安順供電局 貴州 安順 561000

1 引言

電力變壓器是發(fā)電廠和變電站的主要設(shè)備之一。變壓器的作用是多方面的,不僅能升高電壓把電能送到用電地區(qū),還能把電壓降低為各級使用電壓,以滿足用電的需要。總之,電網(wǎng)的升壓與降壓都必須由變壓器來完成,它是輸變電的樞紐。隨著城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展,必然造成線路用電負荷激增,但是相應(yīng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)相對滯后,一個表現(xiàn)就是電力變壓器沒有按規(guī)模同步增加,這就形成了大部分電力變壓器超負荷運行。在用電負荷明顯過大的情況下,電力變壓器會產(chǎn)生過負荷發(fā)熱現(xiàn)象,雖然并不會立即導(dǎo)致變壓器損壞,但是相對于同等容量正常負荷運行的其他變壓器相比,發(fā)熱異常的電力變壓器使用壽命更低,突發(fā)損壞的風險明顯增加,運行穩(wěn)定性變差。另一方面,即使在沒有過負荷的變壓器上,變壓器過熱現(xiàn)象也依然存在,很多對供電要求較高的地方只能采用雙電源供電,這樣必然導(dǎo)致用電成本的大幅增加。

為了保障電力變壓器的長期穩(wěn)定運行,變壓器溫度指示控制器的引入起到了重要作用。常用的溫度指示控制器是采用機電一體化的原理而設(shè)計的,例如BWY-804J(TH),如圖1所示。

圖1 電力變壓器溫度指示控制器

2 針對常規(guī)電力變壓器溫度指示控制器的改進

對于常規(guī)電力變壓器溫度指示控制器在運行過程中可能出現(xiàn)的誤動作狀況,本文提出了一種結(jié)合微型單片計算機(即單片機或MCU控制器)的解決方案。單片機本質(zhì)上是一種數(shù)字集成電路芯片,是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能(通常還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用及其廣泛。單片機將數(shù)據(jù)運算與處理能力集成到芯片中,憑借著強大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計算功能,實現(xiàn)功能強大的邏輯控制以及對數(shù)據(jù)的高速化處理。具體到本設(shè)計方案中,由于系統(tǒng)主要是對變壓器油面溫度進行檢測以及控制儀表開關(guān)觸點的吸合,主要傳輸?shù)氖莻鞲衅餍盘柡涂刂菩盘?而非高速的數(shù)據(jù)通信信號,因此采用8位單片機即可滿足設(shè)計要求,具體型號是國產(chǎn)IAP15W4 K系列單片機。該型單片機采用了增強型8051內(nèi)核,大幅提高了傳統(tǒng)8051單片機的運行速度,增設(shè)了眾多功能單元電路,同時具備極好的程序加密型。還有一個重要特性就是具備在應(yīng)用編程功能,即在不停機的狀態(tài)下用戶可寫入新的控制指令,為實現(xiàn)系統(tǒng)在連續(xù)運行狀態(tài)下進行在線升級提供了極大便利,這就使得該型單片機相對于其他類型單片機具備了更好的環(huán)境適應(yīng)性,可以根據(jù)現(xiàn)場的實際狀況靈活添加或更改控制功能。

具體到本方案,我們的改進措施體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)將儀表輸出電流信號引入單片機進行二次處理。由于電力變壓器溫度指示控制器可將油溫的變化輸出為一個對應(yīng)成比例4-20m A的工業(yè)標準直流電流信號,本方案首先將此電流信號通過一個電流變送器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)成比例的0-5 V直流電壓,之所以要進行這一步轉(zhuǎn)換是因為單片機上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC不能夠直接以電流作為輸入,但是可以接收直流電壓作輸入并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)字量供后續(xù)進一步處理。為了提高模/數(shù)轉(zhuǎn)換的準確度,必須讓輸入直流電壓量程盡可能與單片機ADC參考電壓(+5V)接近,因此本方案采用了專用的電流/電壓變送模塊實現(xiàn)這一要求。

