CN111142427A - 一种变压器油面温度智能测控系统 - Google Patents

一种变压器油面温度智能测控系统 Download PDF

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申炜
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张天卫
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贾先平
杨波
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    • G05B2219/21137Analog to digital conversion, ADC, DAC

Abstract

本发明公开一种变压器油面温度智能测控系统,包括单片机、冷却报警回路和测温指示控制器,其特征在于,所述测控系统包括电流比例变送器,所述电流比例变送器用于将其输入端的电流信号等比例变换为电压信号并输出;所述测温指示控制器包括测温电流输出端,所述测温电流输出端与所述电流比例变送器的输入端电相连接;所述单片机包括ADC模数转换输入端,所述模数转换输入端用于输入指定电压信号,所述指定电压信号与所述油面温度线性相关。本装置与原仪表控制器具有接口方式简单的特点。该套装置具备应用灵活方便,适应性好的特点,同时硬件成本低廉,动作稳定可靠,具有广阔的应用前景。

Description

一种变压器油面温度智能测控系统
技术领域
本发明涉及变压器运行安全技术领域,涉及电力变压器温度指示控制技术, 具体涉及一种变压器油面温度智能控制系统。
背景技术
电力变压器是发电厂和变电站的主要设备之一。变压器的作用是多方面 的,不仅能升高电压把电能送到用电地区,还能把电压降低为各级使用电压, 以满足用电的需要。总之,电网的升压与降压都必须由变压器来完成,它是输 变电的枢纽。随着城镇化的加速发展,必然造成线路用电负荷激增,但是相应 的电力基础设施的建设相对滞后,一个表现就是电力变压器没有按规模同步增 加,这就形成了大部分电力变压器超负荷运行。在用电负荷明显过大的情况下, 电力变压器会产生过负荷发热现象,虽然并不会立即导致变压器损坏,但是相 对于同等容量正常负荷运行的其他变压器相比,发热异常的电力变压器使用寿 命更低,突发损坏的风险明显增加,运行稳定性变差。另一方面,即使在没有 过负荷的变压器上,变压器过热现象也依然存在,很多对供电要求较高的地方 只能采用双电源供电,这样必然导致用电成本的大幅增加。
为了保障电力变压器的长期稳定运行,变压器温度指示控制器的引入起到 了重要作用。常用的温度指示控制器是采用机电一体化的原理而设计的,例如 BWY-804J(TH)。
该类型仪表采用了创新技术,将BWY-804B型温度指示控制器和DFY-24V 稳压电源合为一体。该产品具有体积小、功能全、安装方便、操作简单等特点, 适用于变压器及其它设备的温度检测和控制。仪表内装有四组可调控制开关, 可分别用于变压器冷却系统控制及讯号报警。主要由弹性元件、传感导管、感 温部件、温度变送器和数显仪组成。由弹性元件、传感导管和感温部件构成的 密封系统内充满感温介质,当被测温度变化时,感温部件内的感温介质的体积 随之变化,这个体积增量通过传感导管传递到仪表内弹性元件,使之产生一个 相对应的位移,这个位移经机构放大后便可指示被测温度,并驱动微动开关, 输出开、关控制信号以驱动冷却系统,达到控制变压器温升的目的。通过嵌装 在一次仪表内的变送器,可输出(4-20)mA标准电流信号,输入二次仪表和计 算机系统,实现无人电站管理。
