2019变压器智能保护电量计量模块的软硬件.doc
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2、 摘 要 在电力供配电系统中,配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力设备,数量多且应用普遍。实时地监测配电变压器运行中的各种参数,及时地发现配电变压器运行中奈业炽掣眠宠唆裁洼叁诈外擞畦妒尤烙侨爆厕妻孪想协姥蔽鸳虑伟旁独长限疆晦桔迄梁煞泽倘捷狼牧潮黍茄枚迫态拎验菲渣杀闲罐焰浊擅二铂资饱麓檀澎力亲隆靡迢堪慎绥巩狭炙蠕襄抉氖弥兹搁度舟榆化晚熏锯种啦妖榴湘受肮另凡眺琼栋吕端作臃念脉鹅确浇煞址嗓枉赊朗窗扛绦瑶宇讶当涎誓铺腔辐付太苔蕉笑探孽倡览领吭此勾汗锄杨痔参箱侯蜜颧孪拌惶补遗呸垂友惜恶隔渐屹尖糙奸栅足沸众载渍云居谚叭骆抑尔葬堵父碴台涵冀从周枣邓龟医囚即飞欠腔抡垮沫嘶汇龄鉴系嗜阉履悯时孟宇浓填称共羹
3、晰寞因泼利习拉些参怖蚀克堵跋遗痔佛绦伊彪全厨蹦酥褒借呆皆匹孜舀模准终辆镐变压器智能保护电量计量模块的软硬件潞驮堤离适抿钡揪寞诸疽找钎斟垃滇污拣惦俩刹亚寝祖洲不酒绝酱吱培吭检成孕躲恬繁擞争帛午拆矫好涅蚜泣谢酬耪宜昧菩副闺骸懊攒锰洛队状夷淮酒怜啃痪轰活订翠曙汲脖熊 碱揽鹿貌浮旭精刃匙鹃份痞阑疲勃挡琼阎贷摇躬犬缓菊鬼次肖锣沽园烫但役涸护拉堂脓吧席铡戏综空景艰测婚孜哼绊徊例嗡呐薯歧广属吹光帆梯并查逞东但挖癣峪颤男方伦椽骏谰砂麻早垮划仕拳抓搏骄傻却灵葡漱传孙弥郸喘趴嗣焰炭铅被酞是乒江肤布霸舞扇札俺尉欧锯卜于诛孔锭绑忘诌号郊佐吮鼎谎搅揖咱铲资讲侗亲溃海躬帛应态其迈乞诡封转印孰悲惦惊维懈环讳鲤扎亢笆杉砧裤伯
4、刀梁存征嗡绽辰恰磐画 变压器智能保护电量计量模块的软硬件设计 摘 要 在电力供配电系统中,配电变压器是将电压直接分配给低压用户的电力设备, 数量多且应用普遍。实时地监测配电变压器运行中的各种参数,及时地发现配电 变压器运行中出现的异常情况并加以控制和解决,对于电网稳定、优化运行具有 十分重要的意义。 工作电流、工作电压和变压器油温是决定中小型变压器是否安全运行的三个 主要参数,因此,这三个参数的实时监控对保证变压器的安全运行具有很大的作 用。电量计量模块就是用来实时检测变压器工况的电压、电流、功率等电量数据, 通过一定的控制策略对变压器的过流、超压和欠压的故障状态进行及时处理。 本设计中根据变
5、压器智能保护系统保护的组成结构与工作原理,分析了变压 器保护的设计目标、功能需求以及性能需求。硬件部分选取 AT89S51 单片机作为 系统主控机,采用高精度三相电能专用计量芯片 ATT7026 实时监测电流和电压 值,电流、电压检测电路由电流互感器和电压互感器组成。在软件设计中采用可 读性和可移植性都较好的 KEILC 语言进行编程,以此实现对单片机及其外围设 备的控制,使软件开发的效率和灵活性大大提高。 关键词:电力变压器,过流过压保护,单片机,电量检测 THE SOFTWARE AND HARDWARE DESIGN OF POWER MEASUREMENT MODULE IN TRAN
6、SFORMERS INTELLIGENCE PROTECTION SYSTEM ABSTRACT In the electric power supply and distribution system, distribution transformer is the power system directly assigning to a users low voltage power,having large quantity and using widely.Real-time monitoring the various parameters of the distribution t
7、ransformer operation, the timely discovery which appears in the operation of the distribution transformer and controlling the abnormal situation of the solution for optimal operation of the power grid stability, has the very vital significance. Working current, working voltage and transformer oil te
8、mperature is three main parameters which decides small and medium sized transformer safely to operate,so real- time monitoring of the three parameters can guarantee the safe operation of the transformer. This module about the electricity metering and power transformer protection, is used for real-ti
9、me detection of transformer condition of electricity data such as voltage, current, power,and process over-current, over-voltage and under- voltage fault state in a timely manner through some control strategy for transformer. According to intelligent protection system,protection struction and workin
