基于LPC1768的地下變壓器油溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

杜艷偉，唐亞鳴，葉會(huì)然

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州，213002）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化和工業(yè)化進(jìn)步的加快，不管是居民還是工業(yè)都需要大量的用電，不管是國(guó)民還是工業(yè)都對(duì)電力的需求越來(lái)越大，“十三五”規(guī)劃期間，電網(wǎng)的建設(shè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，地?zé)帷⑺?、風(fēng)力等新能源得到了大量的發(fā)展[1]。但是不管什么發(fā)電站，隨著科技的發(fā)展都要求建設(shè)智能變電站，而電力變壓器是變電站最為重要的一種電力設(shè)備。但是隨著用電量的激增，電力變壓器的工作負(fù)荷也大大增加，這就會(huì)導(dǎo)致變壓器油溫會(huì)升溫，但是油溫一直處于高溫狀態(tài)會(huì)影響電力變壓器的工作[2]。

而現(xiàn)今隨著人口的增長(zhǎng)和可用建筑土地面積減少，有一部分變電站已經(jīng)轉(zhuǎn)移到地下或者室內(nèi)，但是有用電量增加，所以變壓器的工作負(fù)荷也升高，低下或者室內(nèi)的散熱不如室外，降低變壓器的溫度就顯得非常重要，對(duì)于變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行有這重要的意義[3]。而變壓器的溫度一般不能實(shí)時(shí)得知，所以基于此本文研究設(shè)計(jì)一套能夠監(jiān)測(cè)變壓器散熱器油溫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且可使用新型材料石墨烯噴涂散熱器外層，可提高散熱，降低變壓器溫度。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于LPC1768的變壓器油溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由溫度傳感器、監(jiān)測(cè)終端、交換機(jī)、后臺(tái)主機(jī)、打印機(jī)組成，溫度傳感器采用較為高精度的貼片式傳感器，在變壓器散熱器上表面安裝此傳感器，用來(lái)采集散熱器上層油溫的溫度，散熱器油溫回路一般是下層將冷卻后的冷卻油回流，所以上層溫度是高于下層，只需要監(jiān)測(cè)上層油溫即可；溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)終端計(jì)算處理之后上傳后臺(tái)主機(jī)，監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)有語(yǔ)音播報(bào)模塊，一旦變壓器上層油溫突破臨界值就開(kāi)啟聲光報(bào)警，提示工作人員，并且開(kāi)啟風(fēng)機(jī)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，給變壓器進(jìn)行降溫。隨后將相關(guān)溫度數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)、風(fēng)氣啟停狀態(tài)等上傳后臺(tái)主機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，后臺(tái)主機(jī)放置在中控室，可以進(jìn)行參數(shù)配置、數(shù)據(jù)保存、歷史查詢、臨界值設(shè)定、實(shí)時(shí)界面查看數(shù)據(jù)、報(bào)表打印等功能[4-5]。對(duì)變壓器上層油溫進(jìn)行等級(jí)劃分，不同的等級(jí)采取不同的措施，當(dāng)超過(guò)最大閾值時(shí)系統(tǒng)做報(bào)警處理，并且自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)做降溫處理。報(bào)警數(shù)據(jù)、變壓器上表面溫度等數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)主機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面可以實(shí)時(shí)查看，并且可以將數(shù)據(jù)處理，做成報(bào)表印。這套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程在中控室進(jìn)行監(jiān)測(cè)變壓器油溫，并且可以自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟停來(lái)進(jìn)行降溫，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以做到24 小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，更加靈活準(zhǔn)確，系統(tǒng)總體架構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LPC1768的變壓器油溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要是監(jiān)測(cè)終端的硬件電路，主要由風(fēng)機(jī)控制單元、通信單元、電源電路單元、存儲(chǔ)單元、時(shí)間芯片電路組成，監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)如2 所示。

本部分監(jiān)測(cè)終端主要是監(jiān)測(cè)變壓器溫度來(lái)做到實(shí)時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，將高精度溫度傳感器安裝到變壓器上表面區(qū)域，傳感器采集到溫度數(shù)據(jù)，將采集到的溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)送給檢測(cè)終端，監(jiān)測(cè)終端對(duì)溫度數(shù)據(jù)計(jì)算處理，對(duì)溫度進(jìn)行判定等級(jí)，一旦溫度超過(guò)設(shè)定的閾值，就發(fā)出聲光報(bào)警，隨后將數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)主機(jī)服務(wù)器。

2.1 電源電路單元

本監(jiān)測(cè)終端終端電路中，有多處需要用到+3.3.V 電壓，比如微處理器LPC1768、時(shí)鐘芯片、看門(mén)狗等等，本設(shè)計(jì)采用電壓轉(zhuǎn)換芯片是LM117M3，可以將12V 電壓通過(guò)LM117M3 芯片轉(zhuǎn)換成+3.3V，以供相關(guān)電路使用。圖3 主要是由LM1117M3芯片、電感、電容和SMBJ5.0CA 雙向瞬態(tài)抑制二極管等組成的3.3V 電源轉(zhuǎn)換模塊。電路設(shè)計(jì)中，電感L22 和L23 是輸入輸出端起到防干擾作用，而電容C2、C3、C5 也可以起到去掉高頻抑制干擾的作用，電容C1、C4 為電解電容，起到濾波穩(wěn)壓的作用以及防止模塊前后突然功耗增加達(dá)到供電續(xù)流的作用，確保LM1117M3的穩(wěn)定性，使得輸出電壓能夠平整。

