電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)設(shè)計說明書第一章 緒論1.1選題背景和意義1.1.1 選題背景電力電纜就是在城市地下敷設(shè)的輸電電纜，是國家電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施最重要的組成部分之一；隨著我國城市化進程的加速，電力電纜的覆蓋率和資產(chǎn)規(guī)模正在以空前的速度增加。以成都市為例，到目前為止：220kV電纜已有15回，總長73.75千米；110kV電纜107回，總長263千米；35kV電纜39回，總長32千米；10kV電纜399回，總長963千米。為保證龐大的網(wǎng)路的安全、可靠、智能地運行，人工巡檢方法和常規(guī)的監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)無法勝任；為滿足這一顯著的需求，一些新型的傳感檢測設(shè)備被開發(fā)并且開始應(yīng)用于電力電纜的在線狀態(tài)監(jiān)測，包括

2、：DTS分布光纖溫度溫度傳感器：通過背向散射原理，可以檢測到一根長達幾千米到幾十千米光纖的溫度分布，采樣點距離可達到1.0m至2.0m，最小檢測周期可達10s。將該測溫光纖沿電纜長度方向布置，則可以獲得電纜的長度方向上的溫度分布。光纖本身有石英制成，具有極佳的電磁惰性。就這些技術(shù)特征和最近幾年的實踐看，DTS已被證實是目前火警、電纜溫度異常、電纜熱負荷在線監(jiān)測的最佳手段。分布式局部放電在線檢測器：采用高頻數(shù)據(jù)采集卡檢測電纜附件的屏蔽電流高頻部分或超聲波信號，提供電纜絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測的基礎(chǔ)條件。與傳統(tǒng)的傳感器不同，它們的實時輸出的狀態(tài)變量不是由一個或幾個模擬量構(gòu)成，而通常是一個長度很大的模擬量

3、序列構(gòu)成，稱為大數(shù)組輸出；以DTS為例，檢測10千米電纜的分布溫度，按照1.0m的采樣空間，每次的檢測輸出為一個長度為10,000的浮點數(shù)組?；谶@些數(shù)組輸出，一些功能強大但也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜的算法被開發(fā)用于分析和透視蘊含在這些龐大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息；如一種稱為動態(tài)載流量DCR算法可根據(jù)持續(xù)輸入的電纜表面分布溫度（由DTS提供）和回路負荷電流，實時地計算電纜線芯溫度（電纜線芯溫度是電纜負荷安全狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，其許用值為90C）和計算短時許用電流；另一種算法成為電纜載流量專家系統(tǒng)，可基于歷史的電纜表面溫度和負荷電纜信息，計算電纜中長期的安全負荷電流。目前現(xiàn)有的電力監(jiān)測監(jiān)控體系無法有效支持以上應(yīng)用；表現(xiàn)在：

4、在變電站自動化系統(tǒng)中，現(xiàn)有的通訊協(xié)議不能有效傳輸大數(shù)組，SCADA數(shù)據(jù)庫設(shè)計不能實現(xiàn)對這些大數(shù)組的輸入輸出和存貯，現(xiàn)有體系在集成復(fù)雜算法方面考慮甚少，等等；另外，現(xiàn)有的電力監(jiān)控系統(tǒng)和本文的電纜在線監(jiān)測在功能需求上有很大的差別：前者實時監(jiān)控關(guān)鍵電網(wǎng)變量，執(zhí)行保護操作，要求高度可靠、快速、簡潔；而后者對實時性要求不高(10s)，處理的主要是非電狀態(tài)量，其輸出主要是PC機界面上豐富的信息、短消息報警等，基本上不要求輸出執(zhí)行。目前，北京、上海、成都、廣州均在開發(fā)和建設(shè)這種電纜電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)諸多問題：如是否或多大程度上將算法嵌入在檢測設(shè)備上（以減輕上位機的計算負荷和復(fù)雜性）、現(xiàn)場設(shè)備向

5、中心設(shè)備怎么通訊、數(shù)據(jù)庫保存什么數(shù)據(jù)（原始大數(shù)組、中間數(shù)據(jù)還是計算結(jié)果）、怎么為整個系統(tǒng)分層、復(fù)雜算法部署在哪一層、提供怎么樣的用戶終端形式（一個主監(jiān)測中心視圖還是WEB發(fā)布）、擴展性和兼容性怎么設(shè)計、等等。歸根結(jié)底是怎樣解決復(fù)雜性、可靠性之間的矛盾。顯然，根據(jù)電纜在線監(jiān)測應(yīng)用的特征，結(jié)合目前的工程實踐經(jīng)驗，設(shè)計和開發(fā)一個有效的系統(tǒng)方案和理論體系已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急的任務(wù)。1.1.2研究意義智能電網(wǎng)的建設(shè)已列為國家電網(wǎng)“十二五”的核心工作任務(wù)；智能電網(wǎng)的的基本特征為：使用健全的雙路通信、高級的傳感器和分布式計算機，改善電力傳送的使用的效率、可靠性和安全。一個設(shè)計良好的電纜電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)

6、可為智能電網(wǎng)提供一個可以有效響應(yīng)動態(tài)負荷需求、高度可靠的輸配電物質(zhì)環(huán)境。特別地，具有以下功效：實時的動態(tài)負荷能力，有效提高電纜資產(chǎn)的利用效率；可靠的在線狀態(tài)監(jiān)測，有效預(yù)防故障和降低運行成本。本文研究將為目前在建的和未來的電纜電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)的項目提供設(shè)計指導(dǎo)和行動指南，解決實際工程問題，縮短項目周期，并為相關(guān)行業(yè)（設(shè)備制造、軟件系統(tǒng)開發(fā)、集成、服務(wù)等）提供技術(shù)路線圖，創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。從技術(shù)本質(zhì)上看，這些型新傳感器和復(fù)雜算法的在技術(shù)快速進步的今天出現(xiàn)具有必然性，事實上提出了一個具有廣泛意義和價值的工程問題，可以抽象為：以怎樣的方法集成先進硬件和軟件，以達到最佳的智能監(jiān)測的目的。因

7、此，通過本課題的研究，可以為其它大規(guī)模的智能監(jiān)測（如智能電網(wǎng)的其它監(jiān)測系統(tǒng)、交通監(jiān)測管理、地球環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)）提供理論參考。電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)設(shè)計說明書第二章 電力電纜監(jiān)測相關(guān)理論2.1引言 對于電力電纜的敷設(shè)，通常存在著多種敷設(shè)方式，常用的有排管敷設(shè)、直埋敷設(shè)、電纜隧道敷設(shè)、電纜溝敷設(shè)等，在這些敷設(shè)方式中，以直埋敷設(shè)的方式應(yīng)用最為廣泛。由于電纜大多敷設(shè)于地下，使得對電纜故障的檢測和解決不能直接進行。傳統(tǒng)的檢測基本以離線方式為主，需要斷電之后檢測人員攜帶儀器進行檢測。這種方式不僅需要多個檢測水平較高的技術(shù)人員，消耗的人力物力較大，而且其檢測過程會受到電纜敷設(shè)環(huán)境等多方面因素的影響。為

