智能电网变压器冷却控制系统设计

薛 涛

（枣庄科技职业学院，山东 滕州 277500）

0 引言

智能电网的开发与建造是一个复杂的系统工程，它涉及许多领域和产业，将智能化系统与电力系统相融合[1-3]。在信息化的今天，智能化的电力系统已经成为人们生活中不可或缺的一部分[4]。电力系统的关键部件是变压器，在智能电网的构建中，应充分发挥其应有的功能，促进新一波的智能化变压器工业的复兴和发展。但在实际操作中，变压器容易发生失效，其影响很大，对电网的安全可靠性构成了极大的影响[5-7]。由于电力变压器的线路联结比较复杂、检修难度大和故障率高，有必要对其进行了深入的分析[8]。风机功率出口端采用一种成熟、高效、实用的过负荷自动保护故障警报输出设备，能够及时、稳定、准确地对风机的故障进行及时、精确控制，使其整体的风扇在长时间安全、稳定的操作下工作状态下的各方面功效得到了明显的改善。因此，本文主要采用最新西门子的PIC16F877 单片机系统控制器对智能电网变压器冷却控制系统进行设计，实现了对设备的实时监测，实现了人机交互，有着不可替代的优势和发展前景。

1 智能电网变压器冷却控制系统构成及原理

智能电网变压器冷却控制系统采用PIC16F877单片机系统控制器作为技术核心，实现了由微机控制系统对电机主变压器绕组油温参数信号的采集，通过LED 屏动态显示、数据进行实时和无线实时同步数据传输，同时，通过参考风机油温实时的变化趋势曲线，对电机整个绕组风机装置温度和电气装置运行状态进行动态和实时远程检测控制。传统风冷机工作原理如图1 所示。

图1 传统风冷机工作原理图

2 冷却控制系统的硬件电路设计

2.1 温度检测电路的设计

以PIC16F877 单片机为核心完成系统的设计，要求对油温进行实时采集，将采集结果送入MCU 进行处理，按照要求进行相应的控制，如图2 所示。由于要有温度自动检测，需要有A/D 自动转换，且单片机需要具有较多功能的I/O 口，单片机多采用PIC 系列的微尺寸控制器。

图2 温度控制系统结构框图

2.2 温度采集电路模块设计

由于电力变压器的外壳及其内部线圈均是带有铂电阻，该检测系统电路主要具有温度测试系统精度高、性能成熟稳定、调试容易和实用性功能更较强等应用特点。其检测电路图如图3 所示。

图3 电桥型温度检测电路

2.3 冷却控制人机交互系统设计

为了能保证系统正常工作，需要对系统的运行状态实时监控，设计中为了方便看到系统状态，设置了三套监测与指示装置，由控制风机起停的接触器、检测故障的继电器常开或常闭触点控制的。电路图如图4 所示。在风机正常运行时，控制回路中继电器的常开触点就会因为继电器线圈的得电而接通，触点一侧的发光二极管点亮，显示风扇是否在工作中。在故障显示线路上，过载失效是指在某一台机组出现超负荷时，通过继电器的感应电流使该继电器的正常断点打开，使该接触端的LED 灯被点亮。此时，指令风扇超负荷运转，过载讯号经由光电绝缘传输至主控制台，由微处理器接收到低电平讯号后，即时作出反应，切断与风机对应的连接。

图4 风机故障显示电路

2.4 主回路设计

控制回路电路图如图5 所示。一个固态单刀式双掷开关继电器同时控制三相四个电机组的运行，对电机手动控制运行起动和控制停止及自动控制切换等操作进行实现。电机是借由一个KM7 的线圈和常闭的开关来提供电机的电源，当线圈充得上电或启动电源后，常闭打开，固态继电器也即能起作用。当开关信号打转到半自动开关状态时，KM8 开关的线圈都已开始带电，当此时KM8 自动开关输出的信号以常闭的信号打开，KM7 的开关线圈也都不再会带电，即开始自动进入了半自动的运行的状态。此时，需要通过单片机发生器发送放出来的带有高电平信号的电流脉冲，或通过输出带低电平的启动和停止脉冲电流信号，以间接控制交流电子接触器线圈及其内部工作的电动机线圈，实现计算机对风机系统自动运行时启动和停止时间的有效控制。

图5 风机控制回路图

3 冷却控制系统的软件设计

软件部分应包括主程序，按键服务子程序、温度采集与处理子程序、故障检测及显示子程序、风机控制子程序和无线通信子程序。主要实现了对微处理器进行初始化，并对各子级编程进行了调用，实现了对风机工作状况和故障线路的实时监测。冷却控制系统的主程序软件流程如图6 所示。

图6 系统主程序流程图

温度系统中共用了四个按键，SET 键为温度范围设定开始键，UP 为温度的递增键，DOWN 为温度的递减键，每按下一次，温度变化一度。当SET 键按下时系统进入键盘服务子程序，表明进入温度的设定状态，系统的初始值是45 ～55 ℃，对于温度的设定是在这个基础上进行递增或递减，再次按下SET 键时，表明进入上限值的设定，通过上/下按钮调节水温，如果没有设置的必要，就点击“取消”按钮，三次点击SET 按钮，就可以进行设置。

温度采集与处理模块采用了中断服务程序，系统规定了在100 ms 内要采集20 个值，对数值进行A/D转换，然后进行均值滤波，再判断是否为20 个数，如果不够则继续采集，直到够20 个数，再次进行均值滤波，就可以得到实时的温度值。

本系统要求根据温度值的大小来确定风机的运行状态。首先对其进行测温，在规定的温度区间，六组风扇相距1 s 依次起动；在温度高于上限时，将所有的风扇投入使用；在温度下降到最低限度时，所有的风扇都会被关闭。

通过对冷却控制系统的硬件电路和软件进行设计，设计了智能电网变压器冷却控制系统如图7 所示，实现对风机故障的实时的检测及控制，使整套系统长期安全运行，提高了工作条件的可靠稳定性。

图7 冷却控制系统监控界面

在实验条件下，运用本文提出的在线监控方法，进行长时间监测实验，监控结果见表1。由表1 可知，本文提出的智能电网变压器冷却风机运行状态监控方法，在实际应用中漏警概率保持在5%以下，且平均值为1.71%，具有监控性能的优越性。

表1 故障检测情况

4 结语

本次设计主要采用以最新西门子的PIC16F877单片机系统控制器为其工作控制系统核心，实现了由微机系统对风机主变压器的油温参数状态的在线动态实时信号数据采集、LED 屏动态显示、数据在线实时传输、无线网络信息同步共享，并实现通过参考风机油温实时的变化曲线来对其整个系统风机装置温度和电气线路运行电压稳定等状况动态变化进行的在线的实时的检测及控制，通过设计完善而高效的风机过载自动保护故障报警输出装置，可以快速并实时为整个风机和CPU 控制电路组提供稳定准确的控制风机故障信号，使其整套风机系统长期安全运行，提高了工作条件的可靠稳定性。