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王文军毕业设计

毕业设计（论文）

题目风冷式电力变压器温度监控系统设计

系别电气工程学院

专业电力系统自动化技术

班级风动11

姓名王文军

学号201102105235

指导教师（职称）郭志成（助教）

日期

摘要

本次设计针对电力变压器冷却系统中现有使用常规控制系统时存在的控制回路复杂、风机启动时冲击电流大、运行不利于节能、不能对变压器进行监控以及缺乏必要的过压、过载、缺相保护，实际运行中降低系统运行的可靠性，不能实现变压器变电所的无人值班控制等一系列任务，设计了一套智能化变压器温度监控系统。

本系统以PIC16F877单片机为核心，设计一套智能化变压器温度监控系统，实现了对变压器油温的实时采集、LED显示、数据传输，然后按照工艺要求进行相应的控制，实现对变压器温度的全自动监控，设计完善的故障自诊断功能和保护功能，风机则完善的保护装置为CPU提供准确的风机故障信号，提高系统运行的稳定性。

设计基于单片机的变压器智能温度监控系统，实现对变压器温度的自动监控，以及风机故障自诊断功能和保护功能。

关键词：

单片机；变压器冷却系统；风机故障；油温

Abstract

Thisdesignaimingattheexistinginpowertransformercoolingsystemusingconventionalcontrolsystemofcomplexcontrolloop,fansurgecurrentwhenstarting,operationisnotconducivetoenergyconservation,cannottomonitortransformerandthelackofnecessaryovervoltage,overload,openphaseprotection,reducethereliabilityofthesystemisrunninginactualoperation,can'tcontroltheunmannedtransformersubstation,andaseriesoftasks,designasetofintelligenttransformertemperaturemonitoringsystem.

PIC16F877single-chipmicrocomputerasthecore,thissystemdesignasetofintelligenttransformertemperaturemonitoringandcontrolsystem,realizedthetransformeroiltemperaturecollection,LEDdisplay,real-timedatatransmission,andthenaccordingtothetechnologicalrequirementsforthecorrespondingcontrol,realizethetemperatureautomaticmonitoringoftransformer,designperfectfaultself-diagnosisfunctionandprotectionfunction,thefanisperfectprotectionforCPUfanfaultsignalaccurately,improvethestabilityofthesystemisrunning.

Designbasedonsinglechipmicrocomputerintelligenttemperaturemonitoringsystemoftransformer,realizethetemperatureautomaticmonitoringoftransformer,andthefanfaultself-diagnosisfunctionandprotectionfunction.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;Thetransformercoolingsystem;Thefanfault;Theoiltemperature

1绪论

在电力系统中，电力变压器承担着电压的变换，电能分配和传送以及提供电力服务的重要任务。

所以，变压器的安全运行对电力系统至关重要，变压器的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。

通常对油浸式变压器采用自然风冷方式、风扇冷却方式、强迫循环油冷却方式、强迫油循环水冷却等方式进行降温或冷却。

这些方法都可以实现对油浸式变压器温度的控制，但自动化程度不高。

变压器冷却系统决定了变压器的正常使用寿命及能否正常运行，因此变压器的冷却系统对变压器的安全经济运行又极其重要的意义。

在发电厂或变电所，风冷式变压器采用多组风机降温，控制变压器的油温在额定范围之内，保证变压器正常工作。

为了提高电力系统运行的可靠性和延长变压器的使用寿命，应该对变压器的油温进行实时监控。

1.1研究背景

电力变压器是电力系统中重要的一次设备，在发、供电企业和用电单位之间起着桥梁作用。

变压器在能量的传输和转换过程中，由于个线圈电流的流动和电磁场的存在会产生电能损耗，消耗一部分电能，这部分损耗主要转化为热能，以传导、对流和热辐射的散热方式自发热点向外传递，最终扩散到大气中。