8、了解決這種難點，近年來有著很多帶電檢測的新技術(shù)和方法出現(xiàn)。這些方法能夠同歸對電纜絕緣的下降情況進行判斷并提前預(yù)警，實現(xiàn)事前預(yù)防的作用。現(xiàn)階段，在線帶電檢測的方法常用的主要有直流分量法、直流疊加法等。2.2監(jiān)測任務(wù)介紹（1）電纜接頭（表皮）溫度在線監(jiān)測電力電纜中間接頭制作質(zhì)量不良、壓接不緊、接觸電阻過大，長期運行造成電纜頭過熱燒穿絕緣層，導(dǎo)致火災(zāi)，影響供電造成事故。通過接觸式（或者紅外線溫感模塊）溫感模塊（根據(jù)用戶所需監(jiān)測電纜數(shù)量安裝不同數(shù)量模塊）的對重點部位實時在線監(jiān)測，當(dāng)溫度異常時即刻報警，上傳實時數(shù)據(jù)起到過熱預(yù)警數(shù)據(jù)分析功能，及時發(fā)現(xiàn)并消除發(fā)熱造成的隱患，避免事故發(fā)生。（2）可燃氣體、有害

9、氣態(tài)在線監(jiān)測針對井溝內(nèi)容易產(chǎn)生有害氣體、可燃氣體（或燃氣井泄漏氣體串井）在線監(jiān)測，對氣體含量濃度進行分析評估，當(dāng)井溝內(nèi)有害氣體、可燃氣氣體值超出設(shè)定安全范圍值時及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警，避免重大爆炸事故或傷人事故發(fā)生（檢修人員下井溝巡檢）。（3）環(huán)境溫濕度在線監(jiān)測有效地對設(shè)備運行環(huán)境溫度濕度、井溝內(nèi)水位進行實時監(jiān)測，上傳有效數(shù)據(jù)。管理人員對井溝環(huán)境狀況及時了解，方便調(diào)度管理。（4）火災(zāi)探測儀（感煙）監(jiān)測在線監(jiān)測電纜井溝內(nèi)煙霧及火焰的產(chǎn)生，第一時間掌握電纜井溝內(nèi)火災(zāi)發(fā)生，及時報警預(yù)防造成重大的事故。2.3 DTS和載流量計算介紹2.3.1 分布式光纖溫度傳感技術(shù)這種技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，是一種新型的

10、測溫技術(shù)，由于信息是在光信號的基礎(chǔ)上傳送的，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)于能夠不受電磁干擾。從工作原理的角度來看，可以將光纖溫度傳感器分為傳輸型和功能性兩種。傳輸型光纖溫度傳感器中光纖只對光信號進行傳輸，而功能型傳感器則能夠在傳輸光信號的同時傳輸溫度信息和光纖感應(yīng)信息?，F(xiàn)階段，應(yīng)用較廣的光纖溫度傳感器主要包括光纖光柵、光纖溫度、光纖熒光、干涉型光纖溫度傳感器，其中光纖光柵溫度傳感器和光纖溫度傳感器應(yīng)用最為廣泛。早在1981年，英國南安普頓大學(xué)就提出了分布式光纖溫度傳感器。在光纖傳送中，激光的反射光主要分為以下幾種：拉曼散射(Raman scatter)、瑞利散射(Rayleigh scatter)以及布里淵

11、散射(Brillouin scatter)。具體反射情況見下圖2.1。此類型傳感器從最初的在后向瑞利散射基礎(chǔ)之上的液芯光纖分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)，逐步發(fā)展為在光時域(OTDR)拉曼散射基礎(chǔ)之上的光纖測溫系統(tǒng)，此外還有建立在光頻域拉曼散射基礎(chǔ)上的光纖測溫系統(tǒng)(ROFDA)等。目前，分布式光纖溫度傳感器的測量距離可以達到三十千米，測量精度極高，達到了O5，對于溫度的分辨率可以達到001。分布式光纖溫度傳感技術(shù)有著極大的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)于以下場合的應(yīng)用：第一，當(dāng)進行全面監(jiān)測，需要設(shè)置諸多監(jiān)測點時，光纖DTS有著便于安裝的有點，而且其一條光纖能夠取代多個點式的溫度傳感器。第二，在電磁干擾較大的條件下，采用光

12、纖DTS能夠讀取精確的光學(xué)數(shù)據(jù)，避免電磁干擾的影響。第三，光纖DTS的安全性能較好，能夠更好的應(yīng)用于易燃易爆等特殊環(huán)境下?，F(xiàn)階段，在電力系統(tǒng)溫度監(jiān)測中，分布是光線溫度傳感技術(shù)已經(jīng)逐步開始應(yīng)用，而且對于電力電纜的動態(tài)流量計算、電纜故障、電纜接頭溫度監(jiān)測等方面有著極其廣泛的應(yīng)用前景。圖2.1 分布式光纖溫度傳感器基本原理2.3.2 電力電纜的結(jié)構(gòu)通常而言，電力電纜的結(jié)構(gòu)有著絕緣層、導(dǎo)體線芯、外護層。隨著目前電力系統(tǒng)典雅等級的不斷提高，PVS2010聚乙烯絕緣、油紙絕緣、丁基橡膠絕緣等電纜已經(jīng)不能完全適應(yīng)高電壓，需要與電壓等級提高的相應(yīng)絕緣電纜結(jié)構(gòu)。已經(jīng)得以應(yīng)用且效果較好的是交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，

13、這種電纜多為三芯和單芯，電壓等級較高的電纜通常都為單芯。其結(jié)構(gòu)圖如下：圖2.2 64/110KV 1X630mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)圖1-導(dǎo)體；2-導(dǎo)體屏蔽；3-絕緣層；4-絕緣屏蔽；5-半導(dǎo)體無紡布帶；6-鋁護套；7-瀝青+半導(dǎo)體無紡布帶；8-PVS2010外護層三芯電纜的每單芯結(jié)構(gòu)與單芯電纜基本相同，但在線芯的外切圓中并沒有填充，而且外層多加了一層鎧裝層，對線芯位置進行固定。其結(jié)構(gòu)具體見下圖2.3：圖2.3 三芯XLPE絕緣水底電纜結(jié)構(gòu)圖1-導(dǎo)體；2-導(dǎo)體屏蔽層；3-絕緣層；4-絕緣屏蔽層；5-金屬屏蔽；6-填料；7-包扎帶；8-內(nèi)護套；9-絲鎧裝；10-外護套本文中筆者主要對交聯(lián)

14、聚乙烯絕緣電力電纜的載流量計算問題進行了探討。2.3.3 采用熱路模型計算電力電纜載流量單芯XLPE電力電纜通常包括絕緣層、鋁線芯、金屬屏蔽層、外護層以及內(nèi)襯層等部分。進行此電纜熱爐模型構(gòu)建時，應(yīng)該重點考慮以下幾點：1.熱力模型的熱源；2.熱量從熱源中如何散發(fā)，如何傳播；3.對于熱量傳播而言，電力電纜的組成部分能夠起到什么作用；在電力電纜中，線芯是最主要的發(fā)熱體，此外，電纜本身的損耗也是一種熱量散發(fā)，如果電纜外部設(shè)有鎧裝層，還會有鎧裝損耗，因此，電力電纜的熱力模型應(yīng)該具備解釋損耗、線芯、鎧裝損耗以及金屬屏蔽損耗等熱源。在線芯熱量散發(fā)過程中，要經(jīng)過所有介質(zhì)損耗的部分，金屬屏蔽損耗產(chǎn)生的熱量要經(jīng)過

