（控制理论与控制工程专业论文）干式变压器智能温度控制系统的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 干式变压器智能温度控制仪系统的 设计与实现 摘要 干式变压器在生产生活中，有着广泛的应用，但是干式变压器使用中出现绕 组线圈低温过热的问题大大缩短变压器使用寿命。针对这个问题，本文设计了一 种新型智能温度控制仪，具有绕组温度测量、变压器温度控制和远程通信等基本 功能。 首先，本文分析智能温度控制仪的功能和技术要求，对智能温度控制仪进行 了总体分析和设计。然后，设计智能温度控制仪的温度测量电路和软件，就温度 测量中的温度漂移误差，传感器引线电阻误差和电磁干扰问题进行分析，提出具 体的解决办法。其次，设计智能温度控制仪的监控系统，分别设计了温度显示、 变压器温度控制，工作参数设定和r s 一4 8 5 串口通信等功能单元，对由智能温度控 制仪组成集散监控系统的问题进行讨论。此外，对智能温度控制仪的电磁兼容问 题进行分析和设计。 最后，对本文工作做出总结，展望了干式变压器智能温度控制仪的发展趋势。 关键字智能仪器温度测量变压器微处理器r s 一4 8 5 集散控制系统 i i 东北大学硕士学位论文 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n tf o rt h et h e r m a lc o n t r o lo f d r y t r a n s f o r m e r a b s t r a c t t h ei n d u s t r i a la n dc i v i l i a n a p p l i c a t i o n o fd r yt r a n s f o r m e ri s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l yw i d c b u tt h et e m p e r a t u r eo f t r a n s f o r m e rw i n d i n g s c a u s e st h et r a n s f o r m e r l i f et ob ed e c r e a s e dg r e a t l y t h u s ，an o v e li n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tf o rt h et h e r m a l c o n t r o lo fd r yt r a n s f o r m e ri sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r i to w n st h r e eb a s i cf u n c t i o n s ： t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e l l to ft r a n s f o r m e r w i n d i n g s ，t e m p e r a t u r e c o n t r o lo ft h e t r a n s f o r m e ra n d l o n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ef u n c t i o n sa n dt e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t s ， t h eg e n e r a ld e s i g no ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti sg i v e n m o r e o v e r , am u l t i c h a n n e l t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts u b - s y s t e mi n c l u d i n gc i r c u i ta n ds o t b o v a r e i sp r e s c r i b e d a c c o r d i n gt o t h er e l a t i v et h e o r e t i c a la n a l y s i so fa m b i e n tt e m p e r a t u r ee f f e c t ，l e a d r e s i s t a n c ea n d e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，t h e c o n c r e t em e t h o do fe r r o r c o m p e n s a t i o ni sp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h em o n i t o r i n gs u b - s y s t e mc o n s i s t i n g o f d i g i t a ld i s p l a y i n g ，t h ec o n t r o l l i n g o ft r a n s f o r m e rt e m p e r a t u r e ，t h e a d j u s t m e n t o f o p e r a t i n gv a r i a b l e sa n dr s - 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e d n l es t r u c t u r eo f d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m o ft e m p e r a t u r e i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti sa l s os t a t e d