这些热能传递在过程中会引起变压器各部位温度不同程度的升高，电力变压器温度与其自身容量、损耗参数、冷却方式、负载大小以及运行环境等密切相关。

变压器智能化温度控制器由传感器、单片机温控仪及相应的输出继电器所组成。

通过pt100温度传感器测取变压器被测点的温度，经与温度监控仪内部所预设定温度比较后，输出控制风机继电器触点、超温报警继电器和超温跳闸继电器触点的开合，实现对变压器绕组温度的监控，防止变压器因过热而损坏，保证变压器的设计使用寿命。

根据现场运行要求，本设计选用了PIC16F877单片机构成变压器温度控制系统，设备操作简单，用户可通过面板按键轻松设定控制风机起停、报警及跳闸阀值，所有设定参数掉电后均不会丢失。

温度采集精度很高，并且采取了很多措施来保护电机，如过载、缺相保护等。

由于工业现场的环境较恶劣，会对系统产生很大的干扰，设计采取了抗干扰措施，在集成电路的电源入口处加了滤波电容，且送入单片机的信号都经过了光耦隔离。

最后通过无线通信实现远程监控，控制室通过无线通信及时掌握现场的运行情况，可任意对各种事故做出及时地反映，实现了变压器的无人控制。

系统整体具有测温误差小、分辨力高、抗干扰能力强的特点，所有器件的选择均满足工业级标准，并适合高温环境。

1.2系统概述

此智能温度监控系统是利用单片机（16F877）进行温度测量和对电压器风机控制的装置。

主要用于风冷式电力变压器温度防过热保护，保护电力设备无人值守时完全可靠运行。

有效地解决了过热及故障问题，保障设备安全运行，避免意外事故发生，节约人工成本，符合自动化的发展趋势。

智能变压器温度控制器以先进的单片机为控制核心。

采用pt100温度传感器，并将其直接放在变压器绕组线包上，对其三相温度和环境温度进行测量和控制，并实现循环数字显示变压器三相绕组温度及最高温度显示，若传感器断线或短路，控制器将发出传感器故障报警信号。

1.3论文研究内容

研究内容主要包括以下几个方面：

（1）熟悉电力变压器温度控制的要求和控制原理，确定设计方案，完成系统原理框图。

（2）完成主机，温度采集，主电路设计。

（3）选定单片机及相关元器件。

完成硬件设计和软件设计。

（4）自动检测变压器油温，温度传感器并对温度进行显示。

以及在各个设定温度段风机的运行方式，超过油温上限时的报警信号。

（5）系统可以实现自动、手动、停止三种运行方式。

（6）系统具有完整的故障自诊断功能、缺相保护、过载保护、过压保护、欠压保护功能。

1.4论文组织结构

本设计全文共4章，整体内容与章节安排如下：

第一章为绪论，概述了温度监控系统的主要功能，指出了进行温度监控系统研究的必要性与重要意义。

概括了论文的主要工作、组织结构和主要贡献。

第二章主要确定了设计的主要设计方案。

第三章为硬件电路的设计，主要包括单片机的选型，振荡器配置选择，温度采集电路模块设计，按键输入和显示电路部分设计，无线通信系统的设计，主回路部分设计，直流电源的设计。

第四章为软件部分设计，有软件需求分析，各模块流程图。

最后是本设计的总结，自己本次设计还存在很多的不足，最后对这一系统的设计进行展望。

相信会更完善。

2系统设计方案综述

2.1系统工作的一般原理

大型电力变压器油温过热问题是运行和制造部门都十分关注并需要解决的重要问题之一.变压器运行中执行的一个基本原则是要尽可能的实现对用户连续供电.为保证连续安全供电,变压器必须保持在一定温度下运行.变压器的冷却控制装置,目前大都采用传统的继电器控制模式,通过人工来控制温度控制器机械触点的开闭来驱动交流接触器的线圈,从而接通冷却器的工作回路.这种方式有很多缺点,如自动化程度低,缺少必要的保护,风机群同时起动,电流过大等,工作原理如图2-1所示。