15、其他介質(zhì)層的熱量，而鎧裝層損耗而散發(fā)的熱量則只經(jīng)過外護層。由于線芯的材質(zhì)是由銅、鋁等熱的良導(dǎo)體，因此，其熱阻可以忽略，只對線芯的熱熔進行考慮；絕緣層不僅可以儲存熱量，還可以對熱量傳播形成阻礙。因此，金屬屏蔽層和內(nèi)襯層也可以只考慮熱阻和熱容。下面對熱力模型和電路中的物理量進行對比，為下文的計算分析做準(zhǔn)備。表2-1 熱路模型和電路相關(guān)物理量對應(yīng)表根據(jù)電力電纜熱源的性質(zhì)差異，能夠?qū)嵩催M行分類，主要分為兩種：外部環(huán)境的恒壓源和內(nèi)部熱源的恒流源。下面筆者采用參數(shù)法對兩種熱源進行建模，并采用ICE計算標(biāo)準(zhǔn)進行熱爐模型計算，具體見下圖3.3。圖3.4 電力電纜暫態(tài)熱路模型在上圖中，T1到T4指的分別是等效

16、絕緣層熱阻、等效內(nèi)襯層熱阻、等效外護層熱阻以及等效外部環(huán)境熱阻；分別表示這些部位的溫度，以及單位長度的下導(dǎo)體功率、介質(zhì)、金屬屏蔽、鎧裝損耗因數(shù)；Q1到Q4分別代表以下內(nèi)容：Qc, Qi, Qs, Qcp, Qj分別指的是導(dǎo)體、絕緣層、內(nèi)襯層、鎧裝、外護層熱容；p和p分別表示絕緣層和外護層的熱容分配比例因數(shù)；Di指的是絕緣層直徑, dc指的是導(dǎo)體直徑,De指的是電纜外徑, Ds指的是外護層內(nèi)徑。綜上所述，我們可以得知，熱流與電流相對應(yīng)，在模型中，熱流是恒流源，但有時會發(fā)生突然的改變。溫度與電壓相對應(yīng)，相當(dāng)于模型中的恒壓源。但不會發(fā)生改變。熱阻與電阻相對應(yīng)，對熱量的傳播起到阻礙作用。熱容與電容相對

17、應(yīng)，能夠存儲熱量。綜合考慮，絕緣層既相當(dāng)于熱源，還能夠儲存熱量，并能夠?qū)崃康膫鞑テ鸬阶璧K作用。如果將長度一定的介質(zhì)損耗分為兩部分，換言之，就是絕緣層只能對一部分介質(zhì)損耗熱量傳播阻礙，其大小為 ，剩余部分的介質(zhì)損耗經(jīng)過絕緣層，職能對外部層面造成影響。通過對熱路模型的分析，可以得出，當(dāng)熱流增大時對各層的溫度都會造成影響。如果電纜外部環(huán)境不利于散熱通風(fēng)，可能會引起環(huán)境溫度的升高。當(dāng)線芯的溫度達到其運行的最高溫度時，熱流為環(huán)境最高溫度下電纜所能承受的最大電流。當(dāng)電纜溫度未升高時，對電纜各層溫度的計算可以忽略熱容。所以，這時熱容對熱量的吸收和散發(fā)是平衡的。在穩(wěn)態(tài)情況下，電力電纜的熱路模型見下圖2-5。

18、圖2-5 電力電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型結(jié)合圖2-4中的電力電纜穩(wěn)態(tài)溫度，基于以上熱路模型以及電磁學(xué)中物理量的對應(yīng)，可得出電力電纜在穩(wěn)態(tài)時的熱流、溫度以及熱阻的關(guān)系式：同時還可以得到電力電纜其他各層的溫度表達式：2.4 電纜故障在線監(jiān)測方法對于運行過程中的電纜絕緣情況監(jiān)測而言，在線監(jiān)測是較為有效的方式。在對電纜絕緣老化的原因充分了解，結(jié)合實際環(huán)境對電纜絕緣老化的影響因素進行分析，并積極采取在線監(jiān)測手段，對交聯(lián)電力電纜的絕緣狀況做到動態(tài)掌握，發(fā)現(xiàn)其中問題從而制定相應(yīng)的措施解決事故問題，對于電網(wǎng)供電的安全性和可靠性有著極其重要的現(xiàn)實意義。這種在線監(jiān)測方法有著以下幾方面優(yōu)點：第一，在對電力設(shè)備進行檢測時，不會

19、影響到電網(wǎng)正常運行，也不用斷開電纜網(wǎng)絡(luò)的接點和回路；第二，通常情況下，測試的接地點為電纜接頭處，對于系統(tǒng)的運行環(huán)境和性能不會造成影響；第三，在進行長電纜檢測時，可以通過增加測點來增加故障檢測的準(zhǔn)確性；而且系統(tǒng)不需要加設(shè)檢測電纜，采用無線通信，對于電纜線路的檢測長度沒有限制。傳統(tǒng)的電纜故障在線監(jiān)測方法有以下幾種。（1）直流疊加法這種方法的基本原理就是在變壓器的母線處或中性接地點，利用電壓互感器在電纜絕緣交流相電壓之上疊加低壓直流電源，利用高壓電容對交流高壓電在直流電源中的影響進行控制。通過對電纜中直流電流的絕緣電阻測試，從而達到在線檢測電纜的目的。這種方法在10kv和10kv以下的中壓電纜應(yīng)用較

20、為有效，但對于但卻無法加載到變壓器中性點直接接地的110kW220kv高壓電纜上。除此之外，對于線路對地電暈放點的在線監(jiān)測有著極其重要的影響。（2）直流成分法已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運行中的電纜絕緣中包含水樹脂時，在銅屏蔽和導(dǎo)體芯之間存在著小直流成分，而且這種現(xiàn)象是由絕緣中的水樹裂化而引發(fā)的。通過對直流成分的測量，絕緣老化作為水樹的檢測是成立的。這種方法的基本原理就是對電纜中存在水樹時的整流效應(yīng)加以利用。在負半周期情況下的外施電壓中，通過尖端到絕緣，水樹枝注入了大量負電荷，而在正半周期情況下，其正電荷注入較少，只能對一部分負電荷進行中和。在電纜的運行工頻電壓下，居于水樹枝尖端的大量負電荷逐步轉(zhuǎn)移，進行出現(xiàn)直

21、流成分，但其數(shù)值相對整流作用而言較小，只有幾十納安。水樹枝的發(fā)展能夠增加泄露電流，從而降低交流擊穿電壓，對電路造成劣化作用。直流電壓疊加法的原理是當(dāng)對運行中絕緣逐漸劣化的電纜施加低直流電壓時，將產(chǎn)生與劣化程度相應(yīng)的直流電流。由于在電纜運行中，直流成分是固有的特性，因此，這種方法適用于中、高電壓等級的電力電纜監(jiān)測。（3）局部放電法就局部放電而言，實行監(jiān)測的主要目的就是為了采集終端頭和附件等局部的放電量。通過小波理論和信號處理系統(tǒng)將電纜的局部放電量從干擾信號中分離出來。在水樹枝引發(fā)的初始階段，局部放電量為通常為0.1 PC。電力電纜的絕緣程度是影響電力電纜局部放電量的在關(guān)鍵因素，當(dāng)局部放電量值呈現(xiàn)

