变压器微机保护装置的设计原理

变压器微机保护装置的设计原理

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。右边边为信号输入输出部分，可分为几个小模块进行设计；中间是信号处理部分，为80C196kc最小系统；左边为数据采集系统，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，。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、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：

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。

3、电压、电流信号处理模块

AD736采用双列直插式8脚封装，其管脚排列如图所示：

各管脚的功能如下：

+Vs：正电源端，电压范围为2.8～16.5V；

-Vs：负电源端，电压范围为-3.2～-16.5V；

Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为10～20μF.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。该端有两种工作方式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。

COM：公共端；

Vo：输出端；

CF：输出端滤波电容，一般取10μF；

CAV：平均电容。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33μF.

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%。

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。

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。

显示模块引脚图：

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：VSS为电源地

第2脚：VCC接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平(1)时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

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