变压器智能保护装置设计

山东科技大学信息与电气工程学院课程设计单片机在电力系统中的应用设计题目：变压器智能保护装置设计姓名:班级: 电气工程及其自动化专业2009-3班学号:指导老师: 白星振2012 年 7 月 3 日目录一、变压器智能保护装置设计概述--------------- 11.1 设计背景------------------------------------- 11.2 设计的意义------------------------------------ 1二、设计方案----------------------------------------- 1三、系统模块的设计-------------------------------------- 23.1 CPU模块----------------------------------------- 23.2温度信号处理模块------------------------------33.3电压、电流信号处理模块-----------------------53.4报警模块-------------------------------------73.5键盘与显示部分--------------------------------73.6 RS485串行口通信部分--------------------------83.7设计总图------------------------------------9四、软件设计流程及流程图-------------------------- 94.1 综合分析---------------------------------------- 104.2 软件算法----------------------------------------104.3 软件流程图---------------------------------------11五、设计总结--------------------------------------------12六、参考文献-------------------------------------------- 12一、变压器智能保护装置设计概述1、设计背景电力变压器是电力系统中应用相当普遍而又十分重要的电气设备，它尤其在发电厂、变电站中起着举足轻重的作用！是整个电力系统稳定运转的有力保证！它运行较为可靠，故障机率小。

但即便如此，还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，箱内故障是非常危险的，因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组绝缘，烧坏铁芯，还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重的后果。

在本实验设计中，我们根据当前变压器保护装置的设计方向，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采取相应的措施，以达到对变压器实现有效的保护与控制。

2、设计的意义根据变压器的容量大小及其重要程度安装灵敏、快速、可靠和选择性好的各种专用保护装置是极为重要的，通过为变压器配备专用的智能保护装置，有效地保证变压器的安全运行和防止扩大事故。

二、设计方案根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 保护系统框图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，这里采用的是小键盘输入和LCD1602液晶模块。

电流检测模块采用的是Maxim公司生产的Max471芯片，电压检测模块采用AD736，温度监测模块选用Maxim公司的MAX6674。

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，最后报警并显示变压器当前的参数值并自动地控制、调整变压器的运行。

三、系统模块的设计从总体上看，变压器智能保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详细的阐述。

1、CPU模块在本设计中采用的微处理器（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存储器（PEROM）和128bytes 的随机存储器（RAM），片内置通用8位中央处理器，和FLASH存储单元，功能强大，可供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

在本系统中，只需一片89C51并少许扩展外围信号调理电路，即可出色地实现本系统功能。

下图便是本设计所用到的单片机：AT89C51：图3-1 AT89C51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3-3 时钟电路图2、温度信号处理模块采用Maxim公司生产的数字温度变送器MAX6674。

MAX6674原理图如图3-4：图3-4 MAX6674原理图另外我们还采用了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 3-5 6N137广耦合原理图在具体的设计电路中，本芯片由模拟电源提供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，最后接入真正的大地。

采取模拟电压供电和单独接入模拟地AGND的原因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用高速通信光耦隔离。

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，我们采用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。

其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0～460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200μA.用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%.AD736采用双列直插式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，将交流高电压降低为交流低压，以便于我们所设计的电压监测控制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，我们采用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单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围内。

拥有完美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况下进入工作区域，造成人员伤亡。

随后系统将会根据情况自动进入以下两种维修状态。

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，也不能随即启动，必须先人为检修后，才能重新启动(通过按钮手动启动)。

2，若变压器最高温度没有高于线圈材料的熔点，则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：当维修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：在电力变压器智能保护装置中，我们采用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，在各类仪表和低功耗系统中得到了广泛的应用。

此外，程序简单，如果用数码管动态显示，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选择串行口通信，进行数据的创送。

为了防止外界干扰，首先采用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定性。

单片机异步通信口与76176之间采用光电隔离数据通信模块：图3-14 RS485串行通信电路图7、设计总图图3-15 变压器智能保护系统电路图四、软件流程设计1.综合分析综合考虑主变压器智能保护系统的高实时性、多任务多线程、AT89C51的硬件条件和实际可操作性，最后确定以51系列μC／OS-II的小型实时操作系统作为系统控制的运行平台，在其基础上进行主变的智能实时测控保护。

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用KeilμVision3，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、键盘显示控制、通信控制、系统报警调度控制。

温度监测将作为一个系统时钟中断驱使任务，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驱使的任务，定时实时完成；供显示任务和通信任务调用；键盘显示控制中共有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；通信控制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；系统调度控制的作用是对上述几个任务进行调度和分配，同时也承担系统各控制参数的修改、控制和检测。