風(fēng)冷電力變壓器冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計

殷海雙，王永安，段志偉，趙志華，姚建紅

YIN Hai-shuang, WANG Yong-an, DUAN Zhi-wei, ZHAO Zhi-hua, YAO Jian-hong

（東北石油大學(xué)，大慶 163318）

0 引言

變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是電力系統(tǒng)的核心，其運行狀態(tài)關(guān)系著整個電力系統(tǒng)能否平穩(wěn)運行[1]。變壓器運行時，內(nèi)部鐵心、線圈和金屬構(gòu)件等都要產(chǎn)生損耗，而且所帶負(fù)荷發(fā)生變化使變壓器的損耗也相應(yīng)發(fā)生改變，所有這些損耗都將引起變壓器發(fā)熱和溫度升高，過高的溫度將降低變壓器的效率，縮短變壓器的壽命[2,3]，由以上分析可以看出，變壓器能否正常工作變壓器冷卻系統(tǒng)起著決定性的作用。傳統(tǒng)變壓器風(fēng)冷控制系統(tǒng)主要由機械觸點的開閉來驅(qū)動線圈,人工控制冷卻器的投切，自動化程度低，已不能適用當(dāng)今無人值守變電站的需求[4]。筆者針對油浸式風(fēng)冷變壓器設(shè)計了一種基于單片機的變壓器冷卻控制系統(tǒng)，以變壓器冷卻油箱的頂層油溫為測量參數(shù)對變壓器的油溫進行控制，實時檢測油溫變化，根據(jù)油溫變化控制風(fēng)機的啟動實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)冷卻器投入工作組數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)由上位機和下位機兩個子系統(tǒng)構(gòu)成，上位機部分由VB語言編寫的可視化界面組成，通過串口將下位機采集到的數(shù)據(jù)傳到上位機顯示；下位機微控制器選用STC89C52RC單片機，主要包括油溫采集電路、單片機控制電路、LCD12864液晶與單片機接口電路、冷卻機組控制電路、串口通信電路五大模塊，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)通過安裝在變壓器冷卻油內(nèi)部的溫度傳感器DS18B20實時監(jiān)測油溫，將其測量值送入下位機（單片機）后由軟件與上位機設(shè)定并發(fā)送而來的油溫標(biāo)準(zhǔn)值進行分析比較，若油溫測量值低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則冷卻器不工作；若油溫高于標(biāo)準(zhǔn)值，則由下位機控制開啟冷卻器降溫，并通過分析高出標(biāo)準(zhǔn)值的程度來控制開啟冷卻器的個數(shù)。通過計數(shù)器累計每個冷卻器機組的運行及停止時間，避免各機組運行時間不均衡。

2 系統(tǒng)硬件資源配置

2.1 油溫采集電路

油溫采集部分選用單總線接口、支持多點組網(wǎng)、可根據(jù)應(yīng)用場合改變外觀的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其測量范圍-55oC～+125oC，可編程的分辨率為9bit～12bit，具有三個引腳，其引腳定義為：1為外接供電電源輸入端；2為數(shù)字信號輸入/輸出端；3為電源地。在本設(shè)計中2引腳接單片機P2.0引腳，來實現(xiàn)傳感器與單片機之間的數(shù)據(jù)連接，其與單片機接口電路如圖2所示。

圖2 DS18B20接口電路

2.2 冷卻器控制電路

該系統(tǒng)以本次油溫采樣值與前次油溫采樣值進行比較，分析油溫變化率：

其中α 表征變壓器負(fù)荷、溫度變化量的調(diào)節(jié)系數(shù)，W表征油溫變化率，WK表征本次采集油溫，WK-1表征上次采集油溫。當(dāng)W的數(shù)值不同時，分別運行不同數(shù)數(shù)量的冷卻設(shè)備。式（1）中，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時同，即使油溫WK還未達(dá)到設(shè)定值，適當(dāng)選取調(diào)節(jié)系數(shù)α 的數(shù)值，實現(xiàn)根據(jù)負(fù)荷的變化量使冷卻機組適時提前實現(xiàn)投切。

