变压器油在线监测系统设计.docx
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变压器油在线监测系统设计
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生：
指导教师：
完成日期2012年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
变压器油在线监测系统设计
DesignofOn-lineMonitoringSystemforTransformerOil
总计：
毕业设计（论文）23页
表格：
0个
插图：
19幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
变压器油在线监测系统设计
DesignofOn-lineMonitoringSystemforTransformerOil
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
变压器油在线监测系统设计
电气工程及其自动化专业
[摘要]电力变压器是电力系统中最重要的设备之一，其稳定运行是整个电网系统安全运行的可靠保障。
本文首先分析了变压器内部故障与油中溶解气体含量的关系，然后对变压器油在线监测系统下位机硬件和软件设计进行介绍。
系统选用支持串行通讯技术功能的PIC18F96J60单片机为主控制器，以变压器油中溶解气体监测技术为基础，完成了系统所需功能模块的电路设计及软件功能开发，实现了单片机监测系统的开发和应用。
[关键词]传感器；模数转换；单片机；串行通讯
DesignofOn-lineMonitoringSystemforTransformerOil
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyWANGFei
Abstract:
Powertransformerisoneofthemostimportantequipmentforthepowersystem.Itsstableoperationisthereliableguaranteeoftheentirepowersystem.Thispaperfirstanalyzestherelationoftheinternalfaultofthetransformeranddissolvedgascontentinoil,thenintroducesthedesignofhardwareandsoftwareofthetransformeroilon-linemonitoringsystem.ThesystemisequippedwithPIC18F96J60MCUwhichsupportsserialcommunicationfunctionasthemaincontroller,andthegasdissolvedinoilmonitoringtechnologyoftransformerasthefoundation;itcompletesthedesignoffunctionmodulecircuitwhichthesystemrequiresandthedevelopmentofsoftwarefunction,andrealizesthedevelopmentandapplicationofSCMmonitoringsystem.
Keywords:
Sensor;A/Dconversion;single-chipmicrocomputer;serialcommunication
目录
1引言1
1.1变压器油在线监测的意义1
1.2变压器油在线监测国内外发展现状1
2系统设计方案概述2
2.1系统总体设计要求2
2.2系统方案框图设计3
3系统的硬件设计4
3.1系统电源电路设计4
3.2单片机及晶振、实时时钟电路设计5
3.3串行通讯及存储电路设计7
3.4信号采集电路设计9
3.4.1传感器的选择9
3.4.2信号调理电路设计9
3.4.3A/D接口电路设计10
3.5液晶显示驱动和报警电路12
4系统软件设计13
4.1软件系统总体结构与流程13
4.2硬件监测软件模块设计14
4.2.1液晶显示屏驱动显示模块14
4.2.2外扩存储器的SPI通讯15
4.2.3通用串行通讯模块16
4.2.4日历时钟模块17
4.2.5A/D程序设计17
5在线监测系统特点及组成18
5.1在线监测系统特点18
5.2在线监测系统组成19
结束语21
参考文献22
致谢23
1引言
随着电力需求的迅猛增大以及电力系统的高速发展，对电力设备的常规测试、综合分析、及时消除一些设备的绝缘隐患提出了越来越高的要求。