主电路控制元件采用了接触器，靠机械触点来实现对风机的驱动。

这种方式对风机的控制只能由人工完成，当温度在45℃-55℃时，通常采用全部投入的方式，不利于节能，也不利于设备的维护。

控制器系统采用继电器、热继电器、接触器逻辑电路控制，控制逻辑显得很复杂，在运行过程中会出现接触器的触点长时间接触及多次开断造成触点烧毁问题。

风机缺乏必要的过压、过载、缺相保护，实际运行中降低系统运行的可靠性，增加运行成本。

图2-1传统风冷机工作原理图

2.2智能温度监控系统的设计方案

本设计以PIC16F877单片机为核心完成系统的设计，要求对油温进行实时采集，将采集结果送入MCU进行处理，然后按照工艺要求进行相应的控制，实现对变压器温度的全自动远程和就地监控，系统要具有完善的保护功能，包括过压、过载、缺相检测和保护，还要具备故障自诊断功能，在故障出现时，给出故障信息，显示故障类型，便于工作人员及时进行检修；使用无线通信方式实现变压器控制器与中心控制室之间的数据通信。

使用户随时了解变压器及风机运行情况，实现远程温度控制。

整个课题包括系统设计，主机温度信号采集与调理电路设计，主机LED显示电路设计，主控电路设计，缺相检测与保护电路设计，过载保护与检测电路设计，从机设计，从主机LED显示电路设计，无线通信电路设计，主电路设计，主机从机电源设计，系统软件流程图设计，软件编程等。

温度信号的采集在设计中是最重要的部分之一，其可以采用铂电阻电桥组成的温度检测电路，也可以使用温度传感器来实现。

2.2.1方案一

温度检测电路通过预埋在变压器中的铂电阻传感器获得油温信号，经信号调理电路处理后直接送入控制器的A/D转换输入端，PIC单片机根据信号数据及设定的各种控制参数，按照程序自动计算与处理，自动显示变压器油温，并输出相应的控制信号，控制风机的起停，电机的保护电路包括过压，过载，缺相等。

显示电路采用MAX7219，其只需要三根线就可控制八个数码管，特别适用于需要I/O口较多的系统。

信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室,以便对现场情况及时做出反应。

方案采用PIC16F877单片机，PIC处理器具有不同于一般微处理器的许多特性，它给出最大系统可靠性，通过减少外部元件使成本最小。

另外，还提供节电工作模式及提供编码保护等。

PIC16F877共有A口、B口、C口、D口、E口五组I/O口，完全可以满足本系统的要求，另外在其中嵌入一个8输入通道的A/D模块，不需要专门的芯片进行A/D转换；CCP模块可提供外部信号的捕捉、内部比较输出、及脉宽调制PWM功能；中断源多，具有看门狗定时器和睡眠功能；还可以在线串行编程、在线调试。

显示电路采用MAX7219，其只需要三根线就可可控制八个数码管，特别适用于需要I/O口较多的系统。

MAX7219为8位LED显示驱动电路，可以连续的驱动8位7段数据显示。

在芯片内部集成了一个BCD译码器，段地址和位地址驱动以及一个8

8位的静态随机存储器。

只需要一个外部电阻，就可以正确地驱动所有LED的段地址。

信号通过无线通信芯片nRF401传输到控制室。

以便对现场情况及时做出反应。

nRF401是一个433MHz工业、科学、医用频段设计的真正单片无线收发芯片,它采用频移键控调制技术。

nRF401发射速率可达20kb/s，发射功率可调,最大发射功率10dBm,接收灵敏度-105dBm，具有工作半径大、适应性强的特点。

天线接口设计为差分天线,便于使用低成本的印刷电路板天线。

nRF401还有待机工作方式,可以更省电和高效。

此外,该芯片只需少量外围元件,使用十分方便。

温度控制器系统框图如图2-2所示。

图2-2温度控制系统框图

2.2.2方案二

温度检测采用由DALLAS半导体公司生产的智能集成温度传感器DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,采用DALLAS公司特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信。

它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

显示采用单片机的RA口扩展四片串并转换的移位寄存器74LS164驱动四只1.5寸共阳数码管，实时显示变压器的温度。

复位电路采用MAXMAX6304芯片来实现单片机系统的监控电路。

MAX6304是一款专用、高性能、低功耗的微处理器监控芯片。

通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000单片可编程RF收发芯片。

（一）温度检测电路的设计

温度检测采用由DALLAS半导体公司生产的智能集成温度传感器DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点。

