低壓開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設計(共56頁)

1、遼寧工程技術大學(dxu)本科畢業(yè)設計(shj)（論文）教 務 處2015年5月中文題目：低壓開關柜智能監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)外文(wiwn)題目：Intelligent monitoring system for low voltage switchgear畢業(yè)設計(b y sh j)（論文）共 49 頁（其中：外文文獻及譯文13頁） 圖紙共1張 完成日期 2015年06月 答辯日期 2015年06月 I I摘要(zhiyo)開關柜作為變電站的重要電氣設備，擔負著關合及斷開電力線路、保護系統(tǒng)安全的雙重(shungchng)作用,對變電站的安全、可靠運行起著舉足輕重的作用。我國經(jīng)濟建設和改革

2、開放的蓬勃發(fā)展，電力系統(tǒng)的應用及其安全得到廣泛關注,然而對用電設備的監(jiān)測與監(jiān)控卻種供電配電柜組，這些配電柜組的安全是用電安全的重要保障。對配電柜的是一個長期未能解決的問題。我國的發(fā)電廠、工礦企業(yè)等用電場所大都配備各工作狀態(tài)、工作環(huán)境的監(jiān)測是保障配控制裝置,采用智能檢測技術設計合理的開關柜溫度、濕度電柜安全工作的重要手段。 本課題主要研制電力開關柜內(nèi)各參數(shù)的檢測與檢測和狀態(tài)模擬系統(tǒng),實現(xiàn)對開關柜工作狀態(tài)模擬和環(huán)境監(jiān)測。論文首先(shuxin)介紹了當前開關柜測溫的幾種方法及光纖光柵測溫法的優(yōu)勢,基于光纖光柵溫度傳感技術提出了一種利用光纖光柵測量開關柜觸頭溫度的方案。該方案采用光纖光柵作為傳感元件

3、,利用波分復用技術實現(xiàn)對開關柜觸頭溫度的在線監(jiān)測。關鍵詞:開關柜；在線監(jiān)測；溫度傳感器；實時監(jiān)控軟件 II Abstract As the important electrical equipment in substation，switchgear shoulders the dual role of closing and disconnecting the power line and protecting the system security,which plays an important role for the substations,safe and reliable ope

4、ration.The vigorous development of Chinas economic construction and reform and opening up, the application and their security of the power system are widespread concerned, however, monitoring and control of electrical equipment is a long-term unresolved issue. Our countrys power plants, industrial a

5、nd mining enterprises and other electricity places mostly equip with a variety of power supply and distribution Libraries group, the safety of the Distribution Libraries group is an important guarantee of the safe use of electricity. The monitoring of the working status and the work environment of t

6、he distribution cabinet is an important mean to protect the security of the distribution cabinet.The topic mainly develops a kind of device which can detect and control various parameters of the power switch cabinet, using intelligent detection technology to design the reasonable switch cabinet temp

7、erature and humidity detection and status simulation systems,so that it can realize the working status simulation and environmental monitoring of the switch cabinet.The current methods of temperature monitoring of switchger and the advantages of fiber Bragg gratings temperature monitoring is introdu

8、ced in this paper.Then based on the fiber Bragg gratings sensing technique,we design a system that could measure the temperature of the contact of switchgear.The design uses fiber Bragg gratings as the sensing elements and realizes the on-line temperature monitoring of the contact inside switchgear

9、with WDM technology.Keywords：Metal-clad switchgear；on-line monitoring；temperature sensor ；real-time monitoring software目錄(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc2673 前言(qin yn) PAGEREF _Toc2673 1 HYPERLINK l _Toc31033 1緒論(xln) PAGEREF _Toc31033 2 HYPERLINK l _Toc15203 1.1設計背景和意義 PAGEREF _Toc15203 2 HYPERL

10、INK l _Toc11472 1.2開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究 PAGEREF _Toc11472 3 HYPERLINK l _Toc18045 1.3系統(tǒng)檢測軟件的設計要求 PAGEREF _Toc18045 4 HYPERLINK l _Toc11916 1.4現(xiàn)有開關柜測溫方案比較 PAGEREF _Toc11916 4 HYPERLINK l _Toc6730 1.5課題主要任務 PAGEREF _Toc6730 6 HYPERLINK l _Toc25023 2開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計 PAGEREF _Toc25023 7 HYPERLINK l _Toc18434 2.1監(jiān)

11、控系統(tǒng)的硬件結構 PAGEREF _Toc18434 8 HYPERLINK l _Toc2372 2.2監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能設計10 HYPERLINK l _Toc11150 3監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計12 HYPERLINK l _Toc3056 3.1溫度傳感器的選擇 PAGEREF _Toc3056 12 HYPERLINK l _Toc26808 3.2光纖光柵溫度傳感器原理 PAGEREF _Toc26808 13 HYPERLINK l _Toc7561 3.3電壓傳感器的選擇 PAGEREF _Toc7561 15 HYPERLINK l _Toc3785 3.4電流傳感器的選擇 PA

12、GEREF _Toc3785 15 HYPERLINK l _Toc30823 3.5傳感器的主要安裝步驟如下: PAGEREF _Toc30823 16 HYPERLINK l _Toc32286 3.6開關柜數(shù)據(jù)采集器 PAGEREF _Toc32286 16 HYPERLINK l _Toc29999 3.6.1最小系統(tǒng)電路設計 PAGEREF _Toc29999 19 HYPERLINK l _Toc18314 3.6.2時鐘電路 PAGEREF _Toc18314 19 HYPERLINK l _Toc31043 3.6.3 復位電路20 HYPERLINK l _Toc15213

