【电缆故障检测系统设计16000字（论文）】

电缆故障检测系统设计TOC\o"1-3"\h\u6057摘要 第一章绪论1.1设计背景和意义1.1.1设计背景近年来，随着国内电力建设规模的快速扩张，电力电缆作为电能传输的重要基础设施，电力电缆网络的规模也随着不断扩大。电力电缆的日常运维管理称为各地供电企业日常业务体系中的重要组成。随着电力电缆网络的日益复杂化，电缆的故障巡检和排查工作对于电缆运维管理部门造成了严重的工作压力。电力电缆敷设的地域范围广泛，出现故障的位置与类型是高度随机的，所以采用人工现场巡检的方式会面临着作业地理环境复杂、条件艰苦、检修难度大等问题。另外，人工巡检管理模式也无法达到对电力电缆故障的实时监测和处置，从而对电力系统运行的整体稳定性与可靠性造成了非常大的困扰。从国内电力行业的发展情况来看，智能电网建设已经成为电力系统的主要发展趋势。所谓智能电网是指通过信息科技等智能化的技术手段和方式，对传统电力系统进行技术层面的升级与改造，包括硬件和软件等各个方面。所以智能电网近年来在国内发展非常快速，其中的信息技术的广泛应用为电力电缆故障监测的自动化和信息化提供了坚实的条件。具体而言，电力电缆的故障监测目前已经有比较成熟的电气技术手段和硬件装置。所以，在电力系统内部可以通过远程监测及数据通讯的方式，为了满足实际工程中中短距离故障点检测，在电力企业内部实时地获取到监测现场的电力电缆故障数据。在此基础上可以通过计算机软件技术建设配套的电力电缆故障监测管理的辅助工具，从而从根本上改变目前国内电力系统内比较常用的基于人工巡检模式的电力电缆运维管理工作方式，为智能电网建设提供配套的支持服务。1.1.2设计意义温度是电缆运行中的一项重要参数，在实际运行中比较容易进行测量，通过电缆温度的变化可以实时反映电缆的运行情况。当电缆处于过负荷运行时，电缆导体的温度会迅速上升，当实际运行温度超过电缆的最高允许温度时就会导致电缆绝缘发生热老化，使得电缆的绝缘性能下降，最终可能导致事故的发生。对电缆的绝缘热老化进行分析，采取温度在线监测的方法在电缆发生故障前进行超温预警，可以有效减少电缆事故发生，能够弥补定期预防检修作业的不足和提高电路供电的可靠性。所以充分考虑智能电网的实际情况，对电缆的本体及接头处进行实时的温度监测，在发现电缆温度过高时及时调整负荷和维修线路，可以降低电缆事故发生的概率和减少安全隐患，对于保证智能电网的用电安全具有重要意义。1.2国内外现状随着智能电网的电气化发展不断推进，电力资源在智能电网的使用量逐渐增大，保障系统安全可靠运行的重要环节之一就是保证电力电缆的正常工作。国内外的众多学者对电力电缆的安全监控技术展开了许多设计，特别是电力电缆监测技术的研究。对于电力电缆在线监测技术的相关设计，国外的一些发达国家开始的比较早。从上世纪七十年代开始，欧美的许多国家就展开了电缆监测技术的相关设计，并且开发了一系列产品应用于电缆监测。随着相关设计的不断进行，电缆监测系统的功能也不断完善。例如，加拿大的PowerMeasurementLtd公司曾经开发出一套高端的电力系统综合监控体系，能够监测电缆同时也具有继电保护功能。美国的MOI等公司研发出光纤测温系统并应用于实际工程，随后欧美的一些企业研发出了将温度传感器和动态载流量算法相结合的电缆监测系统。上世纪80年代，英国YORK公司成功研制出了分布式光纤温度传感器。日本住友公司也在上世纪80年代就开发出了在线运行电缆监测仪，后来将分布式光纤温度传感技术与动态载流量算法应用于电缆的监测。我国对于电力电缆的在线监测技术的设计，起步于上世纪九十年代，相比于国外落后较多。