。 ( 特殊变压器带负荷调压，提高产品质量和节约用电量 如电化工、电冶炼所用的整流变压器和电炉变压器，在生产过程中常需进行较大幅 度的电压调节，且要求调整后的电压保持稳定，否则将对产品的质量和产量有很大的影 响。采用有载分接开关控制器可以满足上述要求，且可避免应用其他降压方法所带来的 电能损耗f 3 4 1 1 2 本课题国内外的发展状况 目前大多数国家研制的有载分接开关控制器的控制方式有两种，一种是利用p i c 进行控制，另外一种是利用p i c 进行控制。 ( 1 ) 利用p l c 进行控制的有载分接开关控制器 国内外研制的基于采用p l c 的有载分接开关控制器，具有工业人机界面并且有很 强的抗干扰能力，可工作于工业现场，并且p l c 内部具有软继电器，可节省许多实际 的继电器，从而避免了干扰的引入。p l c 还有r s 2 3 2 或碰溯5 接口，可直接与人机界 面或计算机相连，完成数据的通讯，实现远程监控工业人机界面取代了传统控制面板的 功能，可节省p l c 的i ，o 点，该界面具有按钮开关，数字设定指示等功能，且能随时显 示重要信息，以利于操作人员正确掌握机器状况和避免出现错误，有利于维修。它能储 存2 5 5 幅画面，每一画面可由文字图形以及指定的p l c 资料组成，设计者可根据需要 编辑出各种画面，它还可以提供历史数值资料，报警资料，并具有可同时记录时间，日 期等功能，还可以在人机上以数值、曲线或图表等形式显示，也可在人机上连接打印机， 将所存资料打印出来。另外，它可同时监视5 1 2 个警报接点，还具有屏幕保护功能，可 延长人机的寿命。人机界面的编程配有专门的全中文的菜单式编辑软件，不需要编写程 序，根据要求，人们可以在计算机上规划好所需要的各种画面，离线模拟好后，然后将 画面下载到人机界面，将人机界面和p l c 连接起来即可，结构框图如图1 1 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 电压传感器 l 工业计算机| i 档位信号l 液晶显示器 变送器 ic p u电源 输入加 输出模块 l 模块模块 变送器 继电器 电流传感器电压传感器 图1 1 基于p 【c 的有载分接开关控制器系统结构框图 f i g 1 1 f r a m e d i a g r a m o f t h e o n l d t a p 删i t c h 湖t l d l l e r h a s c d p 【c 目前我国研制的新型控制器，其采用的工业人机界面和可编程控制器( p 【c ) 自身就 具有很强的抗干扰能力，并且p l c 内部具有软继电器，可节省许多实际的继电器，从 而避免了干扰的引入，p l c 还有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口，可直接与人机界面或计算机相 连，完成数据的通讯，实现远程监控，其控制器采用d e u a 公司的唧c ，w s 一1 7 0 0 工业人机界面和西门子的s 7 系列的c p u 2 2 6 作主要监控及控制单元，工业人机界面取 代了传统控制面板的功能，可节省p l c 的i ，0 点该界面具有按钮开关，数字设定，指示 等功能，且能随时显示重要信息，以利于操作人员正确掌握机器状况和避免出现错误， 有利于维修。它能储存2 5 5 幅画面，每一画面可由文字，图形以及指定的p l c 资料组 成，设计者可根据需要编辑出各种画面。它还可以提供历史数值资料，报警资料，并具 有可同时记录时间，日期等功能，还可以在人机上以数值，曲线或图表等形式显示，也可 在人机上连接打印机，将所存资料打印出来，另外，它可同时监视5 1 2 个警报接点还， 具有屏幕保护功能，可延长人机的寿命，人机界面的编程配有专门的全中文的菜单式编 辑软件，不需要编写程序。根据要求，人们可以在计算机上规划好所需要的各种画面， 3 单片机有载分接开关控制器的研制 离线模拟好后，然后将画面下载到人机界面，将人机界面和p l c 连接起来即可。西门 子的s 7 系列眦具有体积小，抗干扰能力强，可靠性高，编程语言丰富，对加或a d 进行扩展方便的特点。