以单片机为核心的变电站综合自动化系统的总体设计

2 0 1 0年 6月 电人理工 S t u d y o f S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g a t R T VU 第 2期 总第 2 4 3期 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 l 1 0 1 6 1 摘要阐述以单片机为控制核心的变电站综合 自 动化 系 统的硬件结构设计及工作原理 采用模糊 控制理论 并在硬件电路和控制策略的基础上编制相应的软件 实现电网调度 自动化和现场管理现代化 关键词单片机自动化系统 总体设计 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 L C D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 乜 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 通过计算得到功率冈数和 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 功率冈数等信息 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 W7 8 E 5 1 6 B 片外的 RAM 6 2 6 4 ROM W 27 C5 1 2 E PROM AT2 4C0 2 锁存器 7 4 HC 3 7 3等组成 2所示 图 1变 电站综合 自动化系统结构框图 采j I j WI NB O ND公司的 W7 8 E 5 1 6 B 最高 l 作频率为 4 0 MHz 片内有 6 4 KB 可擦写的 F l a s h内部 序存储器 5 1 2 B R A M 3 2根可编程 I O线 一个 6向量 2级中断结构 一个全双 1 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 W2 7 C 5 1 2用于存储液 晶的字模 A T 2 4 C 0 2 为 2 K B串行 E P R OM 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 第 2期 张君薇 以单片机为核心的变 电站综合 自动化 系统 的总体设计 I I I I J I II1 o 善 三 专 酲 曼 二 重20 P2 r P 星1 三23I 3FK 37 3 星 H 1 2 l 2 6 NI I 囊W 8 J V C C R D 2 0 2 8 V C C I p 匝P 2 7 互2 2 V N lC C 二 互1 4 N D W 2 7 C 5 1 2 基 2 0I l 1 l l 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 对三相交流线 电压和相 电压 线电流 i l P H 电 流 的分析 中 可以看 出 采 其 中一相的相电流 和另外两相 的线 电压之 间的相位差米测量功率 冈数 的接线方式有 1 2种 分别为 U I A UC B JB Uc A I B U I U4 B I U B 4 t 一 U 一I U 一I 一 片U 一 I C U A B 一I U B A 本系统用AC相线 电压和 B相相电流米检洲 功率冈数 如 3所示 把 相 电流I I U 线 电压的采样信号放人斤 再进行上升沿过零触 发 即可得到反映相位的方波信号 具体做法是 1 在线路的 相装设一个毫安级的专川电 流互感器 C T 电流互感器的输 出接入运放 L M 3 2 4 U 1 的输入端 可检测剑 B相电流 经 过过零 比较器 L M3 3 9 U2 后得剑只有止 卜 周 的 相 电流的方波信号 2 线 电压 经过 电压 互感器 P T耦合接 至运放 L M 3 2 4的输入端 检测剑 A C相线 电压 U 经过过零比较器 L M 3 3 9斤得到只有 正半周的 C相线电压 的方波信号 冈此 四 个运放构成了波形转换环 3 I 利 的 方 波 信 号 接 入 异 或 V C N C 2 8 v C C I J CD 4 0 7 0的输入端便得到 U 超前 的方波信 号 即 和 I 的过零时间间隔 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 I 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 值 进而计算功率因数的火小 2 3串行通信接 口电路设计 在计算机和I 测控装置 中最常川的标准 串行 通信接 口 R S 一 2 3 2和 R S 4 8 5 利J MAXI M 公司 生产的MAX2 3 2 E 将计算机串口使川的R S 2 3 2 C 电平 转换为本控制仪使川的是 T T L C MOS电 平 采用最简单常州的二线制接法 把 T X R X 分别与 M AX2 3 2的 Tl I N R1 OU T相连 这样 对外与发送数据 接收数据和地二脚相连 提供 二线制的串口接 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 2 8 电大理工 总第 2 4 3 期 围内和无功基本平衡 因此选择变压器二次侧 电 压偏差 系统无功偏差 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 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 J j MI N 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 凋 用各功能模块程序 主程序流程 如 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 没置各 接 口芯片的初始化 电容器组投切状态指示灯和 调压开关档位指示妁 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 历一 图 6主程序流程图 4 2子程序设计 为了使编 的过程中思路清晰 结构分明 设计了子 序模块 在主程序中需要的地方可以 直接调 L I j 这些子 序 火人提 高了程序的编制和 调试效率 子 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 1 通讯模块等 下转第 3 2页 3 2 f 人理丁 总第 2 4 3期 化 引起钻速的改变 其数学表达式为 f c芘 CP 5 水力因素对钻速的影响 5 1水力因素中的净化作用对钻速的影响 在钻井过程中 及时有效地把钻头破岩产生 的岩屑清离井底 避免岩屑的重复破碎 是提高 钻速的一项重要手段 井眼净化是通过钻头喷嘴 所产生的钻井液射流对井底的冲洗米完成的 其 公式为 Vp y 5 2水力因素中的破岩作用对钻速的影响 水力 因素对钻速的影响还表现在另外一中 形式 就是水力能量的破岩作用 当水力功率超 过井底净化所需的水功率后 机械钻速仍有增 加 这就是 由于水力冈素中的破岩作川 其公式 为如下 V o c 6 钻进方程 在 以上分析各冈素对钻速影响规律 的基础 上 可 以把各影响因素归纳到一起 建立钻速与 钻压 转速 牙齿磨损 压著和水力冈素的综合 关系式 又由于水力破岩作用对钻速的影响主要 表现为钻压与钻速关系 中门限钻压的降低 故其 写成等式形式考虑各种因素的钻速方 为 一 其中 一机械钻速 m h W 一钻压 k N Mn f J 限钻压 k N 一转速 r mi n 转速指数 0 4 1 0 C 一牙齿磨损系数 h 一牙齿磨损最 即磨损掉的高度与原始高度 之比 新钻头时h 0 牙齿全部磨损时 h 1 C 一压差系数 C 一水力参数净化系数 一 水力作用的当量钻压 k N 一实际比水功 率 k W c m 一净化完善时所需要的比水 功率 k W c m v o 一钻井液流经喷嘴时的流速 m s S 井底面积 e m 参考文献 拿邦达 影响钻速 的五种因素 石油钻采工 艺 1 9 8 0 4 2 张熊栋 固外高压 水射流钻机 的研究进展 矿业工 程 I 9 8l 6 3 廖荣庆 陈万模 关于喷射钻头的 I 底流场设计 西南 油学院学报 I 9 8 2 3 4 陶兴华 提高深J f 钻井速度的有效技术方法 石油钻采 丁 艺 2 0 0 5 5 T H e mp h i l l 于军泉等 深水钻 t 机械钻速的优化钻速 限度 的确定 国外油l l l I程 2 0 0 3 7 6 任海霞 周风霞 在极硬地层中提高机械钻速 国外油田 T程 2 0 0 8 1 责任编辑 齐婷婷 上接第 2 8页 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 参考文献 I 郭 J 东 变 站 I乜 无功 自动控制装置研制 华北 l乜力 人学T程硕 I 学