22、浮動趨勢時通常意味著電纜絕緣存在危機電纜安全運行的影響因素。在國內(nèi)外地大多數(shù)權(quán)力機構(gòu)如CIGRE、IEC等都對局部放電試驗是衡量絕緣電力電纜絕緣程度的重要指標(biāo)持肯定態(tài)度。由于電力電纜在在線監(jiān)測室是一個包含了多種以電容機、發(fā)電機以及變壓器為中心等相關(guān)電器設(shè)備的電力系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)的構(gòu)成中還包括多種波形復(fù)雜、信號較大的外界電磁干擾聲和北京噪音。以電力系統(tǒng)包含的發(fā)電機為例，其局部的放電量通常高達幾千個Pc，而且波形復(fù)雜，頻域?qū)拸V。因此，從中提取電力電纜絕緣裂化信號很容易覆蓋在干擾信號下。（4）低頻重疊法又叫差頻監(jiān)測法，是在工頻交流電壓下疊加低頻電壓，觀察所產(chǎn)生的超低頻水樹變化特征電流信號，但低頻信號

23、加載位置有考究，會導(dǎo)致測試可靠性不高；同時考慮到在輸電運行現(xiàn)場疊加低頻的操作不方便或是不允許的，所以此方法只在停電時可以使用，不適用于在線監(jiān)測。2.5局放監(jiān)測技術(shù)在線監(jiān)測及診斷的任務(wù)是了解和掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，包括采用各種檢測、測量、監(jiān)視、分析和判別方法，結(jié)合系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀，考慮環(huán)境因素，對設(shè)備運行狀態(tài)進行評估，判斷其處于正?；蚍钦顟B(tài)，并對狀態(tài)進行顯示和記錄，對異常狀態(tài)作出報警，以便運行人員及時處理，并為設(shè)備的故障分析、性能評估、合理使用和安全工作提供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用此項技術(shù)有下列好處： 1）減少維護費用 我國目前采用的方法是定期的停電試驗、檢修和維護。定期試驗需安排停電計劃，到

24、期必修，沒有充分考慮設(shè)備實際狀態(tài)，導(dǎo)致不少超量維修，造成了人力及物力的大量消費；而狀態(tài)監(jiān)測以狀態(tài)為基準(zhǔn)，在線監(jiān)測，取代了定期試驗，維護費用可降低40%。 2）避免故障發(fā)生 定期試驗不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的故障隱患，而且停電試驗施加低于運行電壓的試驗電壓，對某些反映也不夠靈敏；在線監(jiān)測采用更高靈敏度的傳感器以采集運行中設(shè)備絕緣劣化的信息，信息量的處理和識別也依賴于有豐富軟件支持的計算機網(wǎng)絡(luò)，不僅可以把某些測試項目在線化，而且還可以引進一些新的更真實反映設(shè)備運行狀態(tài)的特征量，從而實現(xiàn)對設(shè)備遠行狀態(tài)的綜合診斷。 3）對設(shè)備性能進行評估 通過狀態(tài)監(jiān)測對設(shè)備運行狀態(tài)進行的了解和掌握，可對設(shè)備的使用性能、運

25、行壽命、利用程度進行評估以便調(diào)整使用，從而提高經(jīng)濟效益。 （1）DM6000GIS在線監(jiān)測技術(shù)GIS除進出線套管外沒有外露的帶電部分，采用SF6氣體絕緣，可靠性較高，檢修少，但通過發(fā)展外部診斷、在線監(jiān)測可減小不必要的拆卸檢修工作量，大大提高了設(shè)備的運行效率。DM6000型局放在線檢測系統(tǒng)采用超高頻檢測技術(shù)、高靈敏度傳感器、信號現(xiàn)場處理、內(nèi)置專家數(shù)據(jù)庫、Web后臺處理軟、因特網(wǎng)接入技術(shù)等技術(shù)進行遠程實時在線監(jiān)控和分析。具有極高的性價比，非常適合在無人值守變電站運行。該局部放電電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)能夠長期運行，實時監(jiān)測GIS 在運行過程中的局部放電情況，可以及時對GIS 絕緣異常狀態(tài)和放電性

26、故障做出預(yù)警，實時掌握局放的發(fā)展趨勢，為GIS 正常運行提供必要的指導(dǎo)數(shù)據(jù)，提高GIS 運行的可靠性、安全性和有效性。該系統(tǒng)采用集成模塊化設(shè)計，將信號采集單元、信號處理、A/D 轉(zhuǎn)換、干擾過濾、數(shù)據(jù)處理、放電量顯示等集成在站端監(jiān)測模塊中，每個站端監(jiān)測模塊可獨立運行，數(shù)據(jù)分別記錄，通過一條數(shù)據(jù)通訊總線將多臺站內(nèi)監(jiān)測模塊（最多256臺）的數(shù)據(jù)傳輸后臺分析軟件系統(tǒng)上統(tǒng)一管理分析。能通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程傳輸和實時監(jiān)控，對局部放電信號的強度，密度進行實時在線分析。對局部放電傾向性的推移進行實時監(jiān)控和分析，對放電程度進行評估，避免重大事故發(fā)生。系統(tǒng)獨特的多重抗干擾設(shè)計，以確保檢測的結(jié)果準(zhǔn)確，避免誤判。硬件上

27、設(shè)計噪音過濾通道，用來過濾現(xiàn)場噪音，凈化信號采集環(huán)境；對特定波段的雜音信號增加了帶阻濾波器。軟件 -通過軟件設(shè)置動做級別和標(biāo)準(zhǔn)密度設(shè)定，分離噪音干擾信號系統(tǒng)設(shè)計智能分析信號，通過對信號的波形、相位特征的判別，自動區(qū)分干擾信號實現(xiàn)聲光報警，同時系統(tǒng)自帶大量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)對現(xiàn)場傳感器采集的信與系統(tǒng)內(nèi)部自帶的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型對比分析，大大提高檢測結(jié)果的可靠性。（2）局部放電監(jiān)測原理局部放電發(fā)生時，電磁波的信號根據(jù)GIS 結(jié)構(gòu)反復(fù)進行傳播、反射、折射、遲延、衰減等現(xiàn)象，通過盆式絕緣子（絕緣件）放射到外界。通過GIS 絕緣子泄漏的電磁波，通過高靈敏度內(nèi)置型或外置型傳感器，進行檢測。通過傳感器檢測GIS內(nèi)

28、局部由放電激發(fā)的電磁波信號，對監(jiān)測到的電磁波信號經(jīng)由檢波器、射頻前置放大器和濾波等環(huán)節(jié)后，由高速數(shù)據(jù)對模塊經(jīng)過采樣、數(shù)字信號分析以及存儲等過程，由現(xiàn)場檢測單元對其進行相關(guān)處理，結(jié)果數(shù)據(jù)以光纖為媒介傳至主處理器單元；最后由主處理器單元的故障診斷系統(tǒng)根據(jù)從現(xiàn)場監(jiān)測單元送來的的數(shù)據(jù)，建立故障模式數(shù)據(jù)庫來診斷GIS的絕緣程度，同時整合多途徑的放電指紋特征相關(guān)數(shù)據(jù)；將過去檢測的局部放電測量數(shù)據(jù)存儲于主處理器單元上可以隨時為工作人員提供參考數(shù)據(jù)查詢。GIS局放超高頻檢測原理如下圖所示：圖2-6 GIS局放超高頻檢測原理處于正常運行狀態(tài)下，系統(tǒng)可時時對GIS的狀態(tài)進行監(jiān)測，并通過故障診斷系統(tǒng)對其的存在狀態(tài)隨

