一种基于PIC单片机的变压器绝缘油在线监测系统的制作方法

本实用新型涉及变压器绝缘油监测领域，具体是一种基于PIC单片机的变压器绝缘油在线监测系统。

背景技术：

变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行，变压器一旦发生故障，将可能造成巨大的损失。从电力变压器事故分析来看，很多事故是局部故障扩大引起的突发事故，但目前对设备运行状况的判据依赖于预防性试验，由于预防性试验周期长，现行的预防性试验项目对绝缘的发展性故障反应不灵敏，发展速度在几天到几周的局部缺陷往往不能及时发现，而这种局部缺陷在几周内扩大造成的事故在变压器事故统计中占较大比例。变压器油作为液态绝缘材料参与高压电器的长期运行，在光、热、金属、电磁场及各种杂志的作用下会产生质的变化。且变压器油中微水含量会因为设备受潮、绝缘材料分化降解以及油质劣化等因素的影响而提高。当绝缘油中微水含量超过一定的阈值时，设备的绝缘性能将大大降低，严重时可能导致绝缘击穿、烧毁电气设备等重大事故。同时变压器绝缘油中溶解的气体对变压器造成的伤害也是非常大的。因此，变压器油中微水含量以及溶解气体的检测是变压器设备安全稳定运行的重要保障。

针对变压器绝缘油监测这一问题，目前使用较多的就是离线监测方法，但是离线监测需要在变压器设备停运时进行各种试验检测，这种方法不能被大范围使用。后来随着科学技术的发展，人们设计出电力变压器设备在线监测技术。一种是实时带电测量，这种方法是对电力设备的某些绝缘参数进行监测，所采用的设备和仪器大多是机械式和模拟式的，但是这种技术测量项目较少，系统灵敏度不够高，应用范围不够宽，没有实现大规模的普及和应用。随后，很多国家通过研究使用气相色谱仪分析自由气体同时分析油中溶解气体，便于发现早期故障。但是这种方法只是采用气相色谱仪技术，需要定时抽取油样，在实验室进行分析，试验时间长，不能实现在线连续监测。因此，研究新一代的变压器油在线监测装置对电力变压器的安全运行具有无比重要的意义。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于PIC单片机的变压器绝缘油在线监测系统，利用PIC单片机控制技术，通过传感器检测到的变压器绝缘油中温度、湿度、溶解气体各组成含量等信息，汇总到控制模块，并且通过液晶显示屏和键盘实现与现场检测维护人员的人机信息交互，实时对变压器绝缘油进行在线监测。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于PIC单片机的变压器绝缘油在线监测系统，包括气体检测模块、微水检测模块、油温检测模块、A/D采样模块、PIC控制模块。

所述气体检测模块、微水检测模块、油温检测模块分别连接PIC控制模块，PIC控制模块与下位机连接，下位机通过通讯模块与上位机连接；

所述气体检测模块包括多个气体传感器，多个气体传感器通过A/D采样模块连接PIC控制模块的输入端；

所述微水检测模块包括湿度传感器，湿度传感器通过A/D采样模块连接PIC控制模块的输入端；

所述油温检测模块包括铂热敏电阻传感器，铂热敏电阻传感器通过A/D采样模块连接PIC控制模块的输入端；

所述PIC控制模块分别连接液晶显示屏模块、按键模块、报警模块。

所述PIC控制模块包括主控芯片、EEPROM芯片、SRAM芯片、时钟芯片，所述主控芯片、EEPROM芯片、SRAM芯片、时钟芯片分别连接电源模块。

所述A/D采样模块连接信号滤波调理模块。

该系统包括串行通讯电路，串行通讯电路包括串行外围芯片SPI接口、USART模块。

所述气体传感器为MQ8气体传感器。

所述主控芯片为PIC18F96J60单片机。

所述电源模块包括MC34063直流-直流变换器、LDO芯片，MC34063直流-直流变换器用于提供5V电源，LDO芯片用于输出3.3V电源。

本实用新型一种基于PIC单片机的变压器绝缘油在线监测系统，利用PIC单片机控制技术，通过传感器检测到的变压器绝缘油中温度、湿度、溶解气体各组成含量等信息汇总到PIC控制模块，并且通过液晶显示屏模块和按键模块，实现和现场检测维护人员的人机信息交互，实时对变压器绝缘油进行在线监测。全过程自动进行，自动化系数高，而且具有针对性，安全可靠，安装方便。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2（a）为本实用新型系统的5V电源电路图；

图2（b）为本实用新型系统的3.3V电源电路图；

图3为本实用新型的时钟电路图；

图4为本实用新型的ICSP接口电路图；

图5为本实用新型的复位电路图；

图6为本实用新型的晶振电路图；

图7为本实用新型的EEPROM电路图；

图8（a）为本实用新型的RS232异步通讯电路图；

图8（b）为本实用新型的RS485异步通讯电路图；

图9（a）为本实用新型的电流传感器信号调理电路图；

图9（b）为本实用新型的电压传感器信号调理电路图；

图10为本实用新型的显示驱动电路图；

图11为本实用新型的报警实现控制电路图；

图12为本实用新型的网络连接原理电路图；

图13为本实用新型的控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于PIC单片机的变压器绝缘油在线监测系统，包括气体检测模块、微水检测模块、油温检测模块、A/D采样模块、PIC控制模块，所述气体检测模块、微水检测模块、油温检测模块分别连接PIC控制模块，PIC控制模块与下位机连接，下位机通过通讯模块与上位机连接。

