基于单片机的电力变压器冷却控制系统的研究

李元刚，王洪莲，陈 虎，杨 洲

(1.重庆电力高等专科学校，重庆400053;2.重庆市轨道交通(集团)有限公司，重庆400042)

0 引言

电力变压器是电力系统运行构成中的一个重要的电气设备，必须保证它的安全可靠运行，在运行中需要经常检测电力变压器的运行状况，包括:变压器油的温度、油位、冷却设备的运行状况等［1-4］。为了能及时发现变压器的异常和故障隐患，防止其故障扩大，避免因变压器的损坏而造成经济损失。采用先进的监测装置，对变压器进行科学的实时监测，是提高变压器的运行可靠性、减小变压器的故障损坏程度的重要的技术手段，对电力系统运行管理和监视的水平也具有重要的现实意义［5-8］。

本文采用计算机技术和电气测量技术设计的电力变压器实时监测系统，采用新颖的控制方法，利用计算机的智能化，可实时监测电力变压器的温度、油位、冷却风扇的工作状态，及油速等实时参数，并通过串行通信信道将监测数据串送到主控制室或调度中心。当变压器出现异常故障时，可发出声、光报警信号，提醒运行人员及时处理，因而该装置的研制，对提高变压器的实时监控能力，提高电力系统运行的可靠性具有重要的作用。

1 系统的硬件设计

根据电力变压器故障产生的原因以及目前冷却系统存在的控制回路复杂、可靠性低、故障率高、无法进行远程通讯等问题，本系统采用计算机技术和电气测量技术来有效地检测电力变压器的油温控制冷却器的运行，对保证变压器及电网安全、可靠运行有重要意义。监测系统的电路框图如图1所示:

图1 整体方案框图

1.1 数据采集电路

1.1.1 温度采集电路

DS18B20与单片机的接口电路设计如图2所示。测温电路采用了3个单线式数字温度传感器DS18B20。DS18B20集温度感知，数字量转化，高低温限设定和报警于一体。DS18B20应用于电力变压器监测系统中，其转换速度快，转换精度高，与单片机的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，可有效地降低成本，缩短开发周期。多个DS18B20与微处理器相接，每个DS18B20都有独一无二的64串行编码，通过对这些编码识别，完成多点测量。三个DS18B20可接在一起，将其放在电力变压器上层油处，及冷却设备的出口处、入口处，完成对变压器温度的全面测量。

1.1.2 风扇电流采集电路

图2 DS18B20与单片机的接口电路

风扇电流采集电路的系统连接图如图3所示。监控风扇的运行状态，通过检测风扇的工作电流，通过判断电流有无、大小及方向可判定风扇是否工作正常。被测电流信号需要经过模拟量输入通道输入单片机，模拟量输入通道的任务是把从系统检测到的模拟信号转换成二进制数字信号，经接口输入单片机。该模拟量输入通道包括电流互感器和信号调理电路、多路选择开关、采样/保持器和A/D转换器四个部分。

图3 风扇电流采集电路系统连接

1.1.3 油流继电器状态采集电路

油流继电器输出信号采集电路如图4所示。对油流继电器的状态进行监测是为了掌握油泵的工作状态是否正常。油流继电器安装在冷却器和油泵之间的联管上，其挡板伸入到联管中。当联管中油速到一定值时，挡板被冲动。传动轴旋转，其上磁铁带动着隔板的另一磁铁而转动，微动开关的常闭接点打开，常开接点闭和，发出正常工作信号。反之，当油速减小到一定值时，挡板借弹簧作用返回，微动开关发出故障信号，通过光电隔离器件，电平转换，把开关变量的状态送到MCU。

图4 油流继电器输出信号采集电路图

油流传感器(油速传感器)输出的油速信号经调理后通过光电耦合器的隔离，其输出信号由单片机的P1.5口输入单片机，实现对油泵工作状态的监测。一旦变压器油速异常，单片机即可立即检测到。

1.2 键盘与显示电路

键盘输入主要是对变压器油温的上下限进行设定。8279工作在键盘编码扫描工作方式，按设计要求设计16个按键。键盘显示接口电路如图5所示。

本显示系统有两种显示模式:一是平时运行状态下的显示模式，这时单片机把测得的变压器三个温度值、一个油速值和风扇的四个电流值进行循环显示;二是设置状态下的显示模式，这时键盘的设置键按下，单片机把温度上下限的设定值送往相应的8279进行显示。

