（电力系统及其自动化专业论文）高压开关柜在线温度监测系统的研究.pdf

a b s t m e t a b s t r a e t t h eh i 【g hv o l t a g es w i t c hc a b i n e ti s0 1 1 ek i n do fi m p o r t a n tc o n t r o l l i n gd e v i c e si n p o w e ru t i l i t i e s w h i c hp l a y s 缸i m p o r t a n tr o l ei nk e e p i n gt h ee l e c t r i cs y s t e ms a f ea n d s e c u r e t h eh i g hv o l t a g es w i t c hc a b i n e t sa 托a l w a y sr u n n i n gu n d e rt h eh i g hv o l t a g e ， l a r g ec t t t r c n ta n ds t r o n gm a g n e t i cf i e l de n v i r o n m e n t a n dm o s th i g hv o l t a g es w i t c h c a b i n e t sa d o p t e dt h ee n c l o s e dc o n s t r u c t i o nw h i c hw i l ll e a dt om a n yp r o b l e m s s u c h 鹳 d i s s i p a t i n gh e a ts l o w l y t h e s ee n v i r o n m e n t ss e r i o u s l ye n d a n g e rt h eh i g hv o l t a g e s w i t c hc a b i n e t sa n dm a yt ：v e l ld a m a g et h e m s o ，i no r d e rt ok e e pt h es a f e t yo ft h e h i g l av o l t a g es w i t c hc a b i n e t sa n di m p r o v et h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e ms e c u r i t y , w en e e d t ok n o wt h er e a lt i m et e m p e r a t u r ec h a n g e so ft h eh i g hv o l t a g es w i t c hc a b i n e t st ot a k e p r e v i o u sa c t i o n s b u tt h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sf a l l i n g b e h i n db e c a u s et h a tt h ef u n c t i o ni ss i n g l ea n dc a l l tm e e tt h en e e do fr e a l - t i m ea n d u n a t t e n d e dm o n i t o r i n go ft h eh i g hv o l t a g es w i t c hc a b i n e t st e m p e r a t u r e s o ，t h e e l e c t r i cp o w e rc o m p a n i e sa l ec r y i n go u tar e a l - t i m ea n du n a t t e n d e dm o n i t o rf o rt h e l l i g hv o l t a g es w i t c hc a b i n e t i nt h i sp a p e r , w er e s e a r c h e do nt h ef u n c t i o no ft h er e a l t i m em o n i t o rf o rh i g h t e n s i o ns w i u ：hc a b i n e ta n db r o u g h tf o r w a r dt h eg e n i a ld e s i g n , w h i c hw a sd e v i d e di n t o t h r e ep a r t ：t e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d b a c k g r o u n ds o f t w a r et or e s e a r c hs e p a r a t e l y w ef i r s ti n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ed e s i g no f t h er e a l - t i m em