虽然上述类型仪表为保障电力变压器的稳定运行起到了重要作用,但在实 际部署应用过程中(例如开盖检修状态下)经常出现由于人为原因不小心误碰 触仪表内部器件、接点受潮凝露、回路绝缘不够等情况发生,导致微动开关输 出错误的开关量信号,该信号被传输至控制系统,进而导致在变压器实际油面 温度未达到或超过温度标准设定点的情况下触发冷却系统工作以及发出误报警 现象。从变压器温度指示控制器的构造和工作原理上进行分析可以发现,仪器 自身缺乏抑制这种异常触发系统动作的能力,必须结合另外的控制措施才能防 止误动作的发生。
发明内容
针对现有技术的常规电力变压器温度指示控制器在运行过程中可能出现的 误动作状况,本发明提出了一种结合微型单片计算机(即单片机或MCU控制器) 的变压器油面温度智能测控解决方案。
依据本发明的一个方面,提供一种变压器油面温度智能测控系统,包括单 片机、冷却报警回路和测温指示控制器,其特征在于,所述测控系统包括电流 比例变送器,所述电流比例变送器用于将其输入端的电流信号等比例变换为电 压信号并输出;
所述测温指示控制器包括测温电流输出端,所述测温电流输出端与所述电 流比例变送器的输入端电相连接;
所述单片机包括ADC模数转换输入端,所述模数转换输入端用于输入指定 电压信号,所述指定电压信号与所述油面温度线性相关。
本发明一可选实施例方案,其特征在于,所述测控系统包括显示单元,所 述显示单元与所述单片机第一输出单元相连接,用于显示经单片机计算获得的 油面温度,和/或单片机功能,和/或菜单,和/或当前操作及响应,和/或单片机 控制输出单元阈值。
本发明一可选实施例方案,其特征在于,所述单片机包括现场设置单元, 所述现场设置单元包括K1、K2、K3和K4四个按键;
其中K1控制开关所属组选择,组的数量与仪表控制开关组数一致且对应;
K2仪表温度量程上下限选择;
K3设定值加1;
K4设定值减去1。
本发明一可选实施例方案,其特征在于,所述测控系统包括EEPROM,所 述EEPROM与单片机相电连接,用于存储单片机的设定参数。
本发明一可选实施例方案,其特征在于,所述测控系统包括继电输出单元, 所述继电输出单元与所述单片机的控制输出端相电连接;
所述控制输出端,根据单片机计算获得的温度与预设温度阈值的比较结果 输出开关信号,用于启动或断开所述继电输出单元的次级开关;
所述继电输出单元的次级开关与冷却报警控制回路的控制回路相电连接。
本发明一可选实施例方案,其特征在于,所述测温指示控制器为BWY-804J 型仪表。
本发明一可选实施例方案,其特征在于,所述单片机为IAP15W4K系列单 片机。
本发明所提供的一种基于单片机的变压器油面温度测温控制系统,在传统 温度指示控制器上结合数字计算机对油温进行在线检测,只有当计算机获取的 实测温度超过设定值状态下才使对应触点接通控制回路动作,通过这种方式可 以有效解决外界其他原因导致误触发的情况发生。本装置与原仪表控制器具有 接口方式简单的特点,并提供人机界面可对仪表多组动作温度进行现场设定。 系统进一步提供记忆功能,完成设定的各参数不会因系统复位重启而丢失。该 套装置具备应用灵活方便,适应性好的特点,同时硬件成本低廉,动作稳定可 靠,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的变压器油面温度智能测控系统结构框图;
图2为本发明实施例的变压器油面温度智能测控系统的主程序流程图;
图3为本发明实施例的变压器油面温度智能测控系统的按键中断子程序流 程图;
图4为本发明实施例的变压器油面温度智能测控系统的定时中 断子程序流程图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例,进一步阐述本发明为达成预定发明 目的所采取的技术手段。