c p u 2 2 6 具有2 4 路输入，1 6 路输出，共4 0 个数字量琰) 点，并 具有两个r s 4 8 5 接口，可以方便地与人机界面交换数据，与其它p l c 组网或与远程上 位机连接。它还具有2 个高频率脉冲输出( 最大2 0 k i l z ) ，可以很方便地实现定位控制， 并可通过电源开断来控制变频电机或步进电机。a d 扩展模块采用西门子的e m 2 3 1 ，该 模块具有1 2 位分辨率，4 路模拟量输入 图1 2 所示为控制器组成原理。该控制器可适用于3 档到1 9 档有载分接开关设当 电网电压发生变化，超出开关设定范围时，经判断它有继续演绎固定方向背离设定范围 的趋势，若演绎超过开关动作间隔设定时间，则由p l c 判断并控制开关的移动方向， 由高速输出口输出脉冲，驱动步进电机，带动开关机构移动，迅速移动到目标位置，机 构移动过程中并同时检测开，关位置。若超过规定时间而仍未检测到相应开关位置的信 号，则自锁输出并报警。 广一一一一一1 i p l c i 图1 2 控制器组成原理图 f i g 1 2p r i n c i p l ed i a g 阻m0 ft l l e n t r o l k r 沈阳i = 业大学硕士学位论文 操作人员可以在上位机通过人机界面输入设定参数、发出控制指令，控制开关动作， 也可以把当前开关位置及变压器的输出电压值等参数传给远程计算机为远程监控和无 人值守提供数据。上位机人机交互实现的主要功能有：设置基准电压值及上下限电压值、 开关动作间隔时间、采样速率、显示实时电压、开关累计动作次数、当前档位、电压变 化曲线等，把历史数据，报警数据等按要求的格式打印出来。人机界面的数据来自于 p l c 的内部存储区。现场控制单元实现的功能有：对电压的采样和计算、对开关及极限 位置的检测、数据存储、控制档位升降、保护和报警，与友好的人机界面和计算机进行 网络通讯等。 图1 3 所示为p l c 控制流程图。 图1 3p l c 流程图 f 嬉1 3 f l d wc h a no f p l c 一5 单片机有载分接开关控制器的研制 当开关已处于最高( 低) 档时，若还要升、降档，则自闭锁输出，并报警，在发出 升降档命令后，如果没有检测到换档动作，系统也将自动关闭驱动输出并报警。应用 p u c 可以节省许多继电器，由于许多逻辑功能可以通过软件实现，从而减少了大量的中 问连线，避免了许多干扰，使连锁保护功能更加完善提高了系统运行的可靠性，在远处 监控变压器的输出电压及有载分接开关的工作情况。上位机除了能完成人机界面的所有 功能外还能存储更多的数据，并将数据进行整理分析，以更详细的图表形式打印出来， 上位机也可以再与其他的网络计算机相连，把数据送出去，实现数据共享。上位机与 p l c 的通讯采用p p i 方式。利用p p i 通讯非常简单方便，p l c 只用n 髓t 和n 1 1 t w 两 条语句就可进行数据信号的传递。上位机通讯软件是采用b c 编写的，界面是采用v b 5 o 编写的。采用步进电机代替原来的交流电机做驱动，可以使换挡速度更快，定位更精确， 具有更大的驱动力矩。 用工业入杌界面和p l c 相结合的干式有载分接开关的控制器，具有抗干扰能力强， 组态灵活，编程方便，可安装于现场。由于其配有人机界面，使得显示更直观，工作寿 命更长。该控制器安装在某变压器厂1 0 k v 级干式变压器的有载分接开关上。经调试运 行后，其运行一直安全可靠，证明对其研制是成功的瞄i 。 c 2 ) 利用p i c 进行控制的有载分接开关控制器 传统的控制器是采用单片机制作，用数码管对数据进行显示，由于变压器周围电场 强度非常强，因此，为了降低电场对单片机系统的影响，要求单片机系统必须具有很强 的抗干扰能力，并对其采取一定的屏蔽措旌，而且在编程软件中也要编写相应的抗干扰 程序，由于变压器周围温度也较高，要求所采用的元件也必须有较高的稳定性及较低的 温度系数。 