基于單片機(jī)的電力變壓器冷卻控制系統(tǒng)的研究

李元?jiǎng)?，王洪蓮，?虎，楊 洲

(1.重慶電力高等專科學(xué)校，重慶400053;2.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶400042)

0 引言

電力變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)成中的一個(gè)重要的電氣設(shè)備，必須保證它的安全可靠運(yùn)行，在運(yùn)行中需要經(jīng)常檢測(cè)電力變壓器的運(yùn)行狀況，包括:變壓器油的溫度、油位、冷卻設(shè)備的運(yùn)行狀況等［1-4］。為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器的異常和故障隱患，防止其故障擴(kuò)大，避免因變壓器的損壞而造成經(jīng)濟(jì)損失。采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)變壓器進(jìn)行科學(xué)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是提高變壓器的運(yùn)行可靠性、減小變壓器的故障損壞程度的重要的技術(shù)手段，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行管理和監(jiān)視的水平也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［5-8］。

本文采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和電氣測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的電力變壓器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用新穎的控制方法，利用計(jì)算機(jī)的智能化，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力變壓器的溫度、油位、冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài)，及油速等實(shí)時(shí)參數(shù)，并通過串行通信信道將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)串送到主控制室或調(diào)度中心。當(dāng)變壓器出現(xiàn)異常故障時(shí)，可發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員及時(shí)處理，因而該裝置的研制，對(duì)提高變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要的作用。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)電力變壓器故障產(chǎn)生的原因以及目前冷卻系統(tǒng)存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、故障率高、無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等問題，本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和電氣測(cè)量技術(shù)來有效地檢測(cè)電力變壓器的油溫控制冷卻器的運(yùn)行，對(duì)保證變壓器及電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行有重要意義。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示:

圖1 整體方案框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集電路

1.1.1 溫度采集電路

DS18B20與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。測(cè)溫電路采用了3個(gè)單線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20集溫度感知，數(shù)字量轉(zhuǎn)化，高低溫限設(shè)定和報(bào)警于一體。DS18B20應(yīng)用于電力變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精度高，與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來了極大的方便，可有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。多個(gè)DS18B20與微處理器相接，每個(gè)DS18B20都有獨(dú)一無二的64串行編碼，通過對(duì)這些編碼識(shí)別，完成多點(diǎn)測(cè)量。三個(gè)DS18B20可接在一起，將其放在電力變壓器上層油處，及冷卻設(shè)備的出口處、入口處，完成對(duì)變壓器溫度的全面測(cè)量。

1.1.2 風(fēng)扇電流采集電路

圖2 DS18B20與單片機(jī)的接口電路

風(fēng)扇電流采集電路的系統(tǒng)連接圖如圖3所示。監(jiān)控風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)，通過檢測(cè)風(fēng)扇的工作電流，通過判斷電流有無、大小及方向可判定風(fēng)扇是否工作正常。被測(cè)電流信號(hào)需要經(jīng)過模擬量輸入通道輸入單片機(jī)，模擬量輸入通道的任務(wù)是把從系統(tǒng)檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口輸入單片機(jī)。該模擬量輸入通道包括電流互感器和信號(hào)調(diào)理電路、多路選擇開關(guān)、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器四個(gè)部分。

圖3 風(fēng)扇電流采集電路系統(tǒng)連接

1.1.3 油流繼電器狀態(tài)采集電路

油流繼電器輸出信號(hào)采集電路如圖4所示。對(duì)油流繼電器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是為了掌握油泵的工作狀態(tài)是否正常。油流繼電器安裝在冷卻器和油泵之間的聯(lián)管上，其擋板伸入到聯(lián)管中。當(dāng)聯(lián)管中油速到一定值時(shí)，擋板被沖動(dòng)。傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，其上磁鐵帶動(dòng)著隔板的另一磁鐵而轉(zhuǎn)動(dòng)，微動(dòng)開關(guān)的常閉接點(diǎn)打開，常開接點(diǎn)閉和，發(fā)出正常工作信號(hào)。反之，當(dāng)油速減小到一定值時(shí)，擋板借彈簧作用返回，微動(dòng)開關(guān)發(fā)出故障信號(hào)，通過光電隔離器件，電平轉(zhuǎn)換，把開關(guān)變量的狀態(tài)送到MCU。

圖4 油流繼電器輸出信號(hào)采集電路圖

油流傳感器(油速傳感器)輸出的油速信號(hào)經(jīng)調(diào)理后通過光電耦合器的隔離，其輸出信號(hào)由單片機(jī)的P1.5口輸入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油泵工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。一旦變壓器油速異常，單片機(jī)即可立即檢測(cè)到。

1.2 鍵盤與顯示電路

鍵盤輸入主要是對(duì)變壓器油溫的上下限進(jìn)行設(shè)定。8279工作在鍵盤編碼掃描工作方式，按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)16個(gè)按鍵。鍵盤顯示接口電路如圖5所示。

本顯示系統(tǒng)有兩種顯示模式:一是平時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下的顯示模式，這時(shí)單片機(jī)把測(cè)得的變壓器三個(gè)溫度值、一個(gè)油速值和風(fēng)扇的四個(gè)電流值進(jìn)行循環(huán)顯示;二是設(shè)置狀態(tài)下的顯示模式，這時(shí)鍵盤的設(shè)置鍵按下，單片機(jī)把溫度上下限的設(shè)定值送往相應(yīng)的8279進(jìn)行顯示。

圖5 鍵盤顯示接口電路

1.3 存儲(chǔ)、時(shí)鐘電路

該系統(tǒng)中MCU的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量只有256位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測(cè)量與控制要求，因此在片外擴(kuò)展一片8k×8的SRAM 6264。用單片機(jī)的片內(nèi)256字節(jié)RAM和時(shí)鐘芯片MC146818內(nèi)部50字節(jié)掉電保護(hù)RAM來存儲(chǔ)需要掉電保護(hù)的系統(tǒng)參數(shù)，而擴(kuò)展的8k×8位SRAM 6264作為系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和與上位機(jī)通信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。