本发明一可选实施例中,提供了一种变压器油面温度智能测控系统,包括 单片机、冷却报警回路和测温指示控制器,所述测控系统包括电流比例变送器, 所述电流比例变送器用于将其输入端的电流信号等比例变换为电压信号并输 出;所述测温指示控制器包括测温电流输出端,所述测温电流输出端与所述电 流比例变送器的输入端电相连接;所述单片机包括ADC模数转换输入端,所述 模数转换输入端用于输入指定电压信号,所述指定电压信号与所述油面温度线 性相关。本设计方案中,由于系统主要是对变压器油面温度进行检测以及控制 仪表开关触点的吸合,主要传输的是传感器信号和控制信号,而非高速的数据 通信信号,因此采用8位单片机,具体型号是国产IAP15W4K系列单片机。该 型单片机采用了增强型8051内核,大幅提高了传统8051单片机的运行速度, 增设了众多功能单元电路,同时具备极好的程序加密型。且具备在线应用编程 功能,即在不停机的状态下用户可写入新的控制指令,为实现系统在连续运行 状态下进行在线升级提供了极大便利,这就使得该型单片机相对于其他类型单 片机具备了更好的环境适应性,可以根据现场的实际状况灵活添加或更改控制 功能。
此外,由于电力变压器温度指示控制器可将油温的变化输出为一个对应成 比例4-20mA的工业标准直流电流信号,本方案首先将此电流信号通过一个电 流变送器转换为对应成比例的0-5V直流电压。为了提高模/数转换的准确度,必 须让输入直流电压量程尽可能与单片机ADC参考电压(+5V)接近,因此本方 案采用了电流/电压变送模块实现这一要求。
本发明一可选实施例方案,所述测控系统包括显示单元,所述显示单元与 所述单片机第一输出单元相连接,用于显示经单片机计算获得的油面温度,和/ 或单片机功能,和/或菜单,和/或当前操作及响应,和/或单片机控制输出单元阈 值。本发明一可选实施例方案,所述单片机包括现场设置单元,所述现场设置 单元包括K1、K2、K3和K4四个按键;其中K1控制开关所属组选择,组的数 量与仪表控制开关组数一致且对应;K2仪表温度量程上下限选择;K3设定值 加1;K4设定值减去1。
原电力变压器温度指示控制器内装有四组可调控制开关和对应的温度设定 机械凸轮,通过机械凸轮可以让仪表本身设定各组控制开关的动作温度,当仪 表测得温度超过此温度时,微动开关动作,触点接通控制回路。如前所述,由 于在安装部署或者检修过程中常因为人为不小心触碰仪表内器件、接点受潮凝 露、回路绝缘不够等会导致触点误动作,因此在本方案中,通过人机界面(由 按键电路与LCD1602字符型液晶显示器构成)的引入,通过单片机采集按键动 作状态,实现对仪表内各组控制开关的选择以及对应动作温度和仪表量程的设 定。具体设置四个按键:K1(控制开关所属组选择,组的数量与仪表控制开关组数一致且对应);K2(仪表温度量程上下限选择);K3(设定值加1);K4 (设定值减去1)。在实际操作过程中,以常用仪表BWY-804J(TH)为例,其 内部有四组凸轮和相应数量控制开关,在按下K1按键过程中,单片机程序对其 按下次数进行统计计数,其结果用变量count_k1表示,count_k1的变化范围从1-4周而复始(即按下第一次K1则count_K1为1,第二次为2,以此类推,超 过第四次又重新回1),程序根据它的当前值就可以判定目前选择的是第几组控 制开关;对按键K2也做类似处理,统计变量为count_K2,值的范围从1-2, count_K2为1时对应于仪表的量程下限选择,count_K2为2时对应于仪表的量 程上限选择;对按键K3,按下一次,根据前面K1或者K2是哪一个按下,使得 对应参数(选中的开关组的动作温度或者选中的量程的上下限)减1摄氏度; 对按键K4,则类似K3按键处理,对应值加1摄氏度。通过这种按键次数软件 计数判别的方法,可以大大节约按键的使用数量,简化了硬件设计。
另一方面,各参数的类型和设定结果通过LCD1602型液晶显示器进行同步 显示,使用户可以清楚地看到当前的设置过程。在系统部署运行过程中,通过 LCD液晶显示器还同步显示单片机当前检测到的变压器油面温度,对于用户判 定系统运行状态提供了良好反馈,也为调试检修工作带来了便利。
