基于LPC1768的地下變壓器油溫監測系統

杜艷偉，唐亞鳴，葉會然

（河海大學機電工程學院，江蘇常州，213002）

0 引言

隨著經濟的飛速發展，現代化和工業化進步的加快，不管是居民還是工業都需要大量的用電，不管是國民還是工業都對電力的需求越來越大，“十三五”規劃期間，電網的建設有了突飛猛進的發展，地熱、水電、風力等新能源得到了大量的發展[1]。但是不管什么發電站，隨著科技的發展都要求建設智能變電站，而電力變壓器是變電站最為重要的一種電力設備。但是隨著用電量的激增，電力變壓器的工作負荷也大大增加，這就會導致變壓器油溫會升溫，但是油溫一直處于高溫狀態會影響電力變壓器的工作[2]。

而現今隨著人口的增長和可用建筑土地面積減少，有一部分變電站已經轉移到地下或者室內，但是有用電量增加，所以變壓器的工作負荷也升高，低下或者室內的散熱不如室外，降低變壓器的溫度就顯得非常重要，對于變壓器的穩定運行有這重要的意義[3]。而變壓器的溫度一般不能實時得知，所以基于此本文研究設計一套能夠監測變壓器散熱器油溫的監測系統，并且可使用新型材料石墨烯噴涂散熱器外層，可提高散熱，降低變壓器溫度。

1 系統總體架構設計

基于LPC1768的變壓器油溫監測系統主要是由溫度傳感器、監測終端、交換機、后臺主機、打印機組成，溫度傳感器采用較為高精度的貼片式傳感器，在變壓器散熱器上表面安裝此傳感器，用來采集散熱器上層油溫的溫度，散熱器油溫回路一般是下層將冷卻后的冷卻油回流，所以上層溫度是高于下層，只需要監測上層油溫即可；溫度傳感器采集溫度數據，將溫度數據傳輸到監測終端，數據經過監測終端計算處理之后上傳后臺主機，監測終端設計有語音播報模塊，一旦變壓器上層油溫突破臨界值就開啟聲光報警，提示工作人員，并且開啟風機來進行強制風冷散熱，給變壓器進行降溫。隨后將相關溫度數據、報警狀態、風氣啟停狀態等上傳后臺主機，進行數據保存，后臺主機放置在中控室，可以進行參數配置、數據保存、歷史查詢、臨界值設定、實時界面查看數據、報表打印等功能[4-5]。對變壓器上層油溫進行等級劃分，不同的等級采取不同的措施，當超過最大閾值時系統做報警處理，并且自動開啟風機做降溫處理。報警數據、變壓器上表面溫度等數據上傳至后臺主機，實時監控界面可以實時查看，并且可以將數據處理，做成報表印。這套監測系統，可以遠程在中控室進行監測變壓器油溫，并且可以自動控制風機的啟停來進行降溫，降低工作人員的勞動強度，可以做到24 小時不間斷監測，更加靈活準確，系統總體架構結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構設計圖

2 系統硬件設計

基于LPC1768的變壓器油溫監測系統的硬件部分主要是監測終端的硬件電路，主要由風機控制單元、通信單元、電源電路單元、存儲單元、時間芯片電路組成，監測終端的硬件設計如2 所示。

本部分監測終端主要是監測變壓器溫度來做到實時開啟風機進行降溫，將高精度溫度傳感器安裝到變壓器上表面區域，傳感器采集到溫度數據，將采集到的溫度數據產送給檢測終端，監測終端對溫度數據計算處理，對溫度進行判定等級，一旦溫度超過設定的閾值，就發出聲光報警，隨后將數據傳送給后臺主機服務器。

2.1 電源電路單元

本監測終端終端電路中，有多處需要用到+3.3.V 電壓，比如微處理器LPC1768、時鐘芯片、看門狗等等，本設計采用電壓轉換芯片是LM117M3，可以將12V 電壓通過LM117M3 芯片轉換成+3.3V，以供相關電路使用。圖3 主要是由LM1117M3芯片、電感、電容和SMBJ5.0CA 雙向瞬態抑制二極管等組成的3.3V 電源轉換模塊。電路設計中，電感L22 和L23 是輸入輸出端起到防干擾作用，而電容C2、C3、C5 也可以起到去掉高頻抑制干擾的作用，電容C1、C4 為電解電容，起到濾波穩壓的作用以及防止模塊前后突然功耗增加達到供電續流的作用，確保LM1117M3的穩定性，使得輸出電壓能夠平整。