13、3.8串口通信接口電路(dinl) PAGEREF _Toc15213 22 HYPERLINK l _Toc14814 3.9鍵盤(jinpn)輸出 PAGEREF _Toc14814 24 HYPERLINK l _Toc20207 4監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)的軟件設計 PAGEREF _Toc20207 26 HYPERLINK l _Toc252 4.1軟件系統(tǒng)結構 PAGEREF _Toc252 26 HYPERLINK l _Toc28618 4.2軟件框架 PAGEREF _Toc28618 28 HYPERLINK l _Toc19057 4.3服務器的設計 PAGEREF _

14、Toc19057 28 HYPERLINK l _Toc25462 4.4實時庫的設計 PAGEREF _Toc25462 29 HYPERLINK l _Toc745 4.5報警服務器的設計 PAGEREF _Toc745 29 HYPERLINK l _Toc29887 4.6歷史數(shù)據(jù)保存模塊設計30 HYPERLINK l _Toc16285 5技術與經(jīng)濟分析32 HYPERLINK l _Toc24812 6結論33 HYPERLINK l _Toc9171 致謝 PAGEREF _Toc9171 34 HYPERLINK l _Toc31607 參考文獻 PAGEREF _Toc31

15、607 35 HYPERLINK l _Toc20210 附錄A 譯文 PAGEREF _Toc20210 36 HYPERLINK l _Toc21242 附錄B 外文文獻42 王進：低壓開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)設計遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 前言(qin yn)開關柜（又稱成套開關或成套配電裝置）是以斷路器為主的電氣設備，是指生產(chǎn)廠家根據(jù)電氣一次主接線圖的要求，將有關的高低壓電器(dinq)（包括控制電器、保護電器、測量電器）以及母線、載流導體、絕緣子等裝配在封閉的或敞開的金屬柜體內(nèi)，作為電力系統(tǒng)中接受和分配電能的裝置。它由柜體和斷路器兩大部分組成，具有架空進出線、電纜進出線、母線聯(lián)絡等功

16、能。柜體由殼體、電器元件（包括絕緣件）、各種機構、二次端子及連線組成。開關柜防護要求“五防”：防止誤分誤合斷路器、防止帶電分合隔離(gl)開關、防止帶點合接開關、防止帶接地分合斷路器、防止誤入帶電間隔。開關柜有一定的正常使用條件，如環(huán)境溫度，環(huán)境濕度，海拔高度，地震烈度等。一般情況下，環(huán)境的溫度和濕度是我們必須要考慮的條件。開關柜的環(huán)境溫度要求周圍空氣溫度不超過40(上限)，一般地區(qū)為-5(下限)，嚴寒地區(qū)可以為-15，環(huán)境的溫度過高，金屬的導電率會減低，電阻增加，表面氧化作用加劇。過高的溫度也會使得柜內(nèi)的絕緣件的壽命大大縮短，絕緣強度下降。反之，環(huán)境溫度過低，在絕緣件中會產(chǎn)生內(nèi)力，最終會導致

17、絕緣件的破壞。環(huán)境濕度日平均值不大于95%，月平均值不大于90%。濕度過高會導致開關柜在作業(yè)過程中發(fā)生故障。因此對其進行溫度和濕度的檢測是至關重要的。1緒論(xln)1.1設計(shj)背景和意義低壓開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)主要用于發(fā)電廠、石油化工、冶金、紡織、高層建筑(o cn jin zh)等公眾場合和工業(yè)領域，在大型發(fā)電廠、石油化工等自動化程度高、需要與計算機接口的場所。伴隨著我國國民經(jīng)濟的不斷持續(xù)發(fā)展，用電量也隨之大幅度提高，電力系統(tǒng)的安全運行關系到我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定。開關柜在電力系統(tǒng)的運行中起到開合、控制和保護的作用，它的正常運行與否將直接影響到變電站甚至整個電力系統(tǒng)的正常運行

18、狀態(tài)，因此，如何保障開關柜的正常運行，對整個電力系統(tǒng)的安全運行將顯得格外重要?？墒菍嶋H生產(chǎn)中，開關柜一直處于長期運行中，其上的各個觸電及連接點等部位由于老化、污染易造成間隙過大或接觸電阻增大，在電流通過，特別是用電高峰期，容易產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，將會任由溫度升高，引發(fā)事故的產(chǎn)生。隨著變電站綜合自動化系統(tǒng)的不斷普及，無人值守的變電站成為變電站發(fā)展的必然趨勢，為實現(xiàn)電力企業(yè)減員增效、提高勞動生產(chǎn)率、促進電網(wǎng)安全和穩(wěn)定等方面起了積極作用。開關柜作為變電站的極其重要電氣設備,擔負著關合及斷開電力線路、保護系統(tǒng)安全的雙重作用，對變電站的安全、可靠運行起到舉足輕重的作用。 現(xiàn)代電力系統(tǒng)對

19、電能質(zhì)量的要求越來越高，相應地對開關柜運行的可靠性也提出了更高的要求。同時，隨著傳感器技術、信號處理技術、計算機技術、人工智能技術的發(fā)展，使得對開關柜的運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并對累計性故障做出預測成為了可能。它對于保證開關柜的正常運行，減少維修的次數(shù)，提高電力系統(tǒng)的運行可靠性和自動化程度具有極其重要意義。圖1-1 開關柜結構(jigu)示意圖A-斷路器室；B-母線(mxin)室；C-電纜室；D-儀表室；1-母線；2-靜觸頭盒；3-斷路器；4-接地開關；5-電流互感器；6-電容分壓器；7-避雷器Fig.1-1 The fabric schematic of the switchg

