变压器档位调整联动显示器的研究和应用

钟育林

（广东电网河源和平供电局，广东河源，517200）

1 目前配网变压器的分接开关运行维护现状分析

配网变压器分接开关按照调压方式分为有载调节和无载调节（配网中普通配变通常在高压侧设一台无载调压开关），其中按照分接开关抽头数量设置分为两种：三个分接开关抽头和五个分接开关抽头。调整一次（高压侧）挡位可改变二次输出电压，适应一次电压变化满足二次用户电压要求。变压器三个档的电压：一档为额定电压的+5%，二档为额定电压0%，三档为额定电压的-5%。

配网台区在线路设备运维过程中，为解决配网变压器的分接开关（档位）没有现场标识装置的问题，基层运维班组人员通常是建立配网变压器档位清册，及时更新配变档位台账流程动态数据，同时在新建配变、配变轮换等在本台区作业时需增加核查配变档位工作，但是这种解决问题的管理模式，在日常运维实际操作时并不理想，配变档位运维后登记造册资料缺失情况时常发生。

配网电力变压器分接开关的调节方式，区别于电力系统变电站的有载调压变压器，决定其变压器内部无法安装使用有载调压变压器的电路档位显示元件。在现有的配网线路中，即是同一电压等级，由于会出现线路压降变压器安装在不同位置等原因，那么每个位置变压器的电压也不是完全相同的，因此造成一次电压的不同；为了达到二次输出额定电压基本一致，那么就需要通过调节分接开关来改变变压器高低压绕组的匝数比，调节变压器输出电压值的高低。因此变电站的有载调压开关可以设置有载调压机构，在其内部安装设置档位显示元件，用在特殊用途的变压，比如电弧炉等，都带有自动和手动的调压机构，但是在配网线路的变压器一般是无载调压，无法做到同电力系统的主网变电设备一样，实现上述功能的实现方便日常运维。

2 主要的电路工作方式与显示联动原理

本项目的档位调整联动器元件主要是运用整流电路和数码管的显示原理整合实现显示功能，目前在电源电路的整流电路中，主流技术采用有桥式整流、半波整流电路、全波整流电路，（其中倍压整流电路运用在弱电交流信号的整流，例如液显、发光二极管、音频信号等指示器电路）。而数码管作为是一种半导体发光器件，主要采用发光二极管为基本单元。能够显示四位数字的叫四位数码管，也可以设置有多位和单位的数码管，他们的电气原理相同（档位显示元件运用的是单位数码管）。如依照数码管段数来划分，可以分为七段数码管、八段数码管，七段数码管比八段数码管只是减少一个数位点发光二极管单元（考虑到小数点显示在档位调整联动器并没有实际运用的意义，因此本装置不予采用八段数码管）；依照二极管单元共同连接阳、阴极方式的不同，可以划分为共阳极数码管或共阴极数码管。其中共阳极的数码管是将电路上的二极管阳极接到一起的公共阳极的数码管。共阳极的数码管公共极接到+5V电源上，如果其中一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。如果其中一字段的阴极为高电平时，相应的字段二极管不导通，字段为不亮。共阴的数码管是将所有二极管的阴极接到一个公共阴极的数码管。与共阳极不同点在点是共阴数码管必须将公共极（COM）一定接地线极，如果其中的一个字段的二极管阳极为高电平时，那么对应的二极管字段显亮。而其中的一个字段的阳极是低电平那么相应的二极管就不亮；无论是运用哪共阳还是共阴数码管，输出端口都必须和电路整流电路响应一致，因此综合考虑档位调整联动器的显示电路设计要求体积小、内部空间有限的特点，采用共阴数码管较为有效合理。另一方面因为上述三种整流电路输出的单向脉动性直流电特性是不一样的，比如半波整流电路的电压的波形是半周，因此在单向脉动性直流电频率只有50Hz的情况下，考虑到交流市电的频率也是50Hz，那么可以通过半波整流滤波电路来改变直流电单向脉动性频率；但是全波和桥式整流电源电路基本是相同的，都是采用输入交流电压的正、负半周，使得全波和桥式输出电流的频率均扩大到一倍，所以这种单向直流电脉动性的频率是100Hz，并将输入交流电压值的一个半周转换极性，输出的直流脉动性电流频率比输入交流电流提高了一倍，即有利于电源电路滤波电路降低功耗，滤波后更加平滑过渡，也为单位数码管提供稳定的高低电平信号源，在电源电路中采用单向直流电脉动性的频率更为有利于单片机的显示和读取数据。

在单位数码管的电气特性方面，因为数码管设置通常均不低于十个管脚，其中八个管脚钟中的3，8两个管脚是公共COM脚，它们相连通且作用相同，可连接其中任意一个管脚（在原理阐述中有详细内容说明）。为了更清楚表述，本文列出对应表。

表1 共阴数码管脚位对应表

因为在电源电路的整流电路中，对电源电路的输出端口有输出线性特点方面的要求，比如在全波整流电路中要用两只发光二极管，而在半波整流电路中只用一只发光二极管等，桥式整流电路更是运用四只发光二极管。所以根据上述两个显著特点，可以分辨出三种不同整流电路和数码管电路的整合类型。

