中壓開關柜溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

朱漢東 劉旭寧

(1.蘭州交通大學電子與信息工程學院 蘭州 730070;2.91206 部隊 青島 266108)

0 引 言

開關柜因制造、運輸、安裝不良或操作不當?shù)仍蚨紝⒁鹩|頭接觸不良，造成接觸電阻增大，運行時出現(xiàn)觸頭溫度上升過高，會使觸頭處于嚴重發(fā)熱甚至局部熔焊而影響開關分合，當通過短路電流時還會影響開關的動、熱穩(wěn)定性能和開斷性能。這些電氣設備如果發(fā)生故障，直接的危害就是保護的線路設備受到損傷和電量的損失;間接的危害可能造成用戶大面積的停電［1］。所以，對電力設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測顯得非常有必要，要及時的反映線路設備的運行狀態(tài)。

中壓開關柜溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)是采用非接觸遠紅外測溫法監(jiān)測中壓開關柜帶電工作狀態(tài)下母線和電器元件連接處的發(fā)熱情況，實時監(jiān)測，及時報警，以避免因溫升過高導致的開關柜運行故障。

1 遠紅外測溫法

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。

遠紅外測溫法是利用紅外測溫技術，以溫度傳感器為測溫元件的中壓開關柜觸頭溫度實時監(jiān)測方案［3］。監(jiān)測網(wǎng)絡包括紅外測溫傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)主控單元3個部分，總體結構如圖1 所示。在網(wǎng)絡的最底層是紅外測溫探頭，采集開關柜內(nèi)開關觸頭的溫度，通過RS485 總線將溫度數(shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元負責將溫度顯示。同時設置報警參數(shù)，當溫度超限時報警時，將溫度數(shù)據(jù)和報警信號通過RS485 總線上送至數(shù)據(jù)主控單元;數(shù)據(jù)主控單元進一步控制報警系統(tǒng)進行報警。

圖1 總體結構圖

2 數(shù)據(jù)采集

開關柜數(shù)據(jù)采集器負責處理柜內(nèi)所有傳感器傳來的信號，將其轉換為溫度值，通過RS485 總線與數(shù)據(jù)主控單元通信，將溫度數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)主控單元，并接收數(shù)據(jù)主控單元發(fā)來的指令［5］。

2.1 硬件設計

開關柜在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

基于單片機的數(shù)據(jù)采集單元通過接受紅外傳感器發(fā)出的信號，經(jīng)過A/D 轉換輸入到單片機，單片機將信號處理后根據(jù)相應的接口，通過RS485 總線將控制信號傳送給上位機，上位機通過RS485 總線發(fā)送指令。

傳感器采用的TMP100 是TI 公司的總線數(shù)字溫度傳感器。該芯片的工作電壓為2.0～5.0 V，溫度范圍為－55℃～125℃，誤差±2 ℃(－25℃～85℃)/ ±3℃(－55℃～125℃)。該傳感器顯著的特點是超低功耗，靜態(tài)工作電流為45 μA，關斷電流僅為0.1 μA［2］。

單片機選用TI 公司的低功耗、高性能的C8051F020單片機。C8051F 系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，C8051F020 的內(nèi)部電路包括CIP－51 微控制器內(nèi)核 及 RAM、ROM、I/O 口、定 時/計 數(shù) 器、SPI (Serial Peripheral Interface 串行外設接口)等部件，即把計算機的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設集成在一個芯片上，構成一個完整的片上系統(tǒng)。CIP－51 采用了流水線處理結構，指令執(zhí)行的最小時序單位為系統(tǒng)時鐘，大部分指令只要1～2 個系統(tǒng)周期即可完成，且C8051F020 有多個可編程時鐘源，時鐘頻率范圍為0～25 MHz，當CIP－5l 工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25 MHz 時，它的峰值速度可以達到25 MI/s。其工作電壓范圍為2.7～3.6 V(端口I/O，RST 和JTAG 引腳的耐壓為5 V)。C8051F020 有8 個8位的I/O 端口，可靠性和抗干擾能力強。

2.2 軟件設計

開關柜數(shù)據(jù)采集的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

其整體處于一個不斷查詢的循環(huán)狀態(tài)，每隔一定時間(設 置 為15s)，C8051F020 通 過RS－485 總 線 與TMP100 通信，啟動TMP100 并獲得被測點溫度。如果溫度過高或相鄰兩次測得的溫度變化過大，C8051F020 將通過接口向上位機發(fā)送內(nèi)容為發(fā)送端的標識符(每個發(fā)送端有自己的唯一標識符)、故障類型標識(溫度過高故障或溫度變化過快故障)和本次溫度數(shù)據(jù);若測得溫度數(shù)據(jù)在報警范圍之內(nèi)，則C8051F020 每隔一段時間(設置為半小時)發(fā)送一次發(fā)送端的標識符、無故障標識和最近一次溫度數(shù)據(jù)。

3 上位機軟件設計

3.1 上位機

上位機主要用于接收監(jiān)測的數(shù)據(jù)，實時顯示。上位機軟件的開發(fā)使用的是Visual Basic6.0 程序設計語言，并且調(diào)用了SQL Server 數(shù)據(jù)庫。SQL Serve2000 數(shù)據(jù)庫具有強大的管理能力和安全性，通過ODBC(Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫互連)及設定的操作權限可以在網(wǎng)絡中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、編輯、刪除等操作及數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計管理。它相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫調(diào)用而言，更具有高可靠性和實用性。圖4 為上位機軟件工作的運行界面。

圖4 上位機軟件運行界面

3.2 通信協(xié)議

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS－485串行總線標準。RS－485 采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。

分散安裝于中壓開關柜上的溫測傳感器實時監(jiān)測開關柜中設備溫度狀態(tài)，通過RS－485 總線實時響應上位機的指令，把當前的信息傳送給上位機，上位機也可直接下發(fā)命令，對溫度的報警閾值進行設置。

通信協(xié)議模塊流程圖如圖5 所示。

圖5 通信協(xié)議模塊流程圖

4 實驗結果

監(jiān)測結果通過上位機顯示，如圖6 所示。

圖6 監(jiān)測結果

5 結 論

本文采用的遠紅外測溫法是一種非接觸的測溫方式，利用其可以實時測量高溫、有腐蝕性、高壓帶電物體的溫度和測溫度速度快、范圍寬、對被測溫場無干擾的特性，解決了中壓開關柜內(nèi)高電壓、高溫度、強磁場的惡劣環(huán)境問題，實時掌握了開關設備的狀態(tài)信息，實現(xiàn)了中壓開關柜內(nèi)設備運行的實時監(jiān)測和及時報警。

［1］田毅，黃新波.高壓開關柜溫升在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.高壓電器，2010，46(3).

［2］陳君盈.智能化中壓開關柜溫度在線監(jiān)測［J］.電氣制造，2010(6).

［3］黃新波.輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［4］王小華，蘇彪，榮命哲，等.中壓開關柜在線監(jiān)測裝置的研制［J］.高壓電器，2009，45(3).

［5］陳桂友.開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2007.

［6］張艷，田競，葉逢春，路燦.基于紅外傳感器的網(wǎng)絡的研制［J］.高壓電器，2005，42(2):91-93.

［7］衣紅鋼，鞏憲鋒.高壓開關柜隔離觸頭溫度監(jiān)測研究［J］.中國電機工程學報，2006，26(1).

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