变压器作为电力系统中最重要的设备之一，准确监测和诊断其是否有故障发生，对于提高电力系统的安全可靠性至关重要。
1.1变压器油在线监测的意义
电力变压器是电力系统中最重要和最昂贵的设备之一，是保证整个电力系统可靠供电的基础。
电力变压器的运行状态直接关系到电力系统的安全与稳定，尤其是当下电力系统向超高压、大电网、大容量、自动化方向决速发展，变压器的工作故障对电力系统安全运行的影响和危害也是与日俱增。
本课题以初步探索变压器等电力设备运行状态监测方便可行的技术，并在设备状态监测的基础上，分析和预测设备运行状态的发展趋势，判断设备异常或者预判设备故障的智能诊断系统为目标。
设计并实现对变压器运行状态的实时监测的多种方法，既提高了变电站运行的管理水平，又可以从预防性维修制过渡到预知性维修奠定基础。
因此，变压器油中溶解气体在线监测的研究具有重要的现实意义和实用价值。
1.2变压器油在线监测国内外发展现状
自二十世纪80年代以来，我国的变压器在线监测技术也得到了迅速发展。
各个单位相继研制了不同类型的监测装置。
电力科学研究院和西安交通大学最开始结合油中气体分析开展了用于绝缘诊断的专家系统的研究工作。
另外重庆大学也研制了电气设备绝缘在线监测及故障诊断系统和变压器油中色谱在线监测及故障诊断系统，实现了对变压器油中六种溶解气体实现在线监测。
中科院研制的油中氢气在线监测装置能实现对变压器油中氢气含量进行实时检测[。
解放军后勤工程学院和大连理工大学研制的微水在线检测系统能对绝缘材料中的水分含量进行在线检测。
宁波理工监测设备有限公司开发的MGA20OO-6系列变压器色谱在线监测系统采用纳米晶半导体检测器实现了对六组分溶解气体、总烃含量和微水含量的在线实时检测[1]。
国外对于变压器油的研究始于二十世纪60年代初，美国开始使用可燃气体总量（TCG）检测装置，来测定变压器储油柜油面以上的自由气体，以判断变压器的绝缘状态。
其后日本等国研究使用气相色谱仪分析自由气体同时分析油中溶解气体，便于发现早期故障。
目前加拿大SYPROTEC公司的HYDRAN系列监测设备在国内外拥有广泛的市场。
日本三菱公司、英国TROLX公司、爱尔兰的PANAMETRIC公司等采用催化燃烧结型传感器或氢燃料电池型可燃气体传感器开发了各式各样的变压器在线监测诊断装置，到2000年加拿大加创集团公司开发的201-6型六组分在线检测系统用于变压器的故障监控。
变压器油中溶解气体在线监测诊断装置检测六种溶解气体组分（H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO）已经成为了业内标准规格要求，所不同的是各个产品对六种组分气体检测的原理及精度和监测实时性的差别[2][3]。
2系统设计方案概述
本系统要求设计完成应用于电力变压器状态在线监测与故障诊断相关的功能模块，并要求较好地完成系统硬件综合设计，保证系统工况要求的实时性和可靠性。
2.1系统总体设计要求
电力变压器是整个电力系统中最重要的设备之一。
本论文设计的监测系统需求，要求基于PIC单片机实现的变压器运行状态在线监测系统保证实现以下基本功能:
1、多通道气体含量数据采集
本系统要求实现对电力变压器的故障特征信息数据是基于变压器油中溶解气体的。
在变压器运行发生故障时，新产生的油中溶解气体成分主要有H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO等气体。
根据新的行业导则还需要考虑到O2和N2含量的测量，进而根据各种气体的不同组合来判断变压器内部故障类型。
因此多通道气体数据采集保证实时准确地获取与故障气体相关的气体浓度信息，以便于系统进一步对数据分析处理，实现变压器运行状态的实时监测。
2、气体含量信息的提取和数据分析
监测装置的硬件系统通过多通道可编程采样时间的A/D转换器实现。
不过对传感器信号进行预处理、气体含量数据完整真实的提取要求精密的跟随放大电路。
保证各种气体含量以及气体总烃含量信息的可靠性，然后进行数据分析，判断是否存在某单项指标过高或增长率过高等问题，从而为智能化的故障诊断提供依据[4]。
3、状态故障初步诊断与报警
通过以上环节的信息预处理和采集，通过对相关数据进行初步分析，判断电力变压器当前运行状态是否存在某些典型故障或者潜伏性故障，根据系统设定的规则和简单算法分析故障类型，并实现PIC单片机系统的报警提示，从而实现变压器运行状态在线实时监测与故障诊断[5]。
2.2系统方案框图设计
系统根据变压器状态在线监测与故障诊断的要求和功能，其工作原理总体上来说是:
系统通过实时数据采集模块，将多路气敏传感器、微水含检测器以及温度传感器的信息经预处理电路，进入A/D转换模块，变换成实时数字信号送给微处理器，然后进行数据初步判断和简单的电力变压故障诊断与预测算法处理，将处理结果根据需要在现场液晶显示屏上简要显示，以便现场信息获取和管理维护。