2.2 通信模塊

一般單片機與PC 機的串口通信方式是RS-232 電平，RS232 是一種常用的通訊標準接口，能夠將不同的設備方便的連接起來實現通訊。本文選擇的芯片是MAX3232 芯片設計相關電路。MAX3232 芯片功耗低，工作電壓在+3.0v至+5.5V，具有兩路接收器和兩路驅動器，僅需要四個外部0.1μF的電荷泵電容，能在120kbps的傳輸速率下維持RS232的電平輸出。

監測終端與后臺主機之間的通信是采用RS485 接口來實現的，TD301D485 芯片內置隔離電源，此芯片可以比較方便快速地完成TTL 電平和RS-485 電平之間的轉換，并且有總線保護，波特率設置最高可達9600bps，有標準的RS485 接口，A、B 總線內置4.7K的上、下拉電阻。電路設計如圖4。

圖4 通信電路圖

2.3 風機控制電路

通過監測終端對變壓器上表面溫度進行采集計算分析之后，與自主設置的閾值進行比較，通過單片機來控制繼電器觸點的閉合來控制風機的啟停，單片機輸出的信號電流很小，不可能直接來控制繼電器，所以要經過達林頓電路來放大電流信號來實現對繼電器的控制，KZOUT 是控制風機的繼電器信號輸出，這里選擇ULN2003 達林頓管，繼電器和達林頓電路結合電路設計采用的是12V，而繼電器信號由單片機輸出為3.3V，兩者電壓不同，因此需要進行電壓隔離，這里采用的是P181 光耦進行隔離。

3 系統軟件設計

該系統的監測功能的實現要有軟件部分，這里的監測終端主要監測變壓器上表面溫度。監測終端上電后，首先需要進行系統初始化以及其他模塊的初始化，設定全局參數和標志量，比如風機開啟標志、通信結束標志等等，再配置時鐘模塊來獲得準確的時間，隨后進行配置Uart 串口的相關參數；然后配置I/O 口控制、配置看門狗電路等，int main (void)為主函數，來進行初始化等配置，void GPIO_init(void)是繼電器配置函數，void relay12v(void)為繼電器供電函數，主程序流程圖如圖5。

本監測系統還有后臺監控軟件來實時監控變壓器溫度，后臺軟件界面時基于Microsoft Visual Studio 2015 環境，利用C#語言來編寫來發的，后臺監控界面能夠實時顯示溫度、風機狀態等，也可以遠程控制風機。

4 散熱器外層噴涂新型材料石墨烯

石墨烯是由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，石墨烯有很多優點，比如石墨烯比表面積大、石墨烯導熱率高、表面呈現宏觀光潔微觀粗糙的形貌結構可大幅度增加散熱裝置與外部的接觸面積，所以在散熱方面有很廣的應用，本設計將這種新型材料噴涂到散熱器表面進行了一些列實驗對比，實驗結果如表1。

表1 實驗結果數據

由上表可以看出，以冷卻液為水來進行對比，不難看出，冷卻液水或者冷卻油時，使用石墨烯噴涂散熱器外表時，同樣的條件下，使用石墨烯要比常規情況下變壓器的溫度要低5℃左右，所以新型材料石墨烯在變壓器散熱方面有很高的應用價值，在本設計之中，變壓器也能明顯的得到降溫。

5 結束語

為了監測地下變壓器的油溫，設計了基于LPC1768的變壓器溫度監測終端，通過溫度傳感器多次采集變壓器上表面溫度數據，求得平均值，將溫度數據上傳至監測終端進行等級判定，執行相應的決策，然后將溫度數據上傳到后臺主機，利用監測軟件進行遠程監測與監控，并且能夠遠程控制；將新型材料石墨烯噴涂到散熱器表面來增加散熱，降低變壓器溫度。經過實際測試，該監測終端能夠很好的監測變壓器的溫度，能夠自動控制風機降溫，并且經過對比，石墨烯能很大程度上增加散熱，降低變壓器的溫度。該監測系統能很好解決監測變壓器溫度的精準度，并且石墨烯能夠較好地增加散熱，將此系統接入電力系統，可以實現數據共享。