o n i t o rf o rl l i e , ht e n s i o n s w i t c hc a b i n e td e t a i l l y ；t h e nw ed e s i g n e dt h es o f t w a r eo ft l l i sd e v i c eb a s e do nk e i lc s o f t w a r ep l a t f o r m t h ed e s i g no f t h er e a l - t i m em o n i t o rf o rh i g l lt e n s i o ns w i t c hc a b i n e t r e a l i z e dt h ef u n c t i o n s 嬲f o l l o w s ：t h eh i g hv o l t a g eb u st e m p e r a t u r et e s t i n g ，t h ea i r t e m p e r a t u r et e s t i n go f t h ec a b i n e t s ，i n f r a r e dd a t at r a n s m i s s i o n , l c dd i s p l a y , k e y b o a r d e n t r y , c t h e m e ta n ds oo n a tl a s t ，t h eb a c k g r o u n ds o f t w a r ed e s i g nw a si n t r o d u c e d i t w f l sb a s eo i lc + + p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ta n do b j e c to r i e n t a lt e c h n i q u e ，w h i c h r e a l i z e dt h ef u n c t i o n sa sf o l l o w s ：d a t at r a n s m i s s i o na n dd i s p l a y , a l a r m s t o r a g et a s k a n ds oo i l i nt h ee n d ，w ef i n i s h e dd e b u g g i n gt h ew h o l es y s t e ma n dc a r r i e do u tt h e t e c h n o l o g i c a lf o r e c a s t i n gf o rt h i ss y s t e m k e y w o r d s ：h i 曲v o l t a g es w i t c hc a b i n e t ；t e m p e r a t u r e ；r e a l - t i m em o n i t o r i n g ； e t h e m l o t 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：i = 作及取得的研究成果。据我所知，除r 文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 手写) ：有堙缸签字吼碉轳月多日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位沦文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位淦文拓者虢仄固船渐躲亏劳野 签字日期：年l 明勿日 签字f i 期： 印年f 口月2 ，5 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 高压开关柜是将高压开关与控制、测量、保护、调节装置以及辅件、外壳 和支持件等部件按配电功能的需要组装起来，除进出线外，其余完全被金属外 壳封闭的开关设备。高压开关设备是电力系统重要的控制和保护设备，对电力 系统安全、可靠地运行起着举足轻重的作用【l l 。 我国绝大多数的高压设备采用封闭结构，散热条件较差，而且长期工作在 高电压、大电流、强磁场的环境中，使得热量集中，发热温升严重危害电器设 备的正常运行，甚至会造成电器设备的故障【2 】。高压断路器中的导电回路在正常 运行时，长期通过工作电流，会产生一定的热量，使电器材料温度升高但不会 超出规定范围；在非正常运行时，会产生大量的热量，电器材料的温度会快速 升高，并可能超出规定范围，从而使电器材料的机械强度、物理性能等下降， 因此在国家标准中规定了不同电器材料的最大允许发热温度和允许温升。在高 压断路器的结构中，静触头、动触头是一对基本元件，在静、动触头接触时， 它们之问有一个接触电阻，当电流流过触头时，由于接触电阻的存在要引起触 头的发热，如果接触电阻的温度超过规定值，则会加速动、静触头接触处的氧 化，氧化结果又导致接触电阻上升，这样又促使发热、温度增加，因此国家标 准规定了接触电阻数值，在这个范围内，不会造成氧化例。 如果高压开关柜内断路器接触点的温度超过触头的材料熔点，会使两触头 之间发生熔焊，在发生故障时无法很好地完成开断任务【4 j 。