C8051F041的電力變壓器非電量保護(hù)裝置

1引言
電力變壓器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)普遍而又十分重要的電氣設(shè)備，它運(yùn)行較為可靠，故障機(jī)率小。但是在運(yùn)行中，還是可能發(fā)生箱內(nèi)故障、箱外故障及出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)。其中，箱內(nèi)故障是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)槎搪冯娏鳟a(chǎn)生的電弧不僅會(huì)破壞繞組絕緣，燒壞鐵芯，還可能使絕緣材料和變壓器油受熱而產(chǎn)生大量氣體，引起變壓器油箱爆炸。一旦發(fā)生故障，將給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的后果。
為了保證變壓器的安全運(yùn)行和防止擴(kuò)大事故，根據(jù)變壓器的容量大小及其重要程度安裝靈敏、快速、可靠和選擇性好的各種專用保護(hù)裝置是極為重要的。
對(duì)變壓器的保護(hù)主要分為電量型繼電保護(hù)和非電量型保護(hù)。
電力變壓器的電量型繼電保護(hù)主要有：差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)、零序電流保護(hù)等，但這些保護(hù)對(duì)變壓器內(nèi)部故障是不靈敏的。而非電量保護(hù)是變壓器本體的非電量觸點(diǎn)(如瓦斯、溫度等)直接進(jìn)入保護(hù)裝置重動(dòng)后發(fā)信及跳閘。
非電量保護(hù)主要有瓦斯、溫度、壓力、冷控失電保護(hù)等。其中，變壓器內(nèi)部故障的主保護(hù)是瓦斯保護(hù)，它能瞬間切除故障設(shè)備，但氣體繼電器的靈敏度卻取決于鑒定值(流速)。對(duì)于溫度保護(hù)，當(dāng)前新的變壓器多采用高溫直接跳閘，而早期的變壓器則采用高溫和冷控失電跳閘。
2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本文設(shè)計(jì)的測(cè)控裝置集非電量監(jiān)測(cè)、控制和報(bào)警功能于一身。其優(yōu)點(diǎn)是功能相對(duì)集中，全數(shù)字通信，只需要使用一個(gè)單片機(jī)就可實(shí)現(xiàn)所有功能，大大節(jié)省了成本和空間。
需要實(shí)現(xiàn)的功能：以一片單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算和控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)主變壓器的溫度監(jiān)測(cè)和報(bào)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓檔位的監(jiān)測(cè)和報(bào)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯信號(hào)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警；具有中文液晶顯示和鍵盤輸入，在中文環(huán)境下輸入?yún)?shù)，數(shù)據(jù)也可以在中文環(huán)境下顯示，顯示風(fēng)格人性化；具有RS-485總線通信接口和CAN總線通信接口；具有簡(jiǎn)單的狀態(tài)信號(hào)輸出；具有繼電器輸出功能。
根據(jù)方案所需要實(shí)現(xiàn)的功能，筆者將系統(tǒng)構(gòu)建成信號(hào)輸入→信號(hào)處理→信號(hào)輸出的模式，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。左邊為信號(hào)輸入部分，可分為幾個(gè)小模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)；中間是信號(hào)處理部分，為C8051F041最小系統(tǒng)；右邊為信號(hào)輸出部分，可分為幾個(gè)小模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。
鍵盤輸入和液晶顯示模塊又稱為人機(jī)接口模塊，主要負(fù)責(zé)參數(shù)的輸入和狀態(tài)的顯示，這里采用的是2×2的小鍵盤輸入和128×64的液晶模塊。
溫度監(jiān)測(cè)模塊選用Maxim公司的MAX6674。檔位監(jiān)測(cè)模塊、瓦斯監(jiān)測(cè)模塊以及其他附加開關(guān)量都是對(duì)繼電器的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。因此，直接用光耦對(duì)繼電器信號(hào)進(jìn)行采集和隔離，采集進(jìn)C8051F041的I／O引腳。采用高速通信光耦6N137將C8051F-041與RS-485通信器件SN75HVD10D隔離，防止外界的干擾通過(guò)通信線路經(jīng)過(guò)SN75HVD10D后直接進(jìn)入單片機(jī)，造成程序跑飛。同樣，在CAN總線通信器件PCA82C250與單片機(jī)的連接上，也使用高速光耦6N137將單片機(jī)和PCA82C250隔離．防止外界干擾進(jìn)入。輸出繼電器控制方面，采用低速光耦TLP521隔離單片機(jī)I／O端口和控制繼電器的三極管TIP42。