需要说明的是,以上参数设定过程是在系统实际部署应用阶段进行的,而 非软件开发设计阶段。该套单片机系统在完成开发设计定型后,系统的硬件电 路部分可与不同的电力变压器温度指示控制器仪表进行现场连接,前提是该仪 表输出标准4-20mA电流信号即可。用户可以根据不同仪表的温度量程现场设定 运行参数,本方案在实际部署过程中提供了极好的环境适应性。
本发明一可选实施例方案,所述测控系统包括EEPROM,所述EEPROM 与单片机相电连接,用于存储单片机的设定参数。对于前面的各种参数设定, 本方案采用了只读存储器EEPROM进行永久保存。一旦完成参数的设定,在整 个运行过程中除非用户二次更改,否则参数不会发生变化,即使单片机系统断 电后重新上电重启,被设参数也不会丢失,完成初始化后系统自动重载存放于 单片机内部EEPROM单元中的参数投入运行控制,保证了长时间连续运行过程 中的参数一致性,这一点对于系统的稳定可靠工作具有重要作用。
本发明一可选实施例方案,所述测控系统包括继电输出单元,所述继电输 出单元与所述单片机的控制输出端相电连接;所述控制输出端,根据单片机计 算获得的温度与预设温度阈值的比较结果输出开关信号,用于启动或断开所述 继电输出单元的次级开关;所述继电输出单元的次级开关与冷却报警控制回路 的控制回路相电连接。断开仪表的原生开关触点与冷却报警控制回路的连接, 而将新增继电器的对应触点接入控制回路。这样即使存在安装检修状态下人为 原因误触碰到仪表内部,只要此刻单片机不输出触发信号,继电器的触点就不 存在误接通控制回路的状况发生,从而彻底解决传统仪表所面临的上述问题。
本发明一可选实施例方案,所述测温指示控制器为BWY-804J型仪表。
以下为具体实施例的进一步描述:
如图1所示,整个系统由多个单元相互连接构成,各单元功能如下:
(1)单片微型计算机(MCU单元):
该单元是整个系统的核心,承担着直流电压信号采集、按键电路检测处理、 LCD液晶显示器显示驱动,继电器触点控制等一系列功能。该单元启用定时控 制方式周期性地采集从电流变送器传输进来的电压信号,经过内部ADC单元的 转换,得到对应温度的数字量,并进一步与各组设定动作温度进行比较,一旦 发现当前采集到的温度达到或超过四组当中某一组的设定值时,则驱动对应继 电器线圈通电,其触点随即接通电力变压器冷却报警控制回路工作。反之,当 前温度值低于该组设定值时,对应继电器失电,触点断开控制回路,冷却报警 工作立即停止。对于各参数的设定通过采集按键电路进行,为了保证系统动作 的实时性,系统采用中断机制对按键信号进行处理,并进一步将设定过程及其 参数的变化通过驱动LCD液晶进行同步显示。
(2)电源电路:
该电路主要由交流稳压电路、滤波电路构成,其作用是向控制计算机机系 统提供稳定的+5V直流电源,保证系统所需的正常电源供应,这部分电路设计 中采用专用电源模块来实现所需供电要求。
(3)按键电路:
该电路由四个独立按键构成,分别对应控制开关组的选择、变压器量程上 限/下限选择、设定温度值加1以及设定温度值减1操作。
(4)LCD液晶显示器:
该单元用于设定的参数以及系统运行过程中温度数值的实时显示,与按键 电路共同构成人机界面。
(5)时钟和复位电路:
如采用单片机作为本设计的核心控制计算机,则一般需要在单片机模块外 部设置一个独立的时钟电路,通过该电路输出一个稳定的时钟信号,使得计算 机内部各个功能电路步调一致地协调工作,这是系统正常运行所必须具备的辅 助电路,时钟频率的快慢决定了系统的运行速度。
复位电路的作用是保证单片机在因各种因素陷入非正常工作状态时,通过 复位机制可以让系统从故障状态中迅速解脱出来回复正常运行,这是确保系统 可靠性的一个重要措施,在具体实施过程中一般可以同时采取人工强制复位和 上电复位两种方式相结合。
