電力變壓器有載分接開關(guān)控制器的設(shè)計

劉文勝，庹民紅

（1.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212；2.陸水樞紐管理局，湖北 赤壁 437302）

1 引 言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對電壓質(zhì)量的要求越來越高。由于電力系統(tǒng)在運行過程中，負載的大小是經(jīng)常變化的，而負載的變化會引起系統(tǒng)供電電壓的波動，嚴重時會影響電氣設(shè)備的正常運行，進而影響企業(yè)的生產(chǎn)和人們的日常生活。采用有載分接開關(guān)進行調(diào)壓是方便、有效地控制電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量的方法之一，故在電力變壓器中有載分接開關(guān)被廣泛應(yīng)用。因此，有載分接開關(guān)的動作是否可靠將直接關(guān)系到系統(tǒng)能否安全運行。一種有效的解決辦法是采用控制器去自動控制有載分接開關(guān)的動作。本控制器的設(shè)計即是以MCS51單片機為核心，通過軟件邏輯控制去實現(xiàn)對有載分接開關(guān)的控制和調(diào)節(jié)。

2 有載分接開關(guān)工作原理

有載分接開關(guān)是一種能在勵磁狀態(tài)下變換分接位置的電器裝置。有載分接開關(guān)調(diào)壓的基本原理，是在 繞組中引出若干分接頭后，通過它在不中斷負載電流的情況下，由一個分接頭切換到另一個分接頭，來改變有效匝數(shù)（即改變變壓器的電壓比），從而實現(xiàn)調(diào)壓目的。因此，有載分接開關(guān)在操作過程當中，一要保證負載電流的連續(xù)性；二要在切換分接的動作中具有良好的斷弧性能。有載分接開關(guān)在變換分接頭過程中，必須利用過渡電阻實現(xiàn)過渡，以限制其切換過程中產(chǎn)生的環(huán)流。目前大容量的變壓器通常是采用電阻式組合型有載分接開關(guān)，它主要包括切換開關(guān)、選擇開關(guān)、電動操作結(jié)構(gòu)三大部分。

3 控制器總體設(shè)計

在本設(shè)計中，通過電壓互感器和信號調(diào)理電路經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換把采集的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，然后與設(shè)定的參數(shù)量進行比較，經(jīng)單片機判斷后控制有載分接開關(guān)驅(qū)動機構(gòu)進行相應(yīng)的動作。為了方便用戶，本設(shè)計還采用了開關(guān)位置傳感器與單片機連接，將相應(yīng)的參數(shù)通過MAX485傳遞給遠程計算機并進行顯示，使操作人員能夠知道有載分接開關(guān)當前的檔位位置、電壓實時值、分接開關(guān)動作總次數(shù)等。單片機所控制的液晶顯示器可用于現(xiàn)場設(shè)定電壓基準值、電壓極限值、計算精度、開關(guān)動作間隔時間、采樣速率等。本控制器通過編程方式，用內(nèi)部邏輯關(guān)系代替了實際硬件連接，減少了繼電器的使用數(shù)量，減少了大量的中間連線，避免了許多干擾，其連鎖保護功能也更加完善。單片機實現(xiàn)的主要功能有：對電壓的采樣、計算；對開關(guān)極限位置的檢測；數(shù)據(jù)的存儲；控制有載分接開關(guān)檔位的升降；與液晶顯示器人機界面或遠程計算機進行通訊等。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計框圖

4 控制器硬件設(shè)計

4.1 測量電路

4.1.1 電壓采集電路

用來測量電壓的大小。通過單片機對A／D轉(zhuǎn)換模塊進行編程，把所采集的電壓信號模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后與預(yù)先設(shè)定的電壓基準值進行比較，進而驅(qū)動電機控制有載分接開關(guān)檔位升降。由于變壓器大多工作環(huán)境惡劣，周邊有許多干擾信號，而單片機本身又不帶濾波功能，所以在電壓采集電路的設(shè)計中引入了濾波電路。又由于單片機是直流工作電壓，因此再設(shè)計了整流電路。同時，為了滿足單片機的最高工作電壓，在電壓采集電路中還設(shè)計了限幅電路（采用＋5V的穩(wěn)壓管）對輸出的電壓值進行限定。電壓采集電路如圖2所示。