3系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)
從總體上看，本系統(tǒng)可以分為以下模塊：CPU模塊、溫度信號(hào)處理模塊、瓦斯信號(hào)處理模塊、調(diào)壓檔位監(jiān)測(cè)及輸出模塊、電源模塊、通信模塊?？紤]到篇幅的原因，本文將詳細(xì)介紹CPU模塊、溫度信號(hào)處理模塊以及瓦斯信號(hào)處理模塊。
3.1CPU模塊
微程序控制器(MCU)采用Silabs公司的SoC(SystemonChip，片上系統(tǒng))CAN混合信號(hào)型MCU，它具有一系列的特點(diǎn)：51內(nèi)核、功能非常強(qiáng)大、指令運(yùn)行速度高、I／O端口功能采用軟件配置，有多種復(fù)位方式。
本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為C8051F041的MCU，該器件具有強(qiáng)大的模擬量及數(shù)字量處理功能。在本系統(tǒng)中，只需一片C8051F41并少許擴(kuò)展外圍信號(hào)調(diào)理電路，即可出色地實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)功能。
MCU的最小系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示，其中包括復(fù)位電路、晶體振蕩器電路和JATG調(diào)試電路。
3.2溫度信號(hào)處理模塊
溫度信號(hào)處理電路如圖3所示。MAX6674由模擬電源提供3.3V電壓，并且接地點(diǎn)與模擬地AG-ND相連，AGND與數(shù)字地DGND和通信地CGND等通過(guò)單點(diǎn)跟系統(tǒng)外殼共地，最后接入真正的大地。采取模擬電壓供電和單獨(dú)接入模擬地AGND的原因是為了防止數(shù)字電路的信號(hào)噪聲干擾模擬信號(hào)采集電路，導(dǎo)致對(duì)模擬信號(hào)的采集出錯(cuò)。其中MAX6674與數(shù)字系統(tǒng)的通信采用高速通信光耦隔離。
3.3瓦斯信號(hào)處理模塊
為了將+24V的檢測(cè)信號(hào)送至單片機(jī)I／O端，需要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行變換，為了提高硬件系統(tǒng)的抗干擾性，采用光耦隔離器采集信號(hào)。
軟件方面，能實(shí)時(shí)地讀取端口狀態(tài)。其硬件措施如下：采用電阻實(shí)現(xiàn)前端光電二極管的限流，當(dāng)任何一路瓦斯繼電器動(dòng)作時(shí)，其端口便會(huì)短路。瓦斯信號(hào)處理模塊電路原理圖如圖4所示。MCU模塊只需要定時(shí)實(shí)時(shí)采集即可監(jiān)測(cè)瓦斯繼電器的狀態(tài)。
3.4調(diào)壓檔位監(jiān)測(cè)及輸出
調(diào)壓檔位狀態(tài)信號(hào)的輸出選用單刀常開型繼電器。調(diào)壓檔位狀態(tài)信號(hào)以BCD碼的形式從控制的繼電器輸出。由單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)至低速光耦TLP521，光隔離后控制三極管TIP42的導(dǎo)通來(lái)控制繼電器的通斷。
3.5電源模塊
為了使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，電源模塊是至關(guān)重要的部分。在本系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中，采用了多級(jí)濾波以及抗干擾措施。鑒于變壓器現(xiàn)場(chǎng)中高壓環(huán)境的存在，以及變壓器現(xiàn)場(chǎng)容易引雷的問(wèn)題，在系統(tǒng)中還加入了多級(jí)抗雷擊保護(hù)功能，防止感應(yīng)雷在電源線上造成的高壓竄入控制系統(tǒng)引起控制系統(tǒng)的損壞。
3.6通信模塊
為了防止外界干擾，首先采用高速光耦將單片機(jī)的UART口和RS-485通信器件隔離，單片機(jī)和RS-485通信器件單獨(dú)供電，這樣由通信線路從外界引入的干擾將止于高速光耦處，不會(huì)從光耦進(jìn)入單片機(jī)，大大提高了單片機(jī)的穩(wěn)定性。
同時(shí)，C8051F04x系列器件具有控制器局域網(wǎng)(CAN)控制器，采用CAN協(xié)議串行通信。在此控制器基礎(chǔ)上，外加兩個(gè)高速通信光耦隔離，然后再連接至CAN總線物理層收發(fā)器。