所述气体检测模块包括多个气体传感器，多个气体传感器通过A/D采样模块连接PIC控制模块的输入端。

所述微水检测模块包括湿度传感器，湿度传感器通过A/D采样模块连接PIC控制模块的输入端。

所述油温检测模块包括铂热敏电阻传感器，铂热敏电阻传感器通过A/D采样模块连接PIC控制模块的输入端。

所述PIC控制模块分别连接液晶显示屏模块、按键模块、报警模块。

所述PIC控制模块包括主控芯片、EEPROM芯片、SRAM芯片、时钟芯片，所述主控芯片、EEPROM芯片、SRAM芯片、时钟芯片分别连接电源模块。

所述A/D采样模块连接信号滤波调理模块。

该系统包括串行通讯电路，串行通讯电路包括串行外围芯片SPI接口、USART模块。

所述气体传感器为MQ8气体传感器。

所述主控芯片为PIC18F96J60单片机。

所述电源模块包括MC34063直流-直流变换器、LDO芯片

如图2（a）所示，为本实用新型系统的5V电源电路图，主要功能是为系统硬件电路板提供可靠的电源输出。在本实用新型中，因为PIC18F96J60单片机要使用两组稳压直流电源，因为系统的I/O输入输出供电电源为5V，内核及片内外设供电电源为3.3V，所以本实用新型为直流5V的应用系统。FI为电流最大值为500mA的可恢复熔断器，避免系统因出现短路故障时造成器件过流损坏，该熔断器在断电后可恢复正常的通流和保护功能。D1、D2、D3、D4四个二极管组成全桥回路形式，保障P-CON外接电源在正接和反接情况下均能为系统提供正确的电源形式。系统输入电源模块采用MC34063直流-直流变换器，是一款单片双极线性集成电路，片内含有温度补偿带隙基准源，占空比周期可调控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，通过降压变换电路并将电压调整到5V，为系统硬件电路板提供可靠的电源输出。

如图2（b）所示，为本实用新型系统的3.3V电源电路图，主要功能是为系统中的PIC18F96JH60微处理器、EEPROM芯片、SRAM芯片以及时钟芯片供电。系统获得5V电压后，再使用低压差电源芯片稳压输出3.3V电压，该LDO芯片采用LM1117MP-3.3芯片，其具有输出电流大、输出电压精度高以及稳定性好等突出特点。

如图3所示，为本实用新型系统的实时时钟电路图，系统采用DALLAS半导体公司生产的高精度实时时钟芯片DS1302，该芯片可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。其内部带有用于临时存放数据的RAM寄存器，可以和微处理器采用串行同步通信方式也可以采用突发方式一次传送多个字节，同时采用主电源后和后背电源双引脚连接，可以为后备电源进行涓细电流充电能力。该芯片严格要求采用32.768KHz频率的晶振，频率误差会导致芯片工作时钟出现偏差按手册要求选定并联电容值和连线方式。

如图4所示，为本实用新型系统ICSP接口电路图，图中ICSP接口上的信号nMCLR与本发明的复位电路连接，形成线与的关系，达到共同控制系统复位的目的；

如图5所示，为本实用新型系统的复位电路图，主要作用是完成系统的复位功能；

如图6所示，为本实用新型系统的晶振电路图，在本实用新型系统中，选用使用频率为25MHz的外部晶振。该处理器新增的以太网模块需要一个稳定的25MHz的外部晶振输入。由于PIC18F系列单片机OSCI和OSC2引脚之间内部集成了并联电阻RF，用户仅需要考虑外部晶振串接电容C8、C9电容值的问题。电容值取值越大，振荡器的稳定性越高，但同时起振时间会变长，根据系统VDD和应用工况，选定电容值为33PF。

如图7所示，为本实用新型系统SPI方式的EEPROM电路图，EEPROM用于存放系统初始化信息、用户设定的现场监测参数以及异常情况下监测时间及关键检测数据的记录等系统掉电后信息的及时保存。

所述通讯模块采用RS232异步通讯模块或者RS485异步通讯模块。

所述上位机采用PC机，下位机采用带液晶显示屏的计算机。

如图8（a）所示，为本实用新型的RS232异步通讯电路图，主要用于硬件系统通讯功能调试和硬件电路与通用计算机简单数据传递时使用，方便硬件系统的编程调试和维护。

如图8（b）所示，为本实用新型的RS485异步通讯电路图，由于采用平衡驱动器和差分接收器组合的方式，具有较好的噪声干扰能力，可以实现小规模变压器监测网络的建设，做为基于以太网通讯方式的有力补充。