20、ear panelA-Circuit breaker room; B-Bus bar room; C-Cable room; D-Instrument room; 1-bus-bar; 2-Static contact box; 3-Circuit breaker; 4-Earthing switch; 5-Current transformer; 6-Capacitor voltage divider; 7-Arrester1.2開關柜智能(zh nn)監(jiān)控系統(tǒng)的研究由于我國的開關柜絕大多數(shù)采取封閉式結構,散熱條件比較差,并且長期處在高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境之下，開關柜內(nèi)就會溫度升高，使

21、觸頭的接觸電阻增大。當溫度過高，使接觸電阻超過國家標準規(guī)定的接觸電阻值，就會加速觸頭表而氧化，而氧化又會進一步使導致接觸電阻上升，并促使觸頭發(fā)熱，溫度上升，形成惡性的循環(huán)。當觸頭的溫度超過一定范圍，就會導致其內(nèi)部材料的機械強度下降，接觸電阻增大，同時過熱會引起絕緣材料的老化，其絕緣強度也會下降，甚至損壞。若不及時采取措施，就很可能引發(fā)事故。在以前的開關柜過熱故障檢測中，采用人工巡檢，不僅費時、費力，而且不容易及時發(fā)現(xiàn)事故。開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅克服了開關柜內(nèi)的高溫、高壓、強磁場環(huán)境下溫度不易監(jiān)測的難題，而且通過監(jiān)控軟件實時顯示開關柜內(nèi)測點的當前電壓、電流、工作溫度并做出報警處理，節(jié)省了大量人力

22、、物力，提高了事故預判的準確性、實時性。1.3系統(tǒng)檢測軟件(run jin)的設計要求低壓開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)是基于分布式溫度測量、電流電壓測量、數(shù)據(jù)采集與傳輸、顯示(xinsh)及報警等部分組成的計算機實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用分布式、可組網(wǎng)、隔離性能良好的高精度溫度傳感器,對變電站中低壓開關柜內(nèi)的母線、斷路器與隔離開關觸點、互感器(包括電纜接頭)等這些易產(chǎn)生異常溫升的部件實現(xiàn)在線溫度測量與監(jiān)控。利用溫度采集單元采集多路溫度信號并通過RS232或RS485總線上傳到監(jiān)控主機，主機采用巡檢式(查詢式)工作方法,逐一巡檢每個測量點的溫度,并可統(tǒng)計、打印、報警，設定工作溫度范圍，顯示每個開關柜內(nèi)測

23、量點的溫度及歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)多種報警方式，當發(fā)生報警時，主監(jiān)控計算機能自動彈出報警窗口，顯示出報警時間、報警測點名稱(mngchng)和安裝部位，同時發(fā)出聲、光報警并可以打印報警記錄,提醒運行人員檢查。所有的報警信息都被記錄數(shù)據(jù)庫中,以備查閱。系統(tǒng)能提供完善的分析功能，包括超溫分析、溫升趨勢分析、相間溫差分析,并能做出報警、對比、歷史記錄統(tǒng)計與分析等處理，保障工作人員在開關柜發(fā)生事故之前做出及時處理。測控軟件可以建立開關柜設備數(shù)據(jù)庫，幫助工作人員監(jiān)測和分析開關柜內(nèi)各項數(shù)據(jù)。1.4現(xiàn)有開關柜測溫方案比較 目前常用的溫度監(jiān)測方法有下列幾種: 1.熱敏電阻式測溫系統(tǒng):熱敏電阻具有體積小、溫

24、度響應快、產(chǎn)品成熟、成本低等優(yōu)點，可以顯示溫度值，但由于每個熱敏電阻都需要獨立的接線、布線復雜且熱敏電阻易損壞、維護量大，傳感器不具備自檢功能,需要經(jīng)常校驗，因此不常采用。 2.紅外探頭測溫系統(tǒng)：紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀(點溫儀)。非接觸紅外測溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列,可以在線監(jiān)測。但由于系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，體積較大，受安裝空間限制，外加受環(huán)境影響嚴重，誤報較多，也不常采用。 3.示溫蠟片測溫：采用(ciyng)“示溫蠟片”存在(cnzi)一些問題，一是：在粘貼時普遍采用清漆將“示溫蠟片

25、”粘貼在電氣設備需要測試的部位，這樣粘貼牢固后，待測點溫度(wnd)達到“示溫蠟片”相同溫度時，不能脫落下來，只有溫度超過很大程度才會脫落下來，這樣很容易給操作人員造成誤導，判斷不及時。二是：“示溫蠟片”只能靠熔化現(xiàn)象表示發(fā)生了過熱，現(xiàn)象不直觀也不易發(fā)現(xiàn)。三是：電氣設備的負荷是隨用戶需求量變化的，接點溫度也是隨之變化的，當被監(jiān)視的電氣設備接點發(fā)生了不同程度的過熱，使用“示溫蠟片”不能隨之不同程度熔化或脫落下來。 4.使用示溫記錄標簽：“示溫記錄標簽”是以膠粘貼固定的,只要在測溫范圍內(nèi)發(fā)生了過熱，就可以繼續(xù)保留在貼片接點部位?！笆緶赜涗洏撕灐北砻嫱恳粚与S溫度變化而改變顏色的發(fā)光材料，通過觀察其顏

