1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电气工程及自动化 电力变压器实时监测系统设计 摘要： 随着城市现代化的发展，国民经济建设迅猛增长，电力工业的规模也日益壮大起来，这对运行中的电力变压器出现异常状况的监视和诊断的在线监测系统提出了相应的要求。采用电力变压器油中溶解气体在线监测装置，可以在电力变压器内部出现故障时，能快速反映内部气体变化。本文较为详细地介绍了关于电力变压器油中溶解气体的特征、在线监测的原理及特点，电力变压器油中溶解气体在线监测系统设计， 电力变压器监控制系统硬件电路设计及总电路设计，电力变压器实时监测系 统软件流程图等。 关键词： 电力变压器；溶解气体；在线监测；高压电气设备
2、 1、引言 随着社会国民经济建设迅速发展及电力工业的规模壮大，为了满足生产和生活的需求，电力系统向高电压、大容量、互联网发展，对电力系统的安全性指标的要求也越来越高。从90 年代开始，出现以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统，这种监测系统可以实时连续的监测各被测量，监测内容丰富，信息量大，处理速度快，对监测结果可显示、存储、打印、报警。 因此，实现在线监测系统的自动化，代表了当今在线监测的发展方向 1。 本文的内容是设计一个 电力变压器油中溶解气体在线监测系统。 2、电力变压器油中溶解气体在线监测 2.1 电力变压器 电力变压器是电力系统里及其重要的设备，担负着传输电能的职责
3、。电力变压器能将交流电压按照要求转化成人们生产、生活所需的电压。额定容量是表征传输电能的大小，它能够表现功率，当额定电压通过电力变压器时，温升限值的额定电流即可根据额定电容来确定6。 2.2 电力变压器油中溶解气体的特征 正常情况下充油电气设备内绝缘油及绝缘材料投入运行后，随着运行时间的增加，在热和电的作用下，会逐渐老化和分解，产生 H2（ 氢）、 CO（一氧化碳）、 CH4（甲烷）、 C2H6（乙烷）、 C2H4（乙烯）、 C2H2（乙炔）等用以判断设备故障的气体。因此分析溶解油中气体成2 分，将可以尽早察觉到潜伏鼓掌，高效的查出故障发展情况 5。 2.3 电力变压器油中溶解气体在线监测的原
4、理概述 电力变压器早期故障的特征气体（ H2、 CO），在不气体压力作用下透过选择性气体渗透膜进入电化学气体检测器内，与空气中 O2 反映产生一个电信号 。 3、电力变压器油中溶解气体在线监测系统设计 3.1 电力变压器油中溶解气体在线监测系统概述 电力变 压器油中溶解气体在线监测系统由电力变压器、油气分离单元、 H201R 传感器、单片机、以太网控制芯片、服务器六个部分组成。电力变压器油中溶解气体经过可选择性的渗透膜（油气分离单元）进入电化学气体检测器（ H201R 传感器）。在检测器里， H2 和 CO两种特征气体与空气中的氧气发生化学反应产生电信号，将产生的电信号传入 PIC16F877
5、单片机中，经单片机处理传入以太网 ENC28J60 控制芯片中，最后将监测到的数据用以太网通信方式传入服务器中 789。 3.2 监测系统使用的气体传感器 H201R 简介 HYDRAN 201R 是加拿大一公司生产在线式电力变压器早期故障监测装置，其原理是：H201R 仪器分电子箱和传感器， H201R 的传感器直接安装在变压器阀门上，利用高分子膜的选择透过性，与传感器内部的燃料电池发生反应，通过反应产生电信号，电信号放大后显示在电子箱显示屏上，根据燃料电池对不同气体的敏感程序及高分子膜的选择性，显示屏显示读数值 C。 3.3 PIC16F877 单片机 PIC16F877 具有 Flash
6、 program 程序内存功能，属于 PICmicro 系列单片微机，是由Microchip 公司所生 产开发的新产品，并且能将程序重复烧录，常被用于新产品的开放；而其内建 ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，观看缓存器内容，进行如暂停微处理器等，能够让编程者可以尽快对程序进行编写、开发。 3.4 PIC16F877 单片机的外围电路设计 3.4.1 时钟电路设计 PIC16F877 单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，单片机工作时是逐条从ROM 中读取指令，然后逐条执行指令。单片机访问一次存储器的时间为一个机器周期。单片机就是在时钟
