基于AT89C51 的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)

賀興安，金 鑫，劉宇航，何麗娟

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，銀川 750000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電量需求也越來越多，用電負(fù)荷密度也隨之增加。變壓器的噪聲小[1]，重量較輕，并且具有較高的工作效率，被廣泛應(yīng)用于商場、企業(yè)和工廠等各個(gè)領(lǐng)域。變壓器作為較為重要的電氣設(shè)備之一[2-3]，作用于電壓的電能分配和傳輸，影響著整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。而變壓器運(yùn)行過熱時(shí)，會威脅整個(gè)電網(wǎng)安全，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的溫度并對溫度進(jìn)行控制具有重要意義[4]。

針對變壓器的溫度監(jiān)測和控制問題，很多相關(guān)專家和學(xué)者對此進(jìn)行了研究[5]，雖然已有多種解決方案[6]，但它們或多或少都存在一些局限性和不足。例如，一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本較高，計(jì)算復(fù)雜，或者監(jiān)測和控制效果不夠理想。因此，為了克服這些不足，需要進(jìn)一步研究和探索更加高效、準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測和控制方法。

單片機(jī)具有較高的穩(wěn)定性且成本低[7]，自動監(jiān)測和預(yù)警的能力較強(qiáng)。單片機(jī)通過監(jiān)測變壓器的溫度和參數(shù)信息，從而能夠自動控制變壓器的運(yùn)行參數(shù)，避免因變壓器過熱而損壞[8]。基于此優(yōu)勢，本文提出基于單片機(jī)的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，提升變壓器的工作效率和可靠性。

1 變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)

1.1 AT89C51 單片機(jī)

本文系統(tǒng)采用AT89C51 單片機(jī)作為變壓器的控制核心，當(dāng)空閑模式時(shí)，CPU 將暫停運(yùn)行，RAM 定時(shí)器、串行口和外中斷能夠正常運(yùn)行，當(dāng)?shù)綦娔Ｊ綍r(shí)，將凍結(jié)振蕩器，儲存RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)，暫停AT89C51 單片機(jī)的其他功能，直到外中斷被激活。P0～P3 均為I/O 接口，用于數(shù)據(jù)、信號和電路的保護(hù)與轉(zhuǎn)換，使得單片機(jī)能夠與外部設(shè)備進(jìn)行良好的交互和通信。并且AT89C51 單片機(jī)的成本較低，具有較高的穩(wěn)定性。AT89C51 單片機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在基于單片機(jī)的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)中[9]，時(shí)鐘是AT89C51 單片機(jī)中各個(gè)硬件的運(yùn)行信號，影響AT89C51 單片機(jī)的運(yùn)行速率和穩(wěn)定性。在AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部存在一個(gè)高增益反相放大器，設(shè)計(jì)引腳輸入端和輸出端分別為A1和A2。將A1 和A2 分別接入不同的接入口，具有實(shí)現(xiàn)振蕩的作用。AT89C51 單片機(jī)的初始化為復(fù)位操作，通過將單片機(jī)的復(fù)位引腳RST 添加24 個(gè)時(shí)鐘振蕩的高電平便可完成復(fù)位。外部復(fù)位電路在電容上添加RST 引腳較短的高電平，使該信號依據(jù)VCC對電容在充電時(shí)的慢慢回落為上電復(fù)位。因?yàn)殡娙莸某潆姇r(shí)長決定了RST 引腳的高電平時(shí)長，所以EST引腳應(yīng)具有足夠時(shí)間的高電平，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的穩(wěn)定復(fù)位。

1.2 溫度傳感器

在變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)中[10]，DHT11是一種新型的數(shù)字型溫度傳感器，能夠采集變壓器的溫度數(shù)據(jù)，DHT11 溫度傳感器結(jié)合了數(shù)字模塊采集和溫度傳感器技術(shù)，可以與單片機(jī)簡單靈活地進(jìn)行連接。DHT11 溫度傳感器具有采集數(shù)據(jù)誤差小、速度快、穩(wěn)定性較高等特點(diǎn)，非常適用于變壓器的溫度采集。DHT11 溫度傳感器采用單排引腳連接的封裝方式，操作便捷，DHT11 溫度傳感器的溫度采集流程如圖2 所示。將溫度傳感器和單片機(jī)之間添加一個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換芯片，使得到的溫度信號符合變壓器的實(shí)際需求。AD0804 芯片是由1 個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器和1 個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成的8 位逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度較快、分辨能力較強(qiáng)、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于變壓器與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)上。