(6)电力变压器温度指示控制器:
该单元即原生控制仪表(例如BWY-804J型仪表),在本设计中我们利用 其输出的标准4-20mA直流信号输入单片机进行二次处理,以获取变压器当前的 实时温度数值。需要指出的是,该仪表原生的控制开关触点在本设计中将被弃 用,同时使用单片机外接继电器的触点取而代之,并使之与变压器冷却报警控 制回路相连接。在本设计中原生控制仪表实际上仅作为一个温度传感器来使用, 它的所有设定和控制功能将完全被单片机系统所取代。
(7)电流变送器:
该单元的作用是将电力变压器温度指示控制器输出的标准4-20mA直流信 号转换成对应的0-5V直流电压信号,以供单片机进行采集和模/数转换处理,并 进一步得到当前温度对应的数字量。
(8)继电器:
继电器单元的作用是通过其触点取代原生仪表的控制开关触点,并与冷却 报警回路连接,因此继电器的数量应与原生仪表中的控制开关触点数目一致。 继电器触电的动作受到单片机的控制。
(9)冷却报警控制回路:
该部分电路即配套的电力变压器冷却报警控制回路,本方案不涉及对其改 造,仅使继电器的触点与之进行电气上的连接,并根据单片机的控制过程在变 压器温度超过设定值的情况下通过继电器触点接通该冷却报警回路工作。
关于系统的软件设计,整个软件结构上由主程序和中断服务子程序构成, 主程序完成对单片机内部功能部件的初始化和温度比较以及继电器的驱动功 能,设定按键为下降沿触发中断,定时器工作在16位初始值自动重载方式并结 合定时中断进行模/数转换处理,避免了每次定时中断后都需要重新设定初值的 弊端。
根据控制原理,本设计通过单片机读取电流变送器输入的0-5V电压信号, 并通过内部ADC单元获得对应的温度数值信号,在主程序中通过循环方式不间 断对此当前温度数值信号与设定值进行比较,一旦当前值达到或超过设定值, 驱动对应组的继电器线圈通电,其常开触点闭合接通变压器冷却报警控制回路 动作。反之,若当前温度低于设定值,则断开对应触点,切断控制回路。单片 机通过按键中断子程序对四个按键的动作进行处理,分别完成控制开关组别的 选择、变压器量程上下限的选择、设定值加1和设定值减1操作。
定时器子程序也采用中断方式进行处理,主程序首先完成定时器的初始化, 设定其具体工作方式,最后启动定时器开始工作。定时器按固定周期启动模/数 转换,将指定的模拟量输入通道的0-5V直流电压转换成对应数字量,本设计中 我们采用了8位量化方式进行处理,其电压分辨率P为5V/256即0.0195V,以 BWY-804J(TH)型仪表量程0-150摄氏度为例,其对应温度分辨率为150度/256 即0.58摄氏度,完全可以满足控制要求。在进行模/数转换处理过程中,为了保 证采样结果的可信度,我们采用了平均值滤波方式对多次采样结果进行处理, 有效避免意外干扰引发的数值波动。
对于继电器的控制,考虑到其动作需要较大的驱动电流,单片机的所有引 脚在上电复位完成后默认为准双向端口模式,该模式下单片机引脚驱动能力有 限,所以在程序中将四个继电器的控制引脚专门设置为推挽输出方式以保证继 电器的可靠动作。
系统软件流程图中,
主程序流程图如图2所示,在主程序流程图中,完成了对各功能单元的初 始化以后,需要打开总中断允许位,为按键中断和定时器中断的发生做好准备。 进入主循环后需要首先读取一次只读存储器EEPROM中设定的个参数,包括各 组动作温度的设定值。然后再根据模/数转换得到的当前实测温度进入比较判断 过程,并由此对相应继电器进行控制,使其触点根据温度比较结果选择闭合接 通或者断开处理。
按键中断子程序流程图如图3所示,当有按键按下时,系统进入按键中断 服务子程序,首先需要关中断,以使在中断处理过程中不会再受到其他中断影 响。中断程序根据中断标志位的结果判别是哪个按键按下,然后进行对应处理, 并将结果写入到单片机内部只读存储单元EEPROM保存,并进一步供主程序进 行读取和后续处理。在中断返回之前需要重新开放中断,以使下一次按键按下 的动作能得到实时处理。
