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变电所监控设计毕业论文对Ia、Ic、Ua、Uc、Io、Uo和功率因数的监控目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1选题意义11.1.1 课题概况11.1.2 变电所自动化监控系统的主要功能11.1.3 监控系统的总体结构21.1.4 变电所综合自动化技术的特点21.2 变电所自动化监控系统发展概状31.2.1 国外变电站综合自动化概状31.2.2 国内变电站综合自动化系统概状42 变电所微机监控系统远端设备设计的基础知识52.1 对远端设备的功能要求52.2 远端设备的硬件电路基础知识52.2.1 87c552简介52.2.2 定时器T2介绍82.2.3 定时器T2控制器TM2CON92.2.4 捕获逻辑92.2.5 串行口的工作方式102.2.6 A/D转换112.2.7 87C552中断系统133 变电所监控的硬件设计153.1 系统组成153.2 系统硬件电路设计153.2.1 +15V和+5V直流电路图153.2.2 声光报警电路163.2.3 相位差监测电路163.2.4 电流、及、电压监测电路图173.3.5 功率因素的角检测方法183.2.6 继电器输出电路193.2.7 LED显示与键盘电路203.2.8 时钟电路213.2.9 复位电路213.3 远端智能控制单元的工作原理214 变电所监控软件设计234.1 片内RAM区分配234.2 变电所监控软件设计思路244.3 变电所监控软件流程图244.3.1 主程序流程图244.3.2 6位显示子程序和相位监测子程序流程图254.3.3 键盘子程序流程图264.3.4 0号键处理子程序和1号键处理子程序274.3.5 2号键处理子程序流程图284.3.6 T0中断服务子程序和数据采集处理子程序294.3.7 串口中断输入服务子程序304.4 变电所监控各环节程序314.4.1 主程序314.4.2 设置初始参数子程序324.4.3显示子程序324.4.4键盘子程序334.4.5 T0中断服务子程序354.4.6 A/D转换子程序354.4.7 电流标度变换子程序364.4.8电压标度变换子程序374.4.9相位监测子程序394.4.10串口中断输入服务子程序415结论45参考书目46谢 辞47471绪论1.1选题意义1.1.1 课题概况 变配电所是电力系统组成的一个重要环节，是电力网中线路的重要连接部分，其作用是变换电压、汇集和分配电能。变配电所能否正常运行关系到电力系统的稳定和安全，因此对变电所进行监控和保护具有十分重要的意义。变电所设计质量的好坏，直接关系到电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行，为满足城镇负荷日益增长的需要，提高对用户供电的可靠性和电能质量。随着国民经济的发展，工农业生产的增长需要，迫切要求增长供电容量，拟新建110kV变电所。变电站是电力系统的重要组成部分，它直接影响整个电力系统的安全与经济运行，是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用。电气主接线是发电厂变电所的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。随着变电所综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电所二次系统，继而实现“无人值班”变电所已成为电力系统新的发展方向和趋势。当今世界各方面因素正冲击着全球电力工业，在国外变电所技术有十分剧烈的竞争，而世界范围内的变电所都采用了新技术; 其次，不同的环境要求给所有的电力供应商增加了额外的责任，使电力自动化设备尤其是高压大功率变电站的市场开发空间大大拓展。另外高压变电所的最终用户对变电站的自动控制、节能、环保意识越来越强烈，迫使其上游提供者尤其是系统集成商更加重视地区性电能分配技术方面的需要，所以变电所在世界上飞速的发展，从而要求我国变电技术上也要加入世界先进的变电技术行业。1.1.2 变电所自动化监控系统的主要功能1巡回检测、显示及报表功能 能对变电站指定的各监控量进行巡回检测，并通过彩显予以显示，包括反映实时运行状态的主接线图，负荷曲线及电流、电压、功率、功率因数、温度、电度、开关状态、刀闸状态等各种表格、棒图及曲线画面，利用人机汉字对话可以方便地选择画面，参数及画面监控的结果可以制成表格，定时及召唤打印。 