智能電網變壓器冷卻控制系統設計

薛 濤

（棗莊科技職業學院，山東 滕州 277500）

0 引言

智能電網的開發與建造是一個復雜的系統工程，它涉及許多領域和產業，將智能化系統與電力系統相融合[1-3]。在信息化的今天，智能化的電力系統已經成為人們生活中不可或缺的一部分[4]。電力系統的關鍵部件是變壓器，在智能電網的構建中，應充分發揮其應有的功能，促進新一波的智能化變壓器工業的復興和發展。但在實際操作中，變壓器容易發生失效，其影響很大，對電網的安全可靠性構成了極大的影響[5-7]。由于電力變壓器的線路聯結比較復雜、檢修難度大和故障率高，有必要對其進行了深入的分析[8]。風機功率出口端采用一種成熟、高效、實用的過負荷自動保護故障警報輸出設備，能夠及時、穩定、準確地對風機的故障進行及時、精確控制，使其整體的風扇在長時間安全、穩定的操作下工作狀態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 單片機系統控制器對智能電網變壓器冷卻控制系統進行設計，實現了對設備的實時監測，實現了人機交互，有著不可替代的優勢和發展前景。

1 智能電網變壓器冷卻控制系統構成及原理

智能電網變壓器冷卻控制系統采用PIC16F877單片機系統控制器作為技術核心，實現了由微機控制系統對電機主變壓器繞組油溫參數信號的采集，通過LED 屏動態顯示、數據進行實時和無線實時同步數據傳輸，同時，通過參考風機油溫實時的變化趨勢曲線，對電機整個繞組風機裝置溫度和電氣裝置運行狀態進行動態和實時遠程檢測控制。傳統風冷機工作原理如圖1 所示。

圖1 傳統風冷機工作原理圖

2 冷卻控制系統的硬件電路設計

2.1 溫度檢測電路的設計

以PIC16F877 單片機為核心完成系統的設計，要求對油溫進行實時采集，將采集結果送入MCU 進行處理，按照要求進行相應的控制，如圖2 所示。由于要有溫度自動檢測，需要有A/D 自動轉換，且單片機需要具有較多功能的I/O 口，單片機多采用PIC 系列的微尺寸控制器。

圖2 溫度控制系統結構框圖

2.2 溫度采集電路模塊設計

由于電力變壓器的外殼及其內部線圈均是帶有鉑電阻，該檢測系統電路主要具有溫度測試系統精度高、性能成熟穩定、調試容易和實用性功能更較強等應用特點。其檢測電路圖如圖3 所示。

圖3 電橋型溫度檢測電路

2.3 冷卻控制人機交互系統設計

為了能保證系統正常工作，需要對系統的運行狀態實時監控，設計中為了方便看到系統狀態，設置了三套監測與指示裝置，由控制風機起停的接觸器、檢測故障的繼電器常開或常閉觸點控制的。電路圖如圖4 所示。在風機正常運行時，控制回路中繼電器的常開觸點就會因為繼電器線圈的得電而接通，觸點一側的發光二極管點亮，顯示風扇是否在工作中。在故障顯示線路上，過載失效是指在某一臺機組出現超負荷時，通過繼電器的感應電流使該繼電器的正常斷點打開，使該接觸端的LED 燈被點亮。此時，指令風扇超負荷運轉，過載訊號經由光電絕緣傳輸至主控制臺，由微處理器接收到低電平訊號后，即時作出反應，切斷與風機對應的連接。

圖4 風機故障顯示電路

2.4 主回路設計

控制回路電路圖如圖5 所示。一個固態單刀式雙擲開關繼電器同時控制三相四個電機組的運行，對電機手動控制運行起動和控制停止及自動控制切換等操作進行實現。電機是借由一個KM7 的線圈和常閉的開關來提供電機的電源，當線圈充得上電或啟動電源后，常閉打開，固態繼電器也即能起作用。當開關信號打轉到半自動開關狀態時，KM8 開關的線圈都已開始帶電，當此時KM8 自動開關輸出的信號以常閉的信號打開，KM7 的開關線圈也都不再會帶電，即開始自動進入了半自動的運行的狀態。此時，需要通過單片機發生器發送放出來的帶有高電平信號的電流脈沖，或通過輸出帶低電平的啟動和停止脈沖電流信號，以間接控制交流電子接觸器線圈及其內部工作的電動機線圈，實現計算機對風機系統自動運行時啟動和停止時間的有效控制。

圖5 風機控制回路圖

3 冷卻控制系統的軟件設計

軟件部分應包括主程序，按鍵服務子程序、溫度采集與處理子程序、故障檢測及顯示子程序、風機控制子程序和無線通信子程序。主要實現了對微處理器進行初始化，并對各子級編程進行了調用，實現了對風機工作狀況和故障線路的實時監測。冷卻控制系統的主程序軟件流程如圖6 所示。

圖6 系統主程序流程圖

溫度系統中共用了四個按鍵，SET 鍵為溫度范圍設定開始鍵，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SET 鍵按下時系統進入鍵盤服務子程序，表明進入溫度的設定狀態，系統的初始值是45 ～55 ℃，對于溫度的設定是在這個基礎上進行遞增或遞減，再次按下SET 鍵時，表明進入上限值的設定，通過上/下按鈕調節水溫，如果沒有設置的必要，就點擊“取消”按鈕，三次點擊SET 按鈕，就可以進行設置。

溫度采集與處理模塊采用了中斷服務程序，系統規定了在100 ms 內要采集20 個值，對數值進行A/D轉換，然后進行均值濾波，再判斷是否為20 個數，如果不夠則繼續采集，直到夠20 個數，再次進行均值濾波，就可以得到實時的溫度值。

本系統要求根據溫度值的大小來確定風機的運行狀態。首先對其進行測溫，在規定的溫度區間，六組風扇相距1 s 依次起動；在溫度高于上限時，將所有的風扇投入使用；在溫度下降到最低限度時，所有的風扇都會被關閉。

通過對冷卻控制系統的硬件電路和軟件進行設計，設計了智能電網變壓器冷卻控制系統如圖7 所示，實現對風機故障的實時的檢測及控制，使整套系統長期安全運行，提高了工作條件的可靠穩定性。

圖7 冷卻控制系統監控界面

在實驗條件下，運用本文提出的在線監控方法，進行長時間監測實驗，監控結果見表1。由表1 可知，本文提出的智能電網變壓器冷卻風機運行狀態監控方法，在實際應用中漏警概率保持在5%以下，且平均值為1.71%，具有監控性能的優越性。

表1 故障檢測情況

4 結語

本次設計主要采用以最新西門子的PIC16F877單片機系統控制器為其工作控制系統核心，實現了由微機系統對風機主變壓器的油溫參數狀態的在線動態實時信號數據采集、LED 屏動態顯示、數據在線實時傳輸、無線網絡信息同步共享，并實現通過參考風機油溫實時的變化曲線來對其整個系統風機裝置溫度和電氣線路運行電壓穩定等狀況動態變化進行的在線的實時的檢測及控制，通過設計完善而高效的風機過載自動保護故障報警輸出裝置，可以快速并實時為整個風機和CPU 控制電路組提供穩定準確的控制風機故障信號，使其整套風機系統長期安全運行，提高了工作條件的可靠穩定性。