DS18B20单总线数字传感器工作温度范围是-55℃～125℃，在-30℃～85℃范围内温度测量精度为±5℃；具有温度报警功能，用户可设置最高和最低

图2-3DS18B20引脚分布图

报警温度，且设置值掉电不丢失；采用DALLAS公司特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信；此外，DS18B20能够直接从数据线获得电源，无需外部电池供电。

DS18B20与单片机的接口电路如图2-3所示。

I/O为数字信号输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

DS18B20主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的。

相当于给每个DS18B20分配了一个独一无二的64比特地址序列码，这就允许多个DS18B20工作同条一线总线上，从而大大简化了分布式温度传感系统的应用。

温度传感器完成对温度的测量，温度报警触发器TH和TL以及配置寄存器的设置值均以一个字节的形式存储在EEPROM中，使用一个存储功能命令可对其写入。

（二）显示部分

本设计的显示部分，彩用LED数码管显示，LED数码管显示简单，市场广阔，价格较便宜。

显示中采用了3个数码管显示温度大小，由MAX7219驱动的3个七段数码管的接口电路，驱动器采用了MAX7219，对温度值进行实时输出显示，根据精度要求，设置一位小数。

显示部分LED能准确对本系统温度输出进行实时准确的显示。

显示部分电路如图2-4

图2-4LED显示电路

（三）键盘输入

单片机监电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。

在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序跑飞”等现象，而用仿真器调试时却无此现象发生或极少发生此现象。

有时会发现在关闭电源后的短时间内再次开启电源，单片机系统会工作不正常，这些都很可能是由单片机监控电路设计的不可靠引起的。

单片机监控电路主要有监控和看门狗两个功能。

（四）通讯电路设计

通信电路采用无线通信芯片来完成。

无线通信芯片种类繁多，方案选择CC1000来实现无线通信。

CC1000是根据Chipcon公司的SmartRF技术，在0.35μmCMOS工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。

它的工作频带在315、868及915MHz，但CC1000很容易通过编程使其工作在300～1000MHz范围内。

它具有低电压（2.3～3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20～10dBm），高灵敏度（一般-109dBm），小尺寸（TSSOP-28封装），集成了位同步器等特点。

其FSK可达72.8Kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议；主要工作参数能通过串行总线接口编程改变，使用非常灵活。