n e v e r t h e l e s s ，t h ep r o b l e mo f e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei ni t sa p p l i c a t i o ni sd e b a t e d i nd e t a i l s i nt h ee n d ，t h es u m m i n g u po f t h ep a p e ra n d t h ed e v e l o p i n gp r o s p e c to f t h i sk i n d o f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti ss t a t e d k e yw o r d si n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t r a n s f o r m e r , m i c r o - c o n t r o l l e r , r s 一4 8 5 ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示致谢。 本人签名：蝇洚 日期： 厶一叶l _ 东北太学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 l ，1智能温度控制仪是一种智能仪器 智能仪器是计算机技术车u 洳量仪器相绪合的产物，是台有微型计算机或微塑 处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等 功能，其有一定耪能的作用( 表现为智能浆延神和由b 强等) ，函而称之为智熊仪器 智能温度控制仪内部采用了美国c y g n a l 公司生产的c 8 0 5 1 f 2 0 6 单片机实现多 通道潺度信号采集和采集数据处理，根据测蠡到平斌变噩器实对温度控制降温风 枫，保证于式变压器工作在设定滠度范围内，并具有一定的故障渗断功能和于武 变压器工作温度纪录的功能。智能温度控制仪是一种智能仪器，集中表现为以下 三个特点：1 、实现对测量过程软件控制。微处理器控制测量通道切换，铡量故障 自动诊甑；2 、具有数据处理功能。对测量数据进行存储及运芽豹数掘置理功能是 智能仪器最突出的特点，智能温度控制仪的微处理器对溅量数据的处理改善测量 精度，补偿温度漂移的造成误差；并能储存设定羽工作参数；3 、智能仪器具有多 种功能。智能温痉控制纹具有最机控带功能、通倍葫能和报警功能。 1 2 智能温度控制仪的课题背景 干式交援器在生产生活中有广泛的使甩。僵燕，千式变压器绕组低温过热的| 试 题，大大缩短了干式交压器的使用寿命，是运行和制造部门蟥待研究解决的重要问 题之一”“。电力变雉器在媾行过程中绝缘系统一直承受着化学性质的老化，该过 程是积累性的，且能罨致绝缘系统失去绝缘性骞良蠢喾亳力设备的安全运行，缩短 变雎器使用寿命，造成了巨大的浪费。保诞千式变压器绕组始终工作在额定温度 范围内，是提高变压器使用寿命，保证电力设备安全置作的重要措施。 针对这种情况和工业实际需要，人工智能与机器入研究所商沈阳菜公司的请 求，开展了这方筒的研究工作，井设计了一种薪型智能溢度控制仪。这种智能濑 度控制仪采用了最新的微型处理器c 8 0 5 1 f 2 0 6 ，具有独特的温度信号采集系统， 融合了电磁兼容技术，使得它能够具有高精度、高可靠性、高安全性。使用智能 温度控制仪能够控制变压器绕组工作在额定温度范围内，大大提高了干式变压嚣 使用寿命，保证千式变压器安全工作，具有非常重要的社会意义和怠好的经济效 益。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 智能温度控制仪的功能要求 ( 1 ) 温度测量和显示功能：对干式变压器绕组的温度实时测量，根据需要显示绕 组的最高温度或分别显示三个绕组温度； ( 2 ) 仪器故障诊断和显示功能：传感器开路或出现故障时，智能温度控制仪能够 诊断出故障，并发出卢、光信号报警，给出相应的开路指示信号； ( 3 ) 干式变压器智能保护功能：干式变压器温度达到一定值时，智能温度控制仪 开启风机，对变压器降温以保证于式变压器绕组运行在额定工作温度范围内；当 变压器绕组温度持续升高超出额定温度范围时，智能温度控制仪发出报警；如果 变压器绕组温度达到危险温度时，智能温度控制仪发出跳闸信号切断电源、保 护变压器： ( 4 ) “黑匣子”功能：智能温度控制仪可以记录变压器超过危险温度时刻的各相 戈皇温度告，片能k 期深存和查阅； ljj 上作参数设定功能；智能温度控制仪的工作参数可重新设定，方便于根据实 际情况调整干式变压器的工作温度； ( 6 ) 降温风机的手动控制功能：用户可以手动控制风机的开关；智能温度控制仪 在3 0 分钟后，重新恢复风机的自动控制； ( 7 ) 远程通信的功能：智能温度控制仪可以把干式变压器、降温风机和自身工作 状态和参数传输给远处的监控计算机：也可以接受监控计算机的命令。 1 4 智能温度控制仪的技术要求 智能温度控制仪的技术要求以j b t 一7 6 3 卜1 9 9 4 变压器用电阻温度计标准 为依据，确定智能温度控制仪的主要技术要求如下： ( 1 ) 传感器：p t1 0 0 ( 2 ) 测量范围：0 o 一2 0 0 0 1 2 涮量精度：0 5 级分辨力：0 1 2 2 ( 3 ) 使用条件： 环境温度一2 0 一+ 5 5 相对湿度 0 ，b 0 。 在标准环境温度和引线电咀为0 的条件下，采样值和铂电阻阻值矗n 0 0 关系为： r l = a r r 】加一b + ( 3 4 0 ) 根据上述两个关系式，可以确定由a d 转换得到的采样值和温度值之间为非线性 关系。考虑到八位微处理的浮点运算能力差，利用采样值和温度值关系式计算温 度值的方法不合适。决定采用分段线性对采样值和温度值美京曲线拟合，利用查 表的方法实现采样值到温度值的转换。根据测量精度的需要，在0 。c - 2 0 0 。c 之间， 每i o 。c 为一个变化单位，利用2 0 段直线拟合。