基于C8051F041的電力變壓器非電量智能測控保護裝置系統的設計

馮威，粟梅
(中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

1 引言

　　電力變壓器是電力系統中應用相當普遍而又十分重要的電氣設備，它運行較為可靠，故障機率小。但是在運行中，還是可能發生箱內故障、箱外故障及出現不正常工作狀態。其中，箱內故障是非常危險的，因為短路電流產生的電弧不僅會破壞繞組絕緣，燒壞鐵芯，還可能使絕緣材料和變壓器油受熱而產生大量氣體，引起變壓器油箱爆炸。一旦發生故障，將給電力系統的運行帶來嚴重的后果。

　　為了保證變壓器的安全運行和防止擴大事故，根據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裝置是極為重要的。

　　對變壓器的保護主要分為電量型繼電保護和非電量型保護。

　　電力變壓器的電量型繼電保護主要有：差動保護、電流速斷保護、零序電流保護等，但這些保護對變壓器內部故障是不靈敏的。而非電量保護是變壓器本體的非電量觸點(如瓦斯、溫度等)直接進入保護裝置重動后發信及跳閘。

　　非電量保護主要有瓦斯、溫度、壓力、冷控失電保護等。其中，變壓器內部故障的主保護是瓦斯保護，它能瞬間切除故障設備，但氣體繼電器的靈敏度卻取決于鑒定值(流速)。對于溫度保護，當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 系統總體設計方案

　　本文設計的測控裝置集非電量監測、控制和報警功能于一身。其優點是功能相對集中，全數字通信，只需要使用一個單片機就可實現所有功能，大大節省了成本和空間。

　　需要實現的功能：以一片單片機為控制核心，實現高速計算和控制；實現對主變壓器的溫度監測和報警；實現對調壓檔位的監測和報警；實現對瓦斯信號的監測和報警；具有中文液晶顯示和鍵盤輸入，在中文環境下輸入參數，數據也可以在中文環境下顯示，顯示風格人性化；具有RS-485總線通信接口和CAN總線通信接口；具有簡單的狀態信號輸出；具有繼電器輸出功能。

　　根據方案所需要實現的功能，筆者將系統構建成信號輸入→信號處理→信號輸出的模式，其系統框圖如圖1所示。左邊為信號輸入部分，可分為幾個小模塊進行設計；中間是信號處理部分，為C8051F041最小系統；右邊為信號輸出部分，可分為幾個小模塊進行設計。

　　鍵盤輸入和液晶顯示模塊又稱為人機接口模塊，主要負責參數的輸入和狀態的顯示，這里采用的是2×2的小鍵盤輸入和128×64的液晶模塊。

　　溫度監測模塊選用Maxim公司的MAX6674。檔位監測模塊、瓦斯監測模塊以及其他附加開關量都是對繼電器的狀態進行檢測。因此，直接用光耦對繼電器信號進行采集和隔離，采集進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通信線路經過SN75HVD10D后直接進入單片機，造成程序跑飛。同樣，在CAN總線通信器件 PCA82C250與單片機的連接上，也使用高速光耦6N137將單片機和PCA82C250隔離．防止外界干擾進入。輸出繼電器控制方面，采用低速光耦 TLP521隔離單片機I／O端口和控制繼電器的三極管TIP42。

3 系統模塊的設計

　　從總體上看，本系統可以分為以下模塊：CPU模塊、溫度信號處理模塊、瓦斯信號處理模塊、調壓檔位監測及輸出模塊、電源模塊、通信模塊。考慮到篇幅的原因，本文將詳細介紹CPU模塊、溫度信號處理模塊以及瓦斯信號處理模塊。

3.1 CPU模塊

　　微程序控制器(MCU)采用Silabs公司的SoC(System on Chip，片上系統)CAN混合信號型MCU，它具有一系列的特點：51內核、功能非常強大、指令運行速度高、I／O端口功能采用軟件配置，有多種復位方式。

　　本設計選用型號為C8051F041的MCU，該器件具有強大的模擬量及數字量處理功能。在本系統中，只需一片C8051F41并少許擴展外圍信號調理電路，即可出色地實現所有系統功能。

　　MCU的最小系統硬件原理圖如圖2所示，其中包括復位電路、晶體振蕩器電路和JATG調試電路。

3.2 溫度信號處理模塊

　　溫度信號處理電路如圖3所示。MAX6674由模擬電源提供3.3 V電壓，并且接地點與模擬地AG-ND相連，AGND與數字地DGND和通信地CGND等通過單點跟系統外殼共地，最后接入真正的大地。采取模擬電壓供電和單獨接入模擬地AGND的原因是為了防止數字電路的信號噪聲干擾模擬信號采集電路，導致對模擬信號的采集出錯。其中MAX6674與數字系統的通信采用高速通信光耦隔離。

3.3 瓦斯信號處理模塊

　　為了將+24 V的檢測信號送至單片機I／O端，需要對電壓信號進行變換，為了提高硬件系統的抗干擾性，采用光耦隔離器采集信號。

　　軟件方面，能實時地讀取端口狀態。其硬件措施如下：采用電阻實現前端光電二極管的限流，當任何一路瓦斯繼電器動作時，其端口便會短路。瓦斯信號處理模塊電路原理圖如圖4所示。MCU模塊只需要定時實時采集即可監測瓦斯繼電器的狀態。

3.4 調壓檔位監測及輸出

　　調壓檔位狀態信號的輸出選用單刀常開型繼電器。調壓檔位狀態信號以BCD碼的形式從控制的繼電器輸出。由單片機輸出數字信號至低速光耦TLP521，光隔離后控制三極管TIP42的導通來控制繼電器的通斷。

3.5 電源模塊

　　為了使整個系統穩定可靠，電源模塊是至關重要的部分。在本系統的電源設計中，采用了多級濾波以及抗干擾措施。鑒于變壓器現場中高壓環境的存在，以及變壓器現場容易引雷的問題，在系統中還加入了多級抗雷擊保護功能，防止感應雷在電源線上造成的高壓竄入控制系統引起控制系統的損壞。