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1 引言 電力變壓器是電力系統中應用相當普遍而又十分重要的電氣設備，它運行較為可靠，故障機率小。但是在運行中，還是可能發生箱內故障、箱外故障及出現不正常工作狀態。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。一旦發生故障，將給電力系統的運行帶來嚴重的后果。 為了保證變壓器的安全運行和防止擴大事故，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。 對變壓器的保護主要分為電量型繼電保護和非電量型保護。 電力變壓器的電量型繼電保護主要有：差動保護、電流速斷保護、零序電流保護等，但這些保護對變壓器內部故障是不靈敏的。而非電量保護是變壓器本體的非電量觸點(如瓦斯、溫度等)直接進入保護裝置重動后發信及跳閘。 非電量保護主要有瓦斯、溫度、壓力、冷控失電保護等。其中，變壓器內部故障的主保護是瓦斯保護，它能瞬間切除故障設備，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，當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 系統總體設計方案 本文設計的測控裝置集非電量監測、控制和報警功能于一身。其優點是功能相對集中，全數字通信，只需要使用一個單片機就可實現所有功能，大大節省了成本和空間。 需要實現的功能：以一片單片機為控制核心，實現高速計算和控制；實現對主變壓器的溫度監測和報警；實現對調壓檔位的監測和報警；實現對瓦斯信號的監測和報警；具有中文液晶顯示和鍵盤輸入，在中文環境下輸入參數，數據也可以在中文環境下顯示，顯示風格人性化；具有RS-485總線通信接口和CAN總線通信接口；具有簡單的狀態信號輸出；具有繼電器輸出功能。 根據方案所需要實現的功能，筆者將系統構建成信號輸入→信號處理→信號輸出的模式，其系統框圖如圖1所示。左邊為信號輸入部分，可分為幾個小模塊進行設計；中間是信號處理部分，為C8051F041最小系統；右邊為信號輸出部分，可分為幾個小模塊進行設計。 鍵盤輸入和液晶顯示模塊又稱為人機接口模塊，主要負責參數的輸入和狀態的顯示，這里采用的是2×2的小鍵盤輸入和128×64的液晶模塊。 溫度監測模塊選用Maxim公司的MAX6674。檔位監測模塊、瓦斯監測模塊以及其他附加開關量都是對繼電器的狀態進行檢測。因此，直接用光耦對繼電器信號進行采集和隔離，采集進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過SN75HVD10D后直接進入單片機，造成程序跑飛。同樣，在CAN總線通信器件PCA82C250與單片機的連接上，也使用高速光耦6N137將單片機和PCA82C250隔離．防止外界干擾進入。輸出繼電器控制方面，采用低速光耦TLP521隔離單片機I／O端口和控制繼電器的三極管TIP42。 3 系統模塊的設計 從總體上看，本系統可以分為以下模塊：CPU模塊、溫度信號處理模塊、瓦斯信號處理模塊、調壓檔位監測及輸出模塊、電源模塊、通信模塊�？紤]到篇幅的原因，本文將詳細介紹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)CAN混合信號型MCU，它具有一系列的特點：51內核、功能非常強大、指令運行速度高、I／O端口功能采用軟件配置，有多種復位方式。 本設計選用型號為C8051F041的MCU，該器件具有強大的模擬量及數字量處理功能。在本系統中，只需一片C8051F41并少許擴展外圍信號調理電路，即可出色地實現所有系統功能。 MCU的最小系統硬件原理圖如圖2所示，其中包括復位電路、晶體振蕩器電路和JATG調試電路。 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，并且接地點與模擬地AG-ND相連，AGND與數字地DGND和通信地CGND等通過單點跟系統外殼共地，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集出錯。其中MAX6674與數字系統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I／O端，需要對電壓信號進行變換，為了提高硬件系統的抗干擾性，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。其硬件措施如下：采用電阻實現前端光電二極管的限流，當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測瓦斯繼電器的狀態。 3.4 調壓檔位監測及輸出 調壓檔位狀態信號的輸出選用單刀常開型繼電器。調壓檔位狀態信號以BCD碼的形式從控制的繼電器輸出。由單片機輸出數字信號至低速光耦TLP521，光隔離后控制三極管TIP42的導通來控制繼電器的通斷。 3.5 電源模塊 為了使整個系統穩定可靠，電源模塊是至關重要的部分。在本系統的電源設計中，采用了多級濾波以及抗干擾措施。鑒于變壓器現場中高壓環境的存在，以及變壓器現場容易引雷的問題，在系統中還加入了多級抗雷擊保護功能，防止感應雷在電源線上造成的高壓竄入控制系統引起控制系統的損壞。 3.6 通信模塊 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定性。 同時，C8051F04x系列器件具有控制器局域網(CAN)控制器，采用CAN協議串行通信。在此控制器基礎上，外加兩個高速通信光耦隔離，然后再連接至CAN總線物理層收發器。 3.7 系統抗干擾技術 本系統主要采用串模干擾及其抑制、共模干擾及其抑制、CPU抗干擾技術增強系統的穩定性和可靠性。 4 軟件設計 4.1 實時操作系統和開發環境的選擇 綜合考慮主變壓器非電量保護系統的高實時性、多任務多線程、C8051F041的硬件條件和實際可操作性，最后確定以51系列μC／OS-II的小型實時操作系統作為系統控制的運行平臺，在其基礎上進行主變非電量的智能實時測控保護。 綜合考慮本系統需要實現的功能，總結出了十大任務可供系統調用：瓦斯檢測任務、溫度檢測任務、有載分接頭檢測任務、開關量輸出任務、信息顯示任務、鍵盤檢測任務、CAN總線通信任務、RS-485總線通信任務、恒流源輸出調整任務以及恒壓源輸出調整任務。 在這些任務中，瓦斯檢測任務、溫度檢測任務、有載分接頭檢測任務、開關量輸出任務、信息顯示任務、恒流源輸出調整任務、恒壓源輸出調整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。CAN總線通信任務和RS-485總線通信任務是由外部中斷觸發啟動或者內部事務主動調用啟動。 本系統的開發編譯環境采用KeilμVision3，它是Keil Software公司最新出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。Keil μVision3本身最初的目的是為ARM設計的開發環境，而ARM上面一般均為運行操作系統。 4.2 軟件算法 本系統的軟件算法主要涉及到溫度監測、瓦斯監測、有載分接開關監控、鍵盤顯示控制、通訊控制、系統調度控制。 溫度監測和瓦斯監測將作為一個系統時鐘中斷驅使任務，可定時實時完成；有載分接開關監測也作為一個系統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，然后再由2個I／O掃描輸入，確定按鍵是否按下；通訊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，同時也承擔系統各控制參數的修改、控制和檢測。 5 結束語 新型主變壓器集成式非電量智能測控裝置實現了“集成化”和“智能化”。其硬件電路采用C8051F041混合信號型MCU作為控制器的核心，從而大大降低了整個測控裝置的功耗和體積，提高了實時控制能力。軟件設計上，以實時操作系統為平臺，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。 |