控制器工作框图如图1 4 所示，用单片微机进行控制，电动机采用步进电机， f i 昏1 4 f 忸傩d i a g f 枷o f t h c o n 抽a d t a p 删i 曲咖t f o l i c r b a s c do n p i c 6 沈阳工业大学硕士学位论文 其工作原理：由变压器的输出电压经电压互感器，再经电压变换后，采样保持送 a d 转换器，变换为数字信号到8 0 3 1 单片机，单片机判断此电压是否属正常范围，若 电压偏高或偏低，则命令步进电机正转或反转来降压或升压，使之正常。同时根据电压 高多少或低多少，确定步进电机步进分接的个数，由步进电机带动有载分接开关进行调 压。单片机同时对有载分接开关位置进行监视，以免达到极限。 此电路的特点： 1 ) 采用单片机技术，它体积小、控制性能强、低功耗，主要功能是实现智能化， 使用灵活方便； 2 ) 采用步进电机与单片机接口简单，具有快速启停、精确步进、定位准确的特点， 正好符合有载调压步进分接的特点。 采用单片机控制，使用方便、灵活、通过驱动电路控制步进电机大大地简化了控制 电路，提高了运行的可靠性。 我国开展有载分接开关控制技术的开发应用已有1 0 多年了，十几年来一直是根据 分接开关对控制器的要求，做出很多新产品，对提高有载分接开关的控制水平，减少引 进设备的投资，并可实现远距离监控起到了积极作用。 但是，随着电压等级的不断提高，对有载分接开关的可靠性和安全性也提出了更高 的要求。 1 3 本文主要工作 由于p l c 的成本高、体积大，所以本课题采用价格相对低廉、体积较小的单片机， 以实现对有载分接开关的控制。本课题主要进行基于4 8 5 总线的有载分接开关控制器的 研制。首先需要了解有载分接开关的用途和运行特性，明确对有载分接开关控制器的要 求，然后完成一种规格的有载分接开关控制器，使其灵活、准确的实现对有载分接开关 档位的分接变换。 本文主要工作和解决的问题如下： ( 1 ) 对有载分接开关的工作原理、用途和运行特性进行分析： 单片机有载分接开关控制器的研制 ( 2 ) 研制以单片机为核心的有载分接开关控制器的基础上，加入光耦隔离电路和滤 波电路，以提高其抗干扰能力； ( 3 ) 使人们可以在入机界面或远程计算机上输入信号，强制开关移动，也可以把当 前开关位置及变压器的输出电压值等参数传给远程计算机，为远程监控和无人值守提供 数据： 4 ) 控制器要控制可靠，抗干扰能力强，易于扩展，而且设计中要尽量节省成本， 保证系统灵活性 一8 沈阳工业大学硕士学位论文 2 有载分接开关的基本知识 2 1 有载分接开关概述 随着电力系统的发展，对电压质量的要求也越来越商。由于无功潮流的波动，影响 系统电压的变化，而在无功充足的情况下利用有载分接开关调压是最方便、有效地控制 电压质量的方法，故在电力变压器中有载分接开关被广泛地应用。有载分接开关作为变 压器最重要的组件，它的可靠性直接决定整个电力系统能否正常安全运行，因此正确而 及时地做好维护和检修，经常保持设备良好状态是极为重要的环节1 6 l 。 有载分接开关是在带负载情况下，变换变压器的分接，以达到调节电压的目的。在 变换过程中，必须要有阻抗来限制分接间的电流，根据阻抗的不同可分为电抗式和电阻 式两种。 电抗式有载分接开关的特点是，如果电抗器是按连续工作设计的，则在变换分接过 程中可以停留在跨接两个分接开关头的位置工作。在所需要的调压级数相同的情况下， 可使变压器绕组的分接头个数减少一半。另外，即使分接开关电动机构的供电电源在过 渡过程的任意位置发生故障，变压器仍能继续运行。但其缺点是过渡时循环电流的功率 因数较低，切换开关电弧触头的电寿命较短；由于用了电抗器，使变压器的体积增大， 制造成本较高。现在除美国外，其他国家均不采用这种分接开关t _ ”。 电阻式有载分接开关从结构上分为组合式和复合式两种，组合式有载分接开关由一 个带过渡电阻的切换开关和一个带或不带转换选择器的分接选择器组成。切换开关是在 带负载电流的情况下完成单、双数两个方面切换。分接选择器是在不带负载电流的情况 下完成对分接头的选择。组合式切换开关从结构上可分为滚转式切换机构、摆杆式切换 机构、杠杆式切换机构等几种。分接选择器从结构上可分为单轴式、双轴式两种。