中壓開關(guān)柜溫升在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱漢東 劉旭寧

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

0 引 言

開關(guān)柜因制造、運(yùn)輸、安裝不良或操作不當(dāng)?shù)仍蚨紝⒁鹩|頭接觸不良，造成接觸電阻增大，運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)觸頭溫度上升過高，會(huì)使觸頭處于嚴(yán)重發(fā)熱甚至局部熔焊而影響開關(guān)分合，當(dāng)通過短路電流時(shí)還會(huì)影響開關(guān)的動(dòng)、熱穩(wěn)定性能和開斷性能。這些電氣設(shè)備如果發(fā)生故障，直接的危害就是保護(hù)的線路設(shè)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(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得非常有必要，要及時(shí)的反映線路設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

中壓開關(guān)柜溫升在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用非接觸遠(yuǎn)紅外測(cè)溫法監(jiān)測(cè)中壓開關(guān)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)報(bào)警，以避免因溫升過高導(dǎo)致的開關(guān)柜運(yùn)行故障。

1 遠(yuǎn)紅外測(cè)溫法

在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)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(zhǎng)的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)紅外測(cè)溫法是利用紅外測(cè)溫技術(shù)，以溫度傳感器為測(cè)溫元件的中壓開關(guān)柜觸頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案［3］。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括紅外測(cè)溫傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)主控單元3個(gè)部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在網(wǎng)絡(luò)的最底層是紅外測(cè)溫探頭，采集開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)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(fù)責(zé)將溫度顯示。同時(shí)設(shè)置報(bào)警參數(shù)，當(dāng)溫度超限時(shí)報(bào)警時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)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(jìn)一步控制報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集

開關(guān)柜數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)處理柜內(nèi)所有傳感器傳來的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)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(jī)的數(shù)據(jù)采集單元通過接受紅外傳感器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)，單片機(jī)將信號(hào)處理后根據(jù)相應(yīng)的接口，通過RS485 總線將控制信號(hào)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)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(diǎn)是超低功耗，靜態(tài)工作電流為45 μA，關(guān)斷電流僅為0.1 μA［2］。

單片機(jī)選用TI 公司的低功耗、高性能的C8051F020單片機(jī)。C8051F 系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(shí)/計(jì) 數(shù) 器、SPI (Serial Peripheral Interface 串行外設(shè)接口)等部件，即把計(jì)算機(jī)的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的片上系統(tǒng)。CIP－51 采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行的最小時(shí)序單位為系統(tǒng)時(shí)鐘，大部分指令只要1～2 個(gè)系統(tǒng)周期即可完成，且C8051F020 有多個(gè)可編程時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率范圍為0～25 MHz，當(dāng)CIP－5l 工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25 MHz 時(shí)，它的峰值速度可以達(dá)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(gè)8位的I/O 端口，可靠性和抗干擾能力強(qiáng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

開關(guān)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(gè)不斷查詢的循環(huán)狀態(tài)，每隔一定時(shí)間(設(shè) 置 為15s)，C8051F020 通 過RS－485 總 線 與TMP100 通信，啟動(dòng)TMP100 并獲得被測(cè)點(diǎn)溫度。如果溫度過高或相鄰兩次測(cè)得的溫度變化過大，C8051F020 將通過接口向上位機(jī)發(fā)送內(nèi)容為發(fā)送端的標(biāo)識(shí)符(每個(gè)發(fā)送端有自己的唯一標(biāo)識(shí)符)、故障類型標(biāo)識(shí)(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(cè)得溫度數(shù)據(jù)在報(bào)警范圍之內(nèi)，則C8051F020 每隔一段時(shí)間(設(shè)置為半小時(shí))發(fā)送一次發(fā)送端的標(biāo)識(shí)符、無故障標(biāo)識(shí)和最近一次溫度數(shù)據(jù)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)

上位機(jī)主要用于接收監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)軟件的開發(fā)使用的是Visual Basic6.0 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，并且調(diào)用了SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Serve2000 數(shù)據(jù)庫(kù)具有強(qiáng)大的管理能力和安全性，通過ODBC(Open Database Connectivity，開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連)及設(shè)定的操作權(quán)限可以在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、編輯、刪除等操作及數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)管理。它相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用而言，更具有高可靠性和實(shí)用性。圖4 為上位機(jī)軟件工作的運(yùn)行界面。

圖4 上位機(jī)軟件運(yùn)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(shí)，廣泛采用RS－485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。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(guān)柜上的溫測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)柜中設(shè)備溫度狀態(tài)，通過RS－485 總線實(shí)時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的指令，把當(dāng)前的信息傳送給上位機(jī)，上位機(jī)也可直接下發(fā)命令，對(duì)溫度的報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果通過上位機(jī)顯示，如圖6 所示。

圖6 監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

本文采用的遠(yuǎn)紅外測(cè)溫法是一種非接觸的測(cè)溫方式，利用其可以實(shí)時(shí)測(cè)量高溫、有腐蝕性、高壓帶電物體的溫度和測(cè)溫度速度快、范圍寬、對(duì)被測(cè)溫場(chǎng)無干擾的特性，解決了中壓開關(guān)柜內(nèi)高電壓、高溫度、強(qiáng)磁場(chǎng)的惡劣環(huán)境問題，實(shí)時(shí)掌握了開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了中壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)報(bào)警。

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

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