1991年重庆大学黄尚廉成功研制出分布式光纤温度传感器系统，可以在1km长的光纤上实现3℃的温度分辨率。1994年中国计量学院研制出的FGG-W1激光多模分布式光纤拉曼测温系统，测距达到1km左右，具有2℃的温度分辨率。国内一些高校例如山东大学，也开发出了电缆接头故障监测系统并投入齐鲁石化公司胜利炼油厂试运行，避免了很多电缆事故的发生。2007年12月北京市电力公司成立了电缆网运行监控中心，能够对北京奥运重点地区及周边的电缆进行实时的监控。北京地区220kV八长、长莲电缆的DTS也投入运行多年，其测温精度小于1℃，能够监测电缆的温度以及载流量，并在温度异常时实现报警功能，是一套十分实用的电缆监测系统。目前，国内的许多公司也开始研发电缆故障监测系统，例如上海慧东的HDCS-2电缆在线监测系统可以用于温度监测。综上，目前开发的监测系统虽然都能实现电缆温度的实时监测，但还是或多或少存在一些问题。由于这些电缆故障监测系统大多是应用于电力系统，对电力电缆的监测也大多采用电力系统的相关研究成果进行应用，没有考虑到电缆工作环境恶劣的特殊性。而且，国外研发的电缆监测装置很多都有操作复杂、成本较高、接口复杂的缺点，很难直接照搬国外开发的电缆监测装置来对电缆进行监测。因此，需要对电缆的特征和发热原理进行分析，设计并制作电缆的故障监测系统实时监测电缆温度，通过已有信息对电缆温度进行预测，有利于防止电缆事故的发生。1.3主要设计思路首先介绍了国内外电力电缆监测技术的相关研究，然后分析了电缆故障、电缆绝缘老化和发热的问题以及电缆温度测量方法，分析了利用电力电缆接头温度来判断电力电缆是否发生故障的可行性；其次阐述电力电缆故障监测系统的设计方案；说明了环境温度对测量精度产生的影响。再者根据前期工作和计划研究方案，设计并制作电力电缆故障监测系统的模拟样机，并对样机进行各部分功能测试，并进行了系统性能的分析。然后编写系统软件程序并利用protues模拟软件对系统进行模拟仿真，对各个模块进行调试。第二章电缆故障及测温原理分析2.1电缆故障2.1.1电缆的分类与结构（1）电缆分类首先，电力电缆按照绝缘材料可以分为油纸绝缘电缆、橡胶绝缘电缆、塑料绝缘电缆等。目前，塑料电缆的应用更为广泛，交联聚乙烯（XLPE）电缆凭借其优越的性能，被广泛地应用于智能电网系统中各种电压等级的配电和供电线路上。其次，电力电缆按照电压等级可以分为低压电缆、中压电缆和高压电缆。其中，低压电缆通常应用于不大于3kV电压等级的场合，中压电缆一般应用于6kV到35kV电压等级的场合，而高压电缆一般应用于不小于110-220kV电压等级的场合。图2.1电缆分类图（2）电缆结构随着我国的快速发展，对供电的要求在不断提高，目前需要大规模使用专用电缆来代替架空线路。牵引供电系统通常使用具有良好绝缘性能的27.5kV单相铜芯XLPE绝缘电缆来进行电能的传输和分配，这种电缆目前广泛应用于智能电网的供电系统以及牵引变电所、分区所、开闭所等。电缆主要由导体线芯、屏蔽层、绝缘层、金属护套等部分构成，如图2-2所示为单相铜芯交联聚乙烯电缆的结构示意图。图2.2单相铜芯XLPE电缆结构图2.1.2电缆接头出厂的电力电缆采用线盘包装和运输，其长度是一个限度，一般需要多段电缆连接在一起才能够满足工程现场的应用需要，这种情况下连接处就会构成电缆中间接头。另外，电缆首末端与设备或架空线连接时还需要终端头，根据电缆的安装位置不同，通常可以划分为户内终端头、户外终端头等；电缆中间接头位于整体线路之间，其作用是使电缆互相连接，同时起到绝缘和保护作用，通常可以划分为对接头、分支接头和过渡接头。