在不 增加调压绕组分接头的情况下，在分接选择器旁增加一个转换选择器，可以增加调换级 数。复合式有载分接开关是将切换开关和分接选择器的功能结合成为一个选择开关，整 台开关都安装在一个绝缘油室内。复合式有载分接开关的切换机构从结构上可分为夹片 式，双滚柱式、单滚柱式等三种切换机构，为了增加调压级数也可以增加一个转换选择 器。所有有载分接开关都是通过电动机来操作的。 一9 单片机有载分接开关控制器的研制 分接开关作为变压器中唯一经常动作的部件，它的可靠性直接决定变压器能否安全 可靠运行，对电力系统的影响也非常大。衡量分接开关可靠性不外乎是寿命指标和相对 运行的故障两个方面。寿命指标包括机械寿命和电气寿命两个内容。根据有关统计有载 分接开关故障情况，大体为两大部分，其中由于分接开关质量引起的故障占5 2 ，由于 用户使用不当占4 8 。由此可知，开关控制器对分接开关的控制极为重要，这就需要对 控制器的精度及灵敏度的有更高的要求，既要适应高频率切换，同时要实现智能控制和 远程监控，为无人职守提供方便。 2 2 有载分接开关的工作原理及运行特性 有载分接开关是在带负载( 变压器励磁状态下) 变换分接位置，它必须满足两个基 本条件： ( 1 ) 在变换分接过程中，保证电流的连续，也就是不能开路： ( 2 ) 在变换分接过程中，保证分接间不能短路。 因此，在变换分接过程中必然要在某一瞬间同时连接( 桥接) 两个分接以保证负载 电流的连续性。而在桥接的两个分接问，必须串入阻抗以限制循环电流，保证不发生分 接间短路，开关就可由一个分接过渡到下一个分接。该电路称为过渡电路，该阻抗称为 过渡阻抗。过渡电路的原理就是有载分接开关的原理。其阻抗是电抗的，称为电抗式有 载分接开关；是电阻的称为电阻式有载分接开关。另外，调压变压器绕组有多少个分接 头，就需要有一套电路来选择这些分接头，该电路称为选择电路。而不同的调压方式就 要求有不同的调压电路。因此，有载分接开关的电路由过渡电路、选择电路、调压电路 三部分组成嗍。 过渡电路是跨接于分接点问的串接电阻电路，与其对应的机构为切换开关，它是在 带电状态下变换变压器绕组的分接头。 选择电路是为选择分接绕组分接头所设计的一套电路，与其对应的机构为分接选择 器和转换选择器等。 选择开关没有专门的选择器，它是让切换和选择触头合二为一直接在各个分接上依 次转换。所以只能适用电流不大，级电压不高的饿有载调压变压器。 l o 沈阳工业大学硕士学位论文 有载调压电路的作用与无励磁调压电路的作用相同，但较为复杂。有载调压电路分 为基本调压电路、自耦调压电路和三相调压电路三种。若按调压方式，可分为线性调压 电路、正反调压电路和粗细调压电路；按连接方式，可分为星行三相中性点调压电路、 三角形连接线端调压电路、三角形连接二相加一相线端调压电路和三角形连接中部调压 电路；按调压部位，可分为中性点调压电路、中压线端调压电路、单独调压器调压电路 和第三绕组调压电路。不同调压电路的调压范围和绝缘要求是不相同的，而且会影响到 变压器的制造成本和质量1 5 】。 有载调压的分接开关是利用过渡电路，在不停电的状态下进行电压调节。其基本原 理是：分接开关在切换过程中，由于绕组的导电回路不允许断开，负载电流没有被中断， 变压器仍然在带着负荷的情况下进行手动或自动调压。它调压的速度快、精度高，且调 压范围可以达到额定电压的1 5 以上1 9 ，1 0 】。例如三相有载调压电力变压器墨。1 0 0 0 k v a ， 电压调节范围较之无励磁调压变压器大得多。每级调压5 ，相应地输出电压稳定得多， 且调压方便，即可手动也可自动调压，实现配电系统的自动化管理，还可以对其进行遥 控调压，如图2 1 所示。 l 升压l h 薹：h ：霎卜 自 _ 1 输出r l 电压l 动 il 变 压 调器 i 采样r 压副 控边 ii 器 l 降压l 绕 组 一鬈三h 篙卜 _ 1 输出r li 图z 1 有载分接开关功能流程图 f j g 2 1f i o wc h a no f t l l eo n - l dt a 涮i t c hf l i n c i 如m 单片机有载分接开关控制器的研制 因此可以看出，应用有载调压变压器可以满足科研、教学、生产对用电及用电质量 的要求，还可大大满足用户对供电的连续性和稳定性的要求。 