CC1000可通过简单的三线串行接口（PDATA、PCLK和PALE）进行编程，有36个8位配置寄存器，每个由7位地址寻址。

一个完整的CC1000配置，要求发送29个数据帧，每个16位（7个地址位，1个读/写位和8个数据位）。

PCLK频率决定了完全配置所需的时间。

在10MHz的PCLK频率工作下，完成整个配置所需时间少于60μs。

在低电位模式设置时，仅需发射一个帧，所需时间少于2μs。

所有寄存器都可读。

在每次写循环中，16位字节送入PDATA通道，每个数据帧中7个最重要的位（A6：

0）是地址位，A6是M键盘（最高位），首先被发送。

下一个发送的位是读/写位（高电平写，低电平读），在传输地址和读/写位期间，PALE（编程地址锁存使能）必须保持低电平，接着传输8个数据位（D7：

0），PDATA在PCLK下降沿有效。

当8位数据位中的最后一个字节位D0装入后，整个数据字才被装入内部配置寄存器中。

经过低电位状态下编程的配置信息才会有效，但是不能关闭电源。

微控制器使用3个输出引脚用于接口（PDATA、PCLK、PALE），与PDATA相连的引脚必须是双向引脚，用于发送和接收数据。

提供数据计时的DCLK应与微控制器输入端相连，其余引脚用来监视LOCK信号（在引脚CHP_OUT）。

当PLL锁定时，该信号为逻辑高电平。

2.2.3方案三

温度检测采用美国模拟器件公司（ADI）生产的恒流源式模拟温度传感器AD590。

它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小，动态阻抗低，传输距离远，体积小，微功耗等特点。

AD590配以ICL7016型单片A/D转换器即可构成三位半液晶显示的温度传感器，通信采用RS-485标准。

（一）温度采集电路

AD590是由美国哈里斯（Hrris）公司、模拟器件公司（ADI）等生产的恒流源式模拟温度传感器。

它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行线性校准。

AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。

该产品有3种封装形式；TO-52封陶瓷封装（测温范围是-55—+150℃）。

不同公司产品的分档情况及技术指标可能会有一些差异。

例如，由ADI公司生产的AD590，就有90J/K/L/M四档。

这类器件的外形与小功率晶体管相仿，共有3个管脚：

1脚为正极，2脚是负极，3脚是接管壳。

使用时将3脚接地，可起到屏蔽作用。

AD系列产品以AD590M的性能最佳，其测温范围是-55—+150℃，最大非线性误差为0.3℃，相应时间仅20μs，重复性误差低至0.05℃，功耗约为5mW。

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗大于10MΩ，能大大减小因电源电压从5V变化到10V时，所引起的电流最大变化量仅为1μA，等价于1℃的测温误差。

AD590的工作电压为+4—+30V、测温范围是+55—+150℃，对应于热力学温度T每变化1K，输出电流就变化1μA。

在298.15K（对应于25.15℃）时输出电流恰好等于298.15μA。

这表明，其输出电流与热力学温度严格成正比。

AD590配以ICL7106型单片A/D转换器，即可构成3位半液晶显示的数字温度计。

（二）通讯电路

RS-485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：

在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。

两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。

同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。

如果以10Kbps速率传输数据时传输距离可达12m，而用100Kbps时传输距离可达1.2km。

如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。

另外RS-485实现了多点互联，最多可达256台驱动器和256台接收器，非常便于多器件的连接。

不仅可以实现半双工通信，而且可以实现全双工通信。

半双工通信芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX3082、MAX1482等。

全双工通信的有SN75179、SN75180、MAX488～491、MAX1482等。

2.3设计方案的确定

上节对三种方案做了介绍，下面对这三种设计方案进行比较：

在方案二中，温度检测采用由DALLAS半导体公司生产的智能集成温度传感器DS18B20型单线智能温度传感器，它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

显示采用单片机的I/O口扩展四片串并转换的移位寄存器74LS164驱动四只1.5寸共阳级数码管，实时显示变压器的温度。

但占用了较多的I/O口，使系统的可扩展性受到了一定的限制。

复位电路采用MAX6304芯片来实现单片机系统的监控电路。

MAX6304是一款专用、高性能、低功耗的微处理器监控芯片。

通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000单片可编程RF收发芯片。

本设计的成本较高，但可靠性更强，适用于对可靠性要求较高且不在乎成本的场合。

在方案三中，温度检测采用美国模拟器件公司（ADI）生产的恒流源式模拟温度传感器AD590。

它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小，动态阻抗低，传输距离远，体积小，微功耗等特点。

AD590配以ICL7016型单片A/D转换器即可构成三位半液晶显示的温度传感器。

显示采用MAX7219，占用了较少的I/O口，通信采用RS485标准。

此方案具有很高的可靠性，液晶具有很多优点，可以实现汉字的显示等，但设计中要求在较远的距离就可以观察到温度值，所以这里采用液晶不能满足要求。

故不选用此方案。

在方案一中，单片机选用了PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等优点。

温度检测电路使用内置的铂电阻来检测温度变化，硬件电路较为简单，光电隔离使用线形光耦，具有较好的性能，抗干扰能力较强，显示电路使用MAX7219只占用三个I/O口连线较少，容易实现。

通信芯片nRF401,其通信距离远，且不用编码，软件较容易实现。

另外本方案还具有很好的经济性和可扩展性，可满足各种不同变压器的要求。

综上所述，本方案具有较高的性价比。

根据上面对三个设计方案的说明比较可以看出，方案一具有较好的抗干扰性，可扩展，经济性较好，而且采用无线通讯，具有较高的性价比。

所以在本设计中采用了方案一。

具体的硬件框图如2-5所示。

本设计以PIC16F877单片机为核心完成系统的设计，要求对油温进行实时采集，将采集结果送入MCU进行处理