29、時跟蹤判斷。當(dāng)GIS狀態(tài)發(fā)生異常時，該系統(tǒng)及時同步采集故障信息、處理故障部位，完成在線的分析、計算、數(shù)據(jù)傳輸、報警、統(tǒng)計以及存儲等環(huán)節(jié)。（3）DM6000GIS局部放電電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)組成組成系統(tǒng)由后現(xiàn)場傳感器，前置監(jiān)測儀 ，臺監(jiān)視系統(tǒng)三大部分組成。圖2-7 DM6000GIS局部放電電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)組成系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由傳感器、前置機和后臺機三部分組成。傳感器完成對監(jiān)測設(shè)備的測量，將信息量送到前置機進行集中分析、顯示以及告警，并將數(shù)據(jù)上傳到后臺機進行全面的監(jiān)視和分析。這種結(jié)構(gòu)不僅使整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常清晰和簡潔，也使得各子系統(tǒng)功能完整獨立，任何一個監(jiān)測單元異常不會影

30、響其它設(shè)備正常工作。采用統(tǒng)一的RS-485數(shù)據(jù)接口規(guī)范，大大提高了系統(tǒng)的兼容性和可擴展性。2.6 電力電纜仿真模型2.6.1 仿真建模工具和數(shù)值分析工具的選擇用于電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的仿真工具主要有ATP(EMTP的改進版)、PSCADEMTDC、MA=兀AB等等。ATP(Altemative Transient Program)是普遍應(yīng)用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真程序，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和任意結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)都可以用它來仿真。經(jīng)過20多年來的不斷發(fā)展，ATP具有模型的可擴展性和兼容千牛除暫態(tài)計算外還有一些重要的附加功能。主要的組件有：耦合和非耦合線性集中參數(shù)元件；頻率相關(guān)的分布參數(shù)輸電線路和電纜模型

31、；變壓器、避雷器等非線性元件；常規(guī)開關(guān)、時間相關(guān)開關(guān)及電壓相關(guān)開關(guān)等；二極管和晶閘管等閥體；三相同步電機和通用電機等。PSCAD(Power System Computer Aided Design)功能強大、應(yīng)用靈活，是業(yè)界有名的仿真工具EMTDC的用戶界面。它使用戶能夠在一個集成的圖形界面下實現(xiàn)電路圖連接、仿真運行、結(jié)果分析及數(shù)據(jù)管理等功能，還包含了在線打印圖形功能和控制、測量模塊。PSCAD有一個事先編好的并經(jīng)過測試的模型庫，從簡單的無源元件和控制模塊到電機模型、FACTS設(shè)備、輸電線路和電纜等復(fù)雜的模塊都包含在主模型庫中，可以很方便地直接調(diào)用。當(dāng)現(xiàn)有的模型不能滿足需要時，還可以自定義特

32、殊模塊。EMTDC(Electro magnetic Transients including DC)是進行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的強大工具，是PSCAD的仿真引擎。EMTDC的仿真結(jié)果以時間瞬時值的形式給出，這點與常規(guī)的相量仿真引擎不同，后者以相量的幅值和相角方式給出結(jié)果。但可以用PSCAD的內(nèi)置工具將瞬時值結(jié)果轉(zhuǎn)換為相量值的形式。MATLAB是強大的科學(xué)計算工具，它的語言簡潔易用，內(nèi)置了幾十個工具箱，為不同領(lǐng)域的科學(xué)研究和科學(xué)計算提供了有力工具。它的電力系統(tǒng)模塊庫(PowerSystem Blockse0可以進行復(fù)雜電力系統(tǒng)的建模和穩(wěn)態(tài)、暫念計算，同時它的小波分析工具箱(Wavelet to

33、olbox)可以很方便地進行數(shù)掘分析處理。但MATLAB中沒有合適的電力電纜模型，不能用MATLAB來仿真，因此本文只用作數(shù)據(jù)處理。由于條件限制，只能選擇PSCADEMTDC和MATIAB，同時又由于MATLAB65中沒有合適的電纜模型，最終選擇了PSCAD作為仿真建模工具，MATLAB65作為數(shù)據(jù)分析和波形處理工具。2.6.2 PSCAD中頻率相關(guān)模型的選擇PSCAD中有三類基本的輸電線路和電纜模型：Pl型等值、Bergeron模型和頻率相關(guān)線路模型。PI型等值線路模型只用到基波阻抗，即使使用多個PI型等值模型，也不能準(zhǔn)確描述除基波頻率外的其它頻率特性，也不能描述線路的頻率相關(guān)特性如集膚效應(yīng)

34、等。Bergeron模型用分布參數(shù)方式來代替PI型等值線路中的LC元件，但電阻仍然是集中參數(shù)的。它同樣適用于只關(guān)心基波頻率的情況。頻率相關(guān)線路模型考慮到所有頻率相關(guān)的參數(shù)，用模量分析技術(shù)(Modal techniques)和相域(Phase domain)處理技術(shù)進行求解，能準(zhǔn)確地描述線路模型在很大頻率范圍內(nèi)的特性。用這種方法只需要電阻、半徑等導(dǎo)體的屬性和電纜走廊的幾何參數(shù)便可以建立電纜模型，內(nèi)置的輸電線路和電纜常數(shù)例程(Transmission Line and Cable Constants Routine)即可自動求出線路的參數(shù)并輸出到文件。本文研究對象是較高頻率的暫態(tài)行波信號，且頻率的

35、范圍較大，故只能選擇頻率相關(guān)模型。PSCAD中的頻率相關(guān)模型又有兩種：Frequency Dependent (Mode)Model和Frequency Dependent(Phase)Model，前者簡稱Mode模型，后者簡稱Phase模型。對于理想換位的線路，兩者求出的結(jié)果是一致的。對于非換位線路，Phase模型比Mode模型更準(zhǔn)確。2.6.3 電纜系統(tǒng)仿真模型的建立本文主要研究對象為故障暫態(tài)信息，同時要研究行波在電纜線路中的傳播特性和反射特性，所以建立一個帶分支電纜的系統(tǒng)，如圖2-8所示。仿真系統(tǒng)模型中，電源端為S1、S2、S3端，電源設(shè)計為理想電源，起始相角為00；負荷端為L端，在負荷

36、端和電源端均有變壓器T，變壓器接線均為/Y型聯(lián)接，其中性點可以設(shè)置為直接接地或不接地。用兩個獨立的電纜模型(電纜1和電纜2)束模擬一條電纜線路發(fā)生故障的兩段，節(jié)點F為故障點，改變電纜1、2的長度，維持二者總長不變，即可實現(xiàn)不同故障位置的仿真分析。實際應(yīng)用中較長的電力電纜都是分段的，每段之間用電纜中間接頭連接，因此會產(chǎn)生阻抗不匹配點，但在設(shè)計施工中已考慮到這些影響，盡量使中間接頭和電纜的材料阻抗特性一致，其影響在此忽略不計。在節(jié)點F設(shè)置一時間控制開關(guān)，滿足在不同時刻發(fā)生故障的要求，F(xiàn)為一個故障模塊，可以模擬不同的故障類型。在節(jié)點B采集故障暫態(tài)信息，進行處理分析。圖2-8電纜系統(tǒng)仿真模型接線圖第三