2 3 有载分接开关控制的要求 本课题欲研制的控制器要适用于3 档到1 1 档的有载分接开关，当电网电压发生变 化，超出开关设定范围时，经判断它有继续演绎固定方向背离设定范围的趋势，若演绎 超过开关动作间隔设定时间，则由p i c 判断并控制开关的移动方向，由输出口输出脉冲， 驱动电机，带动开关机构移动，迅速移动到目标位置，机构移动过程中并同时检测开关 位置，若超过规定时间，而仍未检测到相应开关位置的信号，则自锁输出，并报警。人 们可以在人机界面或远程计算机上输入信号，强制开关移动，也可以把当前开关位置及 变压器的输出电压值等参数传给远程计算机，为远程监控和无人值守提供数据。母线电 压运行在额定电压的9 5 n 0 ，能根据母线的电压偏差，自动升高或降低输出电压， 以维持母线电压在规定值。上下限保护，当有载分接开关处于生下两个极限分接位置时， 可进行升压或降压闭锁。 同时控制器要控制可靠、抗干扰能力强、易于扩展，而且设计中要尽量节省成本， 保证系统的灵活性。 2 4 小结 本章主要对有载分接开关的一些基础知识做了初步的介绍，分析了有载分接开关的 工作原理、用途和运行特性，为了更好地使之服务于各种领域并达到一定的要求，满足 人们对精度的需要来保护用电设备，对有载分接开关控制器提出一些要求，针对于这些 要求设计一个效率较高的有载分接开关控制器。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 硬件电路 3 1 系统结构框图 在此设计中，信号通过电压互感器和信号调理电路经a 他转换把模拟量转化为数字 量，然后与设定的参数量比较，经p i c 判断控制开关驱动机构动作。同时为了使用户方 便，本设计使用开关位置传感器与p i c 连接通过m u 【4 8 5 传递给远程计算机，并显示 出来，使操作人员能够知道开关当前的位置、电压实时值、分接开关动作总次数等。p i c 所控制的液晶显示器用以在现场设定电压基准值、电压极限值、计算精度、开关动作间 隔时间、采样速率等1 1 2 1 3 l 。在设计中，为了系统具有很强的抗干扰能力和较高的稳定性， 在位置检测电路中加入光耦隔离电路，在测量电路中加入滤波电路，以提高其抗干扰能 力。通过编程方式，用内部逻辑关系代替实际的硬件连接，减少了继电器的使用数量， 从而减少了大量的中间连线，避免了许多干扰，而且使连锁保护功能更加完善【1 4 1 。 本设计采用p i c 单片机控制，通过软件逻辑控制实现对有载分接开关的控制和调 节。将人机界面和p 1 c 连接起来，通过液晶显示器设置参数，将参数传给远程计算机， 为远程监控和无人值守提供数据。液晶显示器实现的主要功能有：设置基准电压值及上 下限电压值，开关动作间隔时间，采样速率等。p i c 实现的功能有；对电压的采样、计 算，对开关及极限位置的检测、数据存储、控制档位升降保护、报警、与人机界面或计 算机进行通讯，电路如图3 1 所示l 堋。 i电压传感器 一开关位置传感器 j 蕾 il i 信号处理电路卜+ 片 一麟s s l h 机 i 液晶显示器卜 - j 开关驱动机构 图3 1 电路框图总设计 h 晷3 1d i 印o f n 碡e l 喇cc i 删i t 丘a n 犯d i q 即m 单片机有载分接开关控制器的研制 3 2 核心元件p i c l 6 f 8 7 7 单片机 p i c l 6 f 8 7 7 是微芯公司于1 9 9 8 年年底推出的一款特色明显的新产品，在其众多的 优点当中最重要的一条是，它可以实现在线调试和在线编程，这正是广大单片机初学者 最需要的。微芯公司还专为p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机设计了一套小巧廉价的在线调试工 具套件，以下简称m p u 擂i c d 。借助于这套在线调试工具，不需要购买其它昂贵的仿 真器和烧写器，就能使读者既可以实时仿真，又可以实现程序烧写，还保留了一块用户 可以随意焊接一些元器件的布满焊孔的电路扳空间。