电缆接头通过其特殊的结构和材料解决了线路末端电场较为集中的难题，而且也为电缆线路在装配和检修过程中提供安全可靠的开断点。同时能够让工作人员掌握电缆线路的运行状态，及时发现故障源头并解决安全隐患。图2.3电缆接头分类图2.1.3电缆的故障类型电缆出现故障一般不是由某个因素单独作用产生的，而是由多种因素共同影响而造成的。电缆故障如果没有及时处理会影响到系统的正常运行，所以对其故障原因进行研究是十分必要的，根据实际运行经验和研究资料可以得知，电缆发生故障的原因通常有以下几种：（1）电缆设计和生产施工缺陷电缆在设计阶段时，可能会因为设计者对现场情况了解不足或者专业知识的欠缺，而造成电缆的设计选型不合理或者布置方式不合理，其中严重的设计缺陷很可能会使电缆发生故障。电缆在生产制造过程中，由于偷工减料等原因可能会使制作出的电缆的质量参差不齐，通常可能会出现以下几种缺陷：一是电缆的绝缘层上存在褶皱、裂缝以及绝缘屏蔽的厚度不均匀等，即制作工艺不足而引发的绝缘缺陷；二是电缆的金属护套存在密封性差的问题，绝缘材料不过关而导致电缆受潮；三是用来制作电缆的原始材料本身存在问题或者绝缘材料的制作有问题而导致电缆受潮。在系统中，较为严重的电缆缺陷会在投入运行后马上出现，但多数缺陷都不会立马显现，在的实际运行中埋下安全隐患。电缆在现场施工过程中，可能会因为施工环境的影响、施工流程的不合理等原因，而使得电缆出现潜在的问题，具体表现为以下几点：一是电缆的外护套在野蛮施工中破损；二是电缆附件制作不当有毛刺等缺陷而引起电缆中的电场畸变，留下安全隐患。（2）外力破坏引起的故障外力破坏是电缆发生故障的一个重要原因。这种故障的发生通常是因为野蛮施工而引起的电缆外部损伤，虽然电缆在刚开始投入运行一般不会出现问题，但是在投入运行一段时间后，潜在的安全隐患就会引起故障的发生甚至造成严重的事故。外力破坏而造成电缆故障的原因一般有以下几种：一是电缆的外护套破损，如在安装附件时作业人员对电缆野蛮拉拽，使得电缆外护套损伤导致绝缘层受潮，长期运行后造成绝缘击穿；二是在施工过程中可能会无意间损伤电缆，引起绝缘受潮使得绝缘性能下降导致击穿。（3）绝缘故障电缆的绝缘故障一般有以下两种情况：一是电缆绝缘受潮，电缆绝缘受潮后由于电场的作用会使其内部绝缘介质电离，产生酸性物质腐蚀电缆绝缘，使电缆的绝缘性能大大下降；二是电缆的绝缘老化，电缆在过负荷运行时其流过的电流增大，会产生大量的热量，导致电缆的温度不断上升，加速电缆绝缘的老化，留下安全隐患。2.2电缆绝缘的老化与发热电缆在实际运行时，其导体和绝缘部分会因有电流通过而产生损耗，在电和热等因素的作用下电缆的绝缘部分可能会发生老化现象，导致电缆的绝缘性能下降。电缆绝缘的老化程度受很多因素影响，下面对于电缆绝缘的老化与发热进行详细分析。2.3.1电缆绝缘老化现象电网中使用的XLPE电缆虽然具有良好的耐热性、电气性能和机械性能，但在长时间的运行过后，其绝缘层的容易发生老化，导致电缆的绝缘性能下降，影响电缆的正常使用。其中，绝缘电阻变小、介质损耗增加以及工作温度上升是电缆绝缘发生老化的三个主要现象。首先，电缆绝缘发生老化会使得电缆绝缘的电阻变小。电缆的绝缘老化通常是由多种因素所导致的，不论哪种因素都会让电缆绝缘的电阻变小。电缆绝缘内部如果有导电的水树枝，会导致整个电缆的绝缘电阻变小，故绝缘电阻是检测电缆绝缘是否发生老化的一项重要指标。如图2-4所示，随着运行时间的不断增加，电缆的老化现象会越来越明显，绝缘电阻会不断变小，这时电缆就可能出现潜在的故障。当电缆的绝缘损坏并发生局部放电时，应及时进行电缆的更换，否则绝缘电阻继续减小，会使电缆完全损坏引发更严重的故障。