#變壓器微機保護裝置方案

1、變壓器微機保護裝置的設計原理1、設計背景 )電力變壓器是電力系統(tǒng)中應用相當普遍而又十分重要的電氣設備，它尤其在發(fā)電廠、 變電站中起著舉足輕重的作用！是整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定運轉的有力保證！它運行較為可靠， 故障機率小。但即便如此，還是可能發(fā)生箱內故障、箱外故障及其他不正常工作狀態(tài)。其 中，箱內故障是非常危險的，因為短路電流產生的電弧不僅會破壞繞組絕緣，燒壞鐵芯， 還可能使絕緣材料和變壓器油受熱而產生大量氣體，引起變壓器油箱爆炸。一旦發(fā)生故 障，將給電力系統(tǒng)的運行帶來嚴重的后果。在本實驗設計中，我們根據當前變壓器微機保護裝置的設計方向，將變壓器的一二次 側的電壓與電流、變壓器的溫度這三組量作為電力變壓

2、器運行狀態(tài)的檢測參數，通過對參 數的測量并隨之采取相應的措施，以達到對變壓器實現(xiàn)有效的保護與控制。2、設計的意義根據變壓器的容量大小及其重要程度安裝靈敏、快速、可靠和選擇性好的各種專用保 護裝置是極為重要的，通過為變壓器配備專用的智能保護裝置，有效地保證變壓器的安全 運行和防止擴大事故。設計方案根據方案所需要實現(xiàn)的功能，我們將系統(tǒng)構建成信號輸入信號處理信號輸出的模 式，其系統(tǒng)框圖下圖所示。左邊為信號輸入部分，可分為幾個小模塊進行設計；中間是信 號處理部分，為 AT89C51最小系統(tǒng)；右邊為信號輸出部分，也可分為幾個小模塊進行設 計。主要負責參數的輸入和狀態(tài)的顯示，圖 2-1 保護系統(tǒng)框圖鍵盤輸

3、入和液晶顯示模塊又稱為人機接口模塊， 這里采用的是小鍵盤輸入和 LCD1602液晶模塊。/ 11電流檢測模塊采用的是 Maxim公司生產的 Max471芯片，電壓檢測模塊采用 AD736，溫 度監(jiān)測模塊選用 Maxim公司的 MAX667。4 在電壓、電流分別通過電壓互感器和電流互感器 后，再經過電流、電壓監(jiān)測模塊，進行對數據的采集與轉換；變壓器的溫度直接通過溫度 監(jiān)測模塊進行收集，接著把轉換過的數據通入單片機中進行處理，最后報警并顯示變壓器 當前的參數值并自動地控制、調整變壓器的運行。三、系統(tǒng)模塊的設計從總體上看，變壓器智能保護系統(tǒng)可以分為以下模塊： CPU模塊、溫度信號處理模 塊、電流信號

4、監(jiān)測處理模塊、電壓信號監(jiān)測處理模塊及 顯示）輸出模塊、通信模塊。下 面我們就一一進行較為詳細的闡述。1、CPU模塊在本設計中采用的微處理器 CPU）是 AT89C51，它是美國 ATMEL公司生產的低電壓、 高性能 CMOS 8位單片機，片內含 4k bytes 可編程可電擦除的只讀存儲器 PERO）M和 128bytes 的隨機存儲器 RAM），片內置通用 8 位中央處理器，和 FLASH存儲單元，功能強 大，可供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。在本系統(tǒng)中，只需一片 89C51并少許擴展外圍信號調理電路，即可出色地實現(xiàn)本系統(tǒng)功能。下圖便是本設計所用 到的單片機：AT89C5