图5 键盘显示接口电路

1.3 存储、时钟电路

该系统中MCU的片内数据存储器容量只有256位，远远不能满足测量与控制要求，因此在片外扩展一片8k×8的SRAM 6264。用单片机的片内256字节RAM和时钟芯片MC146818内部50字节掉电保护RAM来存储需要掉电保护的系统参数，而扩展的8k×8位SRAM 6264作为系统处理实时数据和与上位机通信的实时数据存储器使用。

64k SRAM 6264和时钟芯片MC146818与AT89C52单片机的连接电路分别如图6和图7所示。

图6 存储电路连接图

图7 时钟电路连接图

1.4 风扇油泵控制电路

因为系统控制的是风扇和油泵的单相电机，为了防止高压测的干扰进入单片机系统，使用驱动用的光电隔离MOC3041，单片机通过U22单元锁存器输出的N1～N7信号经MOC3041来控制双向可控硅的导通。风扇油泵控制电路原理图如图8所示。

图8 风扇油泵控制电路

控制电路控制7台设备的通断，这7台设备是1台变压器油泵、4台冷却风扇、1台备用风扇和1台断路器。其中的备用风扇是在某台冷却风扇故障和冷却风扇检修时投入使用，也可在4台风扇同时运行但仍不能满足系统散热需要时投入使用。而断路器是在油泵发生故障，变压器内油不再循环或多台冷却同时故障达不到散热要求时，强行将变压器从电力系统中切除出来，对变压器进行严重故障的保护。

1.5 报警电路

故障声光报警电路如图9所示。系统为确保报警效果采用声光报警，当系统监测到电力变压器油泵、风扇故障或温度超限时即发出声光报警。为节省系统I/O口，把报警电路与控制电路同接在U22单元锁存器的输出端，与第8个端子N8相连。本报警电路开断准确，且防止出现误动作。

1.6 通信电路

图9 故障声光报警电路图

通信连接图如图10所示。单片机经U21单元锁存器74LS373产生的信号RE、DE分别与MAX487的RE、DE相连作为输入、输出使能信号;单片机的串行传输口 TXD、RXD分别与 MAX487的 DI、RO相连进行数据的发送与接收。通信电路简单，抗干扰性强，数据传送稳定，可靠性高，非常适合单片机长距离通信。

图10 通信接口电路

采用半双工主从通信方式，只有一台调度室主机(上位机)，可以有多台从机，从机为本单片机系统。主机可以读取从机的数据或写数据到从机，从机要分别对电力变压器进行监控。各台从机之间不能相互通信，如有信息交换也必须通过主机转发。

2 系统的软件设计

按照变压器运行规程要求本系统控制的变压器冷却系统必须先启动，然后变压器才能投入运行。因此，变压器启动时，先开启冷却设备，然后闭合断路器，将变压器投入运行。

在电力变压器的运行中，要经常检测其运行状况，包括:温度、变压器油的液位、油速及冷却设备的运转状况等。

本系统能够实现以下自动控制:

①实时监测各冷却设备的工作状况，发现异常应及时报警;

②当冷却器发生故障时，自动起动备用冷却设备;

③根据电力变压器的工作温度，自动投入相应数量的冷却设备;

④实时观察冷却设备的投入情况和各设备的运行情况;

⑤实时记录变压器的异常及故障的时间和相应的运行参数。

按照变压器运行规程要求，本系统控制的变压器冷却系统必须在变压器停止运行后才能停止，因此系统收到停止命令后，立即断开断路器，待油温下降后关闭风扇，关闭油泵。具体操作过程如图11所示。

图11 系统的软件流程图

3 结论

该变压器冷却控制系统利用现代检测技术，以单片机为核心，通过数字式温度传感器把变压器油温值直接送入单片机，通过模拟量输入通道把冷却风扇的工作电流送入单片机，通过油速信号变换电路，将油速值送入单片机，并将运行数据与预先设好的设定值进行比较，如不正常则发出报警信号，并通过串行通信传送给主控制室或调度中心。为了准确纪录变压器的实时运行参数，以便事后检查或维修的方便，在本系统中加入时钟电路。因而该系统的研制，可大幅提高对变压器的实时监控能力，对变压器的安全、经济运行和延长使用寿命具有重要的意义。

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