开关柜型式试验中的 温升数据，并不能正确反映运行中的开关柜实际温升水平，特别是长期运行负 荷比较重的开关柜，由于长时间温升的累积效应，运行中的开关柜实际温升水 平通常都要超过试验室测出的温升数据 j 。 如果高压开关柜内的温度超过了一定的范围，其内部金属材料的机械性能 会受到影响，电阻率和接触电阻也会增大，其内部的绝缘材料受热超过一定限 度后，其绝缘强度会下降，甚至损坏。如果不采取措施，会产生更多的热量， 进一步地使高压开关柜内的温度升高，甚至导致事故的发生。 此外，开关柜在运行过程中出现异常情况时，往往也表现为温度的剧烈变 第1 章绪论 化。为保证开关柜的正常运行，提高电力系统工作的可靠性，需要随时了解开 关柜温度变化情况，以便采取相应的措施。 1 2 高压开关柜温度监测研究的历史和现状 传统的高压开关柜测温方式一般使用涂料法，即在电接触表面涂一层随温 度变化颜色的发光材料，通过观察其颜色变化来大致确定温度范围，这种方法 准确度低、可靠性差，不能进行定量测量。后来，温度传感器的快速发展，使 得人们可以对高压开关柜的温度进行定量的监测。温度传感器种类繁多，形态 各异，工作原理和适用范围也各具特色。其中以热电偶、电阻温度传感器、辐 射温度计、光纤温度传感器、石英温度传感器最具有代表性【5 t 6 】。 随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类同益繁多，应用逐渐 广泛，并且开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式和三总线式方向发 展。而数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统 具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和刖d 转换器的 弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制 系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有d s l 8 2 0 、m a x 6 5 7 5 、a d 7 4 1 6 等，文献【7 】对这几种数字温度传感器进行了详细的介绍。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着数字处理技术、数据通信技术、以及计算机软硬 件技术的发展，逐渐出现了在线多点测温技术，为高压开关柜在线温度监测系 统的发展提供了有力的支撑。 尽管现代传感技术数字处理技术、数据通信技术、以及计算机软硬件技术 得到了迅猛的发展，但对于高压开关柜的温度监测而言，方式却没有改变，还 是采用定时巡视的方式对高压开关柜的温度进行测量和记录，尚未形成一个完 全“智能化”的，“无人化”的在线温度监测系统。 1 3 高压开关柜温度监测的前沿问题和发展趋势 为了确保供电可靠性，需要定期对电气设备进行预防性维修和试验，确保 其具有良好的工作状态。根据电力部所颁发的电力设备预防性试验规程，对 不同设备有规定的项目和相应的试验周期【2 1 ，定期在停电状态下进行检查性试 验。此外，还要根据电力部颁发的电力设备运行规程，按规定的器械和项目对 2 第1 章绪论 设备进行定期检修。 为了提高供电可靠性，对于运行中的电气设备，预防性维修和试验还远远 不够，必须随时了解电气设备的实际工作状态。电气设备的在线状态监测和故 障诊断是一个必然的发展方向。同时，可以根据高压开关设备的在线状态监测 和故障诊断的结果进行状态检修。状态检修的组成及相互关系可用图1 1 来表 示。由该图可知在线监测系统是状态维修的基础和根据1 6 l 。 图1 1 状态维修体系框图 随着变电站综合自动化的发展，变电站无人值守将会逐渐普及。因此，对 高压开关柜温度的监控也不能停留在“有人”的基础上，它必须实行一种“无 人”的监测模式。 随着电力系统自动化水平的不断提高，要求开关电器与变电站综合自动化 的发展相适应和配套。自2 0 世纪9 0 年代以来，出现了智能化开关电器。智能 化开关电器是在传统的开关设备中引入计算机技术、数字处理技术和网络通信 技术而发展起来的新一代开关电器。智能化高压开关柜设备是集保护、控制和 监测与故障诊断为一体，以及数字显示、高压开关显示、对外的双向数据通信 等功能。其特点是用新的传感器采集信息，用计算机处理信息，用计算机网络 传输信息和用数字与波形显示信息，并对开关设备的重要参数进行连续的在线 监测，不仅可以提供设备现有的状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势， 识别存在的故障，为设备的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养周期， 提高设备的利用率，减少维修保养的费用【射。 综上所述，高压开关柜温度监测作为智能化开关柜的一个重要部分，也必 然会朝着“无人化”、“智能化”、“在线化”和“数字化”方向发展。 第1 章绪论 1 4 本文的主要工作 本文从传统的高压开关柜温度监测入手，分析了传统的高压开关柜温度监 测的缺点和不足，结合变电站综合自动化的发展趋势及变电站无人值守的逐渐 普及，提出一种新型高压开关柜在线温度监测系统，给出了详细的高压开关柜 在线温度监测系统的研究方案，并对高压开关柜在线温度监测系统的软、硬件 进行设计和调试。