一種智能化變壓器油位計的設計

張琦

【摘 要】智能化油位計能夠做到變壓器油位測量的數(shù)字化，變壓器油位報警判斷的智能化和對變壓器油位進行精確測量，從而對轄區(qū)內(nèi)運行中的電力系統(tǒng)主變壓器油位進行實時、準確、可靠的檢測和預警，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全和可靠運行。

【Abstract】The intelligent oil level meter can realize digital measurement of transformer oil level， the judgment of intelligent alarm and the accurate measurement of transformer oil level make the oil level meter detect and alarm in real-time， accurately and reliably in power system under its jurisdiction， to ensure the stable， safe and reliable operation of power grid

【關鍵詞】油位計；智能化；變壓器

【Keywords】oil level meter； intelligent； transformer

【中圖分類號】TB472 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0175-02

1 引言

電力系統(tǒng)主變壓器油位計是用于指示主變壓器儲油柜中油量的儀表，目前，電力系統(tǒng)中的主變壓器油位計普遍采用機械式儀表，機械式油位計存在不便于精確測量、輸出為非電量信號、線性度較差等缺陷，不能夠滿足電力系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化和信息化的方向發(fā)展。變壓器智能化油位計是在主變壓器儲油柜的出油口安裝精確度較高的壓電傳感器，將油位高度壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集處理終端對電信號進行高精度數(shù)字化處理，進行實時的智能化分析，做出高油位和低油位的判斷，并將結果進行本地顯示和遠程傳輸[1]。

2 系統(tǒng)結構設計原理

變壓器智能化油位計作為嵌入式控制系統(tǒng)，其結構分為硬件和軟件兩部分，系統(tǒng)結構采用模塊化設計思想。

2.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件由微控制器及其最小系統(tǒng)模塊、液位傳感檢測模塊、電流/電壓轉(zhuǎn)換模塊、報警輸出模塊、LCD顯示模塊和系統(tǒng)電源模塊構成，系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號數(shù)字濾波模塊、油位信息分析模塊、油位報警判斷及輸出模塊和油位信息及報警狀態(tài)顯示模塊，系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 微控制器

油位計應遵循體積小、功耗低、可靠性高和性能高的特點。而C8051F350微控制器是美國Silicon Laboratories 公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級微控制器，因此，C8051F350微控制器是本設計的最佳選擇。

3.2 電流電壓轉(zhuǎn)換模塊

采用陶瓷式壓電傳感器，為了提高油位計對主變壓器周圍的強電磁干擾，因此陶瓷式壓電傳感器的輸出選用標準電流模式為4～20mA。C8051F350微控制器的工作電壓范圍為2.7～3.6V，內(nèi)部集成的24位A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓需要外部提供，因此參考電壓選用具有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源TL431[2]。

3.3 報警輸出模塊

驅(qū)動采用低壓驅(qū)動N溝道增強型MOSFET AO 3400A，AO 3400A在抵達2.5V的門極驅(qū)動電壓下，導通電阻僅有48mΩ，最大電流可達4.7A，封裝為SOT-23貼片封裝，由其構成的驅(qū)動器性能遠非其他驅(qū)動電路所能比擬。這樣可以使用C8051F350微控制器的I/O口直接驅(qū)動AO 3400A，既簡化了驅(qū)動電路的設計，又提高了其抗干擾能力。為了使報警信息明確，故分別用兩組繼電器，每組各兩路I/O口作為超高報警和超低報警。

3.4 信息顯示模塊

油位計顯示內(nèi)容包括油位比值信息和油位狀態(tài)信息，為了便于用戶使用采用中文顯示，同時為了節(jié)省I/O口資源，故顯示器采用具有串行通信接口，集成中文字庫，顯示內(nèi)容為16字符×2行，白底黑字，帶背光的LCD12232ZA液晶顯示器。

