風冷電力變壓器冷卻控制系統設計

殷海雙，王永安，段志偉，趙志華，姚建紅

YIN Hai-shuang, WANG Yong-an, DUAN Zhi-wei, ZHAO Zhi-hua, YAO Jian-hong

（東北石油大學，大慶 163318）

0 引言

變壓器結構復雜，是電力系統的核心，其運行狀態關系著整個電力系統能否平穩運行[1]。變壓器運行時，內部鐵心、線圈和金屬構件等都要產生損耗，而且所帶負荷發生變化使變壓器的損耗也相應發生改變，所有這些損耗都將引起變壓器發熱和溫度升高，過高的溫度將降低變壓器的效率，縮短變壓器的壽命[2,3]，由以上分析可以看出，變壓器能否正常工作變壓器冷卻系統起著決定性的作用。傳統變壓器風冷控制系統主要由機械觸點的開閉來驅動線圈,人工控制冷卻器的投切，自動化程度低，已不能適用當今無人值守變電站的需求[4]。筆者針對油浸式風冷變壓器設計了一種基于單片機的變壓器冷卻控制系統，以變壓器冷卻油箱的頂層油溫為測量參數對變壓器的油溫進行控制，實時檢測油溫變化，根據油溫變化控制風機的啟動實現自動調節冷卻器投入工作組數。

1 系統總體設計方案

本系統由上位機和下位機兩個子系統構成，上位機部分由VB語言編寫的可視化界面組成，通過串口將下位機采集到的數據傳到上位機顯示；下位機微控制器選用STC89C52RC單片機，主要包括油溫采集電路、單片機控制電路、LCD12864液晶與單片機接口電路、冷卻機組控制電路、串口通信電路五大模塊，如圖1所示。

圖1 總體設計方案

系統通過安裝在變壓器冷卻油內部的溫度傳感器DS18B20實時監測油溫，將其測量值送入下位機（單片機）后由軟件與上位機設定并發送而來的油溫標準值進行分析比較，若油溫測量值低于設定的標準值，則冷卻器不工作；若油溫高于標準值，則由下位機控制開啟冷卻器降溫，并通過分析高出標準值的程度來控制開啟冷卻器的個數。通過計數器累計每個冷卻器機組的運行及停止時間，避免各機組運行時間不均衡。

2 系統硬件資源配置

2.1 油溫采集電路

油溫采集部分選用單總線接口、支持多點組網、可根據應用場合改變外觀的DS18B20數字溫度傳感器，其測量范圍-55oC～+125oC，可編程的分辨率為9bit～12bit，具有三個引腳，其引腳定義為：1為外接供電電源輸入端；2為數字信號輸入/輸出端；3為電源地。在本設計中2引腳接單片機P2.0引腳，來實現傳感器與單片機之間的數據連接，其與單片機接口電路如圖2所示。

圖2 DS18B20接口電路

2.2 冷卻器控制電路

該系統以本次油溫采樣值與前次油溫采樣值進行比較，分析油溫變化率：

其中α 表征變壓器負荷、溫度變化量的調節系數，W表征油溫變化率，WK表征本次采集油溫，WK-1表征上次采集油溫。當W的數值不同時，分別運行不同數數量的冷卻設備。式（1）中，當負荷發生變化時同，即使油溫WK還未達到設定值，適當選取調節系數α 的數值，實現根據負荷的變化量使冷卻機組適時提前實現投切。

系統通過驅動電機控制冷卻器啟停，選用ST公司生產的L298N電機驅動芯片，該芯片最高工作電壓及瞬間輸出電流都較大，分別可達46V和3A，額定功率25W，控制信號為標準邏輯電平，具有兩個控制端，能夠實現啟動或停止獨立控制可以不受輸入信號影響[5]。電機控制模塊電路如圖3所示，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4各接一個電機，IN1、IN2、IN3、IN4引腳為電機正反轉控制端，該系統中輸入控制信號由單片機發出，ENA、ENB引腳為電機停轉控制端，也由單片機發送控制指令。