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 制定高压开关柜在线温度监测系统的研究方案，将该系统分成相对独 立的三个子模块数据采集系统、通信系统、后台软件系统，分别进行设计 和开发； ( 2 ) 详细介绍数据采集系统的设计。将数据采集系统分成低压侧系统、高 压侧系统。提出了高压侧系统的设计方案，实现了高压母线的温度采集、红外 数据传输功能。设计了高压侧系统的工作电源；在低压侧系统，设计了对柜内 不同空间空气温度的采集电路，实现了各处空气温度的采集。 ( 3 ) 详细介绍数据采集装置。设计人机接口电路及其驱动程序，实现了人 机接口的l c d 显示、键盘输入等功能。并设计了看门狗及其抗干扰程序，增强 数据采集装置的抗干扰性。 ( 4 ) 在详细分析变电站综合自动化系统及其通信网络的基础上，对高压开 关柜在线温度监测系统的通讯方案进行了探讨，确定以太网通信为其最终方案， 并完成了以太网通信的软、硬件分别进行了开发，实现了以太网通信的上层协 议。 ( 5 ) 完成了后台软件的设计与开发，实现了基于w i n s o c k 的后台软件与 数据采集装置的通信，数据的显示、报警，数据存储和读取等功能。 4 第2 章系统功能结构分析、总体方案设计 第2 章系统功能结构分析、总体方案设计 2 1 监测系统简介 一般的监测系统，不管是什么类型，都包括以下基本单元。信号的变送、 信号的处理、数据采集、信号的传输、数据处理、诊断。这6 个基本单元可用 图2 1 来表示【6 l 。 信号变送系统 教据采集系统处理和诊断系统 ( 现场) ( 设备附近)( 主控制室) 图2 1 在线监测系统组成框图 整个监测系统可归纳为以下三个子系统： ( 1 ) 被监测设备和传感器，在设备现场； ( 2 ) 信号预处理和数据采集子系统，一般在被监测设备附近，也在现场： ( 3 ) 信号处理和诊断系统，实则一台微型计算机和监测系统专用软件，位 置在主控制室内。 2 2 变电所综合自动化 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继 电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计 算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对变电站的主要设 备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信 等综合性的自动化功能【9 l 。 变电站综合自动化技术是伴随着现代科学技术发展，尤其是网络技术、计 算机软、硬件技术及超大规模集成电路技术的发展而不断进步的。 i e c 6 1 8 5 0 标准的实施应用，电能质量监测管理，一次设备的在线监测，以 及网络安全技术，变电站综合自动化将更多地融入当今流行的各种新观念、新 5 第2 章系统功能结构分析、总体方案设计 技术，其发展结果也使整个系统更加安全、高效、经济和可靠。总的发展趋势 可从以下几个不同角度来描述1 1 0 1 。 ( 1 ) 系统总体结构向开放和全分散型发展。 ( 2 ) 子站模块设计向综合化、多功能发展。 ( 3 ) 通信媒介将更多地引入光纤。 ( 4 ) 从专用设备到总体控制平台，站内综合管理向全开放式发展。 ( 5 ) 从传统控制方法向综合智能方向发展。 ( 6 ) 从单纯的屏幕数据监视到多媒体监视。 2 3 系统总体方案设计 本课题所设计的高压开关柜在线温度监测系统，既考虑了一般监测系统的 共性，又综合考虑了电力系统变电所综合自动化的特点。整个系统包括现场采 集系统、通讯系统、后台计算机系统等模块，具体结构如图2 2 所示。 l # 柜2 # 柜n 甘柜 图2 2 系统总体结构图 现场数据采集系统安装在变电站的间隔层。现场数据采集系统包括现场传感 器、数据采集装置等设备，具有数据采集、数据预处理、数据显示、越限报警 等功能，是高压开关柜在线温度监测系统的基础。通讯系统的功能是将布置在 监控室的后台计算机系统和现场数据采集系统连接起来，将现场采集装置采集 到的数据通过信道和通信协议传输到后台计算机。后台计算机系统接收现场采 集装置的数据，能够实现数据的显示、分析和存储等功能，从而判断设备的状 6 第2 章系统功能结构分析、总体方案设计 态。 2 3 1 数据采集系统功能分析及实现方案 现场数据采集系统按其监测的对象分为两类，低压侧系统、高压侧系 统。其结构如图2 3 所示。 i 传警嚣肭卜 空气温度) l 目 h u 1u 2 目 红外数据传输 教据通信k 低压倔系统两压侧系统 图2 3 数据采集系统功能结构 高压侧系统安装在高压带电母线上，传感器固定在待测的母线接触点处， 用于采集直接采集高压母线的温度。由于高压母线各相之间、各相与地之间必 须绝缘，高压部分温度测量装置的数量可以根据温度测量点的数量增加或者减 少。高压侧系统将测量到的高压触点温度数据，通过红外数据传输方式发送到 安装在低压侧系统，从而实现高电压的隔离【i i 】。m p u 2 为高压侧系统的处理器。 高压侧系统的工作电源可通过特种电流互感器提供。