具体实现方法是： 第一步：根据铂电阻p t l 0 0 的分度表，从0 开始，以1 0 为单位递增，查出对应 的传感器电阻阻值作为标定电阻阻值，共计2 1 个标定点。 第二步：在标准环境温度和引线电阻为0q 的条件下，用高精度标准电阻箱模拟 传感器，按顺序调节到标定电阻阻值，得到对应的采样值m ( f = 0 ，l ，2 ，2 0 ) ，制 作成转换表，存储到微处理器的程序存储器内。 东北大学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计 第三步：利用上面的转换表，在线由传感器的采样值计算温度值。 在标准环境温度和弓l 线电阻为o q 的条件下，设，为传感器的采样值，首先 确定n x 在转换表中的位置，可由判断不等式j n x i + ，是否成立确定。在转 换表中的位罱j 。然后利用等式 f ，：! ! 巡1 00 0 c + f 1 0 0 0 c( 3 4 1 ) 。 一n ， 计算得到对麻的温度情 在实阳、使用中，传感器的采样值般不是在标准环境温度和引线电阻为0 o 的条件r 采样值，这时用温度补偿算法和引线电阻补偿算珐刖术样值修正得到对 应的标准环境温度和引线电阻为0q 的条件下采样值，再计算温度值。至此完成 了采样值到温度值的换算。“ 3 4 温度测量子系统和微处理器接口设计 3 4 1 i c l 7 1 3 5 和微缝理器接口电路设计 _ _ 爿， t 圈3 1 2i c l 7 1 3 5 接口电路图 双积分模数转换器i c l t l 3 5 工作时钟是由微处理器的系统时钟经过分频得到 的，c d 4 5 1 8 是双四位二进制计数器，前面已经确定微处理器的晶振是2 m h z ，系 统时钟是2 m h z ，由微处理器的引脚p 1 6 s y s c l k 输出的时钟信号经过c d 4 1 5 8 的1 6 分频得到i c l 7 1 3 5 工作时钟尼x = 1 2 5 k h z 。微处理器通过i o 1 ：3 p 1 0 p 1 ，3 ， 东北大学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计 把模数转换器的转换结果读入内部，微处理器的i o 口p 1 7 和i c l 7 t 3 5 的p o l 引脚连接，通过读取来判断模数转换器的转换结果的正负：通过f o 口p 1 4 、p 1 5 把i c l 7 1 3 5 的欠量程输出u n d e r 和超量程输出信号o v e r r a n g e 读入内部。 i c l 7 1 3 5 豹b u s y 引脚和i o 口p 1 3 连接，供微处理器查询i c l 7 1 3 5 的工作状态。 i c l 7 1 3 5 的引脚s t 和外部中断o 输入引脚p 2 0 i n t 0 连接，使微处理器在i c l 7 1 3 5 转换结束后进八中断，读取i c l 7 1 3 5 的转换结果。 3 4 2 温度采样程序设计 i c l 7 1 3 5 转换结果以b c d 码形式由引脚b o b 3 输出，转换结果的正负由引脚 p o l 的电平高低表示。i c l 7 1 3 5 转换结柬后，引脚b u s y 的电平由高瓢底，维持低 电平直到下次转换开始；此时引脚p o l 根据转换结果的正负给出对应的电平输出， 同时通过i c l 7 1 3 5 的引脚u n d e r 和引脚0 v e r r a n g e 给出是否输入信号欠量程或超 量程。在一个转换周期结束后，引脚发出5 个负脉冲信号，这5 个负脉冲信号依 次分别与数模转换结果的万位、千位、百位、十位、个位相对应。这几个信号的 时序关系如图3 1 3 所示： 叫8 弋 一二一一 西 厂 厂 厂 厂 厂_ b 0 - b 二烃d 蛩至至x 亘匦 图3 1 3i c l 7 1 3 5 输出信号时序图 从图3 1 3 中可以看到当引脚b 0 - b 3 输出有效后，i c l 7 1 3 5 的引脚s t 输出负 脉冲，这样就可以利用它作为微处理器的中断源，微处理器在中断程序中完成对 i c l 7 1 3 5 转换结果的读取，通过中断次数判断数据的位数。通过i c l 7 1 3 5 引脚p o l 判断转换结果的正负，通过i c l t l 3 f i 弓f 脚u n d e r 、0 v e r r a n g e 判断是否信号在转换 量程之外。 根据上面的分析和接口电路图3 1 2 确定程序流程图如下： 首先，在系统初始化程序中，应作以下两件事： ( 1 ) 设置外部中断0 触发方式为下降沿触发，并设置该中断为允许中断状态； ( 2 ) 设置微处理器的p 1 6 s y s c l k 为系统时钟输出，通过c d 4 5 2 0 分频为双积 分模数转换器i c l 7 1 3 5 提供工作时钟。 一2 6 东北大学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计 给出温度采样程序流程图如图3 1 4 。 图3 1 4 温度采样程序流程图 注：( i ) 变量i n t 0c 记录中断次数，它与i c l 7 1 3 5 的输出b c d 码的位数相 对应。 ( 2 ) 变最b c d _ v 存放由p 0 口读副的b c d 码数值，变量a d v 存放 i c l 7 1 3 5 的转换结果。 ( 3 ) 从微处理器进入中断到对应位b c d 码输出无效，i c l 7 t 3 5 大约要用 1 0 0 个工作周期，这个期间，微处理器可以执行1 6 0 0 条单机器周期指令，完全能 东北大学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计 够把数据正确读入微处理内，不会出现读错的情况。 3 5 温度测量功能程序设计 通过温度采样程序读入的只是模数转换结果或称为采样值，这个采样值 东北大学硕士学位论文第三章温度测量子系统设计 图3 1 5 温度测量功能程序流程图 必须经过处理才能得到温度值，完成这个采样值处理的程序就是温度测量功能程 序。根据3 3 节的分析和讨论，可以总结从采样值到温度值的计算要经历三个步 骤： 第一步：利用温度误差补偿公式3 3 5 ，补偿采样值包含的温度漂移误差、零点误 差和增益误差) ； 第二步：利用引线电阻补偿公式3 3