(2)設(shè)置人機界面(HMI)實現(xiàn)參數(shù)的現(xiàn)場設(shè)定。原電力變壓器溫度指示控制器內(nèi)裝有四組可調(diào)控制開關(guān)和對應(yīng)的溫度設(shè)定機械凸輪,通過機械凸輪可以讓儀表本身設(shè)定各組控制開關(guān)的動作溫度,當儀表測得溫度超過此溫度時,微動開關(guān)動作,觸點接通控制回路。如前所述,由于在安裝部署或者檢修過程中常因為人為不小心觸碰儀表內(nèi)器件、接點受潮凝露、回路絕緣不夠等會導(dǎo)致觸點誤動作,因此在本方案中,我們通過人機界面(由按鍵電路與LCD1602字符型液晶顯示器構(gòu)成)的引入,通過單片機采集按鍵動作狀態(tài),實現(xiàn)對儀表內(nèi)各組控制開關(guān)的選擇以及對應(yīng)動作溫度和儀表量程的設(shè)定。具體設(shè)置四個按鍵:K1(控制開關(guān)所屬組選擇,組的數(shù)量與儀表控制開關(guān)組數(shù)一致且對應(yīng));K2(儀表溫度量程上下限選擇);K3(設(shè)定值加1);K4(設(shè)定值減去1)。在實際操作過程中,以常用儀表BWY-804J(TH)為例,其內(nèi)部有四組凸輪和相應(yīng)數(shù)量控制開關(guān),在按下K1按鍵過程中,單片機程序?qū)ζ浒聪麓螖?shù)進行統(tǒng)計計數(shù),其結(jié)果用變量count_k1表示,count_k1的變化范圍從1-4周而復(fù)始(即按下第一次K1則count_K1為1,第二次為2,以此類推,超過第四次又重新回1),程序根據(jù)它的當前值就可以判定目前選擇的是第幾組控制開關(guān);對按鍵K2也做類似處理,統(tǒng)計變量為count_K2,值的范圍從1-2,count_K2為1時對應(yīng)于儀表的量程下限選擇,count_K2為2時對應(yīng)于儀表的量程上限選擇;對按鍵K3,按下一次,根據(jù)前面K1或者K2是哪一個按下,使得對應(yīng)參數(shù)(選中的開關(guān)組的動作溫度或者選中的量程的上下限)減1攝氏度;對按鍵K4,則類似K3按鍵處理,對應(yīng)值加1攝氏度。通過這種按鍵次數(shù)軟件計數(shù)判別的方法,可以大大節(jié)約按鍵的使用數(shù)量,簡化了硬件設(shè)計。

(3)增設(shè)繼電器單元向控制回路提供觸發(fā)信號。本方案在硬件電路上增設(shè)繼電器單元,繼電器的數(shù)量與儀表的實際啟用的控制開關(guān)組數(shù)相同。其目的是在不破壞儀表原始構(gòu)造,新增設(shè)的繼電器觸點是在收到來自單片機的合閘信號后導(dǎo)通,單片機讀取儀表的輸出信號及導(dǎo)通信號,當接點導(dǎo)通時讀取儀表輸出信號,確定儀表輸出信號大于設(shè)定值再輸出合閘信號。而人為誤動或者儀表接點受潮短接后,單片機讀取的儀表輸出未到設(shè)定值,單片機輸出分閘信號,觸點不動作。新增設(shè)的繼電器觸點的動作只受單片機的控制,而與儀表的微動開關(guān)無關(guān)。在具體電氣連接過程中,斷開儀表的原生開關(guān)觸點與冷卻報警控制回路的-110 V端鈕,而將新增繼電器的對應(yīng)觸點接入控制回路。這樣即使存在安裝檢修狀態(tài)下人為原因誤觸碰到儀表內(nèi)部,只要此刻單片機不輸出觸發(fā)信號,繼電器的觸點就不存在誤接通控制回路的狀況發(fā)生,從而徹底解決傳統(tǒng)儀表所面臨的上述問題。

3 系統(tǒng)設(shè)計

將上述設(shè)計思路變成現(xiàn)實,本設(shè)計需要解決兩方面的問題:第一是硬件電路的設(shè)計,其關(guān)鍵是主控系統(tǒng)電路功能劃分,器件選型,信號接口設(shè)計等;第二是軟件系統(tǒng)設(shè)計,這部分需要與硬件電路相配合,通過軟件運行控制方式充分發(fā)揮系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計方案 根據(jù)設(shè)計要求,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個系統(tǒng)由多個單元相互連接構(gòu)成,各單元功能如下:

(1)單片微型計算機(MCU單元):該單元是整個系統(tǒng)的核心,承擔著直流電壓信號采集、接點導(dǎo)通電信號變化采集、按鍵電路檢測處理、LCD液晶顯示器顯示驅(qū)動,繼電器觸點控制等一系列功能。該單元啟用定時控制方式周期性地采集從電流變送器傳輸進來的電壓信號,經(jīng)過內(nèi)部ADC單元的轉(zhuǎn)換,得到對應(yīng)溫度的數(shù)字量,并進一步與各組設(shè)定動作溫度進行比較,一旦發(fā)現(xiàn)當前采集到的溫度達到或超過四組當中某一組的設(shè)定值時,則驅(qū)動對應(yīng)繼電器線圈通電,其觸點隨即接通電力變壓器冷卻報警控制回路工作。反之,當前溫度值低于該組設(shè)定值時,對應(yīng)繼電器失電,觸點斷開控制回路,冷卻報警工作立即停止。對于各參數(shù)的設(shè)定通過采集按鍵電路進行,為了保證系統(tǒng)動作的實時性,系統(tǒng)采用中斷機制對按鍵信號進行處理,并進一步將設(shè)定過程及其參數(shù)的變化通過驅(qū)動LCD液晶進行同步顯示。

(2)電源電路:該電路主要由交流穩(wěn)壓電路、濾波電路構(gòu)成,其作用是向控制計算機機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+5 V直流電源,保證系統(tǒng)所需的正常電源供應(yīng),這部分電路設(shè)計中采用專用電源模塊來實現(xiàn)所需供電要求。

(3)按鍵電路:該電路由四個獨立按鍵構(gòu)成,分別對應(yīng)控制開關(guān)組的選擇、變壓器量程上限/下限選擇、設(shè)定溫度值加1以及設(shè)定溫度值減1操作。

(4)LCD液晶顯示器:該單元用于設(shè)定的參數(shù)以及系統(tǒng)運行過程中溫度數(shù)值的實時顯示,與按鍵電路共同構(gòu)成人機界面。

(5)時鐘和復(fù)位電路:如采用單片機作為本設(shè)計的核心控制計算機,則一般需要在單片機模塊外部設(shè)置一個獨立的時鐘電路,通過該電路輸出一個穩(wěn)定的時鐘信號,使得計算機內(nèi)部各個功能電路步調(diào)一致地協(xié)調(diào)工作,這是系統(tǒng)正常運行所必須具備的輔助電路,時鐘頻率的快慢決定了系統(tǒng)的運行速度。

復(fù)位電路的作用是保證單片機在因各種因素陷入非正常工作狀態(tài)時,通過復(fù)位機制可以讓系統(tǒng)從故障狀態(tài)中迅速解脫出來回復(fù)正常運行,這是確保系統(tǒng)可靠性的一個重要措施,在具體實施過程中一般可以同時采取人工強制復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式相結(jié)合。

(6)電力變壓器溫度指示控制器:該單元即原生控制儀表(例如BWY-804J型儀表),在本設(shè)計中我們利用其輸出的標準4-20m A直流信號輸入單片機進行二次處理,以獲取變壓器當前的實時溫度數(shù)值,同時接入接點回路合閘與否的信息進行判斷。單片機外接繼電器的觸點并與變壓器冷卻報警控制回路相連接。單片機系統(tǒng)根據(jù)原生溫度表的接點設(shè)定值設(shè)定相應(yīng)溫度值。

(7)電流變送器:該單元的作用是將電力變壓器溫度指示控制器輸出的標準4-20m A直流信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的0-5V直流電壓信號,以供單片機進行采集和模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理,并進一步得到當前溫度對應(yīng)的數(shù)字量。

(8)繼電器:繼電器單元的作用是通過接收單片機分析接點回路與傳輸回路是否到達設(shè)定溫度發(fā)出的相應(yīng)信號,作出觸點是否導(dǎo)通的動作,其與冷卻報警回路連接,繼電器的數(shù)量應(yīng)與原生儀表中的控制開關(guān)觸點數(shù)目一致。繼電器觸電的動作受到單片機的控制。

(9)冷卻報警控制回路:該部分電路即配套的電力變壓器冷卻報警控制回路,本方案不涉及對其改造,僅使繼電器的觸點與之進行電氣上的連接,并根據(jù)單片機的控制過程在變壓器溫度超過設(shè)定值的情況下通過繼電器觸點接通該冷卻報警回路工作。

3.2 硬件電路設(shè)計 按照上節(jié)系統(tǒng)框圖的設(shè)計要求,具體開展硬件電路設(shè)計,電路原理圖如下圖所示:

圖3 硬件電路原理圖

在硬件電路原理圖中,對于按鍵的處理采用中斷識別機制進行,四個獨立按鍵K1、K2、K3、K4均通過上拉電阻連接至+5 V電源,當按鍵未按下時,對應(yīng)引腳為高電平,按下按鍵引腳強制對地短路變?yōu)榈碗娖?由此在引腳上產(chǎn)生一個下降沿信號并觸發(fā)中斷,單片機在按鍵中斷子程序中對其進行識別和處理而不是通過循環(huán)掃描方式,因此大大提高了單片機的處理效率,保證了系統(tǒng)的實時性。在復(fù)位電路中本設(shè)計結(jié)合了單片機上電復(fù)位與人工強制復(fù)位方式,利用后者可以在單片機系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下重新恢復(fù)正常執(zhí)行。時鐘電路采用外接晶振設(shè)計,使系統(tǒng)在啟用內(nèi)部定時器進行周期性溫度信號采集過程中具有穩(wěn)定的時鐘基準。

繼電器組設(shè)置了四個獨立繼電器,分別對應(yīng)溫度指示控制器儀表的原生四組控制開關(guān)觸點的控制。四個繼電器的觸點均連接至電力變壓器的冷卻報警控制回路。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 整個軟件結(jié)構(gòu)上由主程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成,主程序完成對單片機內(nèi)部功能部件的初始化和溫度比較以及繼電器的驅(qū)動功能,設(shè)定按鍵為下降沿觸發(fā)中斷,定時器工作在16位初始值自動重載方式并結(jié)合定時中斷進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理,避免了每次定時中斷后都需要重新設(shè)定初值的弊端。

根據(jù)控制原理,本設(shè)計通過單片機讀取電流變送器輸入的0-5V電壓信號,并通過內(nèi)部ADC單元獲得對應(yīng)的溫度數(shù)值信號,在主程序中通過循環(huán)方式不間斷對此當前溫度數(shù)值信號與設(shè)定值進行比較,一旦當前值達到或超過設(shè)定值,驅(qū)動對應(yīng)組的繼電器線圈通電,其常開觸點閉合接通變壓器冷卻報警控制回路動作。反之,若當前溫度低于設(shè)定值,則斷開對應(yīng)觸點,切斷控制回路。單片機通過按鍵中斷子程序?qū)λ膫€按鍵的動作進行處理,分別完成控制開關(guān)組別的選擇、變壓器量程上下限的選擇、設(shè)定值加1和設(shè)定值減1操作。

定時器子程序也采用中斷方式進行處理,主程序首先完成定時器的初始化,設(shè)定其具體工作方式,最后啟動定時器開始工作。定時器按固定周期啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換,將指定的模擬量輸入通道的0-5V直流電壓轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)字量,本設(shè)計中我們采用了8位量化方式進行處理,其電壓分辨率P為5V/256即0.0195V,以BWY-804J(TH)型儀表量程0-150攝氏度為例,其對應(yīng)溫度分辨率為150度/256即0.58攝氏度,完全可以滿足控制要求。在進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換處理過程中,為了保證采樣結(jié)果的可信度,我們采用了平均值濾波方式對多次采樣結(jié)果進行處理,有效避免意外干擾引發(fā)的數(shù)值波動。

對于繼電器的控制,考慮到其動作需要較大的驅(qū)動電流,單片機的所有引腳在上電復(fù)位完成后默認為準雙向端口模式,該模式下單片機引腳驅(qū)動能力有限,所以在程序中將四個繼電器的控制引腳專門設(shè)置為推挽輸出方式以保證繼電器的可靠動作。

當有按鍵按下時,系統(tǒng)進入按鍵中斷服務(wù)子程序,首先需要關(guān)中斷,以使在中斷處理過程中不會再受到其他中斷影響。中斷程序根據(jù)中斷標志位的結(jié)果判別是哪個按鍵按下,然后進行對應(yīng)處理,并將結(jié)果寫入到單片機內(nèi)部只讀存儲單元EEPROM保存,并進一步供主程序進行讀取和后續(xù)處理。在中斷返回之前需要重新開放中斷,以使下一次按鍵按下的動作能得到實時處理。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于單片機的變壓器油面溫度測溫控制系統(tǒng),在原電力變壓器溫度指示控制器基礎(chǔ)上進行了軟硬件改造,結(jié)合了數(shù)字計算機對油溫進行在線檢測,只有當計算機獲取的實測溫度超過設(shè)定值狀態(tài)且同時原生溫度計接點導(dǎo)通下才使對應(yīng)觸點接通控制回路動作,根本上克服了原始儀表不能對因人為因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤觸發(fā)的缺陷。