在七位数码管的驱动方式方面，本装置主要有采用端口输出驱动为主，其次用BCD码（二-十进制译码器译码）驱动。如果采用静态驱动，那么它的优点是编程简单、显示亮度高，但是考虑到端口资源有限，就是占用I/O端口太多所以缺点也是明显，对其他的附加性能运用降低运用能效，产生不利影响，甚至于制约扩展功能的使用，比如要驱动5个数码管的静态显示，则需要四十个I/O端口才能驱动相关功能模块的使用，这样太耗费宝贵的端口资源，并且在实际应用时还要增加译码驱动器进行二次驱动，大大增加了电源电路的复杂性和同时降低其可靠性。

作为当前应用最广泛的数码管动态显示，在主流单片机的应用中技术最为成熟，使用动态的译码驱动器，将数码管的"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连接成公共端，同时为每个发光数码管的COM增加位选通控制回路，相对独立的I/O总线控制位选通发出信号源，单片机通过I/O端口输出字形码时，如果八个数码管同时接收到了字形码信号后，具体由那几个数码管显示出字形，持续和间断时间多少，都是由单片机上的位选通控制电路控制决定的，最后通过原有的单片机程序打开数码管的选通控制回路端口，就能实现配网变压器档位对应字形显示，控制回路端口信号关闭的数码管就不导通。另外也用单片机设定的分时轮流控制程序控制八个数码管端口的公共端，动态驱动使得数码管轮流受控显示实现轮流显示，虽然动态显示的效果和静态显示结果相同，但是节省大量的I/O端口资源，功耗降低50%甚至更低，扩展性功能开发就有了更多的选择。静态驱动在亮度方面通常会高于动态驱动的亮度，在强光环境或户外使用时中效果较好；另外配合锁存器记忆先前状态数据，增加新数码管就能组成是三位以上的数码管显示模式。

档位调整联动显示器又一个主要功能，能通过4G网络提醒运维人员故障原因，方便设备运维管理，提高用户用电质量等问题，提高客户满意度，其中档位调整联动显示器包括故障识别模块、报警装置、通信模块、备用电源等模块。

为提高档位调整联动显示器判断的准确度，首先在过电压及正常运行电压下，对各类不同故障类型进行模拟，找出各类故障识别模块故障电流区间及异常错误数据差异值的大小，记录电流数据及持续时间,一般情况下发生一次或二次电路故障的时间通常极短，短暂数据采集错误的对装置系统没有影响，在正常负荷和系统电压运行环境下，以故障电流大于1A，放电持续时间大于5s时，对二次电路影响很小，如在变压器过负荷的条件下运行超2小时，档位调整联动显示器将启动保护组，停止多个模块的工作，并发出红色显示灯，作为现场运维人员的故障识别判断依据。

为进一步提高报警装置传动性和有效性，报警装置接收到故障故障模块发出的信息后自动启动持续性的红色提示告警闪灯，极大的方便配网线路巡视运维人员及周边人员查看（警示灯设置成高亮报警红灯）。同时为解决广大山区线路多地域广地形复杂等问题，造成巡查运维困难，可通过加装故障通讯模块，有效利用4G通信网络将档位和故障类型信息及位置信息通过短信发送到运维人员手机上或传递详细故障信息到运维人员特定等通讯设备上，达到快速排查识别故障运维目的。

为保证将装置采集的故障信息能通过通信模块传递给运维人员，需提供长续航的备用电源，当线路故障停电时，可通过备用电源提供电能给驱动报警装置以及信息上传使用，而档位调整联动显示器电源主要是两个供给方式，电源一：当线路有电时由变压器220V供电和充电，而没有外部电源时由备用电源供电；电源二：太阳能电板给备用电源供电，整个档位调整联动显示器电源均由蓄电池供电。

3 档位调整联动显示器概要

（1）主要的技术原理

档位调整联动显示器主要由三个单元模块功能，感应识别单元模块能通过识别变压器档位设置点位，根据不同的感应读取信号并转换为模拟信号给集成电路，再由电路单片机逻辑单元判断后，发出相应的动作信号给显示单元模块。

为在电力系统发生故障停电时，保证档位调整联动显示器能在台区停电时，可以保持变压器档位显示状态，档位调整联动显示器的电源模块设置了备用电源的供电方式，当电力系统恢复变压器供电时，由变压器220V供电使用并保持充电，而没有系统和外部电源时由备用电源供电。

（2）主要的创新点

配电网配变没有直观的档位显示装置一直是配网运维的难点痛点，本装置的创新点就在于解决这个问题，档位显示装置能有效提升配网工作效能，帮助运维人员快速发现供电质量问题和后期故障的处理，在配网运维管理方面有良性发展的重要促进意义。

（3）装置的应用场景

在电力系统配电网的变压器中将应用广泛，能十分有效解决配网运维人员在变压器带电情况下，现场识别掌握变压器的档位设置情况，为电压调整、负荷割接等运维策略调整提供有力的依据。

4 档位调整联动显示器故障类型表述

档位调整联动显示器档位故障主要有档位位开关检测单元故障、显示单元故障、数码管元器件损坏和主电源备用电源等故障；档位显示方面体现在无法辨认、档位错乱、死屏等现象。档位显示异常要检查挡位开关是否短路或断路，是否曾经进水等问题。运维人员可以测量电路电板，判断是否存在档位开关的电子故障，或者是显示单元的电子元件故障，对损坏的电子元器件更换即可。