3.7系統(tǒng)抗干擾技術(shù)
本系統(tǒng)主要采用串模干擾及其抑制、共模干擾及其抑制、CPU抗干擾技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
4軟件設(shè)計(jì)
4.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境的選擇
綜合考慮主變壓器非電量保護(hù)系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性、多任務(wù)多線程、C8051F041的硬件條件和實(shí)際可操作性，最后確定以51系列μC／OS-II的小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)控制的運(yùn)行平臺(tái)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行主變非電量的智能實(shí)時(shí)測(cè)控保護(hù)。
綜合考慮本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，總結(jié)出了十大任務(wù)可供系統(tǒng)調(diào)用：瓦斯檢測(cè)任務(wù)、溫度檢測(cè)任務(wù)、有載分接頭檢測(cè)任務(wù)、開關(guān)量輸出任務(wù)、信息顯示任務(wù)、鍵盤檢測(cè)任務(wù)、CAN總線通信任務(wù)、RS-485總線通信任務(wù)、恒流源輸出調(diào)整任務(wù)以及恒壓源輸出調(diào)整任務(wù)。
在這些任務(wù)中，瓦斯檢測(cè)任務(wù)、溫度檢測(cè)任務(wù)、有載分接頭檢測(cè)任務(wù)、開關(guān)量輸出任務(wù)、信息顯示任務(wù)、恒流源輸出調(diào)整任務(wù)、恒壓源輸出調(diào)整任務(wù)均沒(méi)有外部中斷啟動(dòng)條件，因此，這些任務(wù)都作為時(shí)鐘實(shí)時(shí)定時(shí)任務(wù)。鍵盤輸入的檢測(cè)也是由時(shí)鐘實(shí)時(shí)定時(shí)任務(wù)來(lái)完成。CAN總線通信任務(wù)和RS-485總線通信任務(wù)是由外部中斷觸發(fā)啟動(dòng)或者內(nèi)部事務(wù)主動(dòng)調(diào)用啟動(dòng)。
本系統(tǒng)的開發(fā)編譯環(huán)境采用KeilμVision3，它是KeilSoftware公司最新出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。KeilμVision3本身最初的目的是為ARM設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境，而ARM上面一般均為運(yùn)行操作系統(tǒng)。
4.2軟件算法
本系統(tǒng)的軟件算法主要涉及到溫度監(jiān)測(cè)、瓦斯監(jiān)測(cè)、有載分接開關(guān)監(jiān)控、鍵盤顯示控制、通訊控制、系統(tǒng)調(diào)度控制。
溫度監(jiān)測(cè)和瓦斯監(jiān)測(cè)將作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷驅(qū)使任務(wù)，可定時(shí)實(shí)時(shí)完成；有載分接開關(guān)監(jiān)測(cè)也作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷驅(qū)使的任務(wù)，定時(shí)實(shí)時(shí)完成；供顯示任務(wù)和通信任務(wù)調(diào)用；鍵盤顯示控制中共有4個(gè)按鍵，先由2個(gè)I／O口掃描輸出，然后再由2個(gè)I／O掃描輸入，確定按鍵是否按下；通訊控制算法主要是解決通訊任務(wù)的啟動(dòng)方式，分為實(shí)時(shí)中斷啟動(dòng)和隨機(jī)中斷啟動(dòng)兩種方式；系統(tǒng)調(diào)度控制的作用是對(duì)上述幾個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和分配，同時(shí)也承擔(dān)系統(tǒng)各控制參數(shù)的修改、控制和檢測(cè)。
5結(jié)束語(yǔ)
新型主變壓器集成式非電量智能測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)了“集成化”和“智能化”。其硬件電路采用C8051F041混合信號(hào)型MCU作為控制器的核心，從而大大降低了整個(gè)測(cè)控裝置的功耗和體積，提高了實(shí)時(shí)控制能力。軟件設(shè)計(jì)上，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，并在其基礎(chǔ)上快速、良好而又實(shí)時(shí)地運(yùn)行各種檢測(cè)和顯示任務(wù)，達(dá)到了智能化和實(shí)時(shí)性的目的。

關(guān)鍵詞：C8051F041電力變壓器