5、1：圖 3-1 AT89C51 外部引腳圖單片機的復位電路 ：/ 11時鐘電路 :圖 3-3 時鐘電路圖2、溫度信號處理模塊采用 Maxim公司生產的數字溫度變送器 MAX667。4MAX6674原理圖如圖 3-4 ：圖 3-4 MAX6674 原理圖另外我們還采用了 6N137光耦合器，以求對繼電器信號進行采集。這是一款用于單通 道的高速光耦合器，其內部有一個 850 nm波長 AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢 測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。 6N137光耦合器原理圖：/ 11圖 3-5 6N137 廣耦合原理圖 在具體的設計電路

6、中，本芯片由模擬電源提供 3.3V 電壓，并且接地點與模擬地 AGND 相連， AGND與數字地 DGND和通信地 CGND等通過單點跟系統(tǒng)外殼 上圖中用粗黑線畫出 的）共地，最后接入真正的大地。采取模擬電壓供電和單獨接入模擬地AGND的原因是為了防止數字電路的信號噪聲干擾模擬信號采集電路，導致對模擬信號的采在集出錯。其中 MAX6674與數字系統(tǒng)的通信采用高速通信光耦隔離。通過 Protel 繪制的溫度信號處理電路4 / 11200A.用它來測AD736 是經過激光修正的單片精密真有效值 AC/DC轉換器。其主要特點是準確度高、靈敏 性好 滿量程為 200mVRM)S、測量速率快、頻率特性好

7、 工作頻率范圍可達 0460kHz)、 輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為 量正弦波電壓的綜合誤差不超過 3%.AD736采用雙列直插式 8 腳封裝，其內部結構圖如圖 3-7 ：圖 3-7 AD736 內部機構圖在測量電壓時，因為變壓器的電壓量值較大，我們需要先通過電壓互感器，將交流高 電壓降低為交流低壓，以便于我們所設計的電壓監(jiān)測控制模塊的安全與有效處理。電壓監(jiān)測轉換模塊：圖 3-8 電壓監(jiān)測轉換模塊電路圖 接著，對于電流信號處理模塊，我們采用 Maxim 公司生產的 MAX471 芯片，有一個 電流輸出端，可以用一個電阻來簡單的實現(xiàn)以大地為參考點的電流轉換，并可

8、工作在較寬 的電壓范圍內。擁有完美的高端電流監(jiān)測功能，內部含有精密的內部監(jiān)測電阻，在工作范 圍內，精度為 2%。MAX471 內部結構如圖 3-9。/ 11在測量電流時，也需要先將大電流轉換為小電流，再通過電流監(jiān)測轉換模塊。 電流監(jiān)測轉換模塊：圖 3-9 MAX471 內部結構圖圖 3-10 電流監(jiān)測轉換模塊電路圖4、報警，警示燈部分當電力變壓器的溫度，電流，電壓超出額定值時，系統(tǒng)警報系統(tǒng)將會亮燈、鳴笛給與 警示，以防工作人員在變壓器故障情況下進入工作區(qū)域，造成人員傷亡。隨后系統(tǒng)將會根 據情況自動進入以下兩種維修狀態(tài)。 1. 當變壓器溫度高于線圈材料的熔點時，即便變壓器 冷卻下來，電流、電壓降

9、低下來，也不能隨即啟動，必須先人為檢修后，才能重新啟動 ( 通過按鈕手動啟動 。 2，若變壓器最高溫度沒有高于線圈材料的熔點，則可以待變壓器 冷卻后直接自動重啟/ 11報警模塊 ：5、鍵盤與顯示鍵盤模塊： 當維修人員修復好燒壞的變壓器線路時，按鍵以提示系統(tǒng)可以重新啟動圖 3-12 鍵盤模塊電路圖顯示模塊：在電力變壓器智能保護裝置中，我們采用 LCD1602液晶顯示模塊，它具有微功耗，體 積小，顯示豐富，超薄輕巧的諸多有點，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 此外，程序簡單 ，如果用數碼管動態(tài)顯示，會占用很多時間來刷新顯示，而這里用到的 LCD1602能夠自動完成此功能。顯示模塊電路圖：