由此可见，开发p i c l 6 f 8 7 7 x 比其 他型号的p i c 型号的单片机的手段更加简单易行。可以免费下载的p i c 单片机的综合开 发环境软件m p h 墟一i c d 的软件模拟功能，对p i c l 6 f 8 7 x 进行虚拟仿真来调试程序。 该软件约有2 4 m b ，可以从微芯公司的中文网站下载【1 6 l 。 p i c l 6 f 鄹r x 系列的优越之处： ( 1 ) p i c 系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼 在所有的单片机品种中，它最容易学习、最容易应用。况且，微芯公司是一家专门 致力于单片机开发、研制和生产的制造商，其设计的产品起点高，技术领先，性能优越， 独树一帜。 ( 2 ) 哈佛总线结构，运行速度快 p i c 系歹u 单片机在芯内将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。这样的 好处是，便于实现指令的流水作业，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取 指操作。便于实现全部指令的单字节化，单周期化，从而有利于提高c p u 执行指令的 速度。 ( 3 ) 精简指令集( r i s c ) 技术，寻址方式简单 p i c 系列单片机只有3 5 条指令这给学习、记忆、理解带来极大的好处，也给程序 的编写、阅读、调试和交流带来极大的便利，真是易学好用。只有4 种寻址方式，即寄 存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，比较容易掌握。 ( 4 ) 驱动能力强 沈阳工业大学硕士学位论文 端口驱动负载的能力强，每个姻引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到 2 5 m a 和2 0 m a ，能够直接驱动发光二极管u d 、光电耦合器或者微型继电器等。 ( 5 ) 外接道路简单 p i c 系列单片机内集成了上电复位电路、l ，o 引脚上拉电路、看门狗定时器，可以 最大限度地减少或避免用外接器件，以便实现纯单片应用。 ( 6 ) 开发方便 ( 7 ) 程序存储器版本齐全 微芯公司对其单片机的某一型号提供多种存储器版本和封装工艺的产品。 p i c 系列单片机品种丰富，程序保密性强 用p i c 单片机实现对电压的采样、计算、档位信号检测、数据存储、报警，与上位 机通信、控制档位升降等。主体程序编制不复杂，但实现与井圈接口电路通讯时，需要 大量的编程指令，并且对外围电路的布局有一定的位置限制。 优点：程序编制不复杂，程序不受容量的限制。 缺点：布线复杂，外围接口程序较多。 作为有载开关调节器的核心元件，p i c l 6 f 8 7 x 单片机起到了承载软件编程、控制输 出、自动或手动操作的功能。下面对p i c l 6 f 8 7 7 做以简单介绍： 单片机在中国的发展起源与2 0 世纪8 0 年代。目前中国各大学及院校普遍采用 m c s 5 1 系列作为单片机教学的教材。随着单片机技术的不断发展，5 1 系列的应用领域 已经逐渐被其他单片机所代替。p l c 系列单片机，由于采用精简指令集、哈佛总线结构、 流水线取指方式，抗干扰能力强性能价格比高，深受中国用户的普遍喜欢。在工业控制、 消费电子产品、办公自动化设备、智能仪器仪表、汽车电子等不同的领域得到了广泛的 应用。 p i c l 6 f 8 7 7 系为加脚，d 口包装的单片微机，) d 为正电源接脚，v s s 为地线接 脚，至于电流则和微处理器所连接的外围电路，以及和工作速率有关。它有电阻电容、 石英、陶瓷振荡，当微处理器有适合的电源与c u ) c k 后，就会进入工作状态指能够去 程序内存里面拿指令并且完成正确动作，使用者还得先将指令放迸微处理器。 单片机有载分接开关控制器的研制 c p u ：人工智能的集成电路包括加减运算、a n d 、o r 、x o r 等逻辑运算。 