圖3 電機驅動模塊電路

2.3 液晶顯示電路

該設計中使用LCD12864液晶作為下位機顯示界面，顯示每個直流電機的運行狀態及測量所得的油溫，該芯片內置8192個中文漢字CGROM(16×16)、128個字符（ASCII）HCGROM(16×8)、及128×64點陣顯示RAM（GDRAM），可顯示8×4行16×16點陣的漢字，驅動方式為1/32DUTY、1/5BIAS。LCD12864與單片機接口電路如圖4所示，3引腳接滑動變阻器滑動端用于調節顯示屏的明亮程度，4引腳（指令/數據選擇端）接單片機P3.4引腳，5引腳（讀寫控制端）接單片機P3.6引腳，6引腳（使能信號端）接單片機P3.7引腳，7～14引腳接單片機P0口用于單片機與液晶的數據傳輸。

圖4 LCD12864與單片機接口電路

2.4 串行通信電路

系統通過MAX232芯片將單片機的TTL電平轉換為RS-232電平，實現單片機與PC機之間的通訊。MAX232芯片是單電源電平轉換芯片，是美信公司專門為電腦的RS-232標準串行端口設計的，其中1、2、3、4、5、6腳和4只電容用來為RS-232串口產生+12V和-12V兩個電源，11、12、13、14引腳為第一數據轉換通道，7、8、9、10引腳為第二數據轉換通道[6]，該系統中單片機通過P31引腳將TTL/CMOS數據從TIN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從RIN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出接單片機P30引腳，接口電路如圖5所示。

圖5 串口通信模塊接口電路

3 軟件設計

3.1 下位機總體流程

下位機主程序的流程如圖6所示，上電后對系統初始化，包括IO口設置初始化、外圍控制裝置初始化，然后通過串口通信接收上位機傳來的數據及指令，通過分析比較測量的實時油溫與上位機設定基準油溫的差值來控制電機是否啟動及啟動的組數，通過單片機內部定時/計數器累計電機運行及停止時間，最終將油溫實測值及電機運行狀態上傳上位機。

圖6 下位機主程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機顯示使用Visual Basic語言制作界面，如圖7所示，系統由上位機設定溫度基準值和溫度超標值T1、T2、T3，后由串口發送給下位機，左側的串口選擇部分用于通訊設置，方便不同的環境下使用，波特率設置9600bps。串口部分的指示燈用來顯示串口工作狀態，呈綠色時表明串口正常工作；每兩個冷卻器為一組，電機運行狀態部分當指示燈為綠色時表明此電機運轉，控制相應冷卻器啟動，黑色表明電機停止，控制相應冷卻器切出工作。油溫超標幅度控制電機運行狀態如表1所示。

圖7 上位機顯示界面

表1 油溫超標幅度與電機運行狀態

4 結束語

該風冷變壓器冷卻控制系統以單片機為主控制器，以變壓器冷卻油內部油溫為檢測對象，通過實測油溫與用戶設定值的比較，判斷是否開啟冷卻器及冷卻器投入組數，實現了對冷卻器投切的控制，同時實現了下位機和上位機間信息傳輸完成信號上傳下達。運行結果表明，該系統操作簡單、維護方便，實現了對風冷變壓器的冷卻控制。

[1]李化波.基于PLC的大型電力變壓器冷卻控制裝置的研究[D].華北電力大學(北京),2007.

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[3]張繼蘭,王中強,田衛東.大型變壓器風冷智能控制柜的設計[J].電氣制造,2010.10:36-38.

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[5]畢金磊.基于PLC的變壓器風冷控制系統的研究與設計[D].山東大學.2008.

[6]劉作新.高電壓大電流電相驅動芯片L298[J].電子世界.2003,9:48.

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