37、章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1基本概念和原理傳統(tǒng)現(xiàn)場溫度檢測的主要方法是在被測物表面涂一層隨溫度變化能改變顏色來大致確定其溫度范圍，這種方法準(zhǔn)確度低，可靠性差，不能進行定量測量。主要的溫度儀表，如熱電偶、熱電阻及輻射溫度計等在技術(shù)上已經(jīng)成熟，但是，它們只能在傳統(tǒng)的場合應(yīng)用，尚不能滿足許多領(lǐng)域的要求，尤其是高科技領(lǐng)域。國內(nèi)目前在線設(shè)備溫度監(jiān)測應(yīng)用較多的是光纖式溫度傳感器和紅外測溫傳感器。光纖最早在光學(xué)行業(yè)中用于傳光和傳像，在70年代初生產(chǎn)出低損耗光纖后，在通信技術(shù)中用于長距離傳遞信息。由于光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖中的傳播時表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、

38、波長）因外界因素（如溫度、壓力、磁場、電場等）的作用而間接或直接的發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感器元件來探測各種待測量，這就是光纖傳感器的基本原理。但是光纖是石英制品，非常容易被外力損傷折斷，在安裝過程中會受到環(huán)境條件限制，且操作和發(fā)射波長檢測方法比較復(fù)雜，在使用上有一定局限性。（1）紅外測溫技術(shù)紅外線輻射是一種廣泛存在于自然界的電磁波輻射，它的存在是針對任何常規(guī)環(huán)境下物體產(chǎn)生的自身原子和分子的不規(guī)則運動，以輻射除源源不斷的紅外能量。通常情況下，原子和分子運動的劇烈程度決定輻射能量的大小。即遠足與分子運動劇烈程度高時輻射能量愈大，反之，輻射能量小。一般認為，絕度溫度在零度以上的各種物體，都會因

39、自身分子的不斷運動而釋放紅外能量，而物體的紅外輻射能量和波長分布主要受物體溫度、輻射波長、環(huán)境、材料以及表面的粗糙度等因素的共同作用。紅外測溫傳感器的制作原理就是根據(jù)物體發(fā)出的輻射能量，對物體表面溫度進行分析判斷。與接觸式測溫方法比較而言，紅外測溫的主要優(yōu)點是安全、不用直接接觸、使用壽命長、響應(yīng)時間極短等特點。根據(jù)紅外測溫儀器的應(yīng)用可以將其劃分為三大類即紅外測溫儀（主要包括掃描式、便攜式和在線式三種）、紅外熱電視、和紅外熱像儀。經(jīng)試驗適用于高壓設(shè)備的是在線式紅外測溫儀。就目前的發(fā)展趨勢來看，最為普及的紅外測溫儀是基于光學(xué)系統(tǒng)形成的，集合顯示輸出、光電探測器、信號處理器以及信號放大器中部分共同組

40、成。光學(xué)系統(tǒng)通過將目標(biāo)紅外輻射能量聚集在觀點探測器上，經(jīng)過處理使之轉(zhuǎn)化為電信號，而該信號經(jīng)過系統(tǒng)的分析換算轉(zhuǎn)化為目標(biāo)物的溫度值，通常情況下的測量精度往往小于1度。一般情況下我們對紅外測溫儀的選擇是根據(jù)設(shè)備價格、設(shè)備尺寸、顯示和輸出、環(huán)境條件、光學(xué)分辨率、測量精度、響應(yīng)時間、測溫范圍地鞥因素綜合考慮衡量的，其中測溫范圍是選擇紅外測溫儀的關(guān)鍵指標(biāo)，不同類別的測溫儀都有自身特定的使用范圍，不能過寬也不能過窄。正常情況下，測溫范圍越寬，監(jiān)控溫度的輸出信號分辨率就越不精確，相反，測溫范圍越窄，測量越精確。若目標(biāo)設(shè)備的尺寸大于市場的50%時，測溫儀受到測量區(qū)外地影響程度就越小，結(jié)果也就越精確，一般選擇單色

41、測溫儀，反之，若目標(biāo)設(shè)備小于視場范圍，適宜現(xiàn)則雙色測溫儀，因為其對溫度的測量師很據(jù)兩個獨立波長袋內(nèi)紅外輻射能量的比值決定的，所以，當(dāng)目標(biāo)設(shè)備較小時，不能充滿現(xiàn)場即使在測量的過程中存在阻擋、煙霧、和塵埃等減弱輻射能量的影響因素時，仍能確保測量的精度；由于不同設(shè)備的材料表面特性和發(fā)射率的差異性，測溫儀的光譜隨之也不盡相同。如對高溫金屬材料測量的最佳波長是紅外，一般選用0.81.0m，短波為宜；響應(yīng)時間是反應(yīng)紅外測溫儀對怒表溫度變化的時間。響應(yīng)時間通常受顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)、光電探測器和信號處理電路的共同影響。在測量快速加熱的目標(biāo)時，往往以選用快速響應(yīng)紅外測溫儀為宜，否則由于達不到預(yù)期的新型號響應(yīng)程度

42、，影響測量的精確度，而對目標(biāo)熱過程或靜止物體存在人慣性的狀況時，對測溫儀響應(yīng)時間的要求就沒有那么苛刻了；光學(xué)分辨率是指測溫儀探頭到目標(biāo)距離和被測目標(biāo)直徑的比值，也就是視場。若受環(huán)境條件限制與目標(biāo)保持一定的距離，對于小木的測量，往往選擇光學(xué)分辨率高的測溫儀為宜。光學(xué)分辨率測溫儀的成本相對較高，對于焦距一定的測溫儀，其處于光學(xué)系統(tǒng)的焦點是光斑的最小位置處。為了可以在接近和原理焦點的距離上測量目標(biāo)的精確溫度，被測目標(biāo)必須大于交點處的光斑尺寸。由于變焦測溫儀含有一個最小的焦點位置，根據(jù)目標(biāo)距離對焦距進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。此外對于存有易燃氣體的環(huán)境時，通常選用安全型紅外測溫儀為宜。需要指出的是紅外測溫儀必須經(jīng)

43、過校準(zhǔn)試驗才能精確地顯示被測目標(biāo)的溫度，特別注意的是，必須對儀器進行定期的檢修，而且在實際使用過程中，試驗人員必須通過不斷的使用掌握測試經(jīng)驗和技巧，消除結(jié)果的誤差，避免錯誤結(jié)果的出現(xiàn)。（2）紅外傳感器的選擇目前常用紅外傳感器分有源和無源兩種，光學(xué)分辨率也各不相同，從1：2的小視場模糊傳感器到30：1的大視場精確傳感器都有各自的適用情況。在變電站發(fā)電廠內(nèi)安裝溫度監(jiān)測系統(tǒng)，抗干擾性是一個重要指標(biāo)，為提高系統(tǒng)安全性，在系統(tǒng)中都采用無源傳感器。美國Exergen公司研制的符合熱電偶熱電關(guān)系的紅外測溫探頭（IR-t/c），是將最新的紅外技術(shù)與熱電偶測溫原理結(jié)合，形成一體化的產(chǎn)品。這是一種全新概念的溫度傳