2电度计算及统计表格 电站各回路所用电度数进行计算和定时打印，在每天结束时可计算并打印出当天的各种电量统计值 ，形成日报表。另外，每月还可根据用户要求打印出所需的月报表。 3负荷管理 电站各回路负荷进行监测，当负荷大于定值时发出警告信号，主画面指示出过负荷回路，需要时可由计算机自动作相应减负荷处理。另外，通过彩显可以显示按功率和电度表示的日负荷曲线及电压随时间变化曲线，负荷曲线可存盘一个月。 4故障诊断 障时，能迅速诊断出故障线路、发出报警信号，同时能打印出故障线路、开关跳闸顺序以及故障前后各出线电流及有关电压的变化，并可进行故障录波。微机不论在任何画面上，一旦线路有故障发生，微机即自动转换至故障画面，对故障部位有闪动显示。对于单相接地故障，发出报警信号，由微机自动找出故障线路，并可由微机或值班员进行处理。 5各种控制功能 后台机遥控各种开关操作。 6模拟操作功能通过键盘能对监控系统进行操作。1.1.3 监控系统的总体结构 目前国内外监控系统大多数采用一个多级网络连接的分布式综合系统，从层次上看，系统从上到下课分为：变电站管理层、变电站信息网络、监控管理层、工业级实时网络和数据采集控制单元。其中监控管理层、工业实时网络和数据采集控制单元可以构成独立完整的监控操作系统。在监控、管理层可实现各类运行监视，包括潮流监视、事故异常信号监视，实现控制操作，参数修改、管理开发及其他智能设备等工作。变电站管理层可以使用微机或工作站，实现软件平台技术，完成变电站管理工作。各层次的主要功能：a）数据采集控制单元：主要完成信号的采集、数据转换、控制算法、结构文本语言算法及控制功能，并支持冗余配置；b）监控管理层：主要完成画面及流程显示、控制调节、趋势显示、报警管理及显示、报表管理和打印、操作记录、在线组态、操作权限保护及文件转储等功能；c）管理层与监控管理层同时在应用系统建立过程中是系统组态的平台，以人机对话的方式完成组态工作的一套全方位的组态软件。他根据应用时间的要求生成各种组态定义文件，将这些文件经过编译连接形成组态数据文件，最后将这些文件下载到个数据采集控制单元。1.1.4 变电所综合自动化技术的特点 变电站综合自动化是一个广泛采用微机保护和微机远动技术，并对变电所的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号分别进行采集，经过功能的重新组合，并按照预定的程序和要求刘变电所实现自动化监视、测量、控制的集合体和全过程。变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对整个变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合胜的自动化功能。变电站综合自动化系统，即利用单台或多台微型计算机大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。因此，变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术、通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。变电站综合自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，可以方便地监 控和控制变电站内各种设备的运行和操作。 变电站综合自动化技术最明显的特点表现在以下几个方面:1.功能综合化；2.结构微机化;3.操作监监视屏幕化;4.运行管理智能化。1.1.5变电站综合自动化技术的优越性1.提高供电质量的同时提高了电压合格率;2.提高了变电站的安全、可靠运行水平;3.提高了电力系统的运行及管理水平;4.缩小了变电站占地面积，降低造价，减少了总投资;5.减少了维护工作量，减少了值班人员的劳动量，实现了减人增效的目的，提高了劳动生产率，同时也减少了人为误操作的可能。1.2 变电所自动化监控系统发展概状1.2.1 国外变电站综合自动化概状 国外从七、八十年代就开始进行保护和控制综合自动化系统的新技术开发和试验研究工作。目前，日本日立、德国西门子、瑞士Landis&Gyr等国际著名大型电气公司均开发、生产了变电站综合自动化系统，并取得了较为成熟的运行经验。