基于C8051F041的電力變壓器非電量保護裝置

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，還是可能發生箱內故障、箱外故障及出現不正常工作狀態。其中，箱內故障是非常危險的，因為短路電流產生的電弧不僅會破壞繞組絕緣，燒壞鐵芯，還可能使絕緣材料和變壓器油受熱而產生大量氣體，引起變壓器油箱爆炸。一旦發生故障，將給電力系統的運行帶來嚴重的后果。

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(如瓦斯、溫度等)直接進入保護裝置重動后發信及跳閘。

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。其優點是功能相對集中，全數字通信，只需要使用一個單片機就可實現所有功能，大大節省了成本和空間。

需要實現的功能：以一片單片機為控制核心，實現高速計算和控制；實現對主變壓器的溫度監測和報警；實現對調壓檔位的監測和報警；實現對瓦斯信號的監測和報警；具有中文液晶顯示和鍵盤輸入，在中文環境下輸入參數，數據也可以在中文環境下顯示，顯示風格人性化；具有RS-485總線通信接口和CAN總線通信接口；具有簡單的狀態信號輸出；具有繼電器輸出功能。

根據方案所需要實現的功能，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，可分為幾個小模塊進行設計；中間是信號處理部分，為C8051F041最小系統；右邊為信號輸出部分，可分為幾個小模塊進行設計。

鍵盤輸入和液晶顯示模塊又稱為人機接口模塊，主要負責參數的輸入和狀態的顯示，這里采用的是2×2的小鍵盤輸入和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關量都是對繼電器的狀態進行檢測。因此，直接用光耦對繼電器信號進行采集和隔離，采集進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通信線路經過SN75HVD10D后直接進入單片機，造成程序跑飛。同樣，在CAN總線通信器件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。考慮到篇幅的原因，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。

3.1 CPU模塊

微程序控制器(MCU)采用Silabs公司的SoC(System on Chip，片上系統)CAN混合信號型MCU，它具有一系列的特點：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3.3 V電壓，并且接地點與模擬地AG-ND相連，AGND與數字地DGND和通信地CGND等通過單點跟系統外殼共地，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。