44、感器，它可以將測得的熱輻射能轉(zhuǎn)換成K，E及T型熱電偶熱電勢輸出，即可與目前普遍采用的熱電偶輸出信導(dǎo)設(shè)計的顯示，調(diào)節(jié)儀表相連接。根據(jù)本系統(tǒng)要求，選用Exergen公司的IRt/c.03型紅外傳感器及超小型IRt/c紅外傳感器，其技術(shù)特點是：IRt/c.03 IRt/c測溫范圍：-45290 測溫范圍：-18524環(huán)境溫度：1870 環(huán)境溫度：-2100溫度分辨率：0.1 溫度分辨率：0.1精度：2 精度：2距離系數(shù)：3：1 距離系數(shù)：1：2輸出信號：K型熱電偶 輸出信號：K型熱電偶電源：無需外接電源 電源：無需外接電源波長范圍 6.5 - 14m 波長范圍 5 - 14m輸出阻抗 4-8 Koh

45、ms 輸出阻抗 20-60 Kohms3.2 設(shè)計原則與依據(jù)（1）設(shè)計原則在對整個系統(tǒng)進行方案設(shè)計時遵循：“技術(shù)先進，實用可靠，擴展性好，有利管理，投資合理”的原則。1）先進性系統(tǒng)的規(guī)劃一定要兼顧眼前和未來的應(yīng)用需求，要用長遠的眼光，以保證規(guī)劃的科學(xué)性、先進性，保證所選用的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的實用性和先進性，并具有較長的生命周期和先進水平。通過系統(tǒng)的二次開發(fā)和整體集成，使建成后的系統(tǒng)在國內(nèi)居于領(lǐng)先水平，并在系統(tǒng)實際運行過程中，建立科學(xué)化、現(xiàn)代化管理的運行機制。2）穩(wěn)定性和可靠性無論從系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上、產(chǎn)品性能上、設(shè)備的選型上還是到具體的實施方案，都要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并且在系統(tǒng)集成過程中

46、對硬件設(shè)備安裝、操作系統(tǒng)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)庫設(shè)計將盡可能完善的做出故障檢測、診斷及處理策略，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、可靠、連續(xù)地運行。3）開放性系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分系統(tǒng)的開放性，除了保證系統(tǒng)內(nèi)部之間的有機協(xié)調(diào)和開放性之外，應(yīng)留有面向外部系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，以實現(xiàn)與其它子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，保證系統(tǒng)的不斷擴展。系統(tǒng)設(shè)備選型遵循有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)具有高度的開放性和技術(shù)上的兼容性，系統(tǒng)間應(yīng)具有良好的互聯(lián)、互操作能力。4）可操作性界面友好，充分考慮操作人員的特點，使數(shù)據(jù)處理工作簡單、方便、快捷，業(yè)務(wù)流程清晰，符合常規(guī)業(yè)務(wù)處理習(xí)慣。系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護方便，備份及數(shù)據(jù)恢復(fù)快

47、速簡單。5）可擴展性系統(tǒng)設(shè)計不但要保證目前系統(tǒng)容量的要求，也要考慮今后系統(tǒng)的發(fā)展，便于向更新技術(shù)的升級與銜接。要留有足夠的擴充余量，考慮到今后業(yè)務(wù)的發(fā)展，系統(tǒng)在設(shè)計時必須考慮擴展性需求。本方案設(shè)計的系統(tǒng)可擴展性體現(xiàn)在以下幾個方面：數(shù)據(jù)的可擴展性：隨著系統(tǒng)功能的增加，原有數(shù)據(jù)和新增數(shù)據(jù)可以無縫融合，無需對原有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作重大修改。功能的可擴展性：未來系統(tǒng)增加的功能可以和原有功能緊密結(jié)合，無需對現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計。性能的可擴展性：當(dāng)系統(tǒng)負載增加時，可通過對系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備增加硬件數(shù)量或升級系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的性能，無需更換現(xiàn)有設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易于擴充，以適應(yīng)今后可能出現(xiàn)的較大任務(wù)負載。系統(tǒng)設(shè)備及軟件向下兼容

48、，以保護系統(tǒng)的原始投資。6）易維護性具有強有力的系統(tǒng)管理手段，可方便地對系統(tǒng)資源進行集中配置與調(diào)整。系統(tǒng)應(yīng)支持集中、統(tǒng)一的管理視圖和圖形化管理界面，能夠?qū)崟r監(jiān)視設(shè)備的工作狀況。系統(tǒng)各部分均采用模塊化結(jié)構(gòu)，各自具有相應(yīng)的軟硬件自檢、故障診斷和安全保護措施，并有利于用戶從事簡單的現(xiàn)場維護。7）安全性和規(guī)范性系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分考慮信息資源的共享，考慮信息的保護和隔離，對不同的應(yīng)用和不同的環(huán)境，采取相應(yīng)的措施對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進行保護。系統(tǒng)建成后，除提供詳盡的用戶手冊和操作手冊外，在技術(shù)上提供先進的、可靠的、全面的安全保密方案和應(yīng)急措施，從人機界面設(shè)計、應(yīng)用軟件參數(shù)變更、系統(tǒng)設(shè)備自動檢測、拒絕非授權(quán)訪問、系統(tǒng)恢

49、復(fù)能力等方面，確保系統(tǒng)萬無一失。設(shè)計的規(guī)范性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的接口規(guī)范、數(shù)據(jù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范和操作的規(guī)范性，這些規(guī)范可對前期建設(shè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、發(fā)布方式提供一個統(tǒng)一的規(guī)范，為未來的業(yè)務(wù)模塊留有轉(zhuǎn)換接口和軟件。（2）設(shè)計依據(jù)本設(shè)計方案除了有關(guān)用戶需求及規(guī)范外，還遵循或參考以下規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)：IEEE國際電氣與電子工程師協(xié)會IEC國際電工委員會ISO國家標(biāo)準(zhǔn)化組織ANSI美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會ITU國際電信聯(lián)盟電報電話咨詢委員會EIA電氣工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)UL美國保險商試驗標(biāo)準(zhǔn)NFPA美國國家防火協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASCII美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)火力發(fā)電廠與變電所設(shè)計防火規(guī)范 (GB50229-96)電力設(shè)備典

50、型消防規(guī)程 (DL5027-93)安全防范工程程序與要求 (GA/T75-94)工業(yè)企業(yè)通信設(shè)計規(guī)范 (GBJ42-81)工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范 (GBJ115-87)民用閉路電氣設(shè)計規(guī)范（GB50198）電業(yè)安全工作規(guī)程（GA/T75-94）工業(yè)企業(yè)調(diào)度電話和會議電話工程設(shè)計規(guī)范（CECS36:91）計算機軟件開發(fā)規(guī)范（GB8566 88）電業(yè)安全工作規(guī)程（DL408-91）電力建設(shè)安全工作規(guī)程（DL5009-1997）3.3 系統(tǒng)設(shè)計方案在本文中，系統(tǒng)設(shè)計采用“上位機-單片機-無線傳輸模塊-溫度傳感器”組成多點測溫，實時監(jiān)控電力電纜的溫度變化，以確保電纜的安全、可靠運行。主要內(nèi)容如下：（

