基于C8051F120单片机自动重合闸系统的设计与实现

张 毅，李建伟

（长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011）

在电力系统故障中，输电线故障约占电力故障的90%，而瞬时性故障高达90%。所谓瞬时性故障，一般是由外部自然环境引起的线路短路，使得断路器断开，此时线路的绝缘性能恢复从而使这些短路情况通过线路重合闸解决。因此自动重合闸系统（ARC）可以提高用电系统的分断和过流能力，保证对用户的供电连续性和供电质量。

如果线路发生永久性故障，自动重合闸装置发出重合闸的动作后故障并没有得到彻底的解决。出于继电保护断路器会再次断开，一般来说，重合闸时间越快效果越好，最短间隔时间为0.15～0.5秒，这时应在查明故障原因并排除故障后继续送电。

基于此，本研究设计了以C8051F120单片机为核心的自动重合闸系统，该系统利用了C8051F120硬件设计的高效性、便利性，仅由电源模块、键盘/显示模块、控制断路器模块、信息存储模块等构成。在设计过程中，系统的实时性、安全性、稳定性和可移植性成为设计该系统首要考虑的问题。通过反复试验，证明了本系统具有适应性强、开放性好、功耗低、传输实时和稳定等一系列优点。

1 总体设计

该测试系统结构图如图1所示，电源部分需给系统供5 V和3.3 V电源。系统在上电之后主控制器先从外部存储器中读取参数，再检测总回路开关状态和手动操作回路状态。如果断路器发生跳闸现象，当合闸的次数小于允许重合闸次数设定值时，单片机向断路器发出重合闸信号；当合闸的次数是否大于允许重合闸次数设定值时，可视为永久性故障。液晶显示模块实时显示当前系统的状态。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

系统硬件主要由电源电路、信息存储电路、键盘电路与液晶显示电路、继电器控制电路等组成。电源电路设计以LM2576和AMS1117为核心，为系统提供5 V和3.3 V电源；信息存储电路设计以AT24C512为核心，用来存储系统设定参数，如重合闸次数、延时时间和闭锁时间等；键盘电路主要功能是菜单的选择和参数的输入；液晶显示电路用于显示当前系统的状态。

2.1 电源电路设计

本系统供电电源有3.3 V和5 V两种，其中3.3 V电源是以AMS1117为核心设计的，5 V电源是以LM2576为核心设计的，具体的设计电路如图2和3所示。

图2 直流5V电源电路图

图3 直流3.3V电源电路图

2.2 信息存储电路设计

本系统的外部存储器是AT24C512，设计电路图如图4所示。

图4 外部存储器是AT24C512电路图

2.3 断路器控制电路设计

本系统的断路器控制电路的设计如图5所示。

图5 断路器控制电路图

3 系统软件设计

3.1 系统总体设计

系统总体软件设计主要由五个模块组成，主要包括：初始化模块、延时函数模块、液晶显示模块、键盘扫描模块、外部存储器驱动模块。原理框图如图6所示。

图6 系统原理框图

3.2 主函数的设计

系统主函数的总体设计思路如图7所示，从流程图上可知系统功能如下：

（1）系统上电后首先判断断路器手动合闸状态，若为断开状态进入“线路未投运界面”，若为闭合状态则进入主回路状态的判断；

（2）主回路若为闭合状态，则需要进一步判断是否该状态是否是合闸操作后的状态。主回路若为断开状态，则需进一步判断重合闸的次数；

（3）重合闸的次数若小于设定值，则进行重合闸动作，反之，显示重合失败界面。

图7 主函数流程图

3.3 中断服务子程序的设计

本系统的外部中断服务子程序主要功能是设置菜单的参数，设计流程图如图8所示，

图8 中断服务子程序流程图

4 系统调试

自动重合闸系统在初始化完成之后如图9所示，通过输入“菜单”键、“UP”键、“DOWN”键和“菜单”键可以操作本系统。通过“UP”键和“DOWN”键可以选择菜单，箭头移动到相应位置后按“确认”键可以进入二级菜单设置参数。部分测试显示如图10所示。

图9 系统正常运行

图10 部分测试界面

5 结论

该测试系统采用具有高速数据采集的C8051F120单片机为主要的硬件平台，利用这一平台将采集到的数据进行分析，并可通过按键设置相应参数后进行重合闸操作。该系统使用12864做显示、用键盘做输入，提高了系统的可靠性。该系统经过接断路器反复测试，表明该系统具有测试准确、实时性强、稳定可靠、人机界面友好等特点，达到了设计要求。