薛 濤

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 滕州 277500）

0 引言

智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)與建造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及許多領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，將智能化系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相融合[1-3]。在信息化的今天，智能化的電力系統(tǒng)已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分[4]。電力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是變壓器，在智能電網(wǎng)的構(gòu)建中，應(yīng)充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，促進(jìn)新一波的智能化變壓器工業(yè)的復(fù)興和發(fā)展。但在實(shí)際操作中，變壓器容易發(fā)生失效，其影響很大，對(duì)電網(wǎng)的安全可靠性構(gòu)成了極大的影響[5-7]。由于電力變壓器的線路聯(lián)結(jié)比較復(fù)雜、檢修難度大和故障率高，有必要對(duì)其進(jìn)行了深入的分析[8]。風(fēng)機(jī)功率出口端采用一種成熟、高效、實(shí)用的過(guò)負(fù)荷自動(dòng)保護(hù)故障警報(bào)輸出設(shè)備，能夠及時(shí)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)機(jī)的故障進(jìn)行及時(shí)、精確控制，使其整體的風(fēng)扇在長(zhǎng)時(shí)間安全、穩(wěn)定的操作下工作狀態(tài)下的各方面功效得到了明顯的改善。因此，本文主要采用最新西門子的PIC16F877 單片機(jī)系統(tǒng)控制器對(duì)智能電網(wǎng)變壓器冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，有著不可替代的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

1 智能電網(wǎng)變壓器冷卻控制系統(tǒng)構(gòu)成及原理

智能電網(wǎng)變壓器冷卻控制系統(tǒng)采用PIC16F877單片機(jī)系統(tǒng)控制器作為技術(shù)核心，實(shí)現(xiàn)了由微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)主變壓器繞組油溫參數(shù)信號(hào)的采集，通過(guò)LED 屏動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)和無(wú)線實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，通過(guò)參考風(fēng)機(jī)油溫實(shí)時(shí)的變化趨勢(shì)曲線，對(duì)電機(jī)整個(gè)繞組風(fēng)機(jī)裝置溫度和電氣裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程檢測(cè)控制。傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理圖

2 冷卻控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

以PIC16F877 單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對(duì)油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集結(jié)果送入MCU 進(jìn)行處理，按照要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，如圖2 所示。由于要有溫度自動(dòng)檢測(cè)，需要有A/D 自動(dòng)轉(zhuǎn)換，且單片機(jī)需要具有較多功能的I/O 口，單片機(jī)多采用PIC 系列的微尺寸控制器。

圖2 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 溫度采集電路模塊設(shè)計(jì)

由于電力變壓器的外殼及其內(nèi)部線圈均是帶有鉑電阻，該檢測(cè)系統(tǒng)電路主要具有溫度測(cè)試系統(tǒng)精度高、性能成熟穩(wěn)定、調(diào)試容易和實(shí)用性功能更較強(qiáng)等應(yīng)用特點(diǎn)。其檢測(cè)電路圖如圖3 所示。

圖3 電橋型溫度檢測(cè)電路

2.3 冷卻控制人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能保證系統(tǒng)正常工作，需要對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)中為了方便看到系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)置了三套監(jiān)測(cè)與指示裝置，由控制風(fēng)機(jī)起停的接觸器、檢測(cè)故障的繼電器常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)控制的。電路圖如圖4 所示。在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，控制回路中繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)就會(huì)因?yàn)槔^電器線圈的得電而接通，觸點(diǎn)一側(cè)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，顯示風(fēng)扇是否在工作中。在故障顯示線路上，過(guò)載失效是指在某一臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)超負(fù)荷時(shí)，通過(guò)繼電器的感應(yīng)電流使該繼電器的正常斷點(diǎn)打開(kāi)，使該接觸端的LED 燈被點(diǎn)亮。此時(shí)，指令風(fēng)扇超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，過(guò)載訊號(hào)經(jīng)由光電絕緣傳輸至主控制臺(tái)，由微處理器接收到低電平訊號(hào)后，即時(shí)作出反應(yīng)，切斷與風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的連接。

圖4 風(fēng)機(jī)故障顯示電路

2.4 主回路設(shè)計(jì)

