一种变压器智能操控装置及其用途 【技术领域】
本发明涉及一种变压器智能操控装置及其用途，适用于对美式箱式变压器、干式变压器及箱式变电站运行状态的监控。属于变压器监控设备技术领域。
背景技术
目前，电力系统中使用的变压器有干式变压器、组合变压器和美式箱型变压器。美式箱型变压器越来越得到广泛的应用。由于变压器的周围都是高压区，存在一定的危险性，因此，变压器普遍安装在远离居民居住的地方，在变压器发生故障前不能了解其内部工作状态和结构状态，而现有技术对变压器运行状态的监控手段又是十分落后。一旦发生变压器故障，就必然带来停止供电，这又将给工、农业生产带来损失。因此，实时监测变压器工作状态的手段，对变压器进行预诊，是克服变压器故障带来危害的必要手段之一。
【发明内容】
本发明需要解决的技术问题，即本发明的目的，是为了提供一种变压器智能操控装置，可通过无线或有线通讯网络实进监测变压器的温度、压力变化状况及缺相保护。
本发明的技术问题可以通过采取如下措施解决：
一种变压器智能综合操控装置，其结构特点是：由电参量采集电路、现场检测电路、处理控制电路、显示及报警电路、通讯电路、保护电路、存储电路和电源电路连接而成，电参量采集电路的输出端、现场检测电路地输出端分别连接处理控制电路的一个输入端，显示及报警电路、通讯电路、保护电路的输入端分别连接处理控制电路的一个输出端，通讯电路的输出端可通过RS485、有线Moden、无线GSM、或无线GPRS对外发送通讯信号，保护电路的输出端连接负荷控制开关的控制端或变压器辅助设备的控制端；处理控制电路完成如下工作：
1)分析电参量采集电路输入的电压、电流、有功、无功、频率或相角功率因素等电参量，确定变压器的实时负载情况，计算出实时理论温升送存储电路保存；
2)分析现场检测电路输入的温度或压力，判断变压器油温升或压力是否异常，若有异常即通过显示报警电路向用户发出报警信号或通过保护电路断开负荷开关；分析现场检测电路输入的功率因数，判断变压器是否有内部击穿或其他导致功率因数降低的情况，若有即通过显示报警电路向用户发出报警信号，将检测情况和分析结果送存储电路保存。
本发明的技术问题还可通过采取如下措施解决：
现场检测电路包括变压器主体油温检测器、变压器运行环境温度检测器、变压器油压检测器、变压器油压临界压力检测器、变压器油压极限压力检测器、变压器缺相检测器和变压器输入/输出功率百分比检测电路，变压器主体油温检测器、变压器运行环境温度检测器和变压器油压检测器为模拟量检测器、它们的输出端通过A/D转换器连接处理控制电路的输入端；变压器油压临界压力检测器、变压器油压极限压力检测器和变压器缺相检测器为开关量检测器、它们的输出端各连接处理控制电路的一个输入端；保护电路的输出端连接负荷控制开关的控制端。
现场检测电路包括温度检测器、湿度检测器和变压器输入/输出功率百分比检测器，温度检测器、湿度检测器的输出端通过A/D转换器连接处理控制电路的输入端；变压器输入/输出功率百分比检测器分别检测变压器的输入功率和输出功率，计算出百分比后送到处理控制电路的输入端；保护电路包括异常状态处理器和风机控制器，异常状态处理器的输出端连接异常处理设备的控制端，风机控制器的输出端连接变压器风机的控制端。
如前所述的一种变压器智能综合操控装置的用途，其特点是：
将变压器智能综合操控装置安装于组合式变压器或美式箱变内，电参量采集电路的输入端连接变压器的高电压端或低电压端、输出端连接处理控制电路的一个输入端；现场检测电路的变压器主体油温检测器、变压器运行环境温度检测器分别检测变压器的油温及变压器的环境温度，变压器油压检测器、变压器油压临界压力检测器、变压器油压极限压力检测器分别检测变压器的油压力、临界压力和极限压力，变压器缺相检测器检测各相的运行状态，变压器输入/输出功率百分比检测电路检测变压器的输入/输出功率；保护电路的输出端连接负荷控制开关的控制端；通过测量变压器内的油温、环境温度、油压及各相电信号，监测变压器的整体运行情况，当变压器中的油温升、油压或缺相异常时，对变压器的负荷开关进行分断并报警，将异常状态上传用户端。
