基于AT89C51 的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)

賀興安，金 鑫，劉宇航，何麗娟

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，銀川 750000）

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，電量需求也越來越多，用電負荷密度也隨之增加。變壓器的噪聲小[1]，重量較輕，并且具有較高的工作效率，被廣泛應(yīng)用于商場、企業(yè)和工廠等各個領(lǐng)域。變壓器作為較為重要的電氣設(shè)備之一[2-3]，作用于電壓的電能分配和傳輸，影響著整個電網(wǎng)的正常運行。而變壓器運行過熱時，會威脅整個電網(wǎng)安全，因此，實時監(jiān)測變壓器的溫度并對溫度進行控制具有重要意義[4]。

針對變壓器的溫度監(jiān)測和控制問題，很多相關(guān)專家和學(xué)者對此進行了研究[5]，雖然已有多種解決方案[6]，但它們或多或少都存在一些局限性和不足。例如，一些系統(tǒng)設(shè)計成本較高，計算復(fù)雜，或者監(jiān)測和控制效果不夠理想。因此，為了克服這些不足，需要進一步研究和探索更加高效、準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測和控制方法。

單片機具有較高的穩(wěn)定性且成本低[7]，自動監(jiān)測和預(yù)警的能力較強。單片機通過監(jiān)測變壓器的溫度和參數(shù)信息，從而能夠自動控制變壓器的運行參數(shù)，避免因變壓器過熱而損壞[8]?；诖藘?yōu)勢，本文提出基于單片機的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，提升變壓器的工作效率和可靠性。

1 變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)

1.1 AT89C51 單片機

本文系統(tǒng)采用AT89C51 單片機作為變壓器的控制核心，當(dāng)空閑模式時，CPU 將暫停運行，RAM 定時器、串行口和外中斷能夠正常運行，當(dāng)?shù)綦娔Ｊ綍r，將凍結(jié)振蕩器，儲存RAM 定時計數(shù)器的數(shù)據(jù)，暫停AT89C51 單片機的其他功能，直到外中斷被激活。P0～P3 均為I/O 接口，用于數(shù)據(jù)、信號和電路的保護與轉(zhuǎn)換，使得單片機能夠與外部設(shè)備進行良好的交互和通信。并且AT89C51 單片機的成本較低，具有較高的穩(wěn)定性。AT89C51 單片機的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在基于單片機的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)中[9]，時鐘是AT89C51 單片機中各個硬件的運行信號，影響AT89C51 單片機的運行速率和穩(wěn)定性。在AT89C51 單片機內(nèi)部存在一個高增益反相放大器，設(shè)計引腳輸入端和輸出端分別為A1和A2。將A1 和A2 分別接入不同的接入口，具有實現(xiàn)振蕩的作用。AT89C51 單片機的初始化為復(fù)位操作，通過將單片機的復(fù)位引腳RST 添加24 個時鐘振蕩的高電平便可完成復(fù)位。外部復(fù)位電路在電容上添加RST 引腳較短的高電平，使該信號依據(jù)VCC對電容在充電時的慢慢回落為上電復(fù)位。因為電容的充電時長決定了RST 引腳的高電平時長，所以EST引腳應(yīng)具有足夠時間的高電平，實現(xiàn)單片機的穩(wěn)定復(fù)位。

1.2 溫度傳感器

在變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)中[10]，DHT11是一種新型的數(shù)字型溫度傳感器，能夠采集變壓器的溫度數(shù)據(jù)，DHT11 溫度傳感器結(jié)合了數(shù)字模塊采集和溫度傳感器技術(shù)，可以與單片機簡單靈活地進行連接。DHT11 溫度傳感器具有采集數(shù)據(jù)誤差小、速度快、穩(wěn)定性較高等特點，非常適用于變壓器的溫度采集。DHT11 溫度傳感器采用單排引腳連接的封裝方式，操作便捷，DHT11 溫度傳感器的溫度采集流程如圖2 所示。將溫度傳感器和單片機之間添加一個A/D 轉(zhuǎn)換芯片，使得到的溫度信號符合變壓器的實際需求。AD0804 芯片是由1 個A/D 轉(zhuǎn)換器和1 個三態(tài)輸出鎖存器組成的8 位逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度較快、分辨能力較強、成本較低的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于變壓器與單片機的接口設(shè)計上。

圖2 DHT11 溫度傳感器的溫度采集流程Fig.2 Temperature acquisition flow chart of DHT11 temperature sensor

1.3 液晶顯示和報警模塊設(shè)計

變壓器的溫度顯示采用工業(yè)字符型液晶，該顯示液晶可以在同一時刻顯示出32 個字符，并且它的功率消耗較小，使用便捷，對變壓器的溫度顯示非常豐富。同時，為了保證變壓器的溫度不會過高，通過冷卻風(fēng)扇無法使變壓器的溫度降到理想溫度時，應(yīng)添加聲光報警器，以紅綠LED 燈和蜂鳴器作為報警提示，該聲光報警通過單片機控制，當(dāng)變壓器溫度處于正常溫度時，聲光報警會一直顯示綠燈，沒有蜂鳴器報警提示；當(dāng)溫度過高時，將啟動紅燈和蜂鳴器同時報警，需通過人工按復(fù)位鍵后才能取消。變壓器的聲光報警電路如圖3 所示。

圖3 聲光報警電路Fig.3 Sound and light alarm circuit

1.4 基于模糊PID 的變壓器溫度控制

由于變壓器的溫度控制系統(tǒng)具有大慣性、非線性的特點，傳統(tǒng)PID 控制方法控制變壓器的溫度能力較差，因此，采用模糊PID 進行變壓器溫度控制，設(shè)置變壓器的溫度閾值r（x），結(jié)合采集到的實際變壓器溫度，求出變壓器的溫度變化率eb（x）以及溫度誤差e（x），作為模糊PID 控制器的輸入，通過模糊和解模糊操作后，輸出PID 參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，作用于PID 控制器得到輸出控制量w（x），再根據(jù)控制量控制變壓器溫度，基于模糊PID 的變壓器溫度控制結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 模糊PID 控制器架構(gòu)Fig.4 Architecture of fuzzy PID controller