这些系统的主要特点是:采用分层分布式，由站控级和元件/间隔级组成，在站控级和元件/间隔级的通信采用星形光纤连接，继电保护装置下放到就地，主控制室与各级电压配电装置之间仅有光缆联系，而没有强电控制电缆进入主控制室。这种系统既节约了大量控制电缆，又大大减少了对主控制室内计算机系统及其它电子元器件的干扰，提高了系统的运行水平和安全可靠性。同时，国外变电站综合自动化系统发展迅速，制造商很多。为了避免各自为政造成不良后果，同时也为了便于这门新技术能够得到迅速发展和更广泛地应用。许多国际性组织和权威机构都制定了系统的技术规范和标准。1.2.2 国内变电站综合自动化系统概状我国变电站综合自动化的研究工作开始于80年代中期。1987年，清华大学电机工程系成功我国第一个符合国情的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站成功投入运行。该变电站的综合自动化系统主要由三台微机组成，分成三个子系统，担负了变电站安全监控、微机保护、电压无功控制、中央信号等全部任务。1988年通过技术鉴定，填补了国内一项空白，并达到了国际80年代先进水平。它的运行结果表明:微机技术可以全面、系统、可靠地应用于变电站的自动化工程中，同时也证明了变电站综合自动化对提高变电站的运行、管理水平及技术水平、缩小占地面积、减少值班员抄表、记录以及减少维修工作量等方面有显著的优越性。它的运行成功，也证明了中国完全可以自行研究、制造出符合国情的综合自动化系统。因此，80年代后期，变电站综合自动化已成为热门话题，研究单位和产品雨后春笋般地蓬勃发展起来。规模比较大的有南瑞公司、四方公司等。当前，我国在变电站综合自动化技术领域上主要存有两种技术观点。第一种观点认为:变电站综合自动化系统主要考虑“四遥量”的采集，以点为对像，面向“功能设计”，故变电站综合自动化系统应以传统的RTU装置或在其基础上发展起来的数据采集装置、主控单元、遥控执行等装置组成的监控为基础组成。它与微机保护的联系只要通过装置上的串行口收集信息即可，并且特别强调保护的独立性，即两者不能有任何硬件上的融合。这种观点曾一度流行。而第二种技术观点认为:综合自动化技术是以先进可靠的微机保护为核心，以成熟可靠的网络通信技术将测量控制与继电保护融为一体，共享数据资源，并十分强调系统的总体结构优化以及系统的可靠性。系统是以对应的一次设备为对象，面向“对象设计”。当然，它也强调保护的相对独立性，主张在决不降低保护可靠性和功能的前提下，目前至少可以在低压上采用保护与测控合一的综合装置。该技术观点是在微机保护技术逐步成熟并向网络化发展的基础上形成的。随着技术的发展和按这一新思想设计的变电站综合自动化系统的成功投运，并且这种技术观点与国际上先进的设计思想及推出的高品质系统如出一脉。因而，第二种技术观点正逐步成为大家的共识，也成为目前综合自动化技术发展的趋势和潮流。变电站综合自动化系统的研究和生产工作之所以引起这么多的科技工作者和生产厂家的注意，根本原因在于变电站实现综合自动化，能够全面提高变电站的技术水平，提高变电站运行的可靠性和管理水平。近几年来，大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展给变电站综合自动化技术水平的提高注入了新的活力。新的单片机及微处理器的问世，活跃了计算机市场;网络技术、现场总线等的出现，给广大科技工作者创造了大显才能的条件。因此，近几年来研究变电站综合自动化进入了高潮，其功功能和性能也在不断地完善。变电站综合自动化将成为今后新建变电站的主导技术。2 变电所微机监控系统远端设备设计的基础知识2.1 对远端设备的功能要求由于变电所的特点和实际需要，本监测系统远端设备的设计应具有以下主要的功能：1. 完成对模拟量（电压、电流、相位差）的采集和开关量的检测；2. 能够通过通信接口将运行状态和数据发送给主站，接收主机发送的命令，进行相应参数设置或控制,并对各路供电系统进行电流保护,速断保护和接地保护并可以对各路电流电压及功率进行测量,在事故掉闸时可以发出警告信号.鉴于以上考虑，本设计采用了87C552单片机作为下位机，使控制系统的设计尽量简单化，操作尽量简便。远端设备（87C552单片机）安装在变电所内，每路安装一台，采用相同方式编程，通过地址译码器选择其中一路。2.2 远端设备的硬件电路基础知识2.2.1 87c552简介87C552 单片8 位微控制器采用先进的CMO工艺制造，是80C51微控制器家族的派生品。