如图9（a）所示，为本实用新型电流传感器信号调理电路图，本实用新型系统硬件系统的A/D采样模块按照可编程采样周期采集范围为VREF-~VREF+间的电压，并将电压信号转换成相应的十位数字信号。模拟参考电压的选择可由软件选择为器件正负电源或由RA3和RA2引脚间接入的电压确定。本实用新型系统对传感器信号进行数模转换前的调理电路进行了设计。在电路图中，传感器信号首先经R24分压作用，在信号输入点转换成电压信号。后经R23和C12组成的低通滤波回路，有效滤除由信号中混叠的高频噪声信号，后经高精度运算放大器LM358跟随放大，输出去到单片机A/D接收引脚，即图中IN-TEMP信号。

如图9（b）所示，为本实用新型的电压传感器信号调理电路图，接入的弱电压信号首先经过初级滤波送入远方同相输入端，即保证与反向输入端电阻构成跟随放大电路，同时可以满足线路高阻抗匹配特性，有效滤除电压噪声干扰。

传感器的信号滤波调理模块和单片机的A/D采样模块，共同完成了原始数据采集和数字滤波，是监测系统获取有用信息和正确开展分析诊断工作的基础。

如图10所示，为本实用新型系统的显示驱动电路图，本实用新型系统的液晶显示屏模块采用8位数字信号并行传输模式，BLA和BLK端分别输入液晶显示背光点亮模块的正极和负极。考虑到现场监测人员多数情况下无法实现近距离观测数据，常态下应该保证实现系统无操作十分钟后自动关闭液晶显示屏的功能。该功能通过由单片机IO引脚控制BLA端电平的高低变化来实现。

如图11所示，为本实用新型报警实现控制电路图，本实用新型硬件部分通过在PIC18F96J60单片机内部集成简单的故障判断算法，可以实现对现场检修维护人员的报警提示，控制信号由单片机通用IO引脚发出，通过导通三极管基极，控制三极管导通，电流放大以驱动报警器作用。

如图12所示，为本实用新型的网络连接原理电路图，本系统选用PIC18F96J60单片机实现简单的基于内部集成TCP/IP协议栈的网络通信功能实现方式，网络接口选用内部集成网络滤波器和RJ45接口的HR911105A模块。该模块兼容IEEE802.3ab，高品质的电磁抗干扰性能。PIC18F96J60器件提供一个四脚的以太网模块专用信号接口，这些引脚是双绞线差分信号正向输入TPIN+、双绞线差分信号负向输入TPIN-、双绞线差分信号正向输出TPOUT+和双绞线差分信号负向输出TPOUT-，这些引脚不与单片机其他外设功能复用，彻底避免了潜在的器件配置冲突问题。模块中TPIN+/TPIN-和TPOUT+/TPOUT-引脚直接连接用于以太网操作的1:1中心抽头脉冲变压器，保证在使能以太网模块时，两个TPOUT引脚会有持续的电流输入，而在PUY模块在发送数据时，可以改变TPOUT+和TPOUT-的相对电流大小，使以太网电缆产生一个差分电压。

如图13所示，为本实用新型系统的流程图，硬件监测系统开机运行开始后，首先进行模块初始化操作，主要包括控制端口初始化、基本功能初始化以及扩展功能初始化。系统监控参数初始化阶段主要完成与系统当前监测的变压器及测试环境有关的用户定制化参数，这些参数由系统最初调试过程中测试确定下来，并保存系统扩展EEPROM中或者单片机内部的数据EEPROM当中，当系统模块初始化完成后，通过获取相应存储单元中的参数来为系统监测数据处理提供运算参数。完成监测参数的初始化过程后，即可开始进行监测操作。在单片机中TMR0定时器中断响应程序中设定相关标识变量，TMR0定时一定时间后触发中断响应程序中标识变量自减一次，当标识变量值变为零的时候进行成组的A/D模块动作，根据采样获得电压值和监测参数来计算当前状态下各监测物理量的量值，本系统中主要是变压器油中故障特征气体各组分浓度值、变压器油中微水含量值及当前变压器油中采样点温度值。根据系统检测得到的特征气体浓度信息、油中微水量信息等，采用简单算法初步判断各个特征量数值是否超过监测参数中的相应含量的监测阈值，如果低于该阈值则表明当前变压器工作状态良好，不存在明显故障问题，通过下位机的液晶显示屏输出显示并通过外接通讯端口将数据传递给上位机PC端监测软件系统。如果监测结果中存在超过相应阈值的数据结果，则需要调用硬件系统的故障初步判断方法进行简单诊断，同时为满足故障发生历史数据回查的要求，将超标参数和该情况下发生时间存储到系统外扩EEPROM中。超出阈值和初步故障诊断结果通过下位机液晶显示屏显示报警或者直接驱动报警器动作，同时也要通过外接通讯端口送至上位机远程监测软件。一个监测周期结束后，由上位机通信数据确定是否存在监测参数的修改等操作，若无任何参数更改或关机停止等指令，则继续循环等待A/D转换开始标识变量的启动指令。