模糊PID 控制器的數(shù)學(xué)公式表達為

式中：Kp表示比例控制系數(shù)；Ki表示積分控制系數(shù)；Kd表示微分控制系數(shù)；w（x）作為模糊PID 控制器輸出的控制量，將其作用于變壓器進行溫度調(diào)節(jié)。

模糊PID 控制變壓器修正參數(shù)原理如下：

通過PID 模糊推理，調(diào)整參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，自動化控制變壓器的溫度。獲取模糊PID 參數(shù)修正結(jié)果為

設(shè)置變壓器的溫度精度量為ri，對其進行模糊處理，模糊區(qū)間為（α，β），獲取模糊處理后的控制結(jié)果，通過設(shè)置論域和模糊規(guī)則ΔKp、ΔKi、ΔKd進行重復(fù)推理，獲取變壓器的溫度控制量，完成變壓器的溫度自動控制。

1.5 變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)工作原理

基于AT89C51 單片機的變壓器自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)可增強變壓器的溫度自動監(jiān)測和控制能力，創(chuàng)造良好的電網(wǎng)環(huán)境，其工作原理如圖5 所示。變壓器自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)由溫度傳感器、AT89C51 單片機、模糊PID 控制器、報警模塊等組成，在系統(tǒng)運行時，設(shè)置一個變壓器的溫度閾值，再進行自動監(jiān)測變壓器的溫度變化并通過反饋后進行溫度控制。

圖5 變壓器自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of transformer automatic monitoring and control system

2 結(jié)果與分析

為了驗證本文系統(tǒng)的可行性，以某市電網(wǎng)公司的配電變壓器為實驗對象，對本文提出的基于單片機的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)進行有效性和穩(wěn)定性的驗證。將DHT11 溫度傳感器安裝在變壓器內(nèi)部，將AT89C51 單片機安裝在變壓器上，通過導(dǎo)線連接各個元件，安裝完成后插上電源，對配電變壓器溫度參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集，并進行監(jiān)測測試，監(jiān)測時間間隔為5 min，記錄變壓器溫度數(shù)據(jù)，得到的變壓器的溫度監(jiān)測結(jié)果如表1 所示。由表1 中的變壓器的溫度監(jiān)測結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測到變壓器的實時溫度，且監(jiān)測到的變壓器溫度值與變壓器的實際溫度值非常接近，滿足變壓器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求，說明本文系統(tǒng)的變壓器溫度監(jiān)測能力較強，具有一定的可行性。

表1 變壓器的溫度監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Temperature monitoring results of transformer

為了驗證本文系統(tǒng)對變壓器溫度控制的有效性，考慮變壓器的實際環(huán)境，設(shè)置變壓器的溫度閾值為50℃，同時確保各電器元件連接的可靠性，使其滿足變壓器的實際需求。基于每隔5 min 的變壓器溫度采集基礎(chǔ)上，通過XilinxML605 的FPGA 開發(fā)平臺展示本文系統(tǒng)的變壓器溫度控制結(jié)果，如圖6所示。由展示平臺的配電網(wǎng)變壓器溫度結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)在實時監(jiān)測變壓器溫度的同時，能夠及時地控制變壓器的溫度。在9:45 時，變壓器的溫度為48.1℃，溫度較高，通過本文系統(tǒng)進行控制后，在10:20 時，變壓器溫度降至37.2℃，由于變壓器的溫度沒有超過50℃，本文系統(tǒng)的LED 燈始終顯示為綠燈。

圖6 本文系統(tǒng)的變壓器溫度控制結(jié)果Fig.6 Temperature control results of the transformer system in this article

驗證本文系統(tǒng)對變壓器溫度的感應(yīng)靈敏度，實驗結(jié)果如表2 所示。由表2 能夠看出，通過對變壓器進行7 次溫度感應(yīng)靈敏度測試，本文系統(tǒng)對變壓器溫度的感應(yīng)靈敏度一直在5000 mA 附近上下浮動，說明本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測到變壓器的溫度，具有較高的可靠性。

表2 變壓器感應(yīng)靈敏度測試結(jié)果Tab.2 Results of transformer induction sensitivity test

為了進一步驗證本文系統(tǒng)的變壓器溫度自動控制的有效性，采用本文系統(tǒng)對變壓器進行降溫控制，設(shè)置驗證變壓器溫度從43℃開始降溫至20℃時的所用時間，驗證結(jié)果如圖7 所示。在獲取的變壓器降溫-時間控制曲線中能夠看出，隨著時間的增長，本文系統(tǒng)使變壓器溫度降為20℃時，僅僅用時20 min，說明本文系統(tǒng)能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)變壓器的溫度控制，能夠提升變壓器的溫度控制效率。

圖7 變壓器溫度控制效果Fig.7 Temperature control effect of transformer

3 結(jié)語

考慮到變壓器的需求量較大，為了營造良好的電網(wǎng)環(huán)境，本文結(jié)合溫度傳感器和單片機等設(shè)計了變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于某電網(wǎng)公司中進行測試，測試結(jié)果驗證了本文系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測變壓器的溫度，對變壓器的感應(yīng)靈敏度較高，具有較高的可行性和可靠性，并且在對變壓器進行監(jiān)測的同時，通過本文系統(tǒng)進行變壓器的溫度控制，能夠有效縮短變壓器的降溫時間，提升降溫效率。