26、色變化來大致確定溫度范圍，這種方法準確度低、可讀性差，不能進行定量測量，因此也不能滿足現(xiàn)在系統(tǒng)監(jiān)測的需要。 5.光纖光柵測溫法：光纖傳感技術興起于20世紀70年代，在而后的幾十年里日新月異，成為傳感領域最有發(fā)展一前景的一門技術。光纖傳感器的核心通常是光纖本身或光路中的光功能元件，其主要功能是與被測對象相互作用而產(chǎn)生反映被測量大小的光信息并通過一個或多個光纖引線和信號調(diào)節(jié)裝置，以傳輸包含被測量信息的光信號并完成測量。與傳統(tǒng)的機電傳感器相比，光纖傳感器具有許多優(yōu)點：首先，光纖傳感器具有完全無源的結構和穩(wěn)定的化學性能，因而免疫電磁干擾和化學腐蝕，其次，由于在形狀和尺寸設計方面具有很好的靈活性，光纖傳

27、感器容易適應安裝環(huán)境的需要；再次，光纖傳感器可以方便的實現(xiàn)準分布式監(jiān)測;最后,光纖傳感器,具有遠超其他類型傳感器的測量靈敏度，容易實現(xiàn)高精度測量。因此，光纖傳感器自問世以來一直受到人們的關注。光纖光柵是20世紀九十年代發(fā)展起來的一種新型全光纖無源器件,與光纖完全兼容,它除了具有光纖本質(zhì)安全、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、耐高壓、使用壽命長的特點外，還具有以下優(yōu)點：(l)穩(wěn)定性好，靈敏度高。光纖光柵是一種波長(bchng)調(diào)制型器件，其性能不受光源光功率(gngl)的影響。(2)通用性好。光纖光柵傳感器可以實現(xiàn)(shxin)對溫度、應變、濃度、折射率、磁場、電場、電流、電壓、速度、加速度等多種參數(shù)

28、的測量。(3)復用性強。光纖光柵傳感器可以采用波分復用(WDM)、時分復用(TDM)、空分復用(SDM)等多種復用方式實現(xiàn)準分布式測量。(4)適應性強。光纖光柵制作方便，可以大規(guī)模低成本的生產(chǎn)，且結構較小，非常適合用于一些要求傳感探頭尺寸較小的場合。 光纖光柵傳感器可以在開關柜內(nèi)高電壓、大電流、強磁場的環(huán)境下實現(xiàn)對觸頭的高精度、高穩(wěn)定性的測量，且易于構成分布式測溫系統(tǒng)對所有觸頭進行實時在線式監(jiān)測。因此本系統(tǒng)將采用光纖光柵測溫法。1.5課題主要任務 本課題主要研究內(nèi)容是設計一套低壓開關柜智能監(jiān)控系統(tǒng)，具備以下功能：1、電壓、電流、工作溫度、柜內(nèi)環(huán)境溫度的在線監(jiān)測功能；2、無線通信功能；3、遠程控

29、制功能；4、完備的電壓保護、電流保護、溫度保護功能。第二章是系統(tǒng)的總體設計，分別從硬件和軟件上大致討論設計的總體步驟；第三章詳細分析了系統(tǒng)的硬件，對于單片機、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器進行了選擇；第四章對系統(tǒng)軟件進行了分析，將軟件分成3個層次細化的做出了分析；第五章是技術與經(jīng)濟分析，討論了本設計在實際中的可行性。 2開關柜智能(zh nn)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計 本課題所選的低壓開關柜型號為GGD系列。GGD型交流低壓開關柜可廣泛(gungfn)的應用在發(fā)電廠、變電所、廠礦企業(yè)等電力用戶，在交流50HZ，額定工作電壓380V，額定電流3150A的配電系統(tǒng)，作為動力、照明及配電設備的電能轉(zhuǎn)換

30、、分配和控制中使用。GGD型開關柜的使用(shyng)條件：周圍空氣溫度不高于+40,不低于-5。24h內(nèi)的平均溫度不得高于+35；戶內(nèi)安裝使用，使用地點的海拔不得超過 2000M；周圍空氣相對濕度在最高溫度為+40時不超過 50%,在較低溫度時允許有較大的相對濕度,(例如 +20時為90%)應考慮到由于溫度的變化可能會偶然產(chǎn)生凝露的影響；設備安裝時與垂直面的傾斜度不超過 5%；設備應安裝在無劇烈震動的地方,以及不足使電器元件受到腐蝕的場所;用戶有特殊要求時可與制造廠協(xié)商解決。GGD型開關柜的基本技術參數(shù)：型號額定電壓（V）額定電流（KA）額定短路開斷電流（KA）額定短時耐受電流(1S)(KA

31、)額定峰值耐受電流(KA) GGD1 380A 1000B600(630)C 400 15 15 30 GGD2 380A1500(1600)B 1000C 30 30 63 GGD3 380A 3150B 2500C 2000 50 50 105表2-1 GGD型開關柜的基本(jbn)技術參數(shù)Tab.2-1 Basic technical parameters of type GGD switchgear本課題將選用(xunyng)的是GGD1型低壓開關柜。本設計(shj)方案中，低壓開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)以微型計算機作為監(jiān)測核心，結合高精度的溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集變換器及可靠的通訊技術，構成功能