当高压母线的电流大于5 0 a 时，其二次侧输出电压、电流基本稳定，可以给高压部分采集系统提供工作电 源。当电流小于5 0 a 时，母线的发热量比较小，触点温度不高，可以不予采集1 1 2 1 。 低压侧系统安装在低压侧，包括传感器、低压侧数据采集装置等硬件设备。 m p u ! 为低压侧系统的处理器。传感器固定的柜内空间，低压侧数据采集装置安 装在高压开关柜的柜体上。低压侧系统具有接收高压侧系统的红外数据、采集 柜内空气温度、人机接口等功能。 2 3 2 通信系统功能分析及实现方案 通讯系统的功能是将布置在监控室的后台计算机系统和现场数据采集系统 7 第2 章系统功能结构分析、总体方案设计 连接起来，将现场采集装置采集到的数据通过某种信道和协议传输到后台计算 机，实现数据的传输。 传统的变电站自动化系统一般都采用r s 2 3 2 通信接口或r s 4 8 5 接口，r s 2 3 2 采用采用一对一的形式，实现方便，但通信距离短，并要扩展很多的通信接口。 r s 4 8 5 将保护设备连在一起，主从方式通信，通信距离长，波特率低，适合在分 散性系统中使用。但其通信速度慢，影响实时性。后来引入现场总线技术，由 于其组网方便且抗干扰能力强，很快被运用于变电站自动化系统的站内通信。 现场总线控制系统由于其彻底的开放性、分散性和完全互可操作性等特点，正 成为未来新型工业控制系统的发展方向之一。然而就目前情况来看，现场总线 技术的发展存在的最主要问题是没有一个统一的国际标准。由于支持总线的集 团间利益冲突等原因，不同现场总线产品间的互联非常困难。这不但使f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系统) 的开放性、分散性和互操作性等 特点难以体现，给用户的使用带来了很大不便，也给现场总线技术的推广及现 场总线控制系统的应用带来不利影响。 随着以太网的迅速发展，以太网以其通信速率高、设备标准化程度高、功 能强大等特点在变电站自动化功能系统中得到越来越多的应用。并且随着计算 机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件， 设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网。嵌入式以太网的 出现为变电站自动化系统的设计者提供了实现站内通信网络的新途径。这些都 表明嵌入式以太网用于变电站自动化系统是技术发展的趋势。 以太网变电站自动化系统相对于传统的变电站系统有如下诸多优点：通信 速率快；全双工通信；网络结构简单：网络设备标准统一，价格便宜，维护工 作量小；基于以太网的变电站自动化技术，使得基于技术的远程维护成为可能 【1 3 1 。 鉴于以太网应用于变电站自动化系统是技术发展的趋势。本课题的高压开 关柜在线温度监测系统作为变电站综合自动化的一部分，其通信系统理应与变 电站自动化系统的通信系统的主流和发展趋势保持一致。故本课题的数据通信 采用以太网技术。 。 2 3 3 后台软件功能分析及实现方案 后台软件系统是高压开关柜在线温度监测系统作为一个完整系统的重要组 8 第2 章系统功能结构分析、总体方案设计 成部分。本课题设计的后台软件应实现对数据采集系统发送过来数据的接收、 数据的存储和读取、数据的显示和报警等功能。高压开关柜在线温度监测系统 后台软件需要一定的软件设计方法实现而面向对象方法是当前比较普遍的一 种软件设计方法，是现代软件设计工程中最重要的核心思想，它直接用问题域 中客观存在的事物建立模型中的对象，不改变事物原有而貌，可以很好地映射 客观事物。本课题后台软件系统的设计可按照面向对象的软件设计方法思路进 行。 面向对象的程序设计方法( o o p o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) ，是人们解 决软件复杂性的一种新的软件开发技术。o o p 的思想方法越来越接近人们的思 维方式，它丢开了持续许久的“自顶向下”( t o p d o w n ) 和“自底向上”( b o t t o m u p ) 方法的争论，把对于复杂系统的认识归结为对一批对象及其关系的认识。 o o p 使用户以更自然、更简便的方式进行软件开发。对象模型描述了一个系统 中的对象、对象之间的关系及每个对象的属性和操作，它反映了整个系统的结 构1 1 4 1 。 面向对象的基本思想可以归纳为以下四点： ( 1 ) 客观世界的任何事物都是对象( o b j e c o ，它们都有一些静态属性( 相应 于数据结构) ，也都有一些有关的操作( 相应于程序模块) 。作为一个整体，对 外不必公开这些属性与操作，这称为“封装性”( e n c a p s u l a t i o n ) ； ( 2 ) 对象之间有抽象与具体、群体与个体、整体与部分等几种关系，这些 关系构成对象的网络结构： ( 3 ) 较大的对象所具有的性质自然地成为它的子类的性质，不必加以说明 和规定，这称为“继承性”( i n h e r i t a n c e ) ( 4 ) 对象之间可以互相传送“消息”( m e s s a g e ) 并进行联系，一个消息可 以是传送一个参数，也可以是使一个对象开始某个操作。 2 4 本章小结 简要介绍了一般监测系统和变电站综合自动化。