中南大学 信息科学与工程学院 冯威，粟梅

    1 引言

    电力变压器是电力系统中应用相当普遍而又十分重要的电气设备，它运行较为可靠，故障机率小。但是在运行中，还是可能发生箱内故障、箱外故障及出现不正常工作状态。其中，箱内故障是非常危险的，因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组绝缘，烧坏铁芯，还可能使绝缘材料和变压器油受热而产生大量气体，引起变压器油箱爆炸。一旦发生故障，将给电力系统的运行带来严重的后果。

    为了保证变压器的安全运行和防止扩大事故，根据变压器的容量大小及其重要程度安装灵敏、快速、可靠和选择性好的各种专用保护装置是极为重要的。对变压器的保护主要分为电量型继电保护和非电量型保护。

    电力变压器的电量型继电保护主要有：差动保护、电流速断保护、零序电流保护等，但这些保护对变压器内部故障是不灵敏的。而非电量保护是变压器本体的非电量触点(如瓦斯、温度等)直接进入保护装置重动后发信及跳闸。

    非电量保护主要有瓦斯、温度、压力、冷控失电保护等。其中，变压器内部故障的主保护是瓦斯保护，它能瞬间切除故障设备，但气体继电器的灵敏度却取决于鉴定值(流速)。对于温度保护，当前新的变压器多采用高温直接跳闸，而早期的变压器则采用高温和冷控失电跳闸。

    2 系统总体设计方案

    本文设计的测控装置集非电量监测、控制和报警功能于一身。其优点是功能相对集中，全数字通信，只需要使用一个单片机就可实现所有功能，大大节省了成本和空间。

    需要实现的功能：以一片单片机为控制核心，实现高速计算和控制；实现对主变压器的温度监测和报警；实现对调压档位的监测和报警；实现对瓦斯信号的监测和报警；具有中文液晶显示和键盘输入，在中文环境下输入参数，数据也可以在中文环境下显示，显示风格人性化；具有rs-485总线通信接口和can总线通信接口；具有简单的状态信号输出；具有继电器输出功能。

    根据方案所需要实现的功能，笔者将系统构建成信号输入→信号处理→信号输出的模式，其系统框图如图1所示。左边为信号输入部分，可分为几个小模块进行设计；中间是信号处理部分，为c8051f041最小系统；右边为信号输出部分，可分为几个小模块进行设计。

    键盘输入和液晶显示模块又称为人机接口模块，主要负责参数的输入和状态的显示，这里采用的是2×2的小键盘输入和128×64的液晶模块。

    温度监测模块选用maxim公司的max6674。档位监测模块、瓦斯监测模块以及其他附加开关量都是对继电器的状态进行检测。因此，直接用光耦对继电器信号进行采集和隔离，采集进c8051f041的i／o引脚。采用高速通信光耦6n137将c8051f-041与rs-485通信器件sn75hvd10d隔离，防止外界的干扰通过通信线路经过sn75hvd10d后直接进入单片机，造成程序跑飞。同样，在can总线通信器件pca82c250与单片机的连接上，也使用高速光耦6n137将单片机和pca82c250隔离．防止外界干扰进入。输出继电器控制方面，采用低速光耦tlp521隔离单片机i／o端口和控制继电器的三极管tip42。

    3 系统模块的设计

    从总体上看，本系统可以分为以下模块：cpu模块、温度信号处理模块、瓦斯信号处理模块、调压档位监测及输出模块、电源模块、通信模块。考虑到篇幅的原因，本文将详细介绍cpu模块、温度信号处理模块以及瓦斯信号处理模块。

    3.1 cpu模块

    微程序控制器(mcu)采用silabs公司的soc(system on chip，片上系统)can混合信号型mcu，它具有一系列的特点：51内核、功能非常强大、指令运行速度高、i／o端口功能采用软件配置，有多种复位方式。

    本设计选用型号为c8051