基于ARM核心處理器的電力變壓器風冷控制裝置

南 貌

(寶雞職業技術學院 機電信息學院，陜西 寶雞 721013)

隨著我國工業化、城鎮化建設的不斷發展，電網建設規模不斷擴大，電力設施的維護工作日益繁重。變壓器是電力系統的核心組成部分，無論處于用電高峰還是空載狀態都存在不同程度的電熱轉換[1-2]。因此，大型變壓器通常需要設置一個專門的風冷裝置進行降溫，而傳統風冷設備的控制電路普遍存在電路組成復雜、機械接點多、誤動作故障率高等方面的問題，需要通過更加精密的嵌入式集成電路對風冷裝置實施自動化控制，確保變壓器能夠在常溫狀態下穩定運行[3-4]。

1 電力變壓器風冷控制裝置總體硬件設計方案

本次研究所設計的電力變壓器風冷控制裝置主要負責在線監測變壓器的運行溫度，監測參數包括變壓器底層油溫、變壓器頂層油溫、環境溫度、繞組溫度、變壓器閥側套管電流、變壓器風機啟停狀態信號、有載分接開關檔位等，并分析計算監測結果，智能控制冷卻器啟停，總體硬件結構如圖1所示。

圖1 電力變壓器風冷控制裝置總體硬件結構

電力變壓器風冷控制裝置的核心單元為ARM核心處理器，該芯片在系統運行速度和綜合控制能力方面具有明顯優勢。冷卻器油泵/風機啟停狀態信號、油溫信號、環境信號、繞組溫度信號屬于開關量信號，需要通過光耦隔離電路進行處理后再發送至ARM處理器。控制電路基于事先設定好的溫度控制策略對橫向比繞組溫度及油面溫度的計算結果，并將溫度最高項作設定為風機啟停參數并對風機實施啟停操作。RS485通信模塊以固定通信的方式將系統所采集到的數據發送給監控中心。看門狗負責在系統硬件出現問題的情況下進行硬件復位操作，觸摸屏和鍵盤電路負責實現管理者與裝置之間的信息交互，電源電路負責為其他電路提供運行電壓。

2 核心元件選型

2.1 核心處理器

電力變壓器風冷控制裝置所采用的CPU核心處理單元為基于Cortex-M3內核的LPC1768型ARM芯片，該元件是一款由恩智浦NXP公司推出的低功耗、高集成微控制器。該元件最高運行頻率可達100 MHz，具有哈佛結構、3級流水線以及512 KB的flash存儲器，提供支持USB功能和以太網MAC的主機/從機/OTG接口，性能強大，且后續升級十分方便[5-6]。

2.2 溫度采集模塊

本次研究所設計的風冷控制裝置采用DS18B20溫度傳感來采集電力變壓器溫度，該元件支持二線制4～20 mA輸出與DC12～40 V供電，只需要一線數據線即可實現該元件與PLC之間的數據傳輸，溫度監測范圍為-40～80 ℃[7-8]。

2.3 A/D轉換模塊

利用油面溫度計將變壓器油面溫度轉換為4～20 mA電流信號，系統會根據電流大小來計算油面溫度值，進而獲取油面溫度，信號采集電路如圖2所示，繞組溫度的采集方法與油面溫度相同。本次研究所采用的AD采樣芯片為ADI公司的AD7193芯片，該元件工作電壓3～5.25 V，增益漂移為±1×10-6nV/℃，失調漂移為±5 nV/℃，噪聲干擾極低，十分適用于高精度的溫度信號轉換[9-10]。

圖2 信號采集電路

3 電力變壓器風冷控制裝置的軟件設計

3.1 主流程設計

首先對各硬件模塊實施初始化處理，設定全局參數和初始標志量。在此基礎上，接收來自上位機的數據，根據控制指令和設備參數值選擇控制程序。在完成溫度數據采集工作后判斷是否開啟風機，在需要開啟風機的情況下執行動作風機子程序，將風機動作情況、溫度數值等數據發送至上位機并加以顯示，相應的主程序流程如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

3.2 數據采集模塊流程設計

首先對LPC1768微控制器的A/D端口外設實施初始化處理，開啟定時器，將溫度傳感器所采集到的溫度模擬信號發送給A/D 模數信號采集芯片，微控制器會自動讀取經過模擬量轉換的溫度值數據并計算出電力變壓器當前的實際溫度，最后通過RS485通訊模塊將計算結果發送給上位機并加以顯示，具體流程如圖4所示。

圖4 數據采集流程圖

3.3 溫度采樣流程設計

變壓器油溫是電力變壓器風冷控制裝置對風機實施啟停操作的核心指標，在變壓器頂層高于程序設定上限的情況下，系統會選擇長時間未啟動的風機并將其開啟。在測溫下降低程序設定下限的情況下，系統會選擇運行時間最長的風機并將其關停，具體流程如圖5所示。

圖5 溫度采樣流程

3.4 上位機軟件設計

本次研究所設計的電力變壓器風冷控制裝置基于Microsoft Visual Studio 2019實施上位機軟件開發，該開發環境支持C#語言桌面程序設計，該語言能夠.NET自帶的SerialPort串口控件，進而實現計算機內部串口的硬件設備的直接驅動。系統數據庫為SQL server 2019，該數據庫能夠與基于Visual Studio開發的應用軟件和Microsoft.NET進行數據交互，可以用來建立在線監測系統的數據文件并制作相應的數據報表。電力變壓器風冷控制裝置的上位機程序控制界面如圖6所示。

圖6 控制程序界面

4 系統測試

通過本次研究所設計的風冷控制裝置對熱點繞組溫度、油面溫度實施實時監測。在風機啟動方面，當熱點溫度達到45～55 ℃時啟動一組風機；當熱點溫度達到55～65 ℃時啟動兩組風機；當熱點溫度達到65～75 ℃時啟動三組風機；當熱點溫度達到75 ℃以上時啟動四組風機。在風機關停方面，在一組風機正常運行的情況下，當熱點溫度低于40 ℃時，關閉該組風機；在兩組風機正常運行的情況下，當熱點溫度低于50 ℃時，關閉其中一組風機；在三組風機正常運行的情況下，當熱點溫度低于60 ℃時，關閉其中一組風機；在四組風機正常運行的情況下，當熱點溫度低于70 ℃時，關閉其中一組風機。運行時間少和啟動次數少的風機優先啟動，運行時間多和啟動次數多的風機優先關閉。啟動測試平臺并持續運行1 h，記錄熱點溫度變化情況，記錄結果如圖7所示。

5 結 論

經實驗研究發現，本次研究所設計的電力變壓器風冷控制裝置能夠對熱點溫度實施精準監控，風機啟停狀況與預先編制好的運行流程相一致，能夠持續保證熱點溫度穩定。