结合监测系统和变电站综 合自动化的特点，对高压开关柜在线温度监测系统的功能结构进行了划分。分 别对高压开关柜温度数据采集系统、通信系统、后台软件系统的设计方案进行 了详细的阐述和分析。 9 第3 章数据采集装置硬件电路设计 第3 章数据采集装置硬件电路设计 3 1 数据采集m p u 选择和硬件扩展 由数据采集系统功能结构( 图2 3 ) 可知，数据采集系统包括两个完全没有 “物理”联系的两个模块低压侧系统和高压侧系统。高压侧系统处理器 ( m p u 2 ) 承担的任务有数据采集和红外数据传输，任务量较少，文献i l 选用 8 9 c 2 0 5 1 单片机。 低压侧系统安装在柜体的低压侧，其处理器( m p u l ) 承担的任务包括开关 柜内空气温度的采集、高压带电部分数据的红外接收、温度数据的l c d 显示、 键盘数据输入、温度越限报警、温度数据发送等功能的控制。本课题选用的是 w 7 8 e 5 1 6 b 作为柜内空气温度采集装置的处理器( m p u l ) 。 图3 1 低压侧系统m p u l 及硬件扩展接线 w 7 8 e 5 1 6 b 是具有带i s p 功能的f l a s he p r o m 的低功耗8 位微控制器：i s p 功 能的f l a s he p r o m 可用于固件升级。它的指令集同标准8 0 5 2 指令集完全兼容。 1 0 第3 章数据采集装置硬件电路设计 w 7 8 e 5 1 6 b 包含6 4 k 字节的主r o m 、4 k 字节的辅助r o m 。( 位于4 k 字节辅助r o m 中的装载( 1 0 a d e r ) 程序，可以让用户更新位于6 4 k 主l 的m 中的程序内容。) 5 1 2 字节片内r a m ：4 d 8 位双向、可位寻址的i 0 1 ：1 ：一个附加的4 位i o i ：i p 4 ；3 个 1 6 位定时计数器及一个串行口。这些外围设备都由有8 个中断源和2 级中断能 力的中断系统支持【”】。 由于低压侧系统数据量比较大，因此扩展了一个3 2 k 夕1 部数据存储器 h m 6 2 2 5 6 b 。m p u l 和数据存储器以及其它外部电路的接线如图3 1 所示。 3 2 温度数据采集硬件电路设计 3 2 1 温度传感器的选择 高压开关柜内部结构比较复杂，内部带电体和绝缘体交错，空间比较狭小。 要测量柜体内部的温度，应尽量不对开关柜的安全距离造成影响。鉴于此，高 压开关柜在线温度监测系统应尽量选用尺寸小的传感器。本课题选用的是 d s l 8 8 2 0 数字温度传感器，该传感器只有外形与一个三极管类似，尺寸较小。 d s i 8 8 2 0 是d a l l a s 公司生产的支持“一线总线”接口的温度传感器。“一 线总线”能与计算机进行数字通信、总线负载量大、布线简洁、精度高、性能 稳定、价格便宜等优点。d s l 8 8 2 0 内部结构如图3 2 所示，包括6 4 位永久型r o m 、 永久型温度报警触发器t h 和t l 、温度灵敏元件等部分【1 6 】。 j 存储嚣和逻辑控制嚣 d q 土 j r _ 刊温度， 1 宁： “位 缘 r o m 中问 j _ _ _ _ _ _ _ 一 和单线 缓存+ - 高温i 接口 存储嚣 + - 4 低温i 1 - 8 位c r c 发生嚣 图3 2d s l 8 8 2 0 内部结构 d s l 8 8 2 0 的单线接线方式将非电模拟温度值转化为数字信号并输出仅占一 第3 章数据采集装置硬件电路设计 位i o 端口。单线接线方式也使处理器能够对够通过单信号线实现多点测温，高 压开关柜在线温度检测系统的设计也得以简化。d a l 8 8 2 0 具有极低功耗的工作 方式，测温时即可通过外接电源供电也可通过数据线直接供电；其测温范围为5 5 - - - + 1 2 5 ，测量精度为0 5 ；转化为数字信号的温度数据以1 6 位代码的方式 串行输出。 3 2 2 温度数据采集的硬件电路设计 本课题既可测量柜内各部分的空气温度，又可以测量高压母线的温度。对 柜内空气温度的测量，温度传感器可安装在高压开关柜柜体上，通过m p u l 来 直接控制。温度传感器与m p u l 的连接如图3 3 所示。 i j 6v c c d s l 8 1 3 2 0j r 图3 3 拒内空气温度测量硬件接线 对高压母线温度的测量，温度传感器安装在母线上，通过m p u 2 来控制。 高压母线温度数据在高压侧通过红外发射器发送给低压侧的红外接收器。i c i 和 石英晶体d ( t 产生高频( 3 7 5 k h z ) 方波作为红外线发射器的载波，由 m p u 2 ( a t 8 9 c 2 0 5 1 ) 的串行口p 3 1 发出的数据，经i c 4 反相后送入1 c 3 调制；t l 将其放大后由红外线发射二极管d l 发射【l ”。其硬件结构如图3 4 所示。 高压侧 图3 4 高压母线温度采集系统结构图 1 2 低压侧 第3 章数据采集装置硬件电路设计 图中红外接收器i r m - 2 6 3 8 是一种集“光电放大”和“解调”功能为一体的接 收头，m p u i 要做的只是“解码”。一体化接收头的数据输出线连接到单片机的p 1 3 脚。在m p u 2 上，还连接有一个编码开关，用于高压温度测量的点的编号。