将变压器智能综合操控装置安装于干式变压器或箱式变电站内，电参量采集电路的输入端连接变压器的高电压端或低电压端、输出端连接处理控制电路的一个输入端；现场检测电路的温度检测器、湿度检测器分别检测变压器的温度和湿度；变压器输入/输出功率百分比检测器分别检测变压器的输入功率和输出功率，计算出百分比后送到处理控制电路的输入端；保护电路的异常状态处理器的输出端连接异常处理设备的控制端，风机控制器的输出端连接变压器风机的控制端；通过测量干式变压器内的绕组温度及各相电参量信号，监测干式变的整体运行情况，当干式变压器中温度、电压或电流、功率、频率、功率因数异常时，对变压器的负荷开关进行分断并报警，将异常状态上传用户端。
本发明具有以下突出效果：
1、实现终端设备的数字化、智能化、集成化、网络化。
由于本发明内含现场温度控制器、开关量输入输出检测、缺相保护、GSM通讯模块等，采用高速采样的DSP引擎进行数据处理及数据储存，因此能实现对数字化、智能化、集成化、网络化、集成化。
1)数字化：变压器的主体运行温度、环境温度及主体运行压力均通过采样计算后以数字量的形式给出，具有直观、准确的特点，并能够数据远传，为远方控制及调节提供数据基础。
2)智能化：现场的所有参数经设定后保存到EEPROM中，具有掉电记忆功能，方便、准确、可靠，取代传统的电位器设定功能。系统具有故障自诊断功能并能远传。由一体化的智能RTU取代传统的多模块的分体智能化，便于嵌入到原有的用电系统，价格低廉，可靠性高。
3)网络化：通信介质及规约多样化，具有RS232/RS485、有线MODEM，又有无线GSM、GPRS等通讯接口，终端可以通过INTERNET网络进行遥测、遥信、遥控、遥调。支持国际通用的MODBUS、PROFIBUS等开放式总线网络通讯协议，具有很强的开放性，便于组建用电自动化网络，又能与传统的用电网络兼容。
4)集成化：结构设计紧凑，温度及压力数据采集、开关量输入输出检测、缺相保护、远传通信等功能集成于一个智能化RTU完成，便于安装维护，大大减少二次接线。通过智能化RTU进行自动操作，实现系统的自动化，具有很强的向下兼容能力，便于与原有的系统进行组网，便于改造，降低运行成本。
2、采用RS485/RS422总线方式对外通讯之外的GSM无线组网技术、GPRS数据流实时监控技术、多站管理技术，利用网络进行远程通信管理，可以到达任意地点，保密性极强。监测与保护为一体，符合变压器无人职守和紧凑结构的设计要求。综合装置实现了变压器的集中监测、保护，形成真正无人值守的核心、构成智能化变电站。
1)、首次在变压器中引入温度、压力检测及缺相保护的概念，通过以上措施有效地提高变压器的可靠性，极大地延长变压器的寿命，有利于变压器的市场推广。
2)、采用高速的DSP芯片进行数据采集，保证数据的可靠性、准确度及实时性。
3)、数据的采样基本原理均为∑/Δ多重积分及傅立叶变换，直流量的采集结果具有更高的线性度。
4)、采用EEPROM芯片进行数据记录可以在下位机内保存一天的历史数据及报警、故障状态供用户通过上位机适时接收查询。
5)、上、下位机的数据交换手段不但有传统的RS485、有线MODEM通讯方式，还有无线的GSM短消息、GPRS数据流方式等先进的通讯方式。
3、本发明的结构独特，主要表面在如下三方面：1)温度、油压的检测及控制与缺相保护各自独立，避免缺相保护对温度、油压的检测的干扰，此举大大提高系统的可靠性。2)箱体采用金属外壳，能较好地抗电磁干扰、能较好地散热、能较好地抗振动，解决了长距离运输对箱体带来的破坏问题。3)箱体采用嵌入式结构，便于现场安装接线，节省安装空间，且安装于箱变体内，保持原有箱变的美观外表及紧凑的结构。监测与保护为一体，符合美式箱变欧无人职守和紧凑结构的设计要求。
4、可利用GSM或GPRS配网进行集群管理和控制，在同一地点可以同时实时监控多个变压器或多个变压器群，具有如下特点：
1)便捷的网络架构，安装简单、便利；
2)具有网络拓扑功能，系统扩展方便且费用低廉；
3)具有故障分析功能，自动分析故障类加及故障区间，并可自动处理与控制切调，有效缩小故障停电范围；
4)上位系统可用GRRS(或GSM)对时，整个系统有时钟同步功能；
5)上位系统可配置配网地理信息管理系统GIS；
6)价格性能比优，由于充分利用国家移动通讯的公共资源，与专用光纤网相比大大降低了配网自动化的系统价格；
7)系统的主要软件安装在中国移动通信网直接出处的Web服务器上，大大提高了系统的可靠性和运行速率；