其指令集与80C51指令集完全相同。87C552 包含8K*8非易失性EPROM、256 字节RAM、5个8位I/O口、2个16位定时/计数器（与80C51定时器相同）、一个附加的16 位定时器（具有捕获和比较锁存）、一个15中断源-4中断优先级的可嵌套中断结构、一个8输入通道的ADC、一个双DAC脉宽调制（PWM）接口、两个串行I/O口（UART和I2C）、一个看门狗定时器和一个片内振荡器和时序电路。另外87C552还具有两个可由软件进行选择的低功耗模式 、空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但允许RAM、定时器、串行口和中断系统继续工作。可以通过软件选择是否在空闲模式下对ADC进行操作。掉电模式可保存RAM 的内容，但使振荡器停止，这样所有其它片内功能都被禁止。在不丢失用户数据的情况下，时钟可停止工作，也可从时钟停止处恢复执行程序。1. 特性 80C51 中央处理单元 8K 字节内部程序存储器，可外部扩展到64K 字节 256 字节片内数据RAM。可外部扩展到64K 字节 3 个16 位定时/计数器T0，T1（标准80C51）和附加的T2(捕获&比较) 带8 路模拟输入的10 位ADC 快速8 位ADC 选项 2 个8 位分辨率的脉宽调制输出 PWM 5 个8 位I/O 口加上一个与模拟输入复用的8 位输入口 带字节方式主和从功能的I2C总线串行I/O 口 片内看门狗定时器 宽温度范围 全静态操作 016MHz 操作电压范围：2.75.5V （016MHz） 保密位 -OTP 3 位 64 字节加密阵列 4 个中断优先级 15 个中断源 全双工增强型UART - 帧错误检测 - 自动地址识别 电源控制模式 时钟可停止和恢复 空闲模式 掉电模式 空闲模式中ADC 有效 双DPTR 可禁止ALE 实现低EMI 可编程I/O 口 准双向 推挽 高阻和开漏 掉电模式可通过外部中断唤醒 软件复位 AUXR1.5 复位脚低有效 上电检测复位 Once 模式 2.87C552的各引脚功能图2-1 87C552各引脚图引脚功能介绍： 1：VDD数字电路电源：+5V供电引脚2：STADC 输入A/D转换信号3： 脉冲宽度调制04： 脉冲宽度调制15： 监视定时起开放引脚6：P0.0-P0.7 P0口 是一位8位漏极开路的双向I/O口7：P2.0-P2.7 P2口准8位I/O口8：P1.0-P1.7 8位I/O口，下面介绍第二功能P1.0-P1.3定时器T2捕捉输入信号P1.4定时器输入事件信号P1.5 定时器外部复位信号，上升沿有效P1.6 串行口时钟线I2C总线P1.7串行口数据线I2C总线9： P3.0-P3.7 第二功能：P3.0 RxDP3.1 TxDP3.2 INT0P3.3 INT1P3.4 T0P3.5 T1P3.6 WRP3.7 RD10：P4.0-P4.7 准8位双向I/O口11： P5.0-P5.7 模拟量的输入，仅仅做输入口用12：RST 复位13：XTAL1 内部反向放大器输入14：XTAL2 内部反向放大器输出15：Vss 数字地16：PSEN 外部程序存储器读允许17：ALE 地址锁存信号，高电平有效18 E A EA=1 从内部读取数据，片内访问程序存储器19：Avref- A/D转换参考电压：低端20：Avref+ A/D转换参考电压：高端21：Avss 模拟地22：AVDD 模拟电路电源2.2.2 定时器T2介绍定时器2 是一个16 位定时/计数器。其中包括两个寄存器TMH2 （高字节）和TML2（低字节）。它可通过一个预分频器关闭或由下列两个时钟源之一驱动：fclk/6 或一个外部信号。当定时器T2 配置为计数器时，预分频器由T2（P1.4）脚上的外部信号提供时钟。T2 的上升沿使预分频器加一，最大的重复速率为每 机器周期一个计数（12MHz 振荡器时为1MHz）。定时器T2 的最大重复速率是定时器0 和1 的两倍。T2（P1.4）在每个机器周期的S2P1和S5P1采样（即每个机器周期两次采样）。当T2 在一次采样时为低而下一次采样时为高，则检测到一个上升沿。为了确保检测到上升沿，输入信号必须至少保持1/2 周期低电平然后至少保持1/2 周期高电平。如果在S2P1 结束前检测到上升沿，定时器将在下个周期加一。否则将在一个周期之后增加。 预分频器具有可编程的分频系数1，2，4 或8，如果分频系数或输入源改变或定时/计数器复位，则清零。