红外数 据发送的数据包里，包含有该编码开关的编号，接收装置接收到该数据后，可以 根据该编号判断数据包的来源。数据的接收过程与发送相反，首先由红外接收器 收到微弱的信号，经放大后解调( 把高频载波去掉) ，再进行解码，就可得到高 压侧系统发过来的数据。 3 2 3 高压侧温度采集的工作电源1 1 2 1 由于成套开关柜内部是一个高温、高电压、强磁场的复杂环境，在选择电 源时必须考虑到其绝热、绝缘等问题。如果使用化学电池，则无论原电池、储 备电池和燃料电池都无法满足开关柜内使用寿命和工作条件的要求，不能连续 不断地提供稳定、可靠的电能。即使能够忍受柜体内部的物理环境，也不便于 安装、维护、更换和及时充电。如果采用光伏电池供电，则需要在开关柜柜体 内部安装照明光源，为光伏电池提供稳定的能量来源，在运行过程中如果当照 明光源损坏时非常不便于更换，同时光伏电池作为传感器电源时也存在对地绝 缘的问题；而激光电源也存在着明显的不足。 解决方案可以是在母排上安装电流互感器，从中取出二次电流为后端传感 器供电。但由于开关柜母排工作电流变化很大，一般可能达到十几倍，为保证 互感器能提供较为稳定的电源，利用铁心磁饱和原理，适当地选取电流互感器 铁心的材料和截面积，使之在母排小电流时正常励磁，大电流时铁心饱和，从 而提供变化幅度较小的电源，再通过电子稳压装置，向传感器提供稳定可靠的 电源。 图3 5 中t a 为电流互感器，这里只画出了其二次侧部分。 t a酵输出 图3 5 电流互感器电源原理图 采用电流互感器向温度传感器供电，而且能够在开关柜工作过程中稳定地 第3 章数据采集装置硬件电路设计 提供电源。电流互感器电源较光伏电池、激光电源、化学电池等使用寿命长， 不易损坏，便于安装，因此是一种较好的解决方案。 通过选取适当的铁心材料使之在母线通过小电流时，铁心正常励磁，大电 流时互感器铁心饱和，从而为后端的传感器提供了稳定的电源。并通过设计互 感器参数，使之满足在现场条件下的热稳定性和动稳定性要求。 互感器二次侧电压经过整流、滤波、稳压、电源处理后得到的直流电压输 出波形，其波形非常稳定，完全可以满足传感器对电源的要求。 3 3 装置人机接口设计 人机接口建立起数据采集装置与使用者之间的信息联系，以便对装置进行 人工操作、调试和得到反馈信息。建立智能化，友善的人机界面，使人机信息 交换功能更丰富，操作更方便。本装置人机接口模块设在装置的前面板上，面 板布置如图3 6 所示，主要包括l c d 液晶显示、键盘、工作指示灯等。 图3 6 数据采集装置面板图 3 3 1 数据显示的硬件设计 本高压开关柜在线温度监测系统数据l c d 显示采用s g l 2 8 “i 模块。 s g l 2 8 6 4 i 是点阵式图形液晶显示模块，它包括行驱动器n 驱动器，1 2 8 x 6 4 液晶 显示。它可以显示图形图像，英文文本，也可以显示8 x 4 ( 1 6 x 1 6 像素) 的汉字。 s g l 2 8 6 4 i 提供一个8 位类型的微处理器接口。s g l 2 8 6 4 i 可以包含e l 背光定制 设计，通常可以设为彩色背光，视角液晶型。s g l 2 8 6 4 i 内部原理框图如图3 7 所示1 1 7 1 。 1 4 第3 章数据采集装置硬件电路设计 图3 7 $ g 1 2 8 6 4 i 内部原理框图 图3 7 中的k s 0 1 0 8 b 是一个具有6 4 通道输出的点阵液晶图形显示系统的 l c d 驱动集成电路。该驱动由显示r a m 、6 4 位数据缓存、6 4 位驱动和解码逻 辑组成。它的内部显示r a m 用于存储来自于8 位微处理器的数据，以及带来的 液晶点阵驱动信号对应的数据。k s 0 1 0 8 b 结合k s 0 1 0 7 b 构成了一个6 4 6 4 的 液晶显示系统。s g l 2 8 6 4 i 在装置中电路接线如图3 8 所示。s g l 2 8 6 4 i 共有2 0 个外接引脚，4 、5 、6 、1 5 、1 6 、1 7 引脚分别与7 4 h c 5 7 4 的3 q 、4 q 、7 q 、1 q 、 2 q 、8 q 引脚相连，n i p u l 通过控制7 4 h c 5 7 4 来控制s g l 2 8 6 4 i 。 i | 吲 d仃4 洲5 e l c d6 d o7 d 18 i ) 2 9 d 31 0 三面可 l d 51 2 i d 61 3 士c l o 百广雨 i c s l 2 8 6 4 a1 5 i c s l 2 8 6 4 b1 6 1r s t l c d1 7 彳 图3 8i c d 接线图 1 5 1 9 2 0 u，ls等潞跚鬻盟盟鬣搿鬻署羔 第3 章数据采集装置硬件电路设计 3 3 2 键盘输入的硬件设计 本课题选用t 9 2 c 7 9 m 2 作为键盘输入的芯片。t 9 2 c 7 9 m 2 是一种通用可编 程的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和l e d 自动显示控制两 种功能。内含8 个字符的键盘输入f i f o ，1 6 个字节的显示r a m 。键盘部分提 供的扫描方式，可以和具有“个按键或传感器的阵列相连。能自动清除开关抖 动以及n 键同时按下的保护。显示部分按扫描方式工作，可以显示1 6 x 8 位l e d 数码管l 埽】。