64k SRAM 6264和時(shí)鐘芯片MC146818與AT89C52單片機(jī)的連接電路分別如圖6和圖7所示。

圖6 存儲(chǔ)電路連接圖

圖7 時(shí)鐘電路連接圖

1.4 風(fēng)扇油泵控制電路

因?yàn)橄到y(tǒng)控制的是風(fēng)扇和油泵的單相電機(jī)，為了防止高壓測(cè)的干擾進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，使用驅(qū)動(dòng)用的光電隔離MOC3041，單片機(jī)通過U22單元鎖存器輸出的N1～N7信號(hào)經(jīng)MOC3041來控制雙向可控硅的導(dǎo)通。風(fēng)扇油泵控制電路原理圖如圖8所示。

圖8 風(fēng)扇油泵控制電路

控制電路控制7臺(tái)設(shè)備的通斷，這7臺(tái)設(shè)備是1臺(tái)變壓器油泵、4臺(tái)冷卻風(fēng)扇、1臺(tái)備用風(fēng)扇和1臺(tái)斷路器。其中的備用風(fēng)扇是在某臺(tái)冷卻風(fēng)扇故障和冷卻風(fēng)扇檢修時(shí)投入使用，也可在4臺(tái)風(fēng)扇同時(shí)運(yùn)行但仍不能滿足系統(tǒng)散熱需要時(shí)投入使用。而斷路器是在油泵發(fā)生故障，變壓器內(nèi)油不再循環(huán)或多臺(tái)冷卻同時(shí)故障達(dá)不到散熱要求時(shí)，強(qiáng)行將變壓器從電力系統(tǒng)中切除出來，對(duì)變壓器進(jìn)行嚴(yán)重故障的保護(hù)。

1.5 報(bào)警電路

故障聲光報(bào)警電路如圖9所示。系統(tǒng)為確保報(bào)警效果采用聲光報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到電力變壓器油泵、風(fēng)扇故障或溫度超限時(shí)即發(fā)出聲光報(bào)警。為節(jié)省系統(tǒng)I/O口，把報(bào)警電路與控制電路同接在U22單元鎖存器的輸出端，與第8個(gè)端子N8相連。本報(bào)警電路開斷準(zhǔn)確，且防止出現(xiàn)誤動(dòng)作。

1.6 通信電路

圖9 故障聲光報(bào)警電路圖

通信連接圖如圖10所示。單片機(jī)經(jīng)U21單元鎖存器74LS373產(chǎn)生的信號(hào)RE、DE分別與MAX487的RE、DE相連作為輸入、輸出使能信號(hào);單片機(jī)的串行傳輸口 TXD、RXD分別與 MAX487的 DI、RO相連進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。通信電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，可靠性高，非常適合單片機(jī)長(zhǎng)距離通信。

圖10 通信接口電路

采用半雙工主從通信方式，只有一臺(tái)調(diào)度室主機(jī)(上位機(jī))，可以有多臺(tái)從機(jī)，從機(jī)為本單片機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)可以讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到從機(jī)，從機(jī)要分別對(duì)電力變壓器進(jìn)行監(jiān)控。各臺(tái)從機(jī)之間不能相互通信，如有信息交換也必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

按照變壓器運(yùn)行規(guī)程要求本系統(tǒng)控制的變壓器冷卻系統(tǒng)必須先啟動(dòng)，然后變壓器才能投入運(yùn)行。因此，變壓器啟動(dòng)時(shí)，先開啟冷卻設(shè)備，然后閉合斷路器，將變壓器投入運(yùn)行。

在電力變壓器的運(yùn)行中，要經(jīng)常檢測(cè)其運(yùn)行狀況，包括:溫度、變壓器油的液位、油速及冷卻設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等。

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下自動(dòng)控制:

①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各冷卻設(shè)備的工作狀況，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)報(bào)警;

②當(dāng)冷卻器發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)備用冷卻設(shè)備;

③根據(jù)電力變壓器的工作溫度，自動(dòng)投入相應(yīng)數(shù)量的冷卻設(shè)備;

④實(shí)時(shí)觀察冷卻設(shè)備的投入情況和各設(shè)備的運(yùn)行情況;

⑤實(shí)時(shí)記錄變壓器的異常及故障的時(shí)間和相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)。

按照變壓器運(yùn)行規(guī)程要求，本系統(tǒng)控制的變壓器冷卻系統(tǒng)必須在變壓器停止運(yùn)行后才能停止，因此系統(tǒng)收到停止命令后，立即斷開斷路器，待油溫下降后關(guān)閉風(fēng)扇，關(guān)閉油泵。具體操作過程如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)的軟件流程圖

3 結(jié)論

該變壓器冷卻控制系統(tǒng)利用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，以單片機(jī)為核心，通過數(shù)字式溫度傳感器把變壓器油溫值直接送入單片機(jī)，通過模擬量輸入通道把冷卻風(fēng)扇的工作電流送入單片機(jī)，通過油速信號(hào)變換電路，將油速值送入單片機(jī)，并將運(yùn)行數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)好的設(shè)定值進(jìn)行比較，如不正常則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過串行通信傳送給主控制室或調(diào)度中心。為了準(zhǔn)確紀(jì)錄變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，以便事后檢查或維修的方便，在本系統(tǒng)中加入時(shí)鐘電路。因而該系統(tǒng)的研制，可大幅提高對(duì)變壓器的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，對(duì)變壓器的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和延長(zhǎng)使用壽命具有重要的意義。

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