同时微处理器将采集时间日期信息、监测数据及预分析结果数据通过网络数据传输模块上传给上位机的远程监测和智能诊断统进行详细的记录分析和故障预测报警。
根据功能分析得到的系统总体设计框图如下图1所示。
图1变压器状态在线监测系统总体设计框图
由系统硬件总体结构可知，本课题所设计的电力变压器状态在线监测系统由多通道传感器数据采集、传感器信号预处理、在线调试、监测现场显示和报警以及与上位机监测系统的网络数据通讯等部分组成。
电源模块为微处理器以及硬件各模块提供所需的稳定电源，考虑到硬件系统各个模块要求电平种类差异，电源模块还需要保证各模块电源之间的兼容匹配；晶振电路为硬件系统提供实时时钟，本系统中包括给微处理器芯片和时间芯片提供时钟信号;复位电路完成系统的复位功能；EEPROM用于存放系统初始化信息、用户设定的现场监测参数以及异常情况下监测时间及关键检测数据的记录等系统掉电后需要保存的信息；接口可对芯片内部的所有寄存器进行访问，通过该接口可实现对微处理器的编程和在线调试。
3系统的硬件设计
3.1系统电源电路设计
在本电力变压器在线监测系统硬件电路中，PIC18F96J60要使用两组稳压直流电源，系统的I/O输入输出供电电源为5V，内核及片内外设供电电源为3.3V，所以系统设计为直流5V的应用系统。
F1为电流最大值为500mA的可恢复熔断器，避免系统因出现短路故障时造成器件过流损坏，该熔断器在断电后可恢复正常的通流和保护功能。
Dl、D2、D3、D4四个二极管组成全桥回路形式，保障P_CON外接电源在正接和反接情况下均能为系统提供正确的电源形式。
系统输入电源调压模块采用MC34063直流-直流变换器，该模块可以在3V-40V的输入电压下正常工作，保证了系统可以适应较宽的电压范围。
MC34063是一款单片双极型线性集成电路，片内含有温度补偿带隙基准源，占空比周期可调控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，通过降压变换电路并将电压调整到5V，为系统硬件电路板提供可靠的电源输出[6]。
系统电源电路如图2所示。
图2系统稳压5V电源电路
系统获得5V电压后，再使用低压差电源芯片稳压输出3.3V电压，该LDO芯片采用LM1117MPX-3.3芯片，其具有输出电流大、输出电压精度高以及稳性好等突出特点，为系统中的PIC18F96J60微处理器、EEPROM芯片、SRAM芯片以及时钟芯片供电。
系统3.3V电源电路如图3所示。
图3系统稳压3.3V电源电路
3.2单片机及晶振、实时时钟电路设计
基于PIC18系列单片机的嵌入式数字系统是一个可以选择定制的多功能系统尤其是PIC18系列单片机具有出色的计算性能、丰富的功能扩展能力以及低功耗高速高可靠性等特性，可以设计出完全符合变压器实时在线监测与故障诊断的硬件系统。
新型PIC18F系列单片机出现了集成网路通讯的功能，为监测系统实现网络化数据传输提供了便利条件。
硬件系统实现需要根据实时监测性能要求裁剪通用性功能并优化专用功能，降低硬件成本的同时提高系统稳定性，要能很好的满足整体系统的要求[7]。
基于PIC18系列单机的强大功能以及高品质配套组件，本系统选择PIC18F96J60微控制器作为系统的控制核心，其实物图如图4所示。
图4PIC18F96J60单片机
PIC18F96J60单片机具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能。
主要包含以下几项：
备用运行模式：
通过将Timer1或内部RC振荡器作为单片机时钟源，可使代码执行时的功耗降低大约90%。
多种空闲模式：
单片机还可工作在其CPU内核禁止而外设仍然工作的情况下。
处于这些状态时，功耗能降得更低，只有正常工作时的4%。
动态模式切换：
在器件工作期间可由用户代码调用功耗管理模式，允许用户将节能的理念融入到他们的应用软件设计中。
PIC18F96J60系列为应用程序代码提供了充足的空间——从64KB到128KB。
程序存储器的闪存单元经测评最多可承受100次擦写。
在不刷新的情况下，数据保存期保守地估计在20年以上。
PIC18F96J60系列还为动态应用程序数据提供了充足的空间——3808字节的数据RAM，其引脚示意图如图5所示。
图5PIC18F96J60引脚示意图
微处理器PIC18F96J60可以使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL（phaselockedloop）电路也可以调整系统时钟，可以使微处理系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。