系統(tǒng)通過驅(qū)動電機控制冷卻器啟停，選用ST公司生產(chǎn)的L298N電機驅(qū)動芯片，該芯片最高工作電壓及瞬間輸出電流都較大，分別可達(dá)46V和3A，額定功率25W，控制信號為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，具有兩個控制端，能夠?qū)崿F(xiàn)啟動或停止獨立控制可以不受輸入信號影響[5]。電機控制模塊電路如圖3所示，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4各接一個電機，IN1、IN2、IN3、IN4引腳為電機正反轉(zhuǎn)控制端，該系統(tǒng)中輸入控制信號由單片機發(fā)出，ENA、ENB引腳為電機停轉(zhuǎn)控制端，也由單片機發(fā)送控制指令。

圖3 電機驅(qū)動模塊電路

2.3 液晶顯示電路

該設(shè)計中使用LCD12864液晶作為下位機顯示界面，顯示每個直流電機的運行狀態(tài)及測量所得的油溫，該芯片內(nèi)置8192個中文漢字CGROM(16×16)、128個字符（ASCII）HCGROM(16×8)、及128×64點陣顯示RAM（GDRAM），可顯示8×4行16×16點陣的漢字，驅(qū)動方式為1/32DUTY、1/5BIAS。LCD12864與單片機接口電路如圖4所示，3引腳接滑動變阻器滑動端用于調(diào)節(jié)顯示屏的明亮程度，4引腳（指令/數(shù)據(jù)選擇端）接單片機P3.4引腳，5引腳（讀寫控制端）接單片機P3.6引腳，6引腳（使能信號端）接單片機P3.7引腳，7～14引腳接單片機P0口用于單片機與液晶的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 LCD12864與單片機接口電路

2.4 串行通信電路

系統(tǒng)通過MAX232芯片將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，實現(xiàn)單片機與PC機之間的通訊。MAX232芯片是單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行端口設(shè)計的，其中1、2、3、4、5、6腳和4只電容用來為RS-232串口產(chǎn)生+12V和-12V兩個電源，11、12、13、14引腳為第一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，7、8、9、10引腳為第二數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道[6]，該系統(tǒng)中單片機通過P31引腳將TTL/CMOS數(shù)據(jù)從TIN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從RIN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出接單片機P30引腳，接口電路如圖5所示。

圖5 串口通信模塊接口電路

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機總體流程

下位機主程序的流程如圖6所示，上電后對系統(tǒng)初始化，包括IO口設(shè)置初始化、外圍控制裝置初始化，然后通過串口通信接收上位機傳來的數(shù)據(jù)及指令，通過分析比較測量的實時油溫與上位機設(shè)定基準(zhǔn)油溫的差值來控制電機是否啟動及啟動的組數(shù)，通過單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器累計電機運行及停止時間，最終將油溫實測值及電機運行狀態(tài)上傳上位機。

圖6 下位機主程序流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機顯示使用Visual Basic語言制作界面，如圖7所示，系統(tǒng)由上位機設(shè)定溫度基準(zhǔn)值和溫度超標(biāo)值T1、T2、T3，后由串口發(fā)送給下位機，左側(cè)的串口選擇部分用于通訊設(shè)置，方便不同的環(huán)境下使用，波特率設(shè)置9600bps。串口部分的指示燈用來顯示串口工作狀態(tài)，呈綠色時表明串口正常工作；每兩個冷卻器為一組，電機運行狀態(tài)部分當(dāng)指示燈為綠色時表明此電機運轉(zhuǎn)，控制相應(yīng)冷卻器啟動，黑色表明電機停止，控制相應(yīng)冷卻器切出工作。油溫超標(biāo)幅度控制電機運行狀態(tài)如表1所示。

圖7 上位機顯示界面

表1 油溫超標(biāo)幅度與電機運行狀態(tài)

4 結(jié)束語

該風(fēng)冷變壓器冷卻控制系統(tǒng)以單片機為主控制器，以變壓器冷卻油內(nèi)部油溫為檢測對象，通過實測油溫與用戶設(shè)定值的比較，判斷是否開啟冷卻器及冷卻器投入組數(shù)，實現(xiàn)了對冷卻器投切的控制，同時實現(xiàn)了下位機和上位機間信息傳輸完成信號上傳下達(dá)。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡單、維護方便，實現(xiàn)了對風(fēng)冷變壓器的冷卻控制。

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