32、強大、操作簡便、工作安全可靠的在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計中，充分考慮系統(tǒng)的可操作性、可靠性、美觀性等，使系統(tǒng)能夠應用于實踐并加以推廣。開關柜智能控制及運行模擬裝置符合國家電力行業(yè)“五防”的要求設計研發(fā)，可以根據(jù)要求實現(xiàn)一次回路的電壓、電流、溫度等顯示功能，配合相關操作控制回路及各類防誤操作電磁鎖，系統(tǒng)采用智能檢測技術設計合理的開關柜溫度和狀態(tài)模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)對開關柜工作狀態(tài)模擬和環(huán)境監(jiān)測，單片機是開關柜智能控制裝置的核心，由它完成對監(jiān)控對象的選擇、狀態(tài)燈控制、模擬信號的輸入、數(shù)碼顯示、信號輸出電路設計以及與上位機數(shù)據(jù)通信等任務，而監(jiān)控中心通過對開關柜節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)進行處理和分析，在監(jiān)控中心還原

33、開關柜的運作情況，并對開關柜的運行環(huán)境進行監(jiān)測與監(jiān)控，對于出現(xiàn)異常的開關柜進行合理的安全處置。系統(tǒng)能夠根據(jù)開關柜的狀態(tài)進行動態(tài)應急處置，從而達到保護用電系統(tǒng)安全的作用，取得了良好的經(jīng)濟效益，達到了預期目標。2.1監(jiān)控系統(tǒng)的硬件(yn jin)結構整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、信號傳輸線纜(光纖或者無線通信)、數(shù)據(jù)采集(cij)變換器、RS-485總線、RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器以及監(jiān)控中心構成。低壓開關柜的特點是電纜連接頭和母線連接頭較多，當安裝或檢修時工作人員因疏忽而沒有安裝或少裝了緊固螺絲,或者是由于觸頭臟污時，會導致連接頭的接觸電阻(dinz)增大,當有大

34、電流通過時就會產(chǎn)生高溫，如果不能及時發(fā)現(xiàn)，將會造成故障甚至事故。因此，對于低壓開關柜的電壓、電流、溫度監(jiān)測，主要是對其電纜連接頭以及母線連接頭進行監(jiān)測。在監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器通常緊貼需要監(jiān)測的母線排、開關觸點等安裝。要求傳感器測溫精度不小于1度。在開關柜設置一個數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)對開關柜內(nèi)電流、電壓、溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)采集模塊可安裝在開關柜面板，并需要外部提供24V直流電源供電。在溫度采集模塊和監(jiān)測中心之間采用RS-485電纜進行通訊連接，以保證信號可靠的傳輸，RS-485通信在1200m內(nèi)可以保證可靠的通信質(zhì)量,因此監(jiān)測計算機與最遠的開關柜間距離應小于1200m。

35、監(jiān)測計算機一般采用工控機，而工控機只帶有RS-232接口，故RS-485總線末端需要用RS485/RS232轉(zhuǎn)換器進行信號轉(zhuǎn)化，方便系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集。監(jiān)控中心是由工業(yè)控制計算機構成，保證對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。監(jiān)控中心通過系統(tǒng)軟件對接收到的溫度信號進行適當?shù)奶幚?，完成顯示、報警等功能。圖2.1 系統(tǒng)(xtng)硬件框圖Fig.2-1System hardware block diagram2.2監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)軟件功能設計軟件開發(fā)使用MicrsoftVISua1C+6.0的基礎類庫MFC，MFC作為大型的工程編程語言，已經(jīng)大量的應用于實踐當中。它提供了大量預先編寫好的類及支持代碼，極大(

36、j d)程度減少了工程開發(fā)所需的時間，提高了工作效率。系統(tǒng)軟件由在線監(jiān)控和實時分析兩個主要部分組成。軟件具有在線采集、監(jiān)控、分析現(xiàn)場溫度的功能，這些分析包括超溫分析、溫升趨勢分析和相間溫差分析，并能做出報警、預報警(包括溫升預報警，三相相間溫差預報警等)、報警日志記錄等處理?？梢栽跀?shù)據(jù)庫中保留歷史數(shù)據(jù)，作查看與分析使用。本文設計的軟件由多個模塊組成，各個模塊之間的通信通過共享內(nèi)存來實現(xiàn)。實時數(shù)據(jù)庫負責機器內(nèi)各應用程序的實時數(shù)據(jù)交換。程序模塊與數(shù)據(jù)庫的通信通過ODBC技術完成。本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理服務器、接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信模塊。進行數(shù)據(jù)庫配置的數(shù)據(jù)庫配置模塊、歷史數(shù)據(jù)查看的歷史應用模塊和報警模塊

37、。 對于企業(yè)應用于安全性領域的系統(tǒng)軟件，不僅需要應對各種突發(fā)性情況，還要考慮到用戶的可操作性，最重要的是軟件在運行中的穩(wěn)定性與可靠性。溫度監(jiān)控系統(tǒng)軟件是個多任務操作軟件，例如通過RS-232串行總線實現(xiàn)對監(jiān)控網(wǎng)絡硬件設備的控制與通信，實時數(shù)據(jù)的存儲，以曲線形式實時顯示測試數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的查詢、曲線顯示以及操作記錄等。為了在完成這些任務的同時，主控制界面能夠?qū)崟r的處理用戶的輸入，始終保持工作狀態(tài),一種比較好的方法就是采用多線程的編程模式。3監(jiān)控(jin kn)系統(tǒng)的硬件設計整個監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、信號(xnho)傳輸線纜(光纖或者無線通信)、數(shù)據(jù)采集變換器、RS-

