馮威，粟梅
(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

1 引言

　　電力變壓器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)普遍而又十分重要的電氣設(shè)備，它運(yùn)行較為可靠，故障機(jī)率小。但是在運(yùn)行中，還是可能發(fā)生箱內(nèi)故障、箱外故障及出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)。其中，箱內(nèi)故障是非常危險的，因為短路電流產(chǎn)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(chǎn)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(yùn)行帶來嚴(yán)重的后果。

　　為了保證變壓器的安全運(yùn)行和防止擴(kuò)大事故，根據(jù)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(hù)裝置是極為重要的。

　　對變壓器的保護(hù)主要分為電量型繼電保護(hù)和非電量型保護(hù)。

　　電力變壓器的電量型繼電保護(hù)主要有：差動保護(hù)、電流速斷保護(hù)、零序電流保護(hù)等，但這些保護(hù)對變壓器內(nèi)部故障是不靈敏的。而非電量保護(hù)是變壓器本體的非電量觸點(diǎn)(如瓦斯、溫度等)直接進(jìn)入保護(hù)裝置重動后發(fā)信及跳閘。

　　非電量保護(hù)主要有瓦斯、溫度、壓力、冷控失電保護(hù)等。其中，變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)是瓦斯保護(hù)，它能瞬間切除故障設(shè)備，但氣體繼電器的靈敏度卻取決于鑒定值(流速)。對于溫度保護(hù)，當(dāng)前新的變壓器多采用高溫直接跳閘，而早期的變壓器則采用高溫和冷控失電跳閘。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　本文設(shè)計的測控裝置集非電量監(jiān)測、控制和報警功能于一身。其優(yōu)點(diǎn)是功能相對集中，全數(shù)字通信，只需要使用一個單片機(jī)就可實現(xiàn)所有功能，大大節(jié)省了成本和空間。

　　需要實現(xiàn)的功能：以一片單片機(jī)為控制核心，實現(xiàn)高速計算和控制；實現(xiàn)對主變壓器的溫度監(jiān)測和報警；實現(xiàn)對調(diào)壓檔位的監(jiān)測和報警；實現(xiàn)對瓦斯信號的監(jiān)測和報警；具有中文液晶顯示和鍵盤輸入，在中文環(huán)境下輸入?yún)?shù)，數(shù)據(jù)也可以在中文環(huán)境下顯示，顯示風(fēng)格人性化；具有RS-485總線通信接口和CAN總線通信接口；具有簡單的狀態(tài)信號輸出；具有繼電器輸出功能。

　　根據(jù)方案所需要實現(xiàn)的功能，筆者將系統(tǒng)構(gòu)建成信號輸入→信號處理→信號輸出的模式，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。左邊為信號輸入部分，可分為幾個小模塊進(jìn)行設(shè)計；中間是信號處理部分，為C8051F041最小系統(tǒng)；右邊為信號輸出部分，可分為幾個小模塊進(jìn)行設(shè)計。

　　鍵盤輸入和液晶顯示模塊又稱為人機(jī)接口模塊，主要負(fù)責(zé)參數(shù)的輸入和狀態(tài)的顯示，這里采用的是2×2的小鍵盤輸入和128×64的液晶模塊。

　　溫度監(jiān)測模塊選用Maxim公司的MAX6674。檔位監(jiān)測模塊、瓦斯監(jiān)測模塊以及其他附加開關(guān)量都是對繼電器的狀態(tài)進(jìn)行檢測。因此，直接用光耦對繼電器信號進(jìn)行采集和隔離，采集進(jìn)C8051F041的I／O引腳。采用高速通信光耦6N137將C8051F-041與RS-485通信器件 SN75HVD10D隔離，防止外界的干擾通過通信線路經(jīng)過SN75HVD10D后直接進(jìn)入單片機(jī)，造成程序跑飛。同樣，在CAN總線通信器件 PCA82C250與單片機(jī)的連接上，也使用高速光耦6N137將單片機(jī)和PCA82C250隔離．防止外界干擾進(jìn)入。輸出繼電器控制方面，采用低速光耦 TLP521隔離單片機(jī)I／O端口和控制繼電器的三極管TIP42。

3 系統(tǒng)模塊的設(shè)計

　　從總體上看，本系統(tǒng)可以分為以下模塊：CPU模塊、溫度信號處理模塊、瓦斯信號處理模塊、調(diào)壓檔位監(jiān)測及輸出模塊、電源模塊、通信模塊。考慮到篇幅的原因，本文將詳細(xì)介紹CPU模塊、溫度信號處理模塊以及瓦斯信號處理模塊。

3.1 CPU模塊

　　微程序控制器(MCU)采用Silabs公司的SoC(System on Chip，片上系統(tǒng))CAN混合信號型MCU，它具有一系列的特點(diǎn)：51內(nèi)核、功能非常強(qiáng)大、指令運(yùn)行速度高、I／O端口功能采用軟件配置，有多種復(fù)位方式。

　　本設(shè)計選用型號為C8051F041的MCU，該器件具有強(qiáng)大的模擬量及數(shù)字量處理功能。在本系統(tǒng)中，只需一片C8051F41并少許擴(kuò)展外圍信號調(diào)理電路，即可出色地實現(xiàn)所有系統(tǒng)功能。

　　MCU的最小系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示，其中包括復(fù)位電路、晶體振蕩器電路和JATG調(diào)試電路。

3.2 溫度信號處理模塊

　　溫度信號處理電路如圖3所示。MAX6674由模擬電源提供3.3 V電壓，并且接地點(diǎn)與模擬地AG-ND相連，AGND與數(shù)字地DGND和通信地CGND等通過單點(diǎn)跟系統(tǒng)外殼共地，最后接入真正的大地。采取模擬電壓供電和單獨(dú)接入模擬地AGND的原因是為了防止數(shù)字電路的信號噪聲干擾模擬信號采集電路，導(dǎo)致對模擬信號的采集出錯。其中MAX6674與數(shù)字系統(tǒng)的通信采用高速通信光耦隔離。

3.3 瓦斯信號處理模塊

　　為了將+24 V的檢測信號送至單片機(jī)I／O端，需要對電壓信號進(jìn)行變換，為了提高硬件系統(tǒng)的抗干擾性，采用光耦隔離器采集信號。

　　軟件方面，能實時地讀取端口狀態(tài)。其硬件措施如下：采用電阻實現(xiàn)前端光電二極管的限流，當(dāng)任何一路瓦斯繼電器動作時，其端口便會短路。瓦斯信號處理模塊電路原理圖如圖4所示。MCU模塊只需要定時實時采集即可監(jiān)測瓦斯繼電器的狀態(tài)。

3.4 調(diào)壓檔位監(jiān)測及輸出

　　調(diào)壓檔位狀態(tài)信號的輸出選用單刀常開型繼電器。調(diào)壓檔位狀態(tài)信號以BCD碼的形式從控制的繼電器輸出。由單片機(jī)輸出數(shù)字信號至低速光耦TLP521，光隔離后控制三極管TIP42的導(dǎo)通來控制繼電器的通斷。

3.5 電源模塊

　　為了使整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，電源模塊是至關(guān)重要的部分。在本系統(tǒng)的電源設(shè)計中，采用了多級濾波以及抗干擾措施。鑒于變壓器現(xiàn)場中高壓環(huán)境的存在，以及變壓器現(xiàn)場容易引雷的問題，在系統(tǒng)中還加入了多級抗雷擊保護(hù)功能，防止感應(yīng)雷在電源線上造成的高壓竄入控制系統(tǒng)引起控制系統(tǒng)的損壞。