定时器T2可在运行中读出，但不具有额外的读锁存。必须执行软件上的预防措施以避免在读取T2时因为低到高字节溢出所造成的错误判断。定时器T2 不可装载，由RST 信号或输入信号RT2（如果使能）的上升沿复位。RT2 通过置位T2ER(TM2CON.5)使能。2.2.3 定时器T2控制器TM2CON定标器三位开关的切换、外部复位信号的开闭与16位溢出中断的选择和定标器分频因子的确定问题，直接受控与T2工作控制寄存器TM2CON。定时器的复位有三种方法：1.复位引脚RST上的有效信号使87C552复位；2.在外部复位信号T2ER的设置1的情况下，把RT2拉成高电平3.使87C552进入空闲方式。 图2-2 T2控制寄存器（TM2CON）2.2.4 捕获逻辑与定时器T2连接的4个捕获寄存器分别是：CT0,CT1,CT2 和CT3。这些寄存器装载定时器T2的内容并在接收到输入信号CT0I,CT1I,CT2I 和CT3I 时请求一个中断。4个中断标志都位于定时器T2 中断寄存器（TM2IR）。如果不要求捕获功能，这些输入可看作是附加的外部中断输入。 使用捕获寄存器CTCON（见图2-3）时，这些输入可在上升沿、下降沿或上升及下降沿进行捕获。输入信号在每个周期S1P被采样。当检测到所选择的边沿，T2 定时器的内容在周期结束时被捕获。 图2-3 捕获控制寄存器（CTCON）2.2.5 串行口的工作方式串行口的工作方式有主控发送器方式、主控接收器方式、从控发送器方式、从控接收器方式四种工作方式。87C552有6个8位端口。每个端口都有锁存器、输入缓冲器以及输出驱动器（P5口没有）构成。其中P0-P3四个端口和80C51芯片上的同名端口几乎完全相同，只是87C552P1口增加了第二功能。P4口的并行输入输出和P1、P2、P3相同，但是P5口只做模拟量的输入口用，不能用做输出口，如图2-4仅仅表示了P5口的示意图。P5口可以用来向片内A/D转换器输入8路模拟信号，本设计用三路。不做ADC时可以输入数字信号。当P5口做模拟和数字混合输入时，应该注意串扰失真问题。使之最大不超过-60dB。图2-4 P5口锁存器和I/O缓冲器2.2.6 A/D转换模拟输入电路包括一个8 输入模拟多路复用器和一个10位标准二进制逐次逼近式ADC。A/D 还可通过置位ADC8（AUXR1.7）配置成快速转换的8位模式8位结果保存在ADCH寄存器中。模拟参考电压和模拟电源通过单独的输入脚连接。对于10 位精度，转换需要50个机器周期，即37.5s16MHz。对于8位精度，转换需要24个机器周期，输入电压范围为0+5V。由于内部DAC 带有一个比例分压计，在转换器特性中没有间断。图2-5 所示为模拟输入电路的功能框图。图2-5 模拟输入电路功能图ADC 包含一个DAC 将逐次逼近寄存器值转换成电压VDAC与模拟输入电压Vin比较。比较器输出反馈到逐次逼近控制逻辑，该控制逻辑对逐次逼近寄存器进行 控制。通过置位ADCON 中的ADCS 位启动转换。ADCS 可以只由软件置位或通过硬件或软件置位。当控制位ADCON.5(ADEX)=0时，选择只由软件启动模式。通过置位控制位ADCON.3(ADCS)启动转换。当ADCON.5(ADEX)=1时，选择硬件或软件启动模式。这时可通过置位控制位ADCON.3 或外部管脚STADC 的上升沿启动转换 当转换通过上升沿启动时 STADC 脚的低电平至少需要保持一个机器周期，之后至少保持一个机器周期的高电平。STADC的上升沿在机器周期结束时被识别，而转换在下个机器周期的开始启动。如果转换是由软件启动的，那么A/D 转换会在置位ADC 指令的下一个机器周期的开始启动。ADCS实际上通过两个触发器实现：一个由置位操作所影响的命令触发器和一个通过读操作访问的状态标志。接下来的两个机器周期用于初始化转换器。在第一个周期的结束，ADCS 状态标志置位，如果在转换过程中读取ADCS 将返回1。在第二个周期的结束开始对模拟输入进行采样。在接下来的8个周期中，对之前选择的P5口管脚的电压进行采样，输入电压应当保持稳定以获得有用的采样。在任何情况下，输入电压的变化率必须小于10V/ms 以防止出现一个不确定的值。逐次逼近控制逻辑首先置位逐次逼近寄存器的最高位并清除其它位（10 0000 0000B）。DAC 的输出（满度的50%）与输入电压VIN 进行比较。如果输入电压大于VDAC，那么最高位保持置位，否则被清零。