38、485總線、RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器以及監(jiān)控中心構成。3.1溫度傳感器的選擇(xunz)考慮到光纖光柵溫度傳感器在開關柜內(nèi)的應用環(huán)境，傳感器的設計制作主要從以下五個方面確定:(l)選擇高性能的光纖光柵傳感器。主要考慮光柵傳感器的測溫范圍、反射率、有無次峰等方面，選擇優(yōu)質(zhì)光柵傳感器。(2)選擇耐高壓、耐高溫材料加工制作光柵傳感器外封裝材料。除了考慮耐高壓、耐高溫條件外還需要考慮材料的機械強度及粘接性能。(3)選擇耐高壓光纖跳線。主要考慮跳線的絕緣耐壓特性，需通過有關部門的性能測試，以達到防止“爬電”的目的。(4)傳感器封裝制作。將光纖光柵用外殼封裝,重點考慮導熱膠的性能，光柵不能有預應力

39、，體積越小越好，這樣可保證較快的響應速度并便于安裝。(5)封裝過程中要使光纖光柵始終處于自由狀態(tài)，避免了應變與溫度的交叉串擾。綜合以上幾點,設計出的成品傳感器如圖(3-1)所示。采用單端出纖設計，適用于并聯(lián)的連接方式。傳感器的探頭尺寸比較小，可以方便地安裝在空間狹小、元件密集的開關柜內(nèi)，避免了對開關柜運行、檢修等的影響；尾纖的長度將根據(jù)傳感器的位置來確定，一般在4m左右。本系統(tǒng)光纖光柵溫度傳感器的型號為Anko-FBG-T01。圖3-1開關柜內(nèi)光纖光柵(gungshn)溫度傳感器實物圖Fig.3-1Temperature sensor of fiber grating temperature

40、sensor in switchgear光纖光柵傳感器在低壓(dy)開關柜內(nèi)的安裝如圖(3-2)所示。圖3-2光纖光柵溫度傳感器在低壓(dy)開關柜內(nèi)的安裝實物圖Fig.3-2 The installation of fiber Bragg grating temperature sensor in the low-voltage switchgear3.2光纖光柵(gungshn)溫度傳感器原理光纖光柵就是一段光纖。光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實質(zhì)就是在纖

41、芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖禍合,可與其它光器件兼容成一體,不受環(huán)境(hunjng)塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵的種類很多，主要分兩大類:一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵)；二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構,從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為惆啾光柵(chirp光柵)。光纖沿徑向從里向外分為纖芯、包層、涂覆層三部分,用特殊的紫外光照射工藝,光纖纖芯折射率受到永久的周期性

42、微擾而形成一種光纖無源器件。它能將入射光中某一特定波長的光部分或全部反射。滿足布拉格條件的波長被光纖光柵反射,相關(xinggun)公式如下: b=2n其中: b是被反射的波長 n是光纖光柵的有效折射率 為光柵周期通過拉伸和壓縮光纖光柵,或者改變溫度,可以改變光纖光柵的周期和有效折射率,從而達到改變光纖光柵的反射波長的目的。反射波長和應變、溫度、壓力物理量成線性關系。數(shù)學計算公式為: 其中: 光纖光柵中心波長變化量 e 應變量 T 溫度變化量100根據(jù)這些特性，可將光纖光柵制作成應變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)和傳感器三個主要部分組成。

43、對光芯進行照射，使得光纖纖芯的一段區(qū)域折射率發(fā)生周期性變化,從而制成光纖光柵。光纖光柵傳感器獲取物理變化量。以光波長為載體,通過光纖傳輸系統(tǒng)傳至解調(diào)系統(tǒng)，由解調(diào)系繞對光信號進行處理分析，獲取物理變化量數(shù)據(jù)。3.3電壓(diny)傳感器的選擇霍爾電壓傳感器是一種利用霍爾效應，將原邊電壓通過外置或內(nèi)置電阻，將電流限制在10mA,此電流經(jīng)過多匝繞組之后，經(jīng)過聚磁材料將原邊電流產(chǎn)生的磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到，并感應出相應電動勢，該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后反饋給補償線圈進而補償，該補償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流（被測電壓通過限流電阻產(chǎn)生）產(chǎn)生的磁通大小相等(xingdng)，方向相反，從而在磁芯中保持磁通

44、為零。實際上霍爾電壓傳感器利用的是和磁平衡閉環(huán)霍爾電流傳感器一樣的技術，即零磁通霍爾電流傳感器。 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=7827066&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 直流電壓傳感器是指將被測直流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例(bl)輸出的標準直流電壓或 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=6623810&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 直流電流的裝置。直流電壓傳感器又分為單路直流電壓傳感器和雙路直流電壓傳感器，單路直流電壓傳感器是

45、指將被測直流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的單路標準直流電壓或直流電流的裝置。雙路直流電壓傳感器是指將被測直流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的雙路標準直流電壓或直流電流的裝置。 HYPERLINK /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=54380157&ss_c=ssc.citiao.link t _blank 交流電壓傳感器又分為單相交流電壓傳感器和三相交流電壓傳感器。單相交流電壓傳感器是指將被測交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的單路標準直流電壓或直流電流，三相交流電壓傳感器是指將被測三相交流電壓隔離轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的三路標準直流電壓或直流電流。電壓傳感器選擇符合

46、國家強制標準GB1207-1997的JDZW-10型電壓傳感器。3.4電流傳感器的選擇 電流 HYPERLINK /view/16431.htm t _blank 傳感器，是一種檢測裝置，能感受到被測電流的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。電流傳感器依據(jù)測量原理不同，主要(zhyo)可分為： HYPERLINK /view/327597.htm t _blank 分流器、電磁式 HYPERLINK /view/427702.htm t _blank 電流(dinli)互感器、電

