摘要：随着经济的飞速发展，整个社会电力需求量不断增加，电力系统始终处于高负荷运转状态，一旦出现事故或者中断现象，势必给整个社会生产造成巨大影响。在当前信息技术蓬勃发展的情况下，实现电力一次设备智能化设计，有助于确保电力系统的安全可靠运行。因此文章先简要分析智能变电站的基本定义和特性以及变电站一次设备智能化的特点，最后以智能化变压器油位计的设计为例进行分析。
关键词：电力一次设备；智能化；设计
智能变电站是具有环保、先进、稳固、集成、节能等高级应用功能的现代变电站，智能变电站作用的发挥有利于提升电力生产和使用效率。以智能变电站基本定义和主要特性为切入点，切实做好电力智能化设备应用，深入挖掘能力优势。
一、智能变电站基本定义和特性
现代智能变电站具备先进、节能、环保、稳固等特点，它具有高级应用功能，充分利用了网络信息平台，进行数据收集、输送和维护检测等等，网络技术的应用还结合实际需求，实现电网智能化调节、在线分析决策、实时自控等高难度的应用。智能变电站的重要特性表现在以下几个方面: 一次设备智能化、信息交互准确化、系统高度集成化、分析决策在线化、保护控制协同化。性能较为完善的变电站设备为变电运行创造了坚实的基础，正因如此，综合分析与自动协同控制能力已经成为变电站智能化最为重要的标志之一，也是数字化信息设备不断发展的成果，智能化实现了设备功能的集成，增加了设备应用性能。
二、变电站一次设备智能化
一次设备与二次设备共同组成了变电站设备，一次设备主要有断路器、变压器、母线及互感器等几部分构成，二次设备包括自动化系统、辅助系统，以及智能组件等部分。在一次设备的智能化上能充分体现变电站的智能化，一次设备的智能化是以较为精准的信息接口为基础，进一步实现信息保护、自动调节和状态监控等方面应用为一体，做好智能电网中的信息应用，实现对电力系统任务的集中控制工作。变电站的一次设备智能化，已经拥有了较为完善的自我运行监控调节系统，实现自我调节运行功能，能够对一次设备实际运行状态中存在的故障实施有效监控，准确的掌握运行故障的具体源头与程度，为电气设备维修人员在检修工作上提供准确的数据支持。在智能化一次设备上，电网往往具有较大的灵活性，基于此种特性，可以在大规格间隙发电与分布式发电中接入。
三、实例分析
（一）设计思路
电力系统主变压器油位计是用于指示主变压器储油柜中油量的仪表，目前，电力系统中的主变压器油位计普遍采用机械式仪表，机械式油位计存在不便于精确测量、输出为非电量信号、线性度较差等缺陷，不能够满足电力系统向数字化、智能化和信息化的方向发展。变压器智能化油位计是在主变压器储油柜的出油口安装精确度较高的压电传感器，将油位高度压力信号转换为电信号，通过数据采集处理终端对电信号进行高精度数字化处理，进行实时的智能化分析，做出高油位和低油位的判断，并将结果进行本地显示和远程传输。变压器智能化油位计作为嵌入式控制系统，其结构分为硬件和软件两部分，系统结构采用模块化设计思想。
（二）硬件系统设计
1.微控制器
油位计应遵循体积小、功耗低、可靠性高和性能高的特点。而 C8051F350 微控制器是美国 Silicon Laboratories 公司推出的完全集成的混合信号系统级微控制器，因此，C8051F350微控制器是本设计的最佳选择。
2.电流电压转换模块
采用陶瓷式压电传感器，为了提高油位计对主变压器周围的强电磁干扰，因此陶瓷式压电传感器的输出选用标准电流模式为4～20m A。C8051F350 微控制器的工作电压范围为2.7～3.6V，内部集成的 24 位 A/D 转换器的参考电压需要外部提供，因此参考电压选用具有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源 TL431。
3.报警输出模块
驱动采用低压驱动 N 沟道增强型 MOSFET AO 3400A，AO3400A 在抵达 2.5V 的门极驱动电压下，导通电阻仅有 48mΩ，最大电流可达 4.7A，封装为 SOT-23 贴片封装，由其构成的驱动器性能远非其他驱动电路所能比拟。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这样可以使用 C8051F350 微控制器的 I/O 口直接驱动 AO 3400A，既简化了驱动电路的设计，又提高了其抗干扰能力。为了使报警信息明确，故分别用两组继电器，每组各两路 I/O 口作为超高报警和超低报警。
4.信息显示模块
油位计显示内容包括油位比值信息和油位状态信息，为了便于用户使用采用中文显示，同时为了节省 I/O 口资源，故显示器采用具有串行通信接口，集成中文字库，显示内容为 16字符×2 行，白底黑字，带背光的 LCD12232ZA 液晶显示器。
5.系统电源模块
油位计电源部分需要为陶瓷式压电传感器、液晶显示器和报警输出继电器以及 C8051F350 微控制器供电，变压器输出的交流电压经整流后要大于 12V，因此，T1 选用输入 220V、输出 12V 的 10W 变压器，经全桥整流后的输出电压为 12×1.414-1×2≈15V。
（三）软件系统设计
1.系统初始化模块
本系统的微控制器初始化包括系统时钟初始化、I/O 口初始化和 A/D 转换器初始化。系统时钟初始化是实现内部时钟源的选用配置、时钟频率的 PLL 值配置，进行振荡器稳定工作的判断工作。I/O 口初始化实现将 P1 口配置为推挽输出。A/D转换器初始化实现 ADC 外部参考电压源的选择配置、可编程增益放大器放大倍数的配置、输入缓冲器的配置、调制器时钟的配置、差分输入的配置和启动 ADC。
2. A/D 转换模块
C8051F350 微控制器内部集成的高精度 24 位 A/D 转换器使用时必须按要求的顺序和程序进行。A/D 转换数据读取过程是：启动 A/D 转换后，等待 A/D 转换完成，当 A/D 转换完成后，依次读取 A/D 转换完成后的最高八位、中间八位和最低八位转换结果数据，最后，将其转换成十进制数。
3.信号数字滤波模块
由于油位计的工作环境恶劣，电磁干扰严重，再加之 ADC转换器的精度非常高，这些因素都导致了每次 A/D 转换的结果有一定的差异。为了使 A/D 转换结果既具有高的精度又具有一定的稳定性，在此采用取中间值平均法进行数字滤波方法，经实验检验，其效果超过预期。
4.油位信息分析模块
油位信息经 A/D 转换和信号数字滤波后的数值并不是油位的具体数据，油位值还需要根据陶瓷式压电传感器的零位数值、A/D 转换的参考电压、零油位值对应的数值进行计算和校正。
5.油位报警判断模块
油位计的油位报警功能是其非常重要的功能之一，当油位计的油位高度值确定后，为了与传统的机械式油位计的指示兼容，还需要将其转换成相对高度值，这样也便于进行异常液位报警判断。
6.油位信息与报警状态显示模块
传统的机械式油位计信息通常位于主变压器的储油柜上，对其进行夜间观察难度较大和精准度也较低。为了克服传统的机械式油位计的缺点，本油位计的显示采用显示信息量丰富且便于观察的 LCD 液晶显示器进行显示。
总之，社会经济快速发展，加快了时代文明的步伐。先进科学技术手段在电力系统的应用也促进了电力企业一次设备的智能化发展。文章中的变压器智能化油位计具有测量精度高，超高状态报警和超低状态报警，便于读取当前液位信息和状态的优点，是电力一次设备智能化设计的重要表现。
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论文作者:邓彬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/10
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