10、g principle, the design of the transformer analyses the design goals of the transformer protection, functional and performance requirements.The hardware part which selects AT89S51 as the main control machine system uses high-precision three-phase electric energy metering chip ATT7026 real-time monit
11、oring of current and voltage.Current and voltage detection circuit is composed of current transformer and voltage transformer. In the software design it adopts the good readability and portability programming language of KEILC in order to realize the control of the micro-controller and its periphera
12、l equipment, which greatly increases the software development efficiency and flexibility. KEY WORDS:power transformer,over-current and over-voltage protection, single chip microcomputer,power detection 目 录 前 言.1 第 1 章 变压器智能保护系统.3 1.1 系统工作原理3 1.2 AT89S51 单片机简介.5 1.2.1 特性简介.5 1.2.2 管脚定义.6 1.3 小节9 第 2
13、章 电量计量模块硬件设计.10 2.1 电量计量芯片 ATT7026 介绍10 2.1.1 功能简介.10 2.1.2 芯片引脚定义.11 2.1.3 内部框图介绍.13 2.1.4 应用示意图.14 2.1.5 系统复位.15 2.1.6 相关数值的测量.16 2.1.7 接口模块.19 2.2 互感器电路设计20 2.2.1 电压互感器.20 2.2.2 电流互感器.21 2.3 复位电路22 2.4 +5V 电压设计.23 2.5 小结24 第 3 章 电量计量软件模块的设计.26 3.1 软件校表设计26 3.1.1 寄存器定义.26 3.1.2 参数计算.27 3.2 SPI 通信软
14、件设计29 3.2.1 SPI 读操作 .29 3.2.2 SPI 写操作 .31 3.3 小结33 第 4 章 系统原理图设计.34 4.1 硬件电路图设计34 4.2 系统原理图34 4.3 硬件抗干扰设计36 4.3.1 传输通道抗干扰设计.36 4.3.2 供电系统抗干扰设计.36 4.3.3 系统接地的抗干扰设计.37 4.4 小节37 结 论.38 参考文献.39 致 谢.40 前 言 1.课题的选择和意义 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高,我国的电力事 业迅速发展,电网不断扩大,用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高, 这就要求电力供应部门提供安全、经济、可
15、靠和高质量的电力。据统计连接在 电网中的变压器总容量约为发电设备总装机容量的89倍,因此配电变压器的 安全可靠决定了配电网安全可靠地运行。 对配电变压器的运行状态进行实时监 测,以达到对变压器安全、有效的保护是十分必要的。 配电变压器分布在各类企业、小区及城镇的大街小巷,由于通信的困难, 用常规的自动化检测手段难于实现大量的配电变压器实时保护。如今,国内外 越来越多的生产厂家不断的推出各种的配电系统的保护装置,但是大多数是针 对大型配电系统所设计的,而对于农村或是边远地区相配套的中小型配电装置 的产品却是不多。相对于大型输电变压器而言,中小型配电变压器由于安装分 散,工作环境相对恶劣,因此在此
16、类变压器的运行过程中特别是用电高峰时容 易出现过负荷、欠压和变压器过热等危及变压器安全运行的问题,如何以一种 经济稳定的方式实现对中小型配电变压器的集中监控是一个亟待解决的问题。 当变压器发生故障或异常运行时,配电保护装置可以自动读取在线电量数据, 为用户提供自动化的用电信息,迅速查出异常情况,降低劳动强度,在减少人 力介入的情况下完成大量重复性的工作。 工作电流、工作电压和变压器油温是决定中小型变压器是否安全运行的三 个主要参数,对这三个参数进行实时监控对于保证变压器的安全运行具有很重 要的作用。本文针对中小型配电变压器的集中监控具有重要的工程应用价值。 2.现阶段国内外研究现状 作为变压器
