电力变压器有载分接开关控制器的设计

刘文胜，庹民红

（1.长江工程职业技术学院，武汉 430212；2.陆水枢纽管理局，湖北 赤壁 437302）

1 引 言

随着电力系统的发展，对电压质量的要求越来越高。由于电力系统在运行过程中，负载的大小是经常变化的，而负载的变化会引起系统供电电压的波动，严重时会影响电气设备的正常运行，进而影响企业的生产和人们的日常生活。采用有载分接开关进行调压是方便、有效地控制电力系统电压质量的方法之一，故在电力变压器中有载分接开关被广泛应用。因此，有载分接开关的动作是否可靠将直接关系到系统能否安全运行。一种有效的解决办法是采用控制器去自动控制有载分接开关的动作。本控制器的设计即是以MCS51单片机为核心，通过软件逻辑控制去实现对有载分接开关的控制和调节。

2 有载分接开关工作原理

有载分接开关是一种能在励磁状态下变换分接位置的电器装置。有载分接开关调压的基本原理，是在 绕组中引出若干分接头后，通过它在不中断负载电流的情况下，由一个分接头切换到另一个分接头，来改变有效匝数（即改变变压器的电压比），从而实现调压目的。因此，有载分接开关在操作过程当中，一要保证负载电流的连续性；二要在切换分接的动作中具有良好的断弧性能。有载分接开关在变换分接头过程中，必须利用过渡电阻实现过渡，以限制其切换过程中产生的环流。目前大容量的变压器通常是采用电阻式组合型有载分接开关，它主要包括切换开关、选择开关、电动操作结构三大部分。

3 控制器总体设计

在本设计中，通过电压互感器和信号调理电路经A／D转换把采集的电压模拟信号转换成相应的数字量，然后与设定的参数量进行比较，经单片机判断后控制有载分接开关驱动机构进行相应的动作。为了方便用户，本设计还采用了开关位置传感器与单片机连接，将相应的参数通过MAX485传递给远程计算机并进行显示，使操作人员能够知道有载分接开关当前的档位位置、电压实时值、分接开关动作总次数等。单片机所控制的液晶显示器可用于现场设定电压基准值、电压极限值、计算精度、开关动作间隔时间、采样速率等。本控制器通过编程方式，用内部逻辑关系代替了实际硬件连接，减少了继电器的使用数量，减少了大量的中间连线，避免了许多干扰，其连锁保护功能也更加完善。单片机实现的主要功能有：对电压的采样、计算；对开关极限位置的检测；数据的存储；控制有载分接开关档位的升降；与液晶显示器人机界面或远程计算机进行通讯等。系统的总体设计框图如下图1所示。

图1 系统硬件电路总体设计框图

4 控制器硬件设计

4.1 测量电路

4.1.1 电压采集电路

用来测量电压的大小。通过单片机对A／D转换模块进行编程，把所采集的电压信号模拟量转换成数字量，然后与预先设定的电压基准值进行比较，进而驱动电机控制有载分接开关档位升降。由于变压器大多工作环境恶劣，周边有许多干扰信号，而单片机本身又不带滤波功能，所以在电压采集电路的设计中引入了滤波电路。又由于单片机是直流工作电压，因此再设计了整流电路。同时，为了满足单片机的最高工作电压，在电压采集电路中还设计了限幅电路（采用＋5V的稳压管）对输出的电压值进行限定。电压采集电路如图2所示。

图2 电压采集电路

4.1.2 开关位置检测电路

在变压器运行时，为了帮助工作人员了解、掌握现场情况，应提供有载分接开关当前档位的位置并进行显示。当开关处于最高或最低档位时，若继续向上或向下调节有载分接开关，会导致变压器分接头的损坏，因此应闭锁输出，尽可能避免控制失败。在本设计中采用了11个光电耦合电路与单片机相连，通过单片机逻辑控制来判断有载分接开关的档位实际位置，并可通过MAX485通讯接口与上位机相连并进行显示。电路原理图如图3所示。

图3 开关位置检测电路

4.2 参数设置显示电路

主要实现参数的设定及显示。包括电压基准值、测量精度、采样时间、限值电压等参数的设定。设计中采用LCM12864ZK液晶显示模块，通过软件编程实现逻辑控制。为使操作更加方便，在电路中设计了4个按键开关，也是通过逻辑控制实现参数的设置及大小的调节。参数设置显示电路的原理图如图4所示。

图4 液晶显示电路

图5 通讯电路原理图

4.3 通讯电路

用来实现单片机与上位机点对点的通讯。可在现场显示电压实时值、有载分接开关档位实际位置、有载分接开关动作总次数、电压基准值等参数，并可进行报警信息的输出显示。由于单片机本身不具有RS485通讯接口，所以需要外挂通讯接口来实现通讯功能。通讯电路的原理图如图5所示。

5 控制器的软件设计

有载分接开关控制器的主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

5.1 初始化子程序

初始化子程序负责对控制器进行初始化设置，包括：控制ADC的启动，系统识别输入、输出端口，确定输出格式等。

5.2 参数设定子程序

参数设置子程序可通过按键开关和液晶显示器对电压基准值、延时时间、采样时间、采样精度、报警值等参数进行设定。目的是便于将所设定的参数与后续测量的信号进行比较，以实现对开关的调节。

5.3 档位、电压测量子程序

档位、电压测量子程序一方面负责确定有载分接开关目前所在的档位；另一方面负责对电压信号进行采样，并通过A／D转换后将模拟信号转换成数字量并进行存储。

5.4 电机驱动子程序

电机驱动子程序是用来控制有载分接开关电动操动机构中电机的正反转，其作用是驱动操动机构动作，使有载分接开关的输出电压达到设定值。

5.5 监控子程序

在电压无需调节时，需要对分接开关的档位信息、变压器输出电压值及分接开关动作总次数等信息进行监控并与报警值进行比较。如果数字超标，则需要报警；如果数字不超标，则可进入后续的通讯子程序对相关信息进行显示。

5.6 通讯子程序

通讯子程序可将现场通过按键及液晶显示器设定的参数传给远程计算机，为远程监控和无人值守提供数据。

6 结 语

本控制器设计的核心器件是MCS51单片机。其优点是：硬件系统设计简洁，简化了系统接线，提高了系统工作的可靠性；软件设计因采用C51语言编程，故应用较为灵活，修改、扩展方便。为了使控制器功能更加宏大，在设计中还使用了LCM12864ZK液晶显示模块，可通过按键改变参数大小，以实现参数的精确设置。总之，该控制器能够在不中断负载的情况下进行变压器有载分接变换操作，从而可保证电力变压器输出电压的质量。

［1］张德明.有载分接开关国内现状及其发展动向［J］.变压器，2000.

［2］孙广贵，李振华.一种智能化有载分接开关控制器［J］.变压器，2006.

［3］陈迎松，孙爱民.基于单片机的有载分接开关控制器研制［J］.计算技术与自动化，2010.