10、/ 11圖 3-13 顯示模塊電路圖6、RS485串行口通信模塊在綜合了傳輸距離，傳輸成本等多種因素后我們選擇串行口通信，進行數據的創(chuàng)送。 為了防止外界干擾，首先采用高速光耦將單片機的 UART口和 RS-485 通信器件隔離，單片 機和 RS-485 通信器件單獨供電，這樣由通信線路從外界引入的干擾將止于高速光耦處， 不會從光耦進入單片機，大大提高了單片機的穩(wěn)定性。單片機異步通信口與 76176 之間采 用光電隔離數據通信模塊：/ 11圖 3-14 RS485 串行通信電路圖7、設計總圖圖 3-15 變壓器智能保護系統(tǒng)電路圖四、軟件流程設計9 / 111. 綜合分析綜合考慮主變壓器智能保護系

11、統(tǒng)的高實時性、多任務多線程、AT89C51的硬件條件和實際可操作性，最后確定以 51 系列 COS-II 的小型實時操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)控制的運行 平臺，在其基礎上進行主變的智能實時測控保護。綜合考慮本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，總結出了八大任務可供系統(tǒng)調用：溫度檢測任務、 一二次側電流檢測任務、一二次側電壓檢測任務、開關量輸出任務、信息顯示任務、鍵盤 檢測任務、 RS-485總線通信任務、智能報警任務。在這些任務中，溫度檢測任務、電流、電壓檢測任務、開關量輸出任務、信息顯示任 務、報警任務均沒有外部中斷啟動條件，因此，這些任務都作為時鐘實時定時任務。鍵盤 輸入的檢測也是由時鐘實時定時任務來完成。 RS-

12、485 總線通信任務是由外部中斷觸發(fā)啟動 或 者 內 部 事 務 主 動 調 用 啟 動 。 本 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 編 譯 環(huán) 境 采 用 Keil Vision3 ， 它 是 KeilSoftware 公司最新出品的 51 系列兼容單片機 C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。2. 軟件算法本系統(tǒng)的軟件算法主要涉及到溫度監(jiān)測、一二次側電壓電流監(jiān)測、鍵盤顯示控制、通 信控制、系統(tǒng)報警調度控制。溫度監(jiān)測將作為一個系統(tǒng)時鐘中斷驅使任務，可定時實時完成；電流、電壓監(jiān)測也將 作為一個系統(tǒng)時鐘中斷驅使的任務，定時實時完成；供顯示任務和通信任務調用；鍵盤顯 示控制中共有 4 個按鍵，先由 2 個 I O口掃描輸出，然后再

13、由 2 個 I O掃描輸入，確定 按鍵是否按下；通信控制算法主要是解決通訊任務的啟動方式，分為實時中斷啟動和隨機 中斷啟動兩種方式；系統(tǒng)調度控制的作用是對上述幾個任務進行調度和分配，同時也承擔 系統(tǒng)各控制參數的修改、控制和檢測。軟件流程圖 簡易）主程序流程圖判斷變壓器溫度 是否高出材料熔 點？判斷變壓器一 側電壓或電流 大于額定值Y？亮警示燈，鳴笛液晶顯示電流電壓大小自動終止 工作并亮變壓器 燈，鳴判斷維修人員是否 按 下1維0 /修 11完 成自動變壓器4工-1作 ，軟待件變流壓程圖器 冷卻后自動重啟 五、設計總結系統(tǒng)重新自動啟動”。其而大大降低了整個測控裝置的功耗和體積，新型返主回變壓器集成式電量與非電量智能測控裝置實現(xiàn)了“集成化”和“智能化 硬件電路采用 AT89C51作為控制器的核心，從 提高了實時控制能力。軟件設計上，以實時操作系統(tǒng)為平臺，并在其基礎上快速、良好而 又實時地運行各種檢測和顯示任務，達到了智能化和實時性的目的。AT89C51作為控制器的核心，從對于本次實驗，我的收獲是很大的：首先，加深理解了單片機的知識，并