3.5 系統(tǒng)電源模塊

油位計電源部分需要為陶瓷式壓電傳感器、液晶顯示器和報警輸出繼電器以及C8051F350微控制器供電，變壓器輸出的交流電壓經(jīng)整流后要大于12V，因此，T1選用輸入220V、輸出12V的10W變壓器，經(jīng)全橋整流后的輸出電壓為12×1.414-1×2≈15V。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)初始化模塊

本系統(tǒng)的微控制器初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、I/O口初始化和A/D轉(zhuǎn)換器初始化。系統(tǒng)時鐘初始化是實現(xiàn)內(nèi)部時鐘源的選用配置、時鐘頻率的PLL值配置，進行振蕩器穩(wěn)定工作的判斷工作。I/O口初始化實現(xiàn)將P1口配置為推挽輸出。A/D轉(zhuǎn)換器初始化實現(xiàn)ADC外部參考電壓源的選擇配置、可編程增益放大器放大倍數(shù)的配置、輸入緩沖器的配置、調(diào)制器時鐘的配置、差分輸入的配置和啟動ADC。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

C8051F350微控制器內(nèi)部集成的高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器使用時必須按要求的順序和程序進行。A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取過程是：啟動A/D轉(zhuǎn)換后，等待A/D轉(zhuǎn)換完成，當A/D轉(zhuǎn)換完成后，依次讀取A/D轉(zhuǎn)換完成后的最高八位、中間八位和最低八位轉(zhuǎn)換結果數(shù)據(jù)，最后，將其轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。

4.3 信號數(shù)字濾波模塊

由于油位計的工作環(huán)境惡劣，電磁干擾嚴重，再加之ADC轉(zhuǎn)換器的精度非常高，這些因素都導致了每次A/D轉(zhuǎn)換的結果有一定的差異。為了使A/D轉(zhuǎn)換結果既具有高的精度又具有一定的穩(wěn)定性，在此采用取中間值平均法進行數(shù)字濾波方法，經(jīng)實驗檢驗，其效果超過預期。

4.4 油位信息分析模塊

油位信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和信號數(shù)字濾波后的數(shù)值并不是油位的具體數(shù)據(jù)，油位值還需要根據(jù)陶瓷式壓電傳感器的零位數(shù)值、A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓、零油位值對應的數(shù)值進行計算和校正。

4.5 油位報警判斷模塊

油位計的油位報警功能是其非常重要的功能之一，當油位計的油位高度值確定后，為了與傳統(tǒng)的機械式油位計的指示兼容，還需要將其轉(zhuǎn)換成相對高度值，這樣也便于進行異常液位報警判斷。

4.6 油位信息與報警狀態(tài)顯示模塊

傳統(tǒng)的機械式油位計信息通常位于主變壓器的儲油柜上，對其進行夜間觀察難度較大和精準度也較低。為了克服傳統(tǒng)的機械式油位計的缺點，本油位計的顯示采用顯示信息量豐富且便于觀察的LCD液晶顯示器進行顯示[3]。

5 結語

變壓器智能化油位計可以實現(xiàn)對油位進行高精度測量（測量精度可達0.31215um），并進行信號數(shù)字濾波以確保所測量油位值的穩(wěn)定性，油位報警既可以進行超高狀態(tài)報警也可以進行超低狀態(tài)報警，采用LCD液晶中文信息顯示，便于用戶讀取當前的液位信息和狀態(tài)。本變壓器智能化油位計具有測量精度高，超高狀態(tài)報警和超低狀態(tài)報警，便于讀取當前液位信息和狀態(tài)的優(yōu)點。

【參考文獻】

【1】席風沛.磁力式油位計常見故障及處理[J].變壓器，2015，52（07）：46-47.

【2】張霽月.主變壓器油位非故障異常原因分析及策略[J].安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報，2013，18（03）：24-27.

【3】吳必瑞，謝善娟.一種變壓器溫度的無線檢測系統(tǒng)設計[J].電氣技術，2015，10（11）：61-63+72.