圖2 電壓采集電路

4.1.2 開關(guān)位置檢測電路

在變壓器運行時，為了幫助工作人員了解、掌握現(xiàn)場情況，應(yīng)提供有載分接開關(guān)當前檔位的位置并進行顯示。當開關(guān)處于最高或最低檔位時，若繼續(xù)向上或向下調(diào)節(jié)有載分接開關(guān)，會導(dǎo)致變壓器分接頭的損壞，因此應(yīng)閉鎖輸出，盡可能避免控制失敗。在本設(shè)計中采用了11個光電耦合電路與單片機相連，通過單片機邏輯控制來判斷有載分接開關(guān)的檔位實際位置，并可通過MAX485通訊接口與上位機相連并進行顯示。電路原理圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)位置檢測電路

4.2 參數(shù)設(shè)置顯示電路

主要實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定及顯示。包括電壓基準值、測量精度、采樣時間、限值電壓等參數(shù)的設(shè)定。設(shè)計中采用LCM12864ZK液晶顯示模塊，通過軟件編程實現(xiàn)邏輯控制。為使操作更加方便，在電路中設(shè)計了4個按鍵開關(guān)，也是通過邏輯控制實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置及大小的調(diào)節(jié)。參數(shù)設(shè)置顯示電路的原理圖如圖4所示。

圖4 液晶顯示電路

圖5 通訊電路原理圖

4.3 通訊電路

用來實現(xiàn)單片機與上位機點對點的通訊?？稍诂F(xiàn)場顯示電壓實時值、有載分接開關(guān)檔位實際位置、有載分接開關(guān)動作總次數(shù)、電壓基準值等參數(shù)，并可進行報警信息的輸出顯示。由于單片機本身不具有RS485通訊接口，所以需要外掛通訊接口來實現(xiàn)通訊功能。通訊電路的原理圖如圖5所示。

5 控制器的軟件設(shè)計

有載分接開關(guān)控制器的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

5.1 初始化子程序

初始化子程序負責(zé)對控制器進行初始化設(shè)置，包括：控制ADC的啟動，系統(tǒng)識別輸入、輸出端口，確定輸出格式等。

5.2 參數(shù)設(shè)定子程序

參數(shù)設(shè)置子程序可通過按鍵開關(guān)和液晶顯示器對電壓基準值、延時時間、采樣時間、采樣精度、報警值等參數(shù)進行設(shè)定。目的是便于將所設(shè)定的參數(shù)與后續(xù)測量的信號進行比較，以實現(xiàn)對開關(guān)的調(diào)節(jié)。

5.3 檔位、電壓測量子程序

檔位、電壓測量子程序一方面負責(zé)確定有載分接開關(guān)目前所在的檔位；另一方面負責(zé)對電壓信號進行采樣，并通過A／D轉(zhuǎn)換后將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并進行存儲。

5.4 電機驅(qū)動子程序

電機驅(qū)動子程序是用來控制有載分接開關(guān)電動操動機構(gòu)中電機的正反轉(zhuǎn)，其作用是驅(qū)動操動機構(gòu)動作，使有載分接開關(guān)的輸出電壓達到設(shè)定值。

5.5 監(jiān)控子程序

在電壓無需調(diào)節(jié)時，需要對分接開關(guān)的檔位信息、變壓器輸出電壓值及分接開關(guān)動作總次數(shù)等信息進行監(jiān)控并與報警值進行比較。如果數(shù)字超標，則需要報警；如果數(shù)字不超標，則可進入后續(xù)的通訊子程序?qū)ο嚓P(guān)信息進行顯示。

5.6 通訊子程序

通訊子程序可將現(xiàn)場通過按鍵及液晶顯示器設(shè)定的參數(shù)傳給遠程計算機，為遠程監(jiān)控和無人值守提供數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 語

本控制器設(shè)計的核心器件是MCS51單片機。其優(yōu)點是：硬件系統(tǒng)設(shè)計簡潔，簡化了系統(tǒng)接線，提高了系統(tǒng)工作的可靠性；軟件設(shè)計因采用C51語言編程，故應(yīng)用較為靈活，修改、擴展方便。為了使控制器功能更加宏大，在設(shè)計中還使用了LCM12864ZK液晶顯示模塊，可通過按鍵改變參數(shù)大小，以實現(xiàn)參數(shù)的精確設(shè)置。總之，該控制器能夠在不中斷負載的情況下進行變壓器有載分接變換操作，從而可保證電力變壓器輸出電壓的質(zhì)量。

［1］張德明.有載分接開關(guān)國內(nèi)現(xiàn)狀及其發(fā)展動向［J］.變壓器，2000.

［2］孫廣貴，李振華.一種智能化有載分接開關(guān)控制器［J］.變壓器，2006.

［3］陳迎松，孫愛民.基于單片機的有載分接開關(guān)控制器研制［J］.計算技術(shù)與自動化，2010.