圖2 DHT11 溫度傳感器的溫度采集流程Fig.2 Temperature acquisition flow chart of DHT11 temperature sensor

1.3 液晶顯示和報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

變壓器的溫度顯示采用工業(yè)字符型液晶，該顯示液晶可以在同一時(shí)刻顯示出32 個(gè)字符，并且它的功率消耗較小，使用便捷，對變壓器的溫度顯示非常豐富。同時(shí)，為了保證變壓器的溫度不會過高，通過冷卻風(fēng)扇無法使變壓器的溫度降到理想溫度時(shí)，應(yīng)添加聲光報(bào)警器，以紅綠LED 燈和蜂鳴器作為報(bào)警提示，該聲光報(bào)警通過單片機(jī)控制，當(dāng)變壓器溫度處于正常溫度時(shí)，聲光報(bào)警會一直顯示綠燈，沒有蜂鳴器報(bào)警提示；當(dāng)溫度過高時(shí)，將啟動紅燈和蜂鳴器同時(shí)報(bào)警，需通過人工按復(fù)位鍵后才能取消。變壓器的聲光報(bào)警電路如圖3 所示。

圖3 聲光報(bào)警電路Fig.3 Sound and light alarm circuit

1.4 基于模糊PID 的變壓器溫度控制

由于變壓器的溫度控制系統(tǒng)具有大慣性、非線性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)PID 控制方法控制變壓器的溫度能力較差，因此，采用模糊PID 進(jìn)行變壓器溫度控制，設(shè)置變壓器的溫度閾值r（x），結(jié)合采集到的實(shí)際變壓器溫度，求出變壓器的溫度變化率eb（x）以及溫度誤差e（x），作為模糊PID 控制器的輸入，通過模糊和解模糊操作后，輸出PID 參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，作用于PID 控制器得到輸出控制量w（x），再根據(jù)控制量控制變壓器溫度，基于模糊PID 的變壓器溫度控制結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 模糊PID 控制器架構(gòu)Fig.4 Architecture of fuzzy PID controller

模糊PID 控制器的數(shù)學(xué)公式表達(dá)為

式中：Kp表示比例控制系數(shù)；Ki表示積分控制系數(shù)；Kd表示微分控制系數(shù)；w（x）作為模糊PID 控制器輸出的控制量，將其作用于變壓器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

模糊PID 控制變壓器修正參數(shù)原理如下：

通過PID 模糊推理，調(diào)整參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd，自動化控制變壓器的溫度。獲取模糊PID 參數(shù)修正結(jié)果為

設(shè)置變壓器的溫度精度量為ri，對其進(jìn)行模糊處理，模糊區(qū)間為（α，β），獲取模糊處理后的控制結(jié)果，通過設(shè)置論域和模糊規(guī)則ΔKp、ΔKi、ΔKd進(jìn)行重復(fù)推理，獲取變壓器的溫度控制量，完成變壓器的溫度自動控制。

1.5 變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)工作原理

基于AT89C51 單片機(jī)的變壓器自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)可增強(qiáng)變壓器的溫度自動監(jiān)測和控制能力，創(chuàng)造良好的電網(wǎng)環(huán)境，其工作原理如圖5 所示。變壓器自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)由溫度傳感器、AT89C51 單片機(jī)、模糊PID 控制器、報(bào)警模塊等組成，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)置一個(gè)變壓器的溫度閾值，再進(jìn)行自動監(jiān)測變壓器的溫度變化并通過反饋后進(jìn)行溫度控制。

圖5 變壓器自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of transformer automatic monitoring and control system