定时中断子程序流程图如图4所示,在定时器中断服务子程序中,同样需 要首先关闭中断,使得在当前处理过程中不受其他事件影响。定时器采用周期 性的中断处理方式,中断周期事先在主程序中进行设定。中断处理中,先启动 A/D转换获取当前的输入电压对应数值(需要指出的是该数值当前仅代表电压 转换结果,还不是实际温度数值),然后进一步读取EEPROM只读存储器,获 取仪表量程的上下限参数,并根据此参数对A/D转换进行标定,直到此刻才得 到对应的温度数值。按此方式进行多次A/D转换和标定处理,最后多次温度数 值取平均值,得到最后的温度数值供主程序进一步处理。在中断返回之前需要 重新开放中断,以使下一次定时器中断能得到实时处理。
以上所述仅是本发明的优选实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限 制,虽然本发明已以优选实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟 悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案的范围内,当可利用上述揭示 的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发 明技术方案的内容,依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单 修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种变压器油面温度智能测控系统,包括单片机、冷却报警回路和测温指示控制器,其特征在于,所述测控系统包括电流比例变送器,所述电流比例变送器用于将其输入端的电流信号等比例变换为电压信号并输出;
所述测温指示控制器包括测温电流输出端,所述测温电流输出端与所述电流比例变送器的输入端电相连接;
所述单片机包括ADC模数转换输入端,所述模数转换输入端用于输入指定电压信号,所述指定电压信号与所述油面温度线性相关。
2.根据权利要求1所示的一种变压器油面温度智能测控系统,其特征在于,所述测控系统包括显示单元,所述显示单元与所述单片机第一输出单元相连接,用于显示经单片机计算获得的油面温度,和/或单片机功能,和/或菜单,和/或当前操作及响应,和/或单片机控制输出单元阈值。
3.根据权利要求1或2所示的一种变压器油面温度智能测控系统,其特征在于,所述单片机包括现场设置单元,所述现场设置单元包括K1、K2、K3和K4四个按键;
其中K1控制开关所属组选择,组的数量与仪表控制开关组数一致且对应;
K2仪表温度量程上下限选择;
K3设定值加1;
K4设定值减去1。
4.根据权利要求1-3之任一项权利要求所示的一种变压器油面温度智能测控系统,其特征在于,所述测控系统包括EEPROM,所述EEPROM与单片机相电连接,用于存储单片机的设定参数。
5.根据权利要求3或4所示的一种变压器油面温度智能测控系统,其特征在于,所述测控系统包括继电输出单元,所述继电输出单元与所述单片机的控制输出端相电连接;
所述控制输出端,根据单片机计算获得的温度与预设温度阈值的比较结果输出开关信号,用于启动或断开所述继电输出单元的次级开关;
所述继电输出单元的次级开关与冷却报警控制回路的控制回路相电连接。
6.根据权利要求1-5之任一项权利要求所示的一种变压器油面温度智能测控系统,其特征在于,所述测温指示控制器为BWY-804J型仪表。
7.根据权利要求6所示的一种变压器油面温度智能测控系统,其特征在于,所述单片机为IAP15W4K系列单片机。
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