r o m ：是一种停电仍能记忆的内存集成电路专门用来记忆产品设计师指挥。 c p | u 的指令又常被称为用户程序，因此r o m 也常称为程序内存。 r a m ：是一种可以让c p u 自由读出或改变其内容的内存集成电路，是c p u 暂时储 存数据的地方。 i ，o ：是c p u 与外界沟通的界面集成电路，通常和c p u 的速度要慢许多。通常是以 三态的缓冲器为输入电路，而以门电路为输出电路。 1 6 f 8 7 7 内部的轧氏m 共有5 1 2 个字节，以每1 2 8 个字节为一个b a n k ，总共分为4 个b a n l 【，每个b a n k 都有特殊用途。此外，1 6 f 8 7 7 属于内竣功能较多的微处理器，除了 微处理器的基本架构，也就是c p u 、r o m 、r a m 、加之外，还包括有如下功能： ( 1 ) 具有i c d 功能 可以使用单- 5 v 做在线串行烧录程序：微处理器不只可以读写数据存储器，还可以 读写程序内存；瓢m e r 8 位计时计次器，有8 位预除器；1 铀e r l ：1 6 位计时计次器， 可以外接低频振荡器：t i m e f 2 ：8 位计时计次器，有周期、预除器及后除器；具有两组 c c p ；具有5 或8 个通道1 0 位分辨率的模拟数字转换器；具有同步串行传输，可以支 持s p i ( m 勰咄_ s l a v e ) 和1 2 c ( m 鹤t e r 届l a v c ) ；具有同步异步串行传输( u s a r t ) ，可 以支持r s 2 3 2 r s 4 8 5 。 ( 2 ) 具有并列式从动连接端口，可以支持多微处理器架构 当使用1 6 f 8 7 7 出现m ) 不足的现象时，多微处理器( m m t i 鲫溉s s o r ) 系统的架构 是解决问题的方法之一。 选择方法是把t r i s e 里面的第4 位( p s p m o d e ) 设定为1 ，则1 6 f 8 7 7 的p o i u d 变成8 位的并列数据传输界面，p o r t e 则变成控制界面( ，c s 、压、，w r ) ，如图3 1 0 所示。此时，t r i s e 则肩负了传输指示的工作，包括有并列资料传入指示( m f ) 、并 列资料被复盖指示( i b o v ) ( 从动微处理器本身速度太慢) 、以及并列资料传出指示 ( o b f ) 。 ( 3 ) 可以当作从动微处理器( s l a v cp r o c 鹊s o r ) ，接受其它微处理器的操作 1 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 m ：l 肼咖 r 如，a n 0 r 杜，a n l + r a 2 ， n 2 ，v h f r 3 ，a n 3 ，v l l 一+ 砌棚n 凡酤，棚，s s v 嚣 0 6 c 1 ，旺船时 c 6 c 2 c u u t 一 商m 1 0 6 0 - r l c n r c l ，r 1 0 s 】x ：c p l 砘忙研l 确岛舀c l 嚣c l 脚j p g d r b 7 6 j p a c 1 瞄 1 珥 r b 3 j p o m ”刚强 r b l + 瑚n _ r 一v d d 一v s s r g m d 【i d r r a 6 ，n ( j c | c r 历巧d 0 r o 惦6 n 图3 2p l c l 6 f 8 7 7 单片机引脚图 f i g 3 2l c a d 舭td i a g r a mo fp i c l 6f 8 7 7l i l i 响印t e r p i c l 6 f 8 7 7 单片机内部结构和功能如下： 核心区域：包括程序存储器，程序计数器、堆栈、指令寄存器、工作寄存器w 、状 态寄存器s t a n ，s 、黜w 数据存储器、间接寻址寄存器f s r 和看门狗定时器w c r r 。 指令系统：为了便于记忆和掌握，通常每条指令都用指意性很强的英文单词或缩写 来代表，通常称为“助记符”。