7、的控制 下有条不絮地读取指令然后执行，如此重复。 3 3.4.2 复位电路设计 单片机在工作之前都要进行复位，如图 3-4 是 PIC16F877 单片机的综合复位电路，该复位电路不仅可以在上电时自动复位，还可以在程序运行中通过按键产生的正脉冲进行手动复位。 PIC16F877 的工作电压为 5V，连接 Pin11与 Pin32， Pin12与 Pin31 为地线接脚；复位电路连接 Pin1，按下 Reset 后，内部指令重头开始执行，系统重新运作 12。 3.5 电力变压器监控制系统硬件电路设计 H201R 传感器接于 PIC16F877 单片机引脚 Pin2 (RA0/AN0)，油中溶解气
8、体与空气中氧气反应产生的电信号，通过 I/O口 Pin2 (RA0/AN0) 模拟量输入引脚输入 PIC16F877 单片机。单片机将采集到的数据处理后，如果信号超出设定的阀值，通过 I/O 口 Pin19 (RD0/PSP0)引脚连接的 LED 管进行报警。 3.6 电力变压器远程监控制模块 ENC28J60 是美国微芯科技公司推出的 28 引脚独立以太网控制器，。一些器件，比如像DM9008、 RTL8019、 LAN91C111 等不仅体积庞大，结构复杂，并且价格 也是比较昂贵的。而市场上符合 IEEE 802.3 协议的 ENC28J60 只有 28 引脚，它的好处是简单原有的设计，在
9、空间上减轻负担，又多了相应的功能。 SPI 接口使小型单片机也有了网络连接的功能，综合来看，操作简单便捷 13。 3.7 电力变压器监控系统总电路设计简介 利用 ENC28J60 可以构成不同功能的网络终端节点，如网络服务器、远程监控设备等。图 3-8 所示为基于 ENC28J60 的嵌入式网络接口的系统总电路原理图。电路中有：网络连接状态的显示主要通过 2 个 LED 灯，还囊括了是否进行数据接收、连接是否建 立、连接速度如何、双工模式等等；高速局域网电磁隔离模块， ENC28I60 的物理端口和 HR901170A 隔离电力变压器的连接有没有符合 IEEE802.3 的要求；偏值电阻 R3
10、 的必需性。例如 RJ45 的插孔与隔离电力变压器之间的间隔应尽量缩小，输入和输出差分信号对的走线要有较好的隔离。本设计中 PIC16F877 的 SPI 配置为主机模式，以太网芯片 ENC28J60 为从设备。根据 ENC28J60的 SPI 读写时序， PIC16F877的 SPI 工作模式应设置为模式 0。 PIC16F877 通过将 ENC28J60的 CS 引脚设置为低实 现与其的同步。 4、软件设计 4.1 PIC 单片机开发的环境 MPLAB IDE v7.51 是美国微芯片 (Microchip)公司的单片机集成开发环境的应用软件 .综4 合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用
11、于使用 Microchip 的 PICmicro 系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。 MPLAB IDE 是适用于 PICmicro 系列单片机和 dsPICTM 数字信号控制器，基于 Windows 操作系统的集成开发环境。 4.2电力变压器实时监测系统软件流程图 本系统的软件流程图如图 4-2 所示。首先 PIC16F877 单片机 SPI 初始化；通过 SPI 接口以太网芯片 ENCJ60 初始化；设置端口 PORTD 为输出； ADC 模块的中断标志位清 0；选择 RA0为模拟输入通道；设置 ADC 模块的参考电压；设置 ADC 模块的工作时钟；调用 ADC 模块的转换子程序；调用判
12、断子程序；调用延时子程序；通过 SPI 向以太网芯片 ENC28J60 发送数据。5、结论 开发高压电气设备在线监测系统是一门跨学科的课题，它涉及电子电路学、 PIC 单片机、以太网控制器等多个领域。 从电力变压器在我国变电站中的使用方 式和特点出发，根据供电部门的要求和实际生产生活用电水平和现状，给出了一种比较适合我国国情的在线监测结构，以及在此基础上实现的电力变压器油中溶解气体实时在线监测系统。 参考文献 1 庄兴元 .电 力 设 备在 线 监 测技 术 现 状及 实 际 开发 应 用 前景 J.电 工技 术 杂志 ,2003,15(3):19 23. 2 郭碧红 ,杨晓洪 .我国电力设备
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