2.2 通信模塊

一般單片機(jī)與PC 機(jī)的串口通信方式是RS-232 電平，RS232 是一種常用的通訊標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠?qū)⒉煌脑O(shè)備方便的連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊。本文選擇的芯片是MAX3232 芯片設(shè)計(jì)相關(guān)電路。MAX3232 芯片功耗低，工作電壓在+3.0v至+5.5V，具有兩路接收器和兩路驅(qū)動(dòng)器，僅需要四個(gè)外部0.1μF的電荷泵電容，能在120kbps的傳輸速率下維持RS232的電平輸出。

監(jiān)測(cè)終端與后臺(tái)主機(jī)之間的通信是采用RS485 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，TD301D485 芯片內(nèi)置隔離電源，此芯片可以比較方便快速地完成TTL 電平和RS-485 電平之間的轉(zhuǎn)換，并且有總線保護(hù)，波特率設(shè)置最高可達(dá)9600bps，有標(biāo)準(zhǔn)的RS485 接口，A、B 總線內(nèi)置4.7K的上、下拉電阻。電路設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 通信電路圖

2.3 風(fēng)機(jī)控制電路

通過(guò)監(jiān)測(cè)終端對(duì)變壓器上表面溫度進(jìn)行采集計(jì)算分析之后，與自主設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制繼電器觸點(diǎn)的閉合來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟停，單片機(jī)輸出的信號(hào)電流很小，不可能直接來(lái)控制繼電器，所以要經(jīng)過(guò)達(dá)林頓電路來(lái)放大電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，KZOUT 是控制風(fēng)機(jī)的繼電器信號(hào)輸出，這里選擇ULN2003 達(dá)林頓管，繼電器和達(dá)林頓電路結(jié)合電路設(shè)計(jì)采用的是12V，而繼電器信號(hào)由單片機(jī)輸出為3.3V，兩者電壓不同，因此需要進(jìn)行電壓隔離，這里采用的是P181 光耦進(jìn)行隔離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)要有軟件部分，這里的監(jiān)測(cè)終端主要監(jiān)測(cè)變壓器上表面溫度。監(jiān)測(cè)終端上電后，首先需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化以及其他模塊的初始化，設(shè)定全局參數(shù)和標(biāo)志量，比如風(fēng)機(jī)開(kāi)啟標(biāo)志、通信結(jié)束標(biāo)志等等，再配置時(shí)鐘模塊來(lái)獲得準(zhǔn)確的時(shí)間，隨后進(jìn)行配置Uart 串口的相關(guān)參數(shù)；然后配置I/O 口控制、配置看門(mén)狗電路等，int main (void)為主函數(shù)，來(lái)進(jìn)行初始化等配置，void GPIO_init(void)是繼電器配置函數(shù)，void relay12v(void)為繼電器供電函數(shù)，主程序流程圖如圖5。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還有后臺(tái)監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控變壓器溫度，后臺(tái)軟件界面時(shí)基于Microsoft Visual Studio 2015 環(huán)境，利用C#語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)來(lái)發(fā)的，后臺(tái)監(jiān)控界面能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度、風(fēng)機(jī)狀態(tài)等，也可以遠(yuǎn)程控制風(fēng)機(jī)。

4 散熱器外層噴涂新型材料石墨烯

石墨烯是由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，石墨烯有很多優(yōu)點(diǎn)，比如石墨烯比表面積大、石墨烯導(dǎo)熱率高、表面呈現(xiàn)宏觀光潔微觀粗糙的形貌結(jié)構(gòu)可大幅度增加散熱裝置與外部的接觸面積，所以在散熱方面有很廣的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)將這種新型材料噴涂到散熱器表面進(jìn)行了一些列實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

由上表可以看出，以冷卻液為水來(lái)進(jìn)行對(duì)比，不難看出，冷卻液水或者冷卻油時(shí)，使用石墨烯噴涂散熱器外表時(shí)，同樣的條件下，使用石墨烯要比常規(guī)情況下變壓器的溫度要低5℃左右，所以新型材料石墨烯在變壓器散熱方面有很高的應(yīng)用價(jià)值，在本設(shè)計(jì)之中，變壓器也能明顯的得到降溫。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了監(jiān)測(cè)地下變壓器的油溫，設(shè)計(jì)了基于LPC1768的變壓器溫度監(jiān)測(cè)終端，通過(guò)溫度傳感器多次采集變壓器上表面溫度數(shù)據(jù)，求得平均值，將溫度數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行等級(jí)判定，執(zhí)行相應(yīng)的決策，然后將溫度數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)主機(jī)，利用監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，并且能夠遠(yuǎn)程控制；將新型材料石墨烯噴涂到散熱器表面來(lái)增加散熱，降低變壓器溫度。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該監(jiān)測(cè)終端能夠很好的監(jiān)測(cè)變壓器的溫度，能夠自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)降溫，并且經(jīng)過(guò)對(duì)比，石墨烯能很大程度上增加散熱，降低變壓器的溫度。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好解決監(jiān)測(cè)變壓器溫度的精準(zhǔn)度，并且石墨烯能夠較好地增加散熱，將此系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。