51、1）根據(jù)電力電纜實際情況需要來布置的測溫點。（2）測溫采用專用的數(shù)字溫度傳感器巡回檢測其溫度，進行集中管理。選用溫濕度傳感器時，應(yīng)重點考慮測量精度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，信號易于處理、傳送，便于多路測量，安裝方便，維護簡單，環(huán)境溫度補償容易的器件。（3）由于測溫點多，地點分散，所以測得的溫度數(shù)據(jù)應(yīng)通過無線中繼站來實現(xiàn)傳送。（4）對于地面上下的通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，傳輸采用串口RS-485，以提高傳輸可靠性，增加傳輸距離。（5）上位機采用PC機，Windows XP操作系統(tǒng)，負責(zé)數(shù)據(jù)處理、分析、存儲及用戶管理。（6）上位機軟件用VB編寫，數(shù)據(jù)庫采用ACCESS。下位機采用C語言編寫。3.4

52、 系統(tǒng)功能介紹電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)是由采集器接收紅外傳感器測得的溫度信號（電壓毫伏值輸出），采集器將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器模擬的串口上傳到工控機。工控機上安裝有軟件系統(tǒng)，由前置機程序接收采集到的數(shù)據(jù)進行處理，之后將處理得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至主控制程序及遠方調(diào)度中心。主控制程序負責(zé)將傳送過來的數(shù)據(jù)進行處理，以數(shù)據(jù)、波形及現(xiàn)場接線示意圖的形式顯示在屏幕上供工作人員觀察，同時負責(zé)對符合要求的數(shù)據(jù)進行報警提示，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。圖3-1 電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖功能結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，電纜溫度監(jiān)測和壽命評估系統(tǒng)所實現(xiàn)的各項功能由以前置機程序和主控制程序組成的核心部分協(xié)同實

53、現(xiàn)，對用戶操作及時做出反應(yīng)，在屏幕上向用戶反饋顯示。后臺通過文件存儲系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲，系統(tǒng)IO接口負責(zé)接收采集數(shù)據(jù)，并與遠端通信設(shè)備和打印機等外設(shè)進行通信。通信配置、數(shù)據(jù)查看及用戶管理等功能為用戶操作功能。實時數(shù)據(jù)采集、處理數(shù)據(jù)存儲等功能為系統(tǒng)后臺完成功能。3.5 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)采用分布式主從監(jiān)控方式，從體為星型網(wǎng)，各前端構(gòu)成星型網(wǎng)的外圍節(jié)點，采用半雙工通信工作方式。每個節(jié)點都有自己的專用地址，可對其進行選擇性和組群通信。通過專用網(wǎng)絡(luò)向節(jié)點發(fā)送命令，并接受來自節(jié)點的信息，然后對信息進行處理、轉(zhuǎn)發(fā)及顯示。節(jié)點自身完成循環(huán)采集其下各子節(jié)點的信號，并等待接收來自主控的指令。一旦接受到指令，對

54、其分析后根據(jù)指令內(nèi)容進行信息上傳。圖3-2 硬件結(jié)構(gòu)框架硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-2所示，采用分層式結(jié)構(gòu)分為前端設(shè)備層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層和中心站級層： 前端設(shè)備層主要包括紅外傳感器和采集器，主要完成原始數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)上傳工作；傳輸網(wǎng)絡(luò)層主要由串口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)鏈路組成，串口服務(wù)器完成網(wǎng)絡(luò)接口的轉(zhuǎn)換，如果上位機不止一臺，還要對網(wǎng)絡(luò)進行擴容，加裝集線器或者交換機； 中心站級層為系統(tǒng)核心部分，主要包括溫度監(jiān)控主站和其他需要監(jiān)測溫度的工作站或者PC工控機,它的功能主要是完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理、記錄、畫面顯示、報警分析、打印等功能，同時負責(zé)與其他系統(tǒng)的連接通信，如使用多種鏈路方法上傳數(shù)據(jù)到集控站和遠方調(diào)度中心。3.5.

55、1 系統(tǒng)的監(jiān)測終端根據(jù)溫度采集硬件的要求，所設(shè)計的監(jiān)測終端結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：監(jiān)測終端主要由微控單元、短距離無線通信單元、溫度傳感單元、電源管理單元。(1)數(shù)據(jù)處理和控制單元：控制數(shù)據(jù)采集的時間及對采集到的數(shù)據(jù)進行編碼處理和存儲；對數(shù)據(jù)的無線傳輸進行控制，完成通信協(xié)議的執(zhí)行。(2)數(shù)據(jù)采集單元：主要負責(zé)電纜外護套表面溫度的采集和數(shù)字量化以及對應(yīng)采集時間的時期數(shù)據(jù)的提供。(3)數(shù)據(jù)存儲單元：主要是將采集到的數(shù)據(jù)以合理的方式進行存儲，為數(shù)據(jù)處理提供支持。(4)數(shù)據(jù)傳輸單元：通過無線的方式與上位機進行通信，檢測喚醒信號、發(fā)送數(shù)據(jù)和檢錯重發(fā)等。圖3-3 監(jiān)測終端3.5.2 單片機的選擇（1）MSP43

56、0系列單片機的特點MSP430系列單片機具有以下一些優(yōu)點滿足系統(tǒng)要求：1)低電壓、超低功耗。工作在1.8-3.6V，1MHZ的時鐘頻率下運行，耗電電流在O1 u A400 u A之間，這個和不同的工作模式有關(guān)。根據(jù)具體的處理情況可以將CPU處于低功耗模式，通過中斷喚醒CPU進入工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗要求。2)強大的處理能力。MSP430系列單片機位16位的RSIC(reduced instruction set computing)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡潔的指令、大量的寄存器以及片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算，使得該系列單片機采用C語言開發(fā)仍能有很高的效率，提高設(shè)備采集數(shù)據(jù)的效

57、率。3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位，先由DCO振蕩器啟動CPU，保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的時間起振及穩(wěn)定時間。通過軟件來設(shè)置系統(tǒng)的時鐘率。4)豐富的外設(shè)資源。MSP430系列單片機提供了不同的外設(shè)資源，豐富的端口是單片機具有豐富的接口功能，并且某些端口還具有中斷功能，進一步豐富了中斷資源有利于多任務(wù)操作，節(jié)省了大量的接口電路，在硬件設(shè)計時可節(jié)約空間、成本使得工作設(shè)備更簡潔，實用。5)方便高效的開發(fā)環(huán)境MSP-FET430P140為MSP430FX系列的全面集成開發(fā)環(huán)境，片內(nèi)仿真邏輯允許三個斷點全速運行，單步執(zhí)行和讀取所有外部設(shè)備。該FET是一種完整的集成開發(fā)環(huán)境。包括源代碼級調(diào)試器、仿真器、匯編連結(jié)器、調(diào)試接口等。圖3-4 MSP430單片機管腳示意圖(2)MSP430F149單片機的外圍電路：1)復(fù)位電路如下：圖3-5 復(fù)位電路2)電源電路圖3-6 電源電路3.5.3 無線收發(fā)模塊與單片機的硬件接口電路設(shè)計(1)無線通信模塊的硬件設(shè)計1)PTR8000模塊簡介PTR8000(如圖3-7所示)是訊通公司推出的中短距離無線收發(fā)模塊，內(nèi)核為挪威Nordic公司生產(chǎn)的射頻芯片nRF905，該模塊具有430868915MHz多頻道多頻段供用戶選用；內(nèi)置環(huán)行天線、體積小、性能穩(wěn)定且