8)瘦客户端：用户工作站的配置可大大减少，以IE浏览器的方式上网进行监控，不需长期在线，可在收到报警后上网监控，无地域局限
9)自动控制和重要电气参数可通过GPRS(或GSM)移动通讯相互直接传递数据，大大提高了通讯速率和可靠性
10)系统运行和维护方便。在任何地方、任何方式上网均可进行运行管理和维护。
【附图说明】
图1是本发明结构框图。
图2是本发明具体应用实例1的结构框图。
图3是本发明具体应用实例2的结构框图。
图4是本发明的显示电路、键盘扫描电路电气原理图。
图5是本发明的A/D转换电路、检测电路、存储电路和通讯电路的电气原理图。
图6是本发明的缺相检测电路的电气原理图。
图7是本发明的保护电路、电源电路及开关量检测电路电的气原理图。
图8是本发明的缺相保护选相电路电气原理图。
图9是应用本发明的网络结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例对本发明进行具体描述。
具体实施例1：
图1、图2、图4、图5、图6、图7和图8构成本发明的实施例1。
从图1可知，本实施例1由电参量采集电路1、现场检测电路2、处理控制电路3、显示及报警电路4、通讯电路5、保护电路6、存储电路7和电源电路8连接而成。从图2可知，现场检测电路2包括变压器主体油温检测器21、变压器运行环境温度检测器22、变压器油压检测器23、变压器油压临界压力检测器24、变压器油压极限压力检测器25、变压器缺相检测器26和变压器输入/输出功率百分比检测电路27，变压器主体油温检测器21、变压器运行环境温度检测器22和变压器油压检测器23为模拟量检测器、它们的输出端通过A/D转换器28连接处理控制电路3的输入端；变压器油压临界压力检测器24、变压器油压极限压力检测器25和变压器缺相检测器26为开关量检测器、它们的输出端各连接处理控制电路3的一个输入端；保护电路6的输出端连接负荷控制开关的控制端。
从图4可知，显示及报警电路4包括显示部分及键盘扫描部分；显示部分由译码器芯片74LS154、串行芯片74LS164和LED显示芯片连接而成；键盘扫描部分由片选芯片、若干个三极管和按键连接而成。该部分由CPU(89C55WD)驱动译码器74LS154工作，由74LS154作为LED显示的位选信号，在CPU驱动位选信号后，由串行芯片74LS164送该位LED的显示段码，这就是显示电路的工作原理。键盘扫描是利用中断发生器，在处理显示的同时CPU读取键值，再辅以复位电路，这就构成了变压器智能操控装置的人机界面的硬件部分。
图5包括模拟量A/D转换、开关量检测、E2PROM数据存储、时钟发生器及无线通讯模块。其中
A部分为模拟量A/D转换工作原理。模拟量包括：变压器输入/输出功率电信号检测，经信号切换开关切换后输入A/D转换模块，经A/D转换模块后将数字量输入至CPU89C55WD。油温度、环境温度及油压检测。油温度及环境温度经Pt100传感器检测后转换为模拟直流电压信号，油压经压力变送器检测后转换为模拟直流电流信号。经开关切换芯片4051后输入A/D转换模块，再由A/D转换模块转换为数字量输入CPU。
B部分为开关量输入部分原理图。该部分需与图7的原理图结合起来，经过隔离的开关量经过B部分的反相驱动电路输入CPU后，CPU可检测相应点的工作状态。其中PASA、PASB、PASC检测变压器是否存在缺相报警，Kin1、Kin2检测变压器油压是否超过极限压力或临界压力。
C部分为变压器智能操控装置的控制处理电路3。该电路采用单片机89C55WD完成信号处理及控制、显示、通讯、数据传送及记忆等功能。
D部分为两个串行方式工作的模块。一个为带写保护功能的E2PROM存储器24LC08，用于记忆历史数据及单片机运算过程中需要存放的数据。时钟芯片SD2000为内部自带锂电池的串行时钟芯片，用于产生记忆数据所用的时间。
E部分为通讯模块，该模块可以采用不同方式。本图仅举例GSM通讯，另外还可以采用RS485、RS422、RS232有线通讯(包括MODEM方式有线通讯)，还可以采用GPRS无线通讯模式。
图6为缺相检测电路。工作流程是：把变压器电压信号输入装置内经互感器转换后整流、滤波再经运放放大，与一个电压值比较，当外部电压输入值低于表内电压值时，经硬件比较后判定为缺相，此时即可由CPU作出相应处置。