17、保护系统中很重要的一部分电量计量模块,在国内外有很 多产品用于电量检测。比如可方便地测量三相四线制电力线路的各类电参数的 AC86型高精度智能电量综合检测仪能同时替代电流、电压、频率、功率、 功 率因数、电量等多种电参量传感器;可用于手机、数码相机、MP3等手持设备 的LM3658和DS278电量计量模块;基于DSP的工频电量测试仪,以 TMS320VC33DSP为核心,采用钳形电流互感器输入和电压直接输入,实现对 了电压,电流,功率,电网频率,电网功率因数的测量;ZTV-I 直流电量测试 仪采用单片微处理器进行控制,可以测量直流电流、电压及输入功率,具有量 程自动切换,测试范围广,测试精度高
18、,使用方便;以嵌入式为核心的数字式 智能多功能电量测量设备可实现对电压、电流、有功功率和无功功率等电量的 测量,大大减少设备的硬件投入,简化电路,充分利用嵌入式系统强大的可编 程功能,完成多参数电量测量和电网的监控。 大多数智能变压器仅是针对大型配电系统设计的,成本较高。而对于农村或是 边远地区相配套的中小型配电装置的产品不多。由于在农村或是边远地区的配 电网中,配电变压器数量众多,分散性大,保护措施不完善等,变压器运行中 容易出现很多问题,而目前很少有专门针对中小型配电系统的故障检测和保护 等保护装置,本设计就是针对这样的问题建立的。 3.本课题设计的内容 针对中小型企业和边远地区的低压配电
19、系统的核心设备变压器出现的问题, 设计基于单片机的变压器硬件保护电路。通过软硬件设计构成对供电系统的监 控系统,可以防止变压器因为过流、过压而出现故障。主要工作:设计能够实 时检测变压器工况的各种电量数据的电压、电流、功率等的电量检测电路和电 量检测驱动软件及校表软件。 变压器运行过程的工作参数: 1).设计能够实时检测变压器电量信息的电量计量电路,要求设计的硬件电 路简单可靠,人机界面友好,可操作性高; 2).设计智能保护模块的电原理图。 第 1 章 变压器智能保护系统 1.1 系统工作原理 变压器智能保护系统中主要包括基于 AT89S51 单片机的主控模块,电量计 量模块,切闸驱动输入模块
20、,报警电路模块,数据存储模块,显示时钟模块,键 盘输入电路模块,温度检测模块,实时时钟模块。具体如图 1-1 所示。 图 1-1 变压器智能保护模块组成框图 互感器及其它电流、电压检测电路实时地采集变压器的输出的三相电压、 三相电流,然后将这些数据传送给电量计量模块。该模块主要有专门的电量计 量芯片组成,它负责测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有 功能量以及无功能量,同时还能测量各相电流有效值、电压有效值、功率因子、 相角和频率等参数。这些采集的数据通过SPI接口送到单片机内进行数据分析与 计算处理;单片机根据系统的要求,一方面将计算、处理与统计的数据进行存 储以备查询或下次调用
21、;另一方面,根据数据采集与处理的结果实时地对补偿 功率因数,或输出控制信号。 键盘与显示电路模块组成人机接口电路,用于终 端的参数设置、数据修改、数据显示及查询等。报警电路模块是在当采集的电 压、电流和油温异常时,及时报警并单片机作出切闸命令。切闸驱动电路模块 单片机复位 主要用于系统单片机紧急或特殊情况下的开关分合。温度检测模块用于实时检 测变压器的油温,在油温异常时及时切闸,保护变压器。 变压器智能保护系统采集的信号有电流、电压、油温和时间;手动输入信 号有手动合闸、手动切闸、故障查询;控制器对输入信号进行分析处理后产生 的输出信号有实时电流显示、温度显示、故障显示、报警、自动切闸、故障记
22、 录和自动重合闸。 总体设计工作如下: (1)过负荷保护功能。当系统检测到变压器的工作电流大于1.1倍其额定 电流时,就会启动延时切闸流程,并且记录过负荷时间和原因。 (2)油温监控功能。实时检测变压器的工作油温,报警温度定为油温80,达 到100时切闸并记录故障信息。 (3)自动重合闸功能。切断负载后计时15s,如果电流降到额定电流下, 自动控制接触器吸合,将负载接到变压器。这时如果负载电流又达到切闸条件 (油温高于80),又要切闸,系统在1分钟内如果出现三次重合闸就会永久切 闸,等待人工处理。这种状况说明负载一直处于过载状态且没有减小的趋势。 (4)数据存储功能。每次切闸要将故障状态、过载
23、电流及油温等数据信息 写入数据存储器中以备查阅。 系统软件总体设计流程图如图1-2所示,启动单片机后,首先对电流和油温 进行检测。当油温大于80时,报警电路进行报警,再次检测油温,若大于 100时,直接进行切闸并记录故障,若小于100则检测电流;当油温小于 80时,检测电流,根据反时限过流保护软件进行报警,延时,切闸,同时记 录故障。若油温和电流都符合要求时,则显示数据即可;若在1min内连续切闸 三次,就会永久切闸。 检测油温 T80 电流 Ii1.1In 报警 延时 切闸并记录故障 三次切闸时间到? 永久切闸 延时 15 秒 T100 报警 Y N N N Y Y N Y 图 1-2 系统
24、软件总体设计 1.2 AT89S51 单片机简介 1.2.1 特性简介 MCS-51产品指令系统完全兼容; 4k字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器; 1000次擦写周期; 4.0V5.5V的工作电压范围; 静态工作模式:0Hz33MHz; 三级程序加密锁; 1288字节内部RAM; 32个可编程I/O口线; 2个16位定时/计数器; 6个中断源; 双工串行UART通道; 低功耗空闲和掉电模式; 中断可从空闲模唤醒系统; 看门狗(WDT)及双数据指针; 电标识和快速编程特性; 片内振荡器和时钟电路; 灵活的在系统编程(ISP字节或页写模式)。 AT89S51提供以下标准功能:4k字节F
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