倘若不使用片内PLL功能或使用ISP下载功能，则外部晶振频率范围可选为1MHz-30MHz之间，外部时钟频率范围是1MHz-50MHz;若使用了片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率范围是1OMHz-25MHz，外部时钟频率范围是10MHz-25MHZ。
本系统中，选择使用频率为25MHz的外部晶振，对于PIC18F96J60系列器件的振荡器和单片机时钟不同于标准PIC18F系列器件的选择。
该处理器新增的以太网模块需要一个稳定的25MHz的外部晶振输入。
电路如图6所示，由于PIC18F系列单片机OSC1和OSC2引脚之间内部集成了并联电阻RF，用户仅需要考虑外部晶振串接电容C8、C9电容值的问题。
电容值取值越大，振荡器的稳定性越高，但同时起振时间会变长，根据系统VDD和应用工况，选定电容值为33PF[8]。
图6外部晶振电路
系统采用DALLAS半导体公司生产的高精度实时时钟芯片DS1302，该芯片可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。
其内部带有用于临时存放数据的RAM寄存器，可以和微处理器采用串行同步通信方式也可以采用突发方式一次传送多个字节，同时采用主电源和后备电源双引脚连接，可以为后备电源进行涓细电流充电能力。
该芯片严格要求采用32.768KHz频率的晶振，频率误差会导致芯片工作时钟出现偏差，按手册要求选定并联电容值和连线方式[9]。
系统的实时时钟电路如图7所示。
图7实时时钟电路图
3.3串行通讯及存储电路设计
硬件系统中用到的串行端口通讯电路包括串行外围芯片接口（SPI）方式和通用同步/异步收发器（USART）模块。
该串行端口由单片机内部的主同步串行端口MSSP模块驱动，可以实现同时同步发送和接收8位数据，系统采用SPI工作方式和EEPROM和SRAM芯片进行同步串行通讯。
SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。
外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。
SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：
串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）[10]。
本硬件系统中存储系统用户设定参数、超标工况工作参数记录等采用Microchip公司生产的256K容量的SPI总线EEPROM芯片25AA256芯片存储。
其通讯连接设计如图8所示，由单片机通用I0产生E_CS1片选输入信号，SCK1引脚连接单片机MSSP模块的串行时钟引脚，串行数据由SDO1引脚送入到存储芯片中。
存储芯片信息反馈信号由SDI1脚接入到单片机。
图8SPI方式的EEPROM连接图
硬件系统单片机PIC18F96J60的TQFP封装元件提供两组同步/异步收发模块，由此硬件系统实现了两组不同的异步通信方式，包括全双工的RS232通讯和半双工的RS485通信方式。
RS232异步通讯方式电路主用于硬件系统通讯功能调试和硬件电路与通用计算机简单数据传递时使用，方便硬件系统的编程调试和维护。
RS485异步通讯方式电路设计如图9所示，RS485在RS422后推出，绝大部分继承了422，主要的差别是RS485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器（即接收器为1/32单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。
所以现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标：
RS422/485的，因为全双工RS485的驱动/接收器对一定可以用在RS422网络。
由于其采用平衡驱动器和差分接收器组合的方式，有较好的噪声干扰能力，已成为业界最经济有效的工业总线方式，本系统采用RS485通讯方式方便实现小规模变压器监测网络的建设，作为基于以太网通讯方式的有力补充[11]。
图9RS485串行通讯电路图
3.4信号采集电路设计
3.4.1传感器的选择
气体传感器在选型时要注意以下几个重要参数：
（1）稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本相应的稳定性，它由零点漂移和区间漂移来考察。
零点漂移是指在没有目标气体时在整个工作时间内传感器对基本线性条件的响应的变化，区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的响应变化，它表现为传感器输出在工作时间内的降低。