47、子(dinz)式電流 HYPERLINK /view/141150.htm t _blank 互感器等。 電子式電流互感器包括霍爾電流傳感器、羅柯夫斯基電流傳感器及專用于 HYPERLINK /view/8207520.htm t _blank 變頻電量測量的 HYPERLINK /view/2906444.htm t _blank AnyWay變頻功率傳感器（可用于電壓、電流和功率測量）等。本設計選擇符合國家強制標準GB1208-2006的LBZ-10型電流傳感器。3.5傳感器的主要安裝步驟如下:(l)對應每個開關柜的測點，選擇相應的傳感器，并填寫傳感器位置列表；(2)將傳感器的底面與安裝位

48、置的表面分別進行打磨、擦拭，確保其接觸面粗糙但無浮灰；(3)調(diào)配環(huán)氧樹脂，待到環(huán)氧樹脂稍微有些硬化時，均勻涂抹到安裝位置的表面和傳感器的底面；(4)將傳感器的底面在涂好樹脂的位置粘接，并用絕緣膠帶固定，保證傳感器的探頭和尾纖之間沒有較大應力；(5)根據(jù)不同開關柜的結構進行布線，在保證絕緣的同時力求美觀大方。3.6開關柜數(shù)據(jù)采集器 開關柜數(shù)據(jù)采集器處理來自柜內(nèi)所有傳感器的信號，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心計算機，并接收監(jiān)控中心計算機發(fā)來的指令。數(shù)據(jù)采集器有兩個作用：第一，采集開關柜內(nèi)電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器的信號，再轉(zhuǎn)換為電壓值、電流值、溫度值；第二，通過RS485總線與上位機通信，接收上位機

49、的指令，并向上位機發(fā)送開關柜電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)。單片機作為開關柜數(shù)據(jù)采集器的核心，通過置于開關觸頭上的電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，后經(jīng)過信號調(diào)理電路進行信號的放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將信號變?yōu)閱纹瑱C可識別的數(shù)字信號，最后通過單片機對數(shù)據(jù)的處理，可對電流、電壓、溫度信號進行顯示，并且當電流、電壓、溫度超過上限時進行報警。本設計單片機選用AT89C52，AT89C52是一種帶4K HYPERLINK /view/60408.htm t _blank 字節(jié)FLASH HYPERLINK /view/87697.htm t _blank 存儲器（FPEROMFlash Progr

50、ammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位 HYPERLINK /view/1125.htm t _blank 微處理器，俗稱 HYPERLINK /view/1012.htm t _blank 單片機。該單片機具備使用簡單、功能強大、成本低廉等優(yōu)點AT89C52單片機芯片中集成了AD轉(zhuǎn)換、串行口、電源管理等模塊，并提供了豐富的通用IO口，便于用戶硬件設計并提高了可靠性?；贏T89C52單片機芯片的開關柜數(shù)據(jù)采集器硬件(yn jin)框圖如圖31 圖3-3 數(shù)據(jù)(shj)采集器系統(tǒng)框圖Fig3-3 Block diagram o

51、f data acquisition system開關柜數(shù)據(jù)(shj)采集器固件系統(tǒng)流程如圖3-2：圖3-4開關柜數(shù)據(jù)采集器固件( jin)系統(tǒng)流程Fig.3-4 Switch cabinet data acquisition firmware system process 開關柜數(shù)據(jù)采集器固件主要由以下幾個(j )模塊組成：系統(tǒng)(xtng)初始化模塊系統(tǒng)初始化模塊的作用是在數(shù)據(jù)采集器上電時完成對系統(tǒng)各硬件模塊的初始化設置。數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊完成對所有電流傳感、電壓傳感器、溫度傳感器的信號采集。報警模塊設置各個測量點報警的條件，報警的類型以及報警的優(yōu)先級，在出現(xiàn)報警時采用的聲音、彈出提示

52、等方式向值班人員發(fā)出報警信息。通信模塊通信模塊完成與監(jiān)控總機的通信。監(jiān)控總機按照一定的時間間隙對數(shù)據(jù)采集器進行巡檢，被巡檢到的數(shù)據(jù)采集器必須按照指令(zhlng)發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)。通信模塊的固件流程如圖3-3圖3-5通信(tng xn)模塊固件流程Fig.3-5 Communication module firmware process3.6.1最小系統(tǒng)(xtng)電路設計單片機必須在具備以下條件才能保證其正常工作，分別是時鐘電路和復位電路。時鐘電路是給單片機提供時鐘源，復位電路的功能是重置單片機回到起始地址，重新開始執(zhí)行程序代碼。單片機最小系統(tǒng)電路如圖3-6所示，包括時鐘電路和復位電路，下

53、面對時鐘電路和復位電路做詳細介紹。圖3-6最小系統(tǒng)(xtng)電路Fig.3-6 Pin figure 3.6.2時鐘(shzhng)電路AT89C52單片機應用時，我們常用石英晶體接電容組成系統(tǒng)時鐘電路(dinl)，如果系統(tǒng)需要使用串口通訊，為了滿足波特率沒有誤差，我們經(jīng)常使用11.0592MHZ的石英晶體。如果系統(tǒng)需要使用定時器，為了滿足定時器定時沒有誤差，我們通常會選擇12MHZ的石英晶體。不管石英晶體選擇是11.0592MHZ，還是12MHZ，我們通常使用的匹配電容都是30pf的陶瓷電容，這可以很好的抑制外界的干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時鐘電路如圖3-7所示，選用12M的石英晶體，其兩引