逐次逼近逻辑开始置位次高位（根据之前的结果取值11 0000 0000B 或01 0000 0000B），VDAC再次与VIN进行比较。如果输入电压大于VDAC，那么被测试的位保持置位，否则清零。该过程一直重复到 10个位都完成测试，此时转换的结果保存在逐次逼近寄存器中。图2-6 所示为转换的流程图。位指针识别被测试的位。每个位的转换需要4个机器周期。 10位转换的完成通过控制位ADCON.4(ADCI)指示。高8位结果保存在寄存器ADCH。剩下2位保存在ADCON.7(ADC.1)和ADCON.6(ADC.0)中。用户可忽略ADCON 中最低两位，将ADC 作为一个8 位转换器（ADCH 中的8位）。在任何情况下，整个实际转换的时间为50个机器周期。在命令触发器（ADCS）置位的50（或24）个周期之后ADCI将置位而ADCS 状态标志将复位。 控制位ADCON.0,ADCON.1和ADCON.2用于控制一个模拟多路复用器以选择8 个模拟输入通道之一。正在处理中的ADC 转换不会被外部或软件ADC启动所影响。已完成的转换结果在ADCI=1时保持不变。当进入空闲或掉电模式时，正在处理的ADC转换中止。当进入空闲模式时，已完成的转换结果（ADCI=1）保持不变。图2-6 A/D转换流程图2.2.7 87C552中断系统87C552有15个中断源，其中两个外部中断（和）、定时器0与定时器1溢出中断（TF0和TF1）以及串行口中断（RI和TI）等五个中断是与80C51共同的。在87C552中新增加的T2定时器有8个中断，其中比较中断3个、输入捕获4个、溢出中断1个。它们分别由CMI0-CMI2、CTI0-CTI3以及T2OV或T2BO等9个标志产生。注意：这9个中断在中断响应过程中不是由硬件自动清0的，所以必须在中断服务子程序中用软件清0，以免再次引起中断。中断可以由软件产生也可以由软件撤消。中断向量：即为中断服务子程序的入口地址，安排在内存单元中。1.中断标志寄存器TM2IR与定时器2有关的中断标志有9个:8位益出中断标志T2BO,16位益出中断标志T2OV,四个输入捕获标志CTI0CTI3和三个比较匹配中断标志CMI0CMI3。中断标志寄存器TM2IR如图2-7所示。 图2-7 中断控制寄存器TM2IR2.中断优先级寄存器IP1: 中断优先级寄存器IP1为8Xc552所专有,也是56个特殊功能寄存器SFR中的一个,若PCT3PCT0设定为0,则T2捕捉3T2捕捉0被定义为低优先级,否则为高优先级。具体定义见图2-8所示。 图2-8 中断优先级寄存器IP13中断允许寄存器: 中断允许寄存器IEN1为8Xc552所专有,其定义见图2-9所示。 图2-9 中断允许寄存器3 变电所监控的硬件设计3.1 系统组成采用87C552单片机作为主机，由于它内部含有8KEPROM和256字节的RAM，下位机采集的数据只要暂存缓冲区，所以外部不需要扩展，充分利用87C552端口功能，外部无需进行再扩展并行口；外接声光报警电路、继电器输出电路、键盘电路、显示电路等。3.2 系统硬件电路设计本系统每一路为一个单元，每一个单元都用一个单片机（87C552）来进行设计。其中每一个单元都包括以下电路：电压、电流互感器；监测电路；光电隔离电路；单片机监控单元；LED显示电路；声光报警电路；键盘电路；485串口；驱动中间继电器单元；中间继电器；分合闸控制单元；本安变压器；+15v直流稳压电源；+5v直流稳压电源；电源变压器等。下面分别介绍各个电路的电路原理。3.2.1 +15V和+5V直流电路图图3-1 +5V直流电源电路图图3-2 +15V直流电源电路图作用：这两个就是典型的整流电路。组成：桥式整流；两个稳压集成块（7805稳压5v，7815稳压15v）。如图3-1和3-2所示。电路介绍：这两个稳压电路均采用，三端固定式正输出集成稳压器W7800系列，这个稳压器有三个管脚（输入端，输出端和公共端）,具有使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，现已基本上代替了原有分立元件组成的稳压电路。与稳压器输入端并联的电容的作用是抵消其电感效应以防止产生自激振荡；与输出端并联的电容的作用是削弱电路的高频噪声。使用不同的稳压器件，可以得到与之相对应的不同的稳定的电压。3.2.2 声光报警电路作用：当整个电路系统发生危险故障时，可以及时的发出报警信号，通知管理人员进行相关的维护。