（2）灵敏度灵敏度是指传感器的输出增量与被测输入量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。
大多数气体传感器的设计原理都采用四种测定原理之一，即物理、电化学、生物化学、光学。
首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限值或最低爆炸限的百分比的检测要有足够的敏感性。
（3）选择性选择性也被称为交叉灵敏度。
它可以通过测量由某一浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定，这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。
这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高的选择性。
（4）抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高浓度目标气体中的能力。
在气体大量泄漏时，探测器应能够承受期望气体浓度的10-20倍，在返回正常工作条件时，传感器的漂移和零点校正值应尽可能小。
另外，从经济性考虑，传感器还应具备低成本、长寿命、易于标定和维护、无需复杂的外围设备、所产生的电子信号不需要由复杂的电子电路来处理等等。
在系统中，传感器技术是关键，对传感器指标要求有很高的灵敏度和选择性，而目前大多数气体传感器的交叉敏感现象很严重，因此，如何在保证传感器精度条件下，对每种气体有选择的敏感是传感器的选用中关键的环节。
在几种常见的气体传感器中，导热式传感器易维护，可长期稳定工作，缺点是灵敏度偏低，而且不能测量CO，难以满足需要。
接触燃烧式传感器线性度好，精度高，但燃烧反映需要氧气助燃。
半导体式传感器的交叉敏感现象较严重，选择性较差。
电化学式传感器的稳定性、灵敏度和选择性等指标基本满足本系统测量需要，因此本设计选择电化学式气体传感器进行气体检测。
3.4.2信号调理电路设计
硬件系统A/D模块按照可编程采样周期采集范围为VREF-VREF+间的电压，并将电压信号转换成相应的十位数字信号。
模拟参考电压的选择可由软件选择为器件正负电源电压或由RA3和RA2引脚间接入的电压确定。
硬件系统设计了对传感器信号进行模数转换前的调理电路。
对于电流传感器信号调理电路如图10所示，传感器信号首先经R24分压作用，在信号输入点转换成电压信号。
后经R23和C12组成的低通滤波回路，有效滤除由信号中混叠的高频噪声信号，后经高精度运算放大器LM358跟随放大，输出到单片机A/D接收引脚，即图中IN_TEMP信号[12]。
图10电流型传感器信号调理电路
对于电压型传感器信号调理电路如图11所示，接入的弱电压信号首先经过初级滤波送入远方同相输入端，即保证与反向输入端电阻构成跟随放大电路，同时可以满足线路高阻抗匹配特性，有效滤除电压噪声干扰。
传感器信号滤波调理模块和单片机的A/D采样模块共同完成了原始数据采集和数字滤波，是监测系统获取有用信息和正确开展分析诊断工作的基础。
图11电压型传感器信号调理电路
3.4.3A/D接口电路设计
本设计选用的ADC0809是美国国家半导体公司产品，它是逐次逼近型芯片，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR，控制与时序电路等。
ADC0809的内部逻辑结构图如图12所示。
图12ADC0809内部逻辑结构
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连[13]。
由于ADC0809输入端具有可控的三态输出门，所以它既能同微处理器直接相连，也能通过并行接口芯片同微处理器连接。
具体电路图如图13所示。
ADC0809内部带有输出锁存器，可以与单片机直接相连，初始化时，使ST和OE信号全为低电平，送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号，是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断，当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
图13ADC0809与MCU接线电路图
3.5液晶显示驱动和报警电路
监测系统硬件电路主要实现变压器机身现场运行状态的监测和故障初步诊断分析，虽然可以通过基于网络或工业级串行总线通讯方式由远程监测上位机对监测结果进行读取查询，在变压器机身附近也
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