2 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的可行性，以某市電網(wǎng)公司的配電變壓器為實(shí)驗(yàn)對象，對本文提出的基于單片機(jī)的變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)進(jìn)行有效性和穩(wěn)定性的驗(yàn)證。將DHT11 溫度傳感器安裝在變壓器內(nèi)部，將AT89C51 單片機(jī)安裝在變壓器上，通過導(dǎo)線連接各個(gè)元件，安裝完成后插上電源，對配電變壓器溫度參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行監(jiān)測測試，監(jiān)測時(shí)間間隔為5 min，記錄變壓器溫度數(shù)據(jù)，得到的變壓器的溫度監(jiān)測結(jié)果如表1 所示。由表1 中的變壓器的溫度監(jiān)測結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測到變壓器的實(shí)時(shí)溫度，且監(jiān)測到的變壓器溫度值與變壓器的實(shí)際溫度值非常接近，滿足變壓器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的要求，說明本文系統(tǒng)的變壓器溫度監(jiān)測能力較強(qiáng)，具有一定的可行性。

表1 變壓器的溫度監(jiān)測結(jié)果Tab.1 Temperature monitoring results of transformer

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)對變壓器溫度控制的有效性，考慮變壓器的實(shí)際環(huán)境，設(shè)置變壓器的溫度閾值為50℃，同時(shí)確保各電器元件連接的可靠性，使其滿足變壓器的實(shí)際需求。基于每隔5 min 的變壓器溫度采集基礎(chǔ)上，通過XilinxML605 的FPGA 開發(fā)平臺展示本文系統(tǒng)的變壓器溫度控制結(jié)果，如圖6所示。由展示平臺的配電網(wǎng)變壓器溫度結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器溫度的同時(shí)，能夠及時(shí)地控制變壓器的溫度。在9:45 時(shí)，變壓器的溫度為48.1℃，溫度較高，通過本文系統(tǒng)進(jìn)行控制后，在10:20 時(shí)，變壓器溫度降至37.2℃，由于變壓器的溫度沒有超過50℃，本文系統(tǒng)的LED 燈始終顯示為綠燈。

圖6 本文系統(tǒng)的變壓器溫度控制結(jié)果Fig.6 Temperature control results of the transformer system in this article

驗(yàn)證本文系統(tǒng)對變壓器溫度的感應(yīng)靈敏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由表2 能夠看出，通過對變壓器進(jìn)行7 次溫度感應(yīng)靈敏度測試，本文系統(tǒng)對變壓器溫度的感應(yīng)靈敏度一直在5000 mA 附近上下浮動，說明本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測到變壓器的溫度，具有較高的可靠性。

表2 變壓器感應(yīng)靈敏度測試結(jié)果Tab.2 Results of transformer induction sensitivity test

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的變壓器溫度自動控制的有效性，采用本文系統(tǒng)對變壓器進(jìn)行降溫控制，設(shè)置驗(yàn)證變壓器溫度從43℃開始降溫至20℃時(shí)的所用時(shí)間，驗(yàn)證結(jié)果如圖7 所示。在獲取的變壓器降溫-時(shí)間控制曲線中能夠看出，隨著時(shí)間的增長，本文系統(tǒng)使變壓器溫度降為20℃時(shí)，僅僅用時(shí)20 min，說明本文系統(tǒng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，能夠提升變壓器的溫度控制效率。

圖7 變壓器溫度控制效果Fig.7 Temperature control effect of transformer

3 結(jié)語

考慮到變壓器的需求量較大，為了營造良好的電網(wǎng)環(huán)境，本文結(jié)合溫度傳感器和單片機(jī)等設(shè)計(jì)了變壓器溫度自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于某電網(wǎng)公司中進(jìn)行測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了本文系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測變壓器的溫度，對變壓器的感應(yīng)靈敏度較高，具有較高的可行性和可靠性，并且在對變壓器進(jìn)行監(jiān)測的同時(shí)，通過本文系統(tǒng)進(jìn)行變壓器的溫度控制，能夠有效縮短變壓器的降溫時(shí)間，提升降溫效率。