电路图见图3-4所示。图3-3声光报警电路组成：四个与非门；一个发光二级管；一个扬声器，三个三极管。电路介绍：和发光二极管串联的三极管的作用是相当于一个开关，当有信号加到该三极管上时三极管处于饱和导通状态相当于开关闭合。从而使得发光二极管发光。下面两个耦合的三极管的作用是把从单片机里发出的信号进行放大然后用来推动扬声器发出声音。此电路图的信号输入是开关量信号输入，如图3-5所示：图3-4 开关量信号3.2.3 相位差监测电路作用：是用来监测相电压、相电流之间的相位关系。组成：两个变压器；两个光电耦合器；两个运算放大器；四个二极管和若干个电阻组成。电路图见图3-6所示。 图3-5 相位差监测电路电路介绍:两个变压器用来从a相电路中进行取样，其中在检测电流的变压器的原端要并联一个电阻，这样在二次侧所测得的波形图，就是反映电流真实相位的波形图。然后把检测到的电压和电流用运算放大器进行放大。最后通过光电耦合的办法把信号输送到单片机的P1.1和P1.0两个端口上。3.2.4 电流、及、电压监测电路图作用：用来监测a、o、c相的电压值和a、o、c相的电流值。组成：四个变压器；四个桥式整流单元和若干个电阻。电路描述：在变压器原端并联有电阻的都是用来检测该相电流用的,通过变压器二次侧单相桥式整流，再经电解电容进行低通滤波从而把检测的值送到P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、 P5.4和P5.5口。用来对、相的电压和、 相的电流进行监测。电路图见3-7所示: 图3-6 相电流相电压监测电路3.3.5 功率因素的角检测方法短路是电力系统故障的基本形式，对称三相系统可以取一相进行分析，检测功率因数角可以区分大小相同的短路电流和起动电流，由于电网的功率因数角为电网相电压与相电流的相位角。图中用电压互感器取电压信号，用电流互感器取电流信号。两个信号和分别进入两个电压比较器，比较器的输出为矩形脉冲U1和U2，由于比较器的灵敏度很高，矩形脉冲上升沿仅仅决定于输入信号由负变正这一过零点时刻，从而避免了因输入信号波形畸变所带来的误差。两比较器输出的脉冲信号U1和U2经光电偶合隔离后加到异或门的输入端。Ul和U2经过异或门处理后形成一个合成脉冲U3，合成脉冲U3的脉宽正好等于电压和电流的相位差。换句话说U3脉宽所对应的电角度即等于功率因数角，可用下式表示: = ()/T * 2 (弧度)其中、分别为电网相电压和相电流由负变正这一过零点时刻的相位角;T为电网相电压与相电流的周期;检测输出信号分别接到87c552的P1.0 和P1.1 引脚上，即T2捕捉0输入线和 T2捕捉1输入线.设定P1.0 引脚上为上升沿捕捉，P1.1 引脚上为下降沿捕捉。只要将CT1和CT0中所储存的时间值相减即可得合成脉冲U3的时间。为了防止外部干扰信号对测量结果的影响，提高测量的准确性,对合成脉冲U3的时间值测量10次，然后将10次的测量结果取平均值作为测量的最后结果。测量的结果只是合成脉冲U3的时间(单位us)要得到电角度还必须经过中间转换。单片机主频若选用12MHZ，则U3脉冲的电角度为:= (电角度)系统电压经过传感器和波形变换后得到周期为2的方波信号，同样电流经过传感器和波形变换也是周期为2的方波信号，只是电流方波滞后于电压方波，滞后角度为，这就是功率因数角。电压、电流方波经异或门逻辑处理，然后再经光电耦合，得到周期为的脉冲序列，脉冲宽度即为要检测的功率因数角。检测时，查功率因数表即可得到当时的功率因数。3.2.6 继电器输出电路此电路的信号输出是开关信号输出，包括跳闸信号和报警信号，由于单片机的负载能力有限，跳闸驱动继电器工作于+15V直流电源。为防止较高电压影响单片机正常工作甚至损坏单片机几及阻止由外部长输送线上来的干扰信号进入单片机，需经光电耦合隔离及驱动电路来接通负载电路。电路图如3-8所示。 图3-7 继电器输出电路3.2.7 LED显示与键盘电路由87C552的P0口、P2口、6只LED组成的显示电路见3-9所示。LED选用共阴极的六段显示器，并采用动态显示原理，即由低位到高位一位一位的显示。对于每路显示器来说，每隔一段时间就显示一次。因此，控制显示器的公共阴极电位的I/O口只要一个，现在选用P2口（称为扫描口），即用P2口作为输出口，即P2口输出位选码。位选码为0的是被选中的位码。8位二进制代码中，每次只有一位是被选中的，此外，控制显示器的字形也需要一个I/O端口，选用P0口。