t $ 2 c 7 9 m 2 与m p u l 的硬件连接如图3 9 所示。 c l kv c c d 01 2 d b or l 7 7 氍1 r ”坠y 6d i1 3 d 21 4 d b l r l 6 6c l 5 味1 堂、 d 31 5 d b 2 r l 5 5c l 4 时31 1 ” d 41 6 d b 3r l 4 2 叫l 嘞，49 1d 51 7 d b 4r l 3 d 61 8 d b 5i u 。2 d b 6i u ，l d 71 9 d b 7r l 0 u 1 0 、，2 3 b ds l 0 3 2 i 1 6 i v c c r s 他2 7 99 r e s e ts l l 3 32 av c c 瓜o 43 43 b m q s l 2 3 5 cy 0 15 c $ 8 2 7 92 2 s l 3y i 1 4 w r l l c s ，。v 够i ； o e ly 2 1 3 w ro u t b 0o e 2 ay 3 1 2 r d1 03 0 ：jl5 o e 2 by 4 l l r do u t b l 1 0 a o2 l o u t b 2 1 虿_ 乃l y 5 9 3 7 a 0o l 丌b 3g n dy 6 7 广了f c n l 乙o u t a 0鬟专y 7 s i 缸丌o l r t a l 医 o u t a 2号 亳 7 4 h c l 3 8 g n do u t a 3 图3 9 键盘输入接线图 由图3 9 可知： c l k ( 时钟输入线) ，用于芯片的时钟输入，以产生内部定时的时钟脉冲， 一般由c p u 的a l e 信号分频得到，与m p u i 的a l e 引脚相连。 r s t ( 复位输入线) ，高电平有效，没有与b l p u l 的引脚直接相连，而是 与7 4 h c 5 7 4 的5 q 引脚连接，通过7 4 h c 5 7 4 来控制芯片的复位。 c s ( 片选输入线) ，低电平有效。通过7 4 h c l 3 8 来选择芯片，与它的y 4 引 脚相连。 1 6 第3 章数据采集装置硬件电路设计 i n t ( 中断请求输出线) ，高电平有效。在键盘工作方式下，当f i f 0 ，传感 器r a m 中有数据时，输出高电平，在f i f o ，传感器r a m 每次读出时，下降为 低电平，若在r a i v l 中还有信息，则又变为高电平。在传感器工作方式中，每当 探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。该引脚与m p u l 的i n t 0 引脚 相连，用于按键输入的中断。 a o 引脚，a 0 = 0 为数据口地址，a 0 = i 为命令，状态口地址。与地址总线a o 相 连，用于确定芯片数据总线上的信号是命令还是状态。 r l o r l 7 ( 回送输入线) ，按键或传感器扫描时，用于回送扫描状态，与 按键相连。 s l 0 s l 3 ( 扫描输出线) ，用来扫描按键开关、传感器阵列和显示。 由于本课题只使用了芯片的键盘输入功能，而且只使用了6 个键( 一、t 、 一、l 、取消键、确定键) ，所以引脚c n t l 、s h i f t 直接接地。， 3 a 通信系统的硬件设计 3 4 1 通信芯片的选择1 2 8 j 本系统通信模块采用的主要芯片是r t l 8 0 1 9 a s 芯片。r t l 8 0 1 9 a s 是由台 湾r e a l t e k 公司生产的以太网控制器，由于其优良的性能、低廉的价格，使其在 市场上1 0 m b p s 网卡中占有相当的比例。 r t l 8 0 1 9 a s 主要性能如下所示： ( 1 ) 符合h e m e ti i 与i e e e s 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标准； ( 2 ) 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率； ( 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； ( 4 ) 支持8 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择： ( 5 ) 支持u t p 、a u i 、b n c 自动检测，还支持对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动 极性修正： ( 6 ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； ( 7 ) 1 0 0 脚的p q f p 封装，缩小了p c b 尺寸。 r t l 8 0 1 9 a s 控制方式采用d m a 。按照数据链路的不同，i 吼8 0 1 9 a s 内部 分为远程d m a ( r e m o t ed m a ) 通道和本地d m a ( 1 0 c a ld m a ) 通道。本地d m a 完成控制器与网线的数据交换，主处理器收发数据只需对远程d m a 操作。当主 第3 章数据采集装置硬件电路设计 处理器要向网上发送数据时，