通過(guò)采用單片機(jī)P89C591和CAN總線實(shí)現(xiàn)變電站變送器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)基本上進(jìn)入大電網(wǎng)、大電廠、大機(jī)組、高電壓輸電、高度自動(dòng)控制的新時(shí)代，用電負(fù)荷增長(zhǎng)速度快，超高電壓輸電網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)建，電壓等級(jí)越來(lái)越高。各地的變電站建設(shè)與管理顯得尤為重要，在此背景下，變電站的集中控制技術(shù)得到大力推廣。它要求變電站能夠向集中控制系統(tǒng)傳送足夠的信息，要求變電站的保護(hù)定值和控制裝置的整定能夠在集中控制系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定，要求各類保護(hù)能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)和匹配。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)變電站變送器，它在功能上支持靈活的處理數(shù)據(jù)，能夠可靠地與設(shè)備進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)可靠地傳給集中控制系統(tǒng)。

變電站變送器主要是用于電網(wǎng)中箱式變電站以及更高電壓等級(jí)的變電站中，以滿足對(duì)變電站監(jiān)測(cè)、控制和通訊的需要。該裝置主要監(jiān)測(cè)變壓器高低壓側(cè)電流與電壓、頻率及開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，計(jì)算有功功率、無(wú)功功率、有功電量、無(wú)功電量，分析電能質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)電能數(shù)據(jù)等，結(jié)合變電站的綜合保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、零序電壓保護(hù)等。并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果通過(guò)CAN（控制器局域網(wǎng)）總線傳送到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CAN總線將各個(gè)變電站的變送器組成通信網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的集中控制。微控制器采用帶有CAN控制器的單片機(jī)P89C591。P89C591是由NXP開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的，適用于自動(dòng)和通用工業(yè)應(yīng)用的8位高性能微控制器。它自帶有6路模擬輸入的10位ADC，2個(gè)8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出，帶有CAN控制器，在應(yīng)用時(shí)可以省去CAN控制器 PCA82C200或SJA1000，減少了電路連接。其硬件連接框圖如圖2所示。本設(shè)計(jì)中采用X5045作為系統(tǒng)上電復(fù)位、電源監(jiān)控和看門狗電路，可以大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾能力;采用集成數(shù)字溫濕度傳感器LTM8901采集變電站內(nèi)部的溫度和濕度;鍵盤管理芯片采用ZLG7289B，液晶顯示采用LM3033B-0BR3芯片;光電隔離采用GH140Z。

模擬量輸入電路

P89C591的模擬輸入電路包括一個(gè)6輸入模擬多路復(fù)用器和一個(gè)10位標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制逐次逼近式ADC。A/D還可通過(guò)置位ADC8（AUXR1.7）配置成快速轉(zhuǎn)換的8位模式。8位結(jié)果保存在ADCH寄存器中。模擬參考電壓和模擬電源通過(guò)單獨(dú)的輸入引腳連接。對(duì)于10位精度，轉(zhuǎn)換需要50個(gè)機(jī)器周期，當(dāng)晶振為12MHz時(shí)為25μs。對(duì)于8位精度，轉(zhuǎn)換需要24個(gè)機(jī)器周期。輸入電壓范圍為0“+5V。系統(tǒng)的測(cè)量量是變電站二次側(cè)的電壓量和電流量，取自于電壓互感器和電流互感器的輸出端，其數(shù)值一般不能直接滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，需要經(jīng)過(guò)電量變換電路轉(zhuǎn)換成滿足A/D轉(zhuǎn)換要求的數(shù)值。滿足要求的模擬量經(jīng)過(guò)低通濾波器以后可以直接連接到P89C591的P1.2”P1.7上，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要由P89C591的內(nèi)部CAN控制器和CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250組成。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，P89C591芯片的CTX0和CRX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而設(shè)計(jì)為通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電器隔離。光耦部分電路所采用的2個(gè)電源完全隔離，這樣可以提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，其電路連接如圖3所示。

開(kāi)關(guān)量輸入/輸出

開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)在變電站中擔(dān)負(fù)著各種保護(hù)裝置的出口跳閘、信號(hào)報(bào)警、外部接點(diǎn)輸入能功能。它主要由光電隔離器件和中間繼電器組成，在此不再贅述。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能子塊獨(dú)立，方便調(diào)試。系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。從圖中可以看出，整個(gè)軟件在結(jié)構(gòu)上分為主程序、鍵盤程序、數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、CAN總線通信程序以及輸出控制程序。主程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊的初始化，然后進(jìn)入中斷等待。鍵盤程序主要任務(wù)是判斷被按下鍵的鍵值，然后根據(jù)鍵值去執(zhí)行相應(yīng)的程序。數(shù)據(jù)采集程序主要是定時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并將結(jié)果保存到單片機(jī)中，然后調(diào)用顯示程序?qū)⒔Y(jié)果顯示，調(diào)用CAN總線通信程序?qū)⒔Y(jié)果通過(guò)CAN總線上傳給主控制機(jī)。

結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)以P89C591為核心控制器，以CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)仿真測(cè)試表明，各模擬量的測(cè)量誤差不超過(guò)額定值的±1%，功率測(cè)量誤差不超過(guò)額定值的±2%，開(kāi)關(guān)量輸入電壓（DC24V），分辨率不大于5ms，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并且結(jié)合變電站的綜合保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行的自動(dòng)控制。利用CAN總線將檢測(cè)結(jié)果傳送到集中控制系統(tǒng)中去，在集中控制室可以監(jiān)控各個(gè)變電站的運(yùn)行情況，并可以修改變電站的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的遠(yuǎn)程控制。