图7包含外部控制信号输出、电源模块、开关量输入，其中A部分是由图5部分的CPU驱动的继电器控制输出部分原理图。该部分先经过光耦隔离后，再经过阴容延时输出控制继电器，继电器节点信号提供油温超温报警、压力临界报警、压力极限报警等功能。
B部分为电源模块。电源输入后经开关电源，产生VCC-GND，+9V-AGND，+24V-G24，+10V-GBB几组电源供变压器智能操控装置不同模块使用。C部分为开关量输入信号。开关量经隔离后输入CPU用于检测油压状态。
图8是与图6部分结合使用的。在图6部分进行变压器电压信号与智能操控装置内某一可调的固定电压值比较后，在经过一系列的硬件逻辑运算后，产生的电平信号经过隔离后驱动相应的缺相保护继电器节点输出。
本实施例的工作原理如下：
1、将变压器智能综合操控装置安装于组合式变压器(美式箱变)内。实时采集变压器高或低压侧的电信号(电压、电流信号)，采集计算出电压、电流、有功、无功、频率、相角功率因素等电参量，然后确定变压器的实时负载情况，计算它此时的理论温升；通过油温检测和环境温度检测得出实时的油温升，然后比较实际油温升和理论油温升，判断油温升是否异常，向用户发出报警信号或向用户端发出跳闸信号分断高压油浸负荷开关。另外：
当油温升达到临界时，CPU通过通讯电路5向用户端发出报警信号。
当油温升达到极限油温升时，CPU通过保护电路6向用户端发出跳闸信号分断高压油浸负荷开关。
2、CPU通过检测电路检测箱变油压的开关量信号
当油压达到临界压力时，向用户端发出报警信号。
在油压达到极限压力时，向用户端发出跳闸信号分断高压油浸负荷开关。
3、缺相检测
当某一相发生缺相或电压偏低时，分断负荷控制开关。
同时，当以上三项中某一项发生时通过通讯电路5，通知用户变压器出现的异常状态，以便派人较快到现场维护。
4、变压器功率因数检测
变压器在正常工作时，其输入功率与输出功率是在一定的百分比范围内变化的，当变压器铁芯绝缘和绕组绝缘受损时，由于内部损耗较大，导致输入/输出功率百分比超出正常范围，装置通过检测该百分比可以预先侦测变压器是否有内部击穿的可能，可以通过预先报警令客户对变压器进行有效维护。通过以上措施，能有效地了解变压器的工作状态并对变压器的异常状态能实时了解从而作出相应保护措施，能降低箱变的故障率并延长箱变的使用寿命。
具体实施例2：
图1、图3、图4、图5、图6、图7和图8构成本发明的实施例2。
从图3可知，本实施例的特点是：现场检测电路2包括温度检测器29、湿度检测器30和变压器输入/输出功率百分比检测器31，温度检测器29、湿度检测器30的输出端通过A/D转换器32连接处理控制电路3的输入端；变压器输入/输出功率百分比检测器31分别检测变压器的输入功率和输出功率，计算出百分比后送到处理控制电路3的输入端；保护电路6包括异常状态处理器61和风机控制器62，异常状态处理器61的输出端连接异常处理设备的控制端，风机控制器63的输出端连接变压器风机的控制端。
所述的温度检测器29、湿度检测器30和变压器输入/输出功率百分比检测器31采用常用的相关检测器，A/D转换器32主要由常用的A/D转换芯片构成，异常状态处理器61和风机控制器62分别由常用的控制电路构成。
本实施例应用于干式变压器或箱式变电站中，其工作原理是：
1)采集变压器高或低压侧的电信号(电压、电流信号)，采集计算出电压、电流、有功、无功、频率、相角功率因素等电参量，在某一参量超出用户设定值时，向用户发出报警信息，使用户对现场状态有正确了解。
2)采集变压器的绕阻温度信号，当变压器内绕阻温度高于用户设定值时起动风机以降温，当变压器绕阻温度超过极限值时，装置将发出超温跳闸信号并分断变压器负荷开关。
3)检测变压器输入/输出功率百分比，监测变压器是否有发生内部击穿的异常状态并报警。
4)以上异常状态装置均会向用户了出报警信息。
本发明是一个一体化的嵌入式装置。它可以安装于组合式变压器(美式箱变)、干式变压器、箱式变电站等电气产品的内部，或变压器本体。通过测量变压器电气产品中各种不同的运行参数，对变压器电气产品的运行状态进行实时监控，当变压器被测电气产品运行状态异常时，向用户发出报警信息并作出相应的故障处理控制。