2022年变压器微机保护装置的设计方案原理.docx

变压器微机爱护装置的设计原理1、设计背景 <电力变压器是电力系统中应用相当普遍而又特别重要的电气设备，它特别在发电厂、变电站中起着举足轻重的作用！是整个电力系统稳固运转的有力保证！它运行较为牢靠， 故障机率小；但即便如此，仍是可能发生箱内故障、箱外故障及其他不正常工作状态；其中，箱内故障是特别危急的，由于短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组绝缘，烧坏铁芯， 仍可能使绝缘材料和变压器油受热而产生大量气体，引起变压器油箱爆炸；一旦发生故 障，将给电力系统的运行带来严峻的后果；在本试验设计中，我们依据当前变压器微机爱护装置的设计方向，将变压器的一二次侧的电压与电流、变压器的温度这三组量作为电力变压器运行状态的检测参数，通过对参数的测量并随之实行相应的措施，以达到对变压器实现有效的爱护与掌握；2、设计的意义依据变压器的容量大小及其重要程度安装灵敏、快速、牢靠和挑选性好的各种专用爱护装置是极为重要的，通过为变压器配备专用的智能爱护装置，有效地保证变压器的安全运行和防止扩大事故；二、设计方案依据方案所需要实现的功能，我们将系统构建成信号输入信号处理信号输出的模式，其系统框图下图所示；左边为信号输入部分，可分为几个小模块进行设计；中间是信号处理部分，为AT89C51最小系统；右边为信号输出部分，也可分为几个小模块进行设计；图 2-1爱护系统框图13 / 13键盘输入和液晶显示模块又称为人机接口模块，主要负责参数的输入和状态的显示， 这里采纳的是小键盘输入和 LCD1602液晶模块；电流检测模块采纳的是Maxim公司生产的 Max471芯片，电压检测模块采纳 AD736，温度监测模块选用 Maxim公司的 MAX667；4 在电压、电流分别通过电压互感器和电流互感器后，再经过电流、电压监测模块，进行对数据的采集与转换；变压器的温度直接通过温度监测模块进行收集，接着把转换过的数据通入单片机中进行处理，最终报警并显示变压器当前的参数值并自动地掌握、调整变压器的运行；三、系统模块的设计从总体上看，变压器智能爱护系统可以分为以下模块：CPU模块、温度信号处理模块、电流信号监测处理模块、电压信号监测处理模块及<显示）输出模块、通信模块；下面我们就一一进行较为具体的阐述；1、CPU模块在本设计中采纳的微处理器 <CPU）是 AT89C51，它是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS 8位单片机，片内含 4k bytes可编程可电擦除的只读储备器 <PERO）M和 128bytes 的随机储备器 <RAM），片内置通用 8 位中心处理器，和 FLASH储备单元，功能强大，可供很多高性价比的应用场合，可敏捷应用于各种掌握领域；在本系统中，只需一片89C51并少许扩展外围信号调理电路，即可杰出地实现本系统功能；下图便是本设计所用到的单片机：AT89C51：图 3-1AT89C51外部引脚图单片机的复位电路 ：图 3-2单片机复位电路图时钟电路 :图 3-32、温度信号处理模块采纳 Maxim公司生产的数字温度变送器MAX6674原理图如图 3-4 ：时钟电路图MAX667；4图 3-4MAX6674原理图另外我们仍采纳了 6N137光耦合器，以求对继电器信号进行采集；这是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm 波长 AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成；6N137光耦合器原理图：图 3-56N137广耦合原理图在具体的设计电路中，本芯片由模拟电源供应3.3V 电压，并且接地点与模拟地 AGND相连， AGND与数字地 DGND和通信地 CGND等通过单点跟系统外壳 <上图中用粗黑线画出 的）共地，最终接入真正的大地；实行模拟电压供电和单独接入模拟地AGND的缘由是为了防止数字电路的信号噪声干扰模拟信号采集电路，导致对模拟信号的采在集出错；其中MAX6674与数字系统的通信采纳高速通信光耦隔离；通过Protel绘制的温度信号处理电路如下图所示；温度监测模块：图 3-6温度检测模块电路图3、电压、电流信号处理模块，对于电压信号处理模块，我们采纳AD736 芯片进行对电压的采集与A/D 转换；AD736 是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器；其主要特点是精确度高、灵敏 性好<满量程为 200mVRM）S、测量速率快、频率特性好 <工作频率范畴可达 0460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范畴宽且功耗低最大的电源工作电流为200A. 