图2.4电缆绝缘电阻下降示意图其次，电缆的绝缘老化会导致电缆在实际工作时的温度增大。通常电缆中的负荷电流大小会影响电缆的实际工作温度，电缆的绝缘老化会使其耐热性能下降，导致在同样负荷下绝缘老化越严重的电缆的实际温度上升的越多。通常电缆绝缘发生的损耗主要有电导损耗、极化损耗、离子化损耗三种。在实际运行中，电流通过有一定导电率的电缆主绝缘，就会产生电导损耗；当电缆绝缘中的极性分子在电场的影响下移动时和其他分子产生摩擦，会产生极化损耗；当电缆的绝缘发生局部放电时，会产生不同的化学反应使气体分子被电离，此时会引发绝缘发生离子化损耗。当绝缘的老化程度加深时，电导损耗、极化损耗和离子化损耗都会随之变大，一部分电能转化为热能，使得电缆的局部温度上升。由图2.2可知，电缆由多层结构组成，除电缆的绝缘层会受到老化影响外，其屏蔽层也会发生老化。当电缆的屏蔽层损坏时，会使电缆处于非接地的状态，在负荷电流的作用下会使电缆的局部温度上升，最终导致电缆绝缘老化。虽然电缆发生老化的原因由多种因素决定，但是都会具体表现为某一种老化现象。故在电缆绝缘发生老化时，需要根据电缆的实际工作情况以及各种参数才能确定电缆绝缘的老化类型。2.2.3电缆绝缘老化机理由于电缆的绝缘使用的是高分子材料，在实际投入运行时会受到电、热等因素的影响造成绝缘发生老化，影响电缆运行的可靠性。电缆的绝缘老化类型有多种，其中主要包括电老化和热老化两种，下面对这两种老化的机理进行分析。（1）电老化电缆在实际运行时，其绝缘部分通常会承受较大的电压，因此在电缆绝缘的缺陷处就容易引发电老化。引发电老化的原因有很多，通常都会在绝缘的缺陷处引发局部放电，并且经过一定的时间形成水树枝或电树枝，最终使电缆绝缘被击穿。电树枝的引发和生长受多种因素影响，其中温度对电树枝的影响十分明显。图2.5中表示了不同温度下的15kV交联聚乙烯电缆的电树枝引发时间。由图2.5可知，当电缆温度增大时，电树枝的引发时间会减小。故当电缆处在高温环境下，即使时间很短，也可能产生电树枝造成绝缘击穿。图2.5不同温度下的电树枝引发时间图（2）热老化热老化实际上是电缆绝缘温度上升时缓慢发生的化学反应。热老化会使电缆的绝缘结构改变，由于这种化学反应是单向发生的，故绝缘热老化通常是不可逆的。绝缘材料的种类和结构会影响绝缘的热老化程度，在温度上升时绝缘中发生的化学反应会加剧，会使绝缘的热老化进一步加深。电缆发生热老化的原因之一是电缆的散热较差，地下敷设的电缆处在封闭环境中，电缆中产生的热量难以散发出去，故电缆会一直保持较高的温度引发绝缘的热老化。但热老化发生的主要原因还是电缆自身发热较多导致的，比如负荷较大或者局部放电都会使温度快速上升。电力电缆能否安全稳定运行很大程度上取决于电缆绝缘性能的好坏，当电缆线芯温度超过一定值时，会造成电缆绝缘的老化甚至损坏，最终引发电缆故障，因此电力电缆的绝缘寿命很大程度上取决于电缆运行时的导体线芯温度。如图2.6所示为电缆绝缘热老化击穿的示意图，综合对交联聚乙烯电缆的老化机理分析可知，热老化虽然发生在整条电缆上，但对电缆的缺陷部分的影响更加明显，热老化会使电缆绝缘中的缺陷进一步扩大，在各种老化因素的共同作用下，在电缆的缺陷区域会产生水树枝以及局部放电现象，进而形成电树枝，最终使得电缆绝缘被击穿。图2.6电缆热老化击穿示意图2.3电缆温度的测量方法电缆在正式投入运行后通常很难直接测得其线芯温度，但是电缆的外表皮温度比较好测量，所以一般用电缆的表皮温度间接估计电缆的线芯温度，下面介绍一些常见的用于监测电缆外表皮温度的方法。（1）红外线测温红外测温是通过热辐射原理来测量电缆的表皮温度。