基于LPC1763的二次电缆对芯器的研制

鲁统贺 王冲

摘要：针对变电站新建或设备检修过程中二次电缆对芯时间过长、对芯过程繁琐、甚至接错等问题，研制专用的便携式智能对芯器。对芯器由远端机器和本端机器两部分组成，两部分均内置35.5WH锂电池和配套专用充放电保护电路为对芯器提供工作电源，核心处理器均为LPC1763。

关键词：二次电缆；对芯器；LPC1763；线芯；电网检修

中图分类号： TN91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

随着用户负荷的增长和坚强智能电网发展的要求，对停电时间及电网可靠性要求也来越高。目前，变电站设备改造或新建工程越来越多，这些工程往往需要停电施工，其中二次电缆敷设对芯工作在改造过程中占用很大一部分工期。传统的二次电缆对芯步骤比较繁琐、费时、易出错，这也给电网安全稳定运行带来了隐患。

1 对芯功能理论分析

单片机实现的对芯功能需要将端口设置为GPIO模式。因此需要考虑到线芯的电阻损耗以及单片机接口数量的问题。常用二次电缆线芯最多19芯，市场上常见的单片机的通用输入输出口在24～48个之间，LPC1763接口满足对芯数量要求。单片机端口输出高电平的时候，输出电流I0=1mA；二次电缆线芯材料为纯铜，其电阻率为0.0175Ω.mm2/m.根据电阻计算公式，取二次电缆长度为最大值200m，截面积取最小值1.5mm2，计算得到最大电阻值Rmin为2.3Ω。单片机端口接二次电缆电阻最大时消耗的电压值最大值U=Rmin I0=2.3×10-3V。单片机端口设置为输入口时允许的电压范围为2.9～3.3V。也就是说数字高电平经过二次电缆时所消耗的电压完全可以忽略，接口满足对芯功能要求。

2 硬件系统设计

为了实现对芯功能，需要在电缆两端分别连接对芯装置实现线芯的识别功能。定义电缆近端的机器为本方机，电缆的远方的机器为远方机。为了降低研发成本，本方机与远方机均采用LPC1763。LPC1763是一个通用的32位微处理器，具有高性能和低功耗的特性。封装形式为LFP100，其工作速度最高可达100MHZ，具有70个通用IO管脚，带可配置的上拉/下拉电阻，能够满足所有二次电缆型号的对芯要求。

电源系统：电缆对芯工作往往是在无电源的情况下使用的。因此对芯器需要自带电池系统及充放电电路。为了使用方便，将电源设计成+5V接口，并提供可移动式电池供电。用1117芯片得到3.3V电源为单片机正常工作提供电源。

液晶显示电路：选用带字库型LCD12864，根据使用手册可知要想实现液晶显示LCD12864的正常工作，需要为其接口提供电源及电源地、对比度调整电压、背光电源及电源地、读/写、使能、数据/指令、八位数据线共20个引脚。

接口电路：P0.3、P0.4、P0.6、P0.7、P0.8以及P1.10- P1.18、P2.5- P2.9口设置为GPIO口引出接到接线端子上面，由接线端子连接到线夹上面，两端机器的接线端子均从1-20进行编号，其中第20根线接二次电缆的屏蔽线或屏蔽层上作为参考地电平，使用时将线夹接到二次电缆线芯上实现对芯功能。

3 对芯算法设计

假设有m根线芯需要对芯，开机前需要两步准备工作：首先将m转换为8421码并设置拨码开关状态，再将两端机器的接口分别顺序编号，并从1口到m口顺序将线芯固定好。对芯工作开始前首先要实现握手功能，以确定对芯器两端机器均已连接。握手功能：开机后远方机器先根据八位拨片开关状态识别线芯数量为m，在1至m个端口上发送低电平并保持1s等本端机器接收并等待远方机器发送结束后，输入口设置为输出口在1至m个端口上发送低电平保持30ms，远方机器接收到本端的低电平并维持30ms后，认为握手成功可以工作。

对芯算法：远方机器从1号端口到m号端口按序发送信号每个端口高电平持续1s，低电平持续1s，本端机器根据接收到的顺序经过延时（防止变电站高频环境下的干扰造成错误）以后与本端机器端口号对应，并在LCD12864上面显示，远方机器每次对应以后都要判断目前发送的第n个信号是否大于线芯数m，如果大于则认为对芯结束，跳出程序。

4 对芯器试验验证

4.1 试验方法

便携式智能二次电缆对芯器功能测试主要是在35kV马头变电站智能化改造施工过程中进行的，实验环境为真实变电站环境。实验分为两个阶段：第一阶段开机检测对芯器电源输出正常，液晶显示逻辑正确，拨码开关编码数值正确并能够显示；第二阶段采用对芯器试验。主要试验方法描述如下：

第一阶段：测试对芯器输出电源，如果输出为5V再将电源加到电路板上，开机测试开机界面和工作界面正确，改变拨码开关的值能够在界面上正确显示。第二阶段：选择1.5*10的二次电缆，长度为100米，将其敷设在电缆沟内。将其一端用专用线夹连接在便携式智能对芯器远方机的接口上，另一端连接在对芯器本方机器的端口上。远方机一直处于开机状态，本方机在选择好所需对芯的线芯以后开机测试，并将测试结果记录下来。

根据二次电缆线芯数量的不同选择不同的拨码开关状态。在该实验中，拨码开关状态由4依次调整到10。

实验过程中，需要按下翻页键，对芯器开始工作，每屏显示8个结果，共分三屏显示，可由上下翻页键查看。

4.2 试验结果

第一阶段试验测试工作电压平均值为5.1V。显然对芯器的工作电压能够满足单片机运行需要，可以实现长时间的对芯工作，在变电站环境中能够正常工作。

将第二阶段试验测试结果与传统对芯结果一致，而且使用智能二次电缆对芯器以后的对芯工作时间将会大大减少，并且一次性对芯的线芯数量越多，对芯器的优势越明显。

综上可知，便携式智能对芯器具有成本低廉、安全、快捷、灵活的优点，而且缩短的停电检修时间形成的经济效益和社会效益也很可观，真正提高了工作效率，提高了供电可靠性。

参考文献

[1] 国家电网公司运维检修部. 国家电网公司十八项电网重大反事故措施（修订版）[M].北京：中国电力出版社，1996.

[2] 国家电网公司.国家电网公司电力安全工作规程[M].北京：中国电力出版社，1996.

[3] 李瀚荪.电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，1992.

[4] 何立民.单片机应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1990.