C8051F041的電力變壓器非電量保護裝置

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(fā)生箱內故障、箱外故障及出現不正常工作狀態(tài)。其中，箱內故障是非常危險的，因為短路電流產(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，將給電力系統的運行帶來(lái)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(zhuān)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(dòng)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(diǎn)(如瓦斯、溫度等)直接進(jìn)入保護裝置重動(dòng)后發(fā)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(yōu)點(diǎn)是功能相對集中，全數字通信，只需要使用一個(gè)單片機就可實(shí)現所有功能，大大節省了成本和空間。
需要實(shí)現的功能：以一片單片機為控制核心，實(shí)現高速計算和控制；實(shí)現對主變壓器的溫度監測和報警；實(shí)現對調壓檔位的監測和報警；實(shí)現對瓦斯信號的監測和報警；具有中文液晶顯示和鍵盤(pán)輸入，在中文環(huán)境下輸入參數，數據也可以在中文環(huán)境下顯示，顯示風(fēng)格人性化；具有RS-485總線(xiàn)通信接口和CAN總線(xiàn)通信接口；具有簡(jiǎn)單的狀態(tài)信號輸出；具有繼電器輸出功能。
根據方案所需要實(shí)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(gè)小模塊進(jìn)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(gè)小模塊進(jìn)行設計。
鍵盤(pán)輸入和液晶顯示模塊又稱(chēng)為人機接口模塊，主要負責參數的輸入和狀態(tài)的顯示，這里采用的是2×2的小鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)量都是對繼電器的狀態(tài)進(jìn)行檢測。因此，直接用光耦對繼電器信號進(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(xiàn)路經(jīng)過(guò)SN75HVD10D后直接進(jìn)入單片機，造成程序跑飛。同樣，在CAN總線(xiàn)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(jìn)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?？紤]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。
3.1CPU模塊
微程序控制器(MCU)采用Silabs公司的SoC(SystemonChip，片上系統)CAN混合信號型MCU，它具有一系列的特點(diǎn)：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(shí)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3.3V電壓，并且接地點(diǎn)與模擬地AG-ND相連，AGND與數字地DGND和通信地CGND等通過(guò)單點(diǎn)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+24V的檢測信號送至單片機I／O端，需要對電壓信號進(jìn)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(shí)時(shí)地讀取端口狀態(tài)。其硬件措施如下：采用電阻實(shí)現前端光電二極管的限流，當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)采集即可監測瓦斯繼電器的狀態(tài)。
3.4調壓檔位監測及輸出
調壓檔位狀態(tài)信號的輸出選用單刀常開(kāi)型繼電器。調壓檔位狀態(tài)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(lái)控制繼電器的通斷。
3.5電源模塊
為了使整個(gè)系統穩定可靠，電源模塊是至關(guān)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(chǎng)中高壓環(huán)境的存在，以及變壓器現場(chǎng)容易引雷的問(wèn)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(xiàn)上造成的高壓竄入控制系統引起控制系統的損壞。
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的UART口和RS-485通信器件隔離，單片機和RS-485通信器件單獨供電，這樣由通信線(xiàn)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，大大提高了單片機的穩定性。
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。在此控制器基礎上，外加兩個(gè)高速通信光耦隔離，然后再連接至CAN總線(xiàn)物理層收發(fā)器。
3.7系統抗干擾技術(shù)
本系統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)增強系統的穩定性和可靠性。
4軟件設計
4.1實(shí)時(shí)操作系統和開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇
綜合考慮主變壓器非電量保護系統的高實(shí)時(shí)性、多任務(wù)多線(xiàn)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)操作系統作為系統控制的運行平臺，在其基礎上進(jìn)行主變非電量的智能實(shí)時(shí)測控保護。
綜合考慮本系統需要實(shí)現的功能，總結出了十大任務(wù)可供系統調用：瓦斯檢測任務(wù)、溫度檢測任務(wù)、有載分接頭檢測任務(wù)、開(kāi)關(guān)量輸出任務(wù)、信息顯示任務(wù)、鍵盤(pán)檢測任務(wù)、CAN總線(xiàn)通信任務(wù)、RS-485總線(xiàn)通信任務(wù)、恒流源輸出調整任務(wù)以及恒壓源輸出調整任務(wù)。
在這些任務(wù)中，瓦斯檢測任務(wù)、溫度檢測任務(wù)、有載分接頭檢測任務(wù)、開(kāi)關(guān)量輸出任務(wù)、信息顯示任務(wù)、恒流源輸出調整任務(wù)、恒壓源輸出調整任務(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(pán)輸入的檢測也是由時(shí)鐘實(shí)時(shí)定時(shí)任務(wù)來(lái)完成。CAN總線(xiàn)通信任務(wù)和RS-485總線(xiàn)通信任務(wù)是由外部中斷觸發(fā)啟動(dòng)或者內部事務(wù)主動(dòng)調用啟動(dòng)。
本系統的開(kāi)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C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統。KeilμVision3本身最初的目的是為ARM設計的開(kāi)發(fā)環(huán)境，而ARM上面一般均為運行操作系統。
4.2軟件算法
本系統的軟件算法主要涉及到溫度監測、瓦斯監測、有載分接開(kāi)關(guān)監控、鍵盤(pán)顯示控制、通訊控制、系統調度控制。
溫度監測和瓦斯監測將作為一個(gè)系統時(shí)鐘中斷驅使任務(wù)，可定時(shí)實(shí)時(shí)完成；有載分接開(kāi)關(guān)監測也作為一個(gè)系統時(shí)鐘中斷驅使的任務(wù)，定時(shí)實(shí)時(shí)完成；供顯示任務(wù)和通信任務(wù)調用；鍵盤(pán)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)和隨機中斷啟動(dòng)兩種方式；系統調度控制的作用是對上述幾個(gè)任務(wù)進(jìn)行調度和分配，同時(shí)也承擔系統各控制參數的修改、控制和檢測。
5結束語(yǔ)
新型主變壓器集成式非電量智能測控裝置實(shí)現了“集成化”和“智能化”。其硬件電路采用C8051F041混合信號型MCU作為控制器的核心，從而大大降低了整個(gè)測控裝置的功耗和體積，提高了實(shí)時(shí)控制能力。軟件設計上，以實(shí)時(shí)操作系統為平臺，并在其基礎上快速、良好而又實(shí)時(shí)地運行各種檢測和顯示任務(wù)，達到了智能化和實(shí)時(shí)性的目的。

關(guān)鍵詞：C8051F041電力變壓器