p i c l 6 f 8 7 x 共有3 5 条指令，均是长度为1 4 位的单字节指 令：面向字操作的1 7 条，面向位操作的有4 条，常数操作和控制操作1 4 条。 复位功能：单片机都有个复位端，以便于认人为地输入有效电平，以控制单片机实 现复位。除了复位功能之外，单片机还有其它地自动实现复位功能地方法。人工复位： 无论是单片机在正常运行程序，还是处在睡眠或出现死机状态，只要在人工端m c l r 加入低电平信号，就会令其复位。上电复位：每次单片机加电时，上电复位电路都要对 电源电压地上升过程进行检测，当电压上升到规定地数值1 6 1 8 v ，就成生一个有效 单片机有载分接开关控制器的研制 地复位信号，使得单片机复位。看门狗复位：无论任何原因，只要没有对看门狗定时器 w d t 进行及时地清o ，w d t 就会出现超时溢出，也就会引发单片机复位。 时钟系统：单片机内部地各种功能凡乎全部由数字电路构成。数字电路的工作离不 开时钟信号，每一步细微动作都时在一个共同的时间基础信号协调之下完成的。作为时 基发生器的时钟振荡电路，为整个单片机芯片的工作提供时钟信号，也为单片机于其它 外部芯片之间的通信提供可靠的同步时钟信号。p i c l 6 f 8 7 x 系列的时钟电路是由片内的 一个反相器和一个反馈电阻，与外接一个石英晶体和二个电容，共同构成的一个自激多 谢振荡器。反相器是一个具有受控端的三态门，当执行睡眠指令时，三态门输出端呈现 高阻状态，令时钟电路停振，从而迫使单片机的绝大部分片内电路退出工作r 进入睡眠 状态，达到节电目的，同时由o s c l 和o s c 2 两种接法。 编程语言：由于单片机内部的电路基本上都是用数字逻辑电路构成的，数字电路只 能处理二迸制的代码o 或1 ，所以单片机紧急能够识剐二迸制形式的机器语言。但如果 直接使用机器语言来设计程序，编写起来不仅很烦琐，也容易出错，给程序的阅读和修 改都带来很大困难。为了克服这些困难，人们在开发单片机时通常用更适合人们的汇编 语言进行设计。汇编语言的语句通常与及其语言指令时一一对应的。汇编语言提供了一 种可以不涉及机器指令编码和实际存储器地址来编写程序的有效方法和便捷途径。 输入输出端口：p i c 单片机很重要的一部分就是输入腧出端口。它是单片机内部电 路与外部世界交换信息的通道。输入端口负责从外界接受检测信号、键盘信号等各种开 关信号。输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果，显示信息、驱动信号等。 4 0 管脚的5 个端口，分别是r a 、髓、r c 、r d 、r e 。 r a 包含6 根引脚，其端口对应的数据寄存器和方向控制寄存器分别是p o r t a 和 u s a ，地址分别是0 5 h 和8 5 h ，分别位于体o 和体1 的相同位置上，并且都只用到了 低6 位。它在基本输入输出的基础之上，复合了a 帕转换器的模拟量输入功能，a d 转换器所需的外接参考电压输入功能，定时器计数器删r 0 的外部时钟输入功能，主 同步串行端口m s s p 的从动选择信号输入功能等。 r b 包含8 根引脚，其对应的数据寄存器和方向控制寄存器分别是p o r l m 和t r i s b 。 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 p o l u b 的地址有2 个，分别是0 6 h 和1 0 6 h ，这就是说在体o 和体2 的相同位置上都能 访问到它；t r i s b 的地址也有2 个分别是0 8 6 h 和1 8 6 h ，这就是说在体1 和体3 的相同 位置上也都能访问到它。r b 端口是一个8 位双向i o 端口。它在基本输入输出功能的 基础之上，除了每只引脚内部增加了可统一编程的上拉电路，另外还复合了片载f i a s h 低压电编程所需的条引脚，外部中断输入引脚，电平变化中断功能等。 r c 包含8 根引脚，对应的数据寄存器和方向寄存器分别是p o r l 汜和t r i s c ，地 址分别为0 7 h 和8 7 h 。分别位于体0 和体1 的相同位置