P0 口的输出和LED相连接，完成“段选”功能。P0 口为段选数据口。如果P0.1=1，则位悬码为0的位二极管发光，反之，则不光。这样P0口的段选码和P2 口的位选相互配合使用，完成显示电路功能。图3-8 LED显示电路键盘电路有87C552的P4口和2X2矩阵结构形式的4只键组成。0号键是地址指针加1键；1号键是内容加1键；2号键是执行键；3号键是退出键。键盘电路如图3-10所示 图3-9 键盘电路3.2.8 时钟电路 图3-10 时钟电路 图 3-11 复位电路如图3-11 所示是利用外接石英晶体和微调电容产生CPU工作时钟的接线图。XTAL1是片内振荡电路反相放大器输入端，XTAL2片内振荡电路反相放大器输出端。XTAL1 和XTAL2引脚通过外接反馈一个石英晶体（频率范围为1.212MHZ）和微调电容（30pF左右）产生系统工作所需要的基本振荡信号。3.2.9 复位电路如图3-12 所示是利用手动按键进行复位的电路图。图中电阻和电容能够完成按键复位。高电平，系统复位，而按键S松开后端电压下降，RST降为低电平时系统开始工作。3.3 远端智能控制单元的工作原理其工作结构图如图3-13 所示，供电系统的各种电气参数进入微机监控系统时，通常要先通过电量变送器把各种交流电气参数转变为统一的直流参数，再经过计算机的转换后，把这些直流参数转换为二进制数便被计算机采集获得 ，在计算机内经软件计算便可得到各种实时的电气参数，用于显示、打印、存储及分析等使用。图3-12 远端智能控制单元结构图4 变电所监控软件设计4.1 片内RAM区分配表4-1 片内RAM区分配表00HR00组寄存器20HIO状态40H高位显示缓冲区60H效验和另发01HR121H定时计数器41H61H%02HR222H42H62H堆栈区03HR323H43H63H04HR424H44H64H05HR525H45H低位65H06HR626H46H%接收缓冲区66H07HR727H4H地址67H08HR01组寄存器28H48H命令68H09HR129H49H参数69H0AHR22AH4AH参数6AH0BHR32BH4BH校验和6BH0CHR42CH4CHODH6CH0DHR52DH4DH6DH0EHR62EH4EH6EH0FHR72FH4FH地址发送缓冲区6FH10HR02组寄存器30H相位差值缓冲区50HIAH70H过压H动作参数及变压比和变流比11HR131H51HIAL71H过压L12HR232H52HICH72H欠压H13HR333H53HICL73H欠压L14HR434H54HUAH74H过载H15HR535H55HUAL75H过载L16HR636H56HUCH76H过流H17HR737H57HUCL77H过流L18HR03组寄存器38H58HI0H78H短路H19HR139H59HI0L79H短路L1AHR23AH5AHU0H7AHBYH1BHR33BH5BHU0L7BHBYL1CHR43CH5CHXIH7CHBLH1DHR53DH5DHXIL7DHBLL1EHR63EH5EHIO状态7EH单元地址1FHR73FH显示地址指针5FH7FH4.2 变电所监控软件设计思路远端智能控制单元的程序为汇编语言控制程序，系统人机界面友好而直观，而且具有一定的灵活性，如果系统需要扩充，只需对软件部分稍作修改，硬件部分增加相应分站的控制系统即可，不必对原系统作大的改动，结构简单、功能齐全,运行可靠。系统软件设计采用模块化结构，整个程序由主循环，设置初试参数子程序，显示子程序，键盘子程序，T0中断子程序，电压、电流模拟监测子程序，相位差监测子程序等程序组成，在主循环中调用各子程序。在键盘子程序中调用了显示子程序和判键是否闭合子程序；在电压、电流模拟参数监测子程序中调用了右移6位子程序，标度变换子程序和比较子程序；在标度变换子程序中又调用了乘法子程序，除法子程序和将二进制转换为BCD码子程序。还有串口中断输入服务子程序，其中调用了回送数据子程序，存放过压动作值子程序，存放欠压动作值子程序，存放过载动作值子程序，存放过流动作值子程序，存放短路动作值子程序，存放零序电流异常动作值子程序，存放变流比子程序，存放变压比子程序。4.3 变电所监控软件流程图4.3.1 主程序流程图图4-1主程序软件流程图4.3.2 6位显示子程序和相位监测子程序流程图 图4-2 6位显示子程序 图4-3 相位监测子程序4.3.3 键盘子程序流程图图4-4 键盘子程序4.3.4 0号