控制回路電路圖如圖5 所示。一個(gè)固態(tài)單刀式雙擲開(kāi)關(guān)繼電器同時(shí)控制三相四個(gè)電機(jī)組的運(yùn)行，對(duì)電機(jī)手動(dòng)控制運(yùn)行起動(dòng)和控制停止及自動(dòng)控制切換等操作進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。電機(jī)是借由一個(gè)KM7 的線圈和常閉的開(kāi)關(guān)來(lái)提供電機(jī)的電源，當(dāng)線圈充得上電或啟動(dòng)電源后，常閉打開(kāi)，固態(tài)繼電器也即能起作用。當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)打轉(zhuǎn)到半自動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，KM8 開(kāi)關(guān)的線圈都已開(kāi)始帶電，當(dāng)此時(shí)KM8 自動(dòng)開(kāi)關(guān)輸出的信號(hào)以常閉的信號(hào)打開(kāi)，KM7 的開(kāi)關(guān)線圈也都不再會(huì)帶電，即開(kāi)始自動(dòng)進(jìn)入了半自動(dòng)的運(yùn)行的狀態(tài)。此時(shí)，需要通過(guò)單片機(jī)發(fā)生器發(fā)送放出來(lái)的帶有高電平信號(hào)的電流脈沖，或通過(guò)輸出帶低電平的啟動(dòng)和停止脈沖電流信號(hào)，以間接控制交流電子接觸器線圈及其內(nèi)部工作的電動(dòng)機(jī)線圈，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)和停止時(shí)間的有效控制。

圖5 風(fēng)機(jī)控制回路圖

3 冷卻控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分應(yīng)包括主程序，按鍵服務(wù)子程序、溫度采集與處理子程序、故障檢測(cè)及顯示子程序、風(fēng)機(jī)控制子程序和無(wú)線通信子程序。主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)微處理器進(jìn)行初始化，并對(duì)各子級(jí)編程進(jìn)行了調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)機(jī)工作狀況和故障線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。冷卻控制系統(tǒng)的主程序軟件流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

溫度系統(tǒng)中共用了四個(gè)按鍵，SET 鍵為溫度范圍設(shè)定開(kāi)始鍵，UP 為溫度的遞增鍵，DOWN 為溫度的遞減鍵，每按下一次，溫度變化一度。當(dāng)SET 鍵按下時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤服務(wù)子程序，表明進(jìn)入溫度的設(shè)定狀態(tài)，系統(tǒng)的初始值是45 ～55 ℃，對(duì)于溫度的設(shè)定是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行遞增或遞減，再次按下SET 鍵時(shí)，表明進(jìn)入上限值的設(shè)定，通過(guò)上/下按鈕調(diào)節(jié)水溫，如果沒(méi)有設(shè)置的必要，就點(diǎn)擊“取消”按鈕，三次點(diǎn)擊SET 按鈕，就可以進(jìn)行設(shè)置。

溫度采集與處理模塊采用了中斷服務(wù)程序，系統(tǒng)規(guī)定了在100 ms 內(nèi)要采集20 個(gè)值，對(duì)數(shù)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行均值濾波，再判斷是否為20 個(gè)數(shù)，如果不夠則繼續(xù)采集，直到夠20 個(gè)數(shù)，再次進(jìn)行均值濾波，就可以得到實(shí)時(shí)的溫度值。

本系統(tǒng)要求根據(jù)溫度值的大小來(lái)確定風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。首先對(duì)其進(jìn)行測(cè)溫，在規(guī)定的溫度區(qū)間，六組風(fēng)扇相距1 s 依次起動(dòng)；在溫度高于上限時(shí)，將所有的風(fēng)扇投入使用；在溫度下降到最低限度時(shí)，所有的風(fēng)扇都會(huì)被關(guān)閉。

通過(guò)對(duì)冷卻控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)變壓器冷卻控制系統(tǒng)如圖7 所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)故障的實(shí)時(shí)的檢測(cè)及控制，使整套系統(tǒng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行，提高了工作條件的可靠穩(wěn)定性。

圖7 冷卻控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

在實(shí)驗(yàn)條件下，運(yùn)用本文提出的在線監(jiān)控方法，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，監(jiān)控結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，本文提出的智能電網(wǎng)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控方法，在實(shí)際應(yīng)用中漏警概率保持在5%以下，且平均值為1.71%，具有監(jiān)控性能的優(yōu)越性。

表1 故障檢測(cè)情況

4 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)主要采用以最新西門子的PIC16F877單片機(jī)系統(tǒng)控制器為其工作控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)了由微機(jī)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)主變壓器的油溫參數(shù)狀態(tài)的在線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)采集、LED 屏動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)傳輸、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息同步共享，并實(shí)現(xiàn)通過(guò)參考風(fēng)機(jī)油溫實(shí)時(shí)的變化曲線來(lái)對(duì)其整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)裝置溫度和電氣線路運(yùn)行電壓穩(wěn)定等狀況動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行的在線的實(shí)時(shí)的檢測(cè)及控制，通過(guò)設(shè)計(jì)完善而高效的風(fēng)機(jī)過(guò)載自動(dòng)保護(hù)故障報(bào)警輸出裝置，可以快速并實(shí)時(shí)為整個(gè)風(fēng)機(jī)和CPU 控制電路組提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，使其整套風(fēng)機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行，提高了工作條件的可靠穩(wěn)定性。