54、腳分別與單片機的XTAL1和XTAL2引腳相連，還分別與30pf陶瓷電容C1，C2的兩端相連，電容的另一端分別接地。圖3-7時鐘(shzhng)電路Fig.3-7Clock circuit3.6.3 復位(f wi)電路為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定(wndng)可靠工作，復位電路是必不可少的一部分。當AT89C52系列單片機的RST引腳上有一個高電平并持續(xù)2個機器周期以上時，則單片機就會響應并執(zhí)行復位操作。單片機在啟動時都需要復位，復位方式通常有手動按鈕復位、上電復位兩種方式。圖3-4即為復位電路。 圖3-4復位電路Figure 3-4 reset circuit如圖3-4所示，該電路既能實現(xiàn)上電

55、復位又可以實現(xiàn)手動復位。當系統(tǒng)上電一瞬間，電容相當于短路，即RST復位端口，直接加到高電平上，所以可以實現(xiàn)上電復位。當系統(tǒng)正常運行后，在需要復位的時候，按下微動開關S3，即將電容短路，同樣可以實現(xiàn)手動復位。3.8串口通信接口電路(dinl)數(shù)據(jù)通訊有兩種不同的方式，即并行(bngxng)通訊方式和串行通訊方式。并行數(shù)據(jù)通訊是指數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送(發(fā)送(f sn)或接收)的通訊方式，其優(yōu)點是傳輸速度快，通訊方法簡單；缺點是數(shù)據(jù)有多少位，就需要多少根傳輸線。此外還需要若干控制線和一條地線。這種通訊方式只適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸，如計算機與外部設備之間。串行數(shù)據(jù)通訊是指通訊的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)

56、信息的傳輸是在一對數(shù)據(jù)線上分時進行的，以每次一個二進制位一位一位的順序傳送，它的突出優(yōu)點是只需一對傳輸線進行傳送信息，所需傳輸線的條數(shù)少，這樣就大大降低了成本，特別適用于分級、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠距離通訊之中，其缺點是傳輸速度較低。通?？筛鶕?jù)信息需要傳輸?shù)木嚯x來決定采用哪種通訊方式，并行通訊在位數(shù)多、傳輸距離又遠時不適宜使用，并且其造價比較高，故在本設計中采用串行通訊。按照串行數(shù)據(jù)的傳輸方式，串行通訊又分為異步通訊和同步通訊兩種基本的通訊方式。同步串行通訊是一種連續(xù)串行傳輸數(shù)據(jù)的通訊方式，一次通訊只傳送一幀信息。它是按照軟件識別同步字符來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的，傳輸過程中，字符和字符之間

57、沒有間隙，也不用起始位和停止位，僅在數(shù)據(jù)塊開始時用同步字符來指示。異步通信是一種利用字符的再同步技術的通訊方式，在異步通訊中，數(shù)據(jù)通常是以字符(或字節(jié))為單位組成字符幀傳送的，字符幀由發(fā)送端幀一幀的發(fā)送，通過傳輸線被接收端一幀一幀的接收，發(fā)送端和接收端可以由各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個時鐘源彼此獨立，不必同步，發(fā)送端和接收端是靠規(guī)定端字符幀格式和波特率高低來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的，兩者是異步通信中的兩個重要指標。在實際應用中，同步通信是應用于傳輸速度高的情況，這也正是它的優(yōu)點所在，但由于它要求發(fā)送時鐘和接收時鐘保持嚴格同步，在硬件的實現(xiàn)上比較復雜，系統(tǒng)成本較高。因此，在本設計中，選

58、擇串行異步通信方式，以降低硬件的復雜性以及設計成本。單片機AT89C52的UART0口是一個具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口。UART0可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式,并且支持多處理器通信。接收數(shù)據(jù)被暫存于一個保持寄存器中,這就允許UART0在軟件尚未讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開始接收第2個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。一個接收覆蓋位用于指示新的接收數(shù)據(jù)已被鎖存到接收緩沖器,而前一個接收數(shù)據(jù)尚未被讀取。對UART0的控制和訪問是通過相關的特殊功能寄存器即串行控制寄存器(SCON0)和串行數(shù)據(jù)(shj)緩沖器(SBUF0)來實現(xiàn)的。一個SBUF0地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀操作將自

59、動訪問接收寄存器,而寫操作自動訪問發(fā)送寄存器。UART0可以工作在查詢或中斷方式。UART0有2個中斷源:一個發(fā)送中斷標志TI0(SCON011)(數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送結束時置位)和一個接收(jishu)中斷標志RI0(SCON010)(接收完一個數(shù)據(jù)字節(jié)后置位)。當CPU轉(zhuǎn)向中斷服務程序時硬件不清除UART0中斷標志,中斷標志必須用軟件清除。這就是允許軟件查詢UART0中斷的原因(發(fā)送完成或接收完成)。UART0提供4種工作方式(一種同步方式和3種異步方式)。通過設置(shzh)SCON0寄存器中的配置位選擇。這4種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。由于單片機輸入、輸出電平是TTL電平,而PC機配置的

60、是RS-232標準串行接口,二者的電氣規(guī)范不一致,因此要完成單片機與PC機的數(shù)據(jù)通訊,必須對單片機輸出的TTL電平進行電平轉(zhuǎn)換。以前常用的TTL與RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片為MC1488和MC1489。MC1488將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平,其供電電壓為12V,MC1489則把RS-232標準電平轉(zhuǎn)換為TTL,供電電壓為+5V,而該系統(tǒng)由于單片機采用+3V供電的將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平的MAX3232芯片,其電路如圖1所示。圖3-6通信電路圖Fig.3-6 Communication circuit diagram串行通信有異步通信和同步通信2種基本通信方式。同步通信適用于傳送