电缆的辐射能量一般与其本身的温度相关，当表皮温度上升时，就会产生较多的辐射能量。而在自然界中任何高于绝对零度的物体都会不断的产生辐射能量，因此可以通过红外测温技术来监测电缆温度。这种非接触测温方法使用时比较安全，而且响应时间短。其缺点在于红外测温方法受被测物体本身和环境影响大，并且一般适用于定期的温度监测而不适用于实时的温度监测。（2）热电偶测温热电偶测温是将两种不同的材料焊在一起形成一个闭合回路，由于不同种类导体的电子数不同，故两种材料连接处的温度不同时就会产生热电动势，同时在闭合回路中产生电流，如果连接处的温度差越大，则通过的电流也越大。热电偶测温就是直接将热电偶传感器安装在电缆上需要进行温度监测的位置，这种测温方式在工业上得到了广泛应用。这种方法的主要优点有：一是温度测量的范围大，一般能够监测-50—1500℃内的温度；二是热电偶的测量精度比较高，而且热电偶能与电缆充分接触，有利于减少外界环境的影响；三是热电偶的体积小、结构简单，在工业上使用也比较便捷，能够根据实际需求制作成各种不同形状的热电偶传感器来适应不同的场合。（3）光纤测温光纤测温是利在光纤中的激光器光源发出的光脉冲发生散射时，其中一部分散射光对温度比较敏感，从光纤的一端解调散射光，实现对电缆的温度监测，光纤测温原理如图2-8所示。在产生的散射光中，斯托克斯光一般不受温度的影响。而反斯托克斯光受温度的影响大，并且其强度与温度成正比。通过测量两种光的强度，计算二者的比值就可以得到被测物体的温度。光纤测温与传统的测温方式相比，其抗干扰能力强、测温精度高，而且能够对被测物体的温度进行实时监测。但这种测温方式的测温精度受激光源的影响较大，而且在许多环境复杂的地方难以敷设光纤，提高了建设的成本。图2-8光纤测温系统原理图（4）热电阻测温热电阻测温是通过被测导体电阻的热效应来进行温度的测量，由于导体的阻值会随着温度改变，因此测量热电阻的阻值可以估算出被测量物体的温度。热电阻测温方法是通过在热电阻上施加一个电流，测量其两端的电压而得到其阻值，再通过公式计算得到温度。这种方法主要应用于测量中低温区的温度，其优势在于热电阻性能稳定而且能达到较高的测量精度。而这种方法的不足在于热电阻容易受到振动的影响，而且其抗腐蚀性差、结构比较复杂。2.4本章小结本章首先对电力电缆及接头进行介绍，并且总结了电力故障类型。接着对电缆的绝缘老化进行分析，总结出了电缆绝缘热老化是影响电缆绝缘性能的一个重要因素，并由此对电缆的发热原理进行分析。最后对电力电缆温度测量方法进行了总结归纳，由于电缆设计和生产施工缺陷、外力破坏引起的故障、绝缘故障均会引起电缆老化与发热，最终造成电缆绝缘击穿的问题。因此，本文对于电缆故障监测，主要采用有源无线测温方式来监测电缆故障问题，将温度传感器和无线通信的技术相结合的方法，先用传感器测量出被测物体的温度，再通过通信模块传输数据。第三章电缆故障检监测系统硬件设计3.1总体方案设计STM32F103ZET6单片机是一种嵌入式-微控制器的集成电路（IC），由ST公司开发并生产，芯片的体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。最高72MHz工作频率，它的工作电压范围为2~3.6V。它的结构组成如图3.1所示，该系统通过一条内部的总线以及两条APB总线将整个系统以及一些外部的设备连接到了一起，内部总线的部分主要包括了中央微处理器，数据存储器，程序存储器，时钟源晶振等模块，而APB1主要包括一些处理速度要求较高的外设，而APB2则包括了各个I/O口以及中断模块。