基于ARM核心处理器的电力变压器风冷控制装置

南 貌

(宝鸡职业技术学院 机电信息学院，陕西 宝鸡 721013)

随着我国工业化、城镇化建设的不断发展，电网建设规模不断扩大，电力设施的维护工作日益繁重。变压器是电力系统的核心组成部分，无论处于用电高峰还是空载状态都存在不同程度的电热转换[1-2]。因此，大型变压器通常需要设置一个专门的风冷装置进行降温，而传统风冷设备的控制电路普遍存在电路组成复杂、机械接点多、误动作故障率高等方面的问题，需要通过更加精密的嵌入式集成电路对风冷装置实施自动化控制，确保变压器能够在常温状态下稳定运行[3-4]。

1 电力变压器风冷控制装置总体硬件设计方案

本次研究所设计的电力变压器风冷控制装置主要负责在线监测变压器的运行温度，监测参数包括变压器底层油温、变压器顶层油温、环境温度、绕组温度、变压器阀侧套管电流、变压器风机启停状态信号、有载分接开关档位等，并分析计算监测结果，智能控制冷却器启停，总体硬件结构如图1所示。

图1 电力变压器风冷控制装置总体硬件结构

电力变压器风冷控制装置的核心单元为ARM核心处理器，该芯片在系统运行速度和综合控制能力方面具有明显优势。冷却器油泵/风机启停状态信号、油温信号、环境信号、绕组温度信号属于开关量信号，需要通过光耦隔离电路进行处理后再发送至ARM处理器。控制电路基于事先设定好的温度控制策略对横向比绕组温度及油面温度的计算结果，并将温度最高项作设定为风机启停参数并对风机实施启停操作。RS485通信模块以固定通信的方式将系统所采集到的数据发送给监控中心。看门狗负责在系统硬件出现问题的情况下进行硬件复位操作，触摸屏和键盘电路负责实现管理者与装置之间的信息交互，电源电路负责为其他电路提供运行电压。

2 核心元件选型

2.1 核心处理器

电力变压器风冷控制装置所采用的CPU核心处理单元为基于Cortex-M3内核的LPC1768型ARM芯片，该元件是一款由恩智浦NXP公司推出的低功耗、高集成微控制器。该元件最高运行频率可达100 MHz，具有哈佛结构、3级流水线以及512 KB的flash存储器，提供支持USB功能和以太网MAC的主机/从机/OTG接口，性能强大，且后续升级十分方便[5-6]。

2.2 温度采集模块

本次研究所设计的风冷控制装置采用DS18B20温度传感来采集电力变压器温度，该元件支持二线制4～20 mA输出与DC12～40 V供电，只需要一线数据线即可实现该元件与PLC之间的数据传输，温度监测范围为-40～80 ℃[7-8]。

2.3 A/D转换模块

利用油面温度计将变压器油面温度转换为4～20 mA电流信号，系统会根据电流大小来计算油面温度值，进而获取油面温度，信号采集电路如图2所示，绕组温度的采集方法与油面温度相同。本次研究所采用的AD采样芯片为ADI公司的AD7193芯片，该元件工作电压3～5.25 V，增益漂移为±1×10-6nV/℃，失调漂移为±5 nV/℃，噪声干扰极低，十分适用于高精度的温度信号转换[9-10]。

图2 信号采集电路

3 电力变压器风冷控制装置的软件设计

3.1 主流程设计

首先对各硬件模块实施初始化处理，设定全局参数和初始标志量。在此基础上，接收来自上位机的数据，根据控制指令和设备参数值选择控制程序。在完成温度数据采集工作后判断是否开启风机，在需要开启风机的情况下执行动作风机子程序，将风机动作情况、温度数值等数据发送至上位机并加以显示，相应的主程序流程如图3所示。

图3 系统主程序流程图

3.2 数据采集模块流程设计

首先对LPC1768微控制器的A/D端口外设实施初始化处理，开启定时器，将温度传感器所采集到的温度模拟信号发送给A/D 模数信号采集芯片，微控制器会自动读取经过模拟量转换的温度值数据并计算出电力变压器当前的实际温度，最后通过RS485通讯模块将计算结果发送给上位机并加以显示，具体流程如图4所示。

图4 数据采集流程图

3.3 温度采样流程设计

变压器油温是电力变压器风冷控制装置对风机实施启停操作的核心指标，在变压器顶层高于程序设定上限的情况下，系统会选择长时间未启动的风机并将其开启。在测温下降低程序设定下限的情况下，系统会选择运行时间最长的风机并将其关停，具体流程如图5所示。

图5 温度采样流程

3.4 上位机软件设计

本次研究所设计的电力变压器风冷控制装置基于Microsoft Visual Studio 2019实施上位机软件开发，该开发环境支持C#语言桌面程序设计，该语言能够.NET自带的SerialPort串口控件，进而实现计算机内部串口的硬件设备的直接驱动。系统数据库为SQL server 2019，该数据库能够与基于Visual Studio开发的应用软件和Microsoft.NET进行数据交互，可以用来建立在线监测系统的数据文件并制作相应的数据报表。电力变压器风冷控制装置的上位机程序控制界面如图6所示。

图6 控制程序界面

4 系统测试

通过本次研究所设计的风冷控制装置对热点绕组温度、油面温度实施实时监测。在风机启动方面，当热点温度达到45～55 ℃时启动一组风机；当热点温度达到55～65 ℃时启动两组风机；当热点温度达到65～75 ℃时启动三组风机；当热点温度达到75 ℃以上时启动四组风机。在风机关停方面，在一组风机正常运行的情况下，当热点温度低于40 ℃时，关闭该组风机；在两组风机正常运行的情况下，当热点温度低于50 ℃时，关闭其中一组风机；在三组风机正常运行的情况下，当热点温度低于60 ℃时，关闭其中一组风机；在四组风机正常运行的情况下，当热点温度低于70 ℃时，关闭其中一组风机。运行时间少和启动次数少的风机优先启动，运行时间多和启动次数多的风机优先关闭。启动测试平台并持续运行1 h，记录热点温度变化情况，记录结果如图7所示。

5 结 论

经实验研究发现，本次研究所设计的电力变压器风冷控制装置能够对热点温度实施精准监控，风机启停状况与预先编制好的运行流程相一致，能够持续保证热点温度稳定。