用它来测量正弦波电压的综合误差不超过± 3%.AD736采纳双列直插式 8 脚封装，其内部结构图如图 3-7 ：图 3-7 AD736 内部机构图在测量电压时，由于变压器的电压量值较大，我们需要先通过电压互感器，将沟通高电压降低为沟通低压，以便于我们所设计的电压监测掌握模块的安全与有效处理；电压监测转换模块：图 3-8电压监测转换模块电路图接着，对于电流信号处理模块，我们采纳Maxim 公司生产的 MAX471 芯片，有一个电流输出端，可以用一个电阻来简洁的实现以大地为参考点的电流转换，并可工作在较宽的电压范畴内；拥有完善的高端电流监测功能，内部含有精密的内部监测电阻，在工作范围内，精度为 2%；MAX471 内部结构如图 3-9；图 3-9 MAX471 内部结构图在测量电流时，也需要先将大电流转换为小电流，再通过电流监测转换模块；电流监测转换模块：图 3-10电流监测转换模块电路图4、报警，警示灯部分当电力变压器的温度，电流，电压超出额定值时，系统警报系统将会亮灯、鸣笛给与警示，以防工作人员在变压器故障情形下进入工作区域，造成人员伤亡；随后系统将会根 据情形自动进入以下两种修理状态；1. 当变压器温度高于线圈材料的熔点时，即便变压器冷却下来，电流、电压降低下来，也不能立即启动，必需先人为检修后，才能重新启动 通过按钮手动启动 >；2，如变压器最高温度没有高于线圈材料的熔点，就可以待变压器冷却后直接自动重启；报警模块 ：图 3-11 报警模块电路图5、键盘与显示键盘模块：当修理人员修复好烧坏的变压器线路时，按键以提示系统可以重新启动；图 3-12键盘模块电路图显示模块：在电力变压器智能爱护装置中，我们采纳LCD1602液晶显示模块，它具有微功耗，体积小，显示丰富，超薄轻巧的诸多有点，在各类外表和低功耗系统中得到了广泛的应用；此外，程序简洁，假如用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而这里用到的LCD1602能够自动完成此功能；显示模块电路图：图 3-13显示模块电路图6、RS485串行口通信模块在综合了传输距离，传输成本等多种因素后我们挑选串行口通信，进行数据的创送；为了防止外界干扰，第一采纳高速光耦将单片机的UART口和 RS-485 通信器件隔离，单片机和 RS-485 通信器件单独供电，这样由通信线路从外界引入的干扰将止于高速光耦处，不会从光耦进入单片机，大大提高了单片机的稳固性；单片机异步通信口与76176 之间采纳光电隔离数据通信模块：7、设计总图图 3-14 RS485 串行通信电路图图 3-15变压器智能爱护系统电路图四、软件流程设计1. 综合分析综合考虑主变压器智能爱护系统的高实时性、多任务多线程、AT89C51的硬件条件和实际可操作性，最终确定以51 系列COS-II的小型实时操作系统作为系统掌握的运行平台，在其基础上进行主变的智能实时测控爱护；综合考虑本系统需要实现的功能，总结出了八大任务可供系统调用：温度检测任务、一二次侧电流检测任务、一二次侧电压检测任务、开关量输出任务、信息显示任务、键盘检测任务、 RS-485总线通信任务、智能报警任务；在这些任务中，温度检测任务、电流、电压检测任务、开关量输出任务、信息显示任务、报警任务均没有外部中断启动条件，因此，这些任务都作为时钟实时定时任务；键盘输入的检测也是由时钟实时定时任务来完成；RS-485 总线通信任务是由外部中断触发启动或 者内 部事务主 动调 用启动； 本系统的开发 编译环境 采纳 Keil Vision3 ， 它是KeilSoftware公司最新出品的 51 系列兼容单片机 C语言软件开发系统；2. 软件算法本系统的软件算法主要涉及到温度监测、一二次侧电压电流监测、键盘显示掌握、通信掌握、系统报警调度掌握；温度监测将作为一个系统时钟中断促使任务，可定时实时完成；电流、电压监测也将作为一个系统时钟中断促使的任务，定时实时完成；供显示任务和通信任务调用；键盘显示掌握中共有 4 个按键，先由 2 个 I O口扫描输出，然后再由 2 个 I O扫描输入，确定按键是否按下；通信掌握算法主要是解决通讯任务的启动方式，分为实时中断启动和随机中断启动两种方式；系统调度掌握的作用是对上述几个任务进行调度和安排，同时也承担系统各掌握参数的修改、掌握和检测；3. 软件流程图 <简易）主程序流程图主程序开头各模块初始化时钟中断时钟更新判 断 变 压 器 温 度是 否 高 出 材 料 熔点？YN判定变压器一二侧电压或电流是大于额定值？次否NY自 动 终 止 变 压 器工 作 并 亮 灯 ， 鸣亮警示灯，鸣笛液 晶 显 示 电 流 电压大小判 断 维 修 人 员 是否 按 下 维 修 完 成键？N自 动 终 止 变 压 器工 作 ， 待 变 压 器冷却后自动重启Y系 统 重 新 自 动 启动返回图 4-1软件流程图五、设计总结新型主变压器集成式电量与非电量智能测控装置实现了“集成化”和“智能化”；其硬件电路采纳AT89C51作为掌握器的核心，从而大大降低了整个测控装置的功耗和体积， 提高了实时掌握才能；软件设计上，以实时操作系统为平台，并在其基础上快速、良好而 又实时地运行各种检测和显示任务，达到了智能化和实时性的目的；对于本次试验，我的收成是很大的：第一，加深懂得了单片机的学问，并运用学到的专业学问和讨论思路进行了对电力系统领域问题的讨论；其次，我们在课程设计中得到了很好也很难得的锤炼机会，这是平常的试验根本不行能达到的训练目的；同时培育了自己严谨求实的讨论、学习作风！我也充分体会到系统设计的艰巨与曲折！六、文献参考1 公茂法单片机原理与实践北京航空航天高校出版社2021 2 郭天祥十天学会单片机北京师范高校出版社3 刘军华传感器技术及应用实例电子工业出版社2000, 62021, 5