图3.1STM32结构图如图3.2所示，按电力电缆接头温度检测及报警系统的设计任务书所述，该系统主要包含测温模块，声光报警模块，通信模块，控制模块，供电电源模块组成。其中测温部分的温度控制系统与任务计划书中相同，采用了STM32F103系列芯片。该系统首先需要通过电源模块为单片机提供3.3V左右的工作电源，以保证单片机的正常运行，然后通过温度传感器模块，以单总线的方式将温度信息传递到单片机中，而单片机会对受到的信号进行处理，然后将对应的二极管及蜂鸣器串口进行相应的置位，这就是声光报警部分，温度数据和传感器的工作状态会通过显示模块显示出来，此外单片机会将对应位置的温度传感器状态经过一定的数据处理后通过通信系统发送到从机系统。图3.2系统设计流程图3.2温度传感器的选取经过第二章第节对测温方式的讲解，本文采用有源无线测温法进行电缆故障监测。有源无线测量方式来的优点在于它的成本比较低，稳定性较好，而且因为无线通信所以不需要布线，结构简单，安装方便，它的缺点在于需要经常性的更换电池。因此，在本次电力电缆故障监测系统的设计中，考虑到经费有限，而红外温度传感器价格高昂和环境条件的限制，所以选取了DS18B20温度传感器作为有源无线温度检测中的传感器，这种传感器足以满足在低压条件下的开关柜温度检测的工业使用要求，但不适用于中高压开关柜的温度检测，因此，在做中高压开关柜温度检测时需选择红外温度传感器来测量温度。它的原理图如图3.3所示，该模块主要功能都集中在图中DS18B20模块中，LED灯提醒模块是否正常供电。图3.3DS18B20电路图3.3电源电路由于本测温系统使用了STM32F103芯片，工作电源电压为2.5-3.6V，生活中用到的是220V的三相交流电压，而单片机中使用到的为直流电压，需要安装整流桥来变交流电为直流电，为了减少计算因此选择了工作电流及电压都较大的整流桥KBPC610，其中KBPC为元器件的型号，6表示平均输出电流6A，10表示反向峰值电压1000V，其次是选择相应的稳压管，因为将6V转换为3.3V属于小范围的电压，因此选择LM1117-3.3作为稳压管，3.3V的电压源数据采用220/6V的变压器，得到6V电压后同样接sr整流桥，再接LM1117-3.3型的整流桥。图3.4为3.3V电压源的原理图。图3.43.3V电源电路图3.4显示电路本次的电力电缆接头温度检测与报警系统的设计中我用到的显示电路为四串口IIC通信协议的OLED来显示，显示的参数主要有DS18B20是否正常工作，其次是测得的温度的显示。选择OLED显示的原因主要是其工作电压较小，使得它的耗电量相较于1602或数码管等显示方式要小得多，另外它的工作电压可以恰好与STM32的工作电压相对应，另外它显示的数据更加的清晰且因为它的规格为，因此能显示多行数字，而本次测温系统设计中有3个温度测量模块，要显示3行，其他大多数显示方式不具备那么多行的显示能力，其次他不仅可以显示数字，还能写中文，英文，功能较为强大，而且与开发板中的LCD显示屏比虽然功能不及，但它的价格便宜，综合考虑成本，功能等因素后决定采用OLED显示。3.5报警电路报警电路的设计主要包括声光报警部分及发送报警数据部分，首先声光报警部分可以分为测量端的声光报警及控制端声光报警部分，测量端的声光报警部分主要功能为温度传感器返回的温度值过高时，与之相对应的发光二极管亮，蜂鸣器也发出声音，而其他温度没有超过标准的部分发光二极管不亮，蜂鸣器保持安静，而在接收端接收到报警数据后，会根据收到的报警数据辨别出是哪个位置发生故障，与之对应的发光二极管亮，且只要有一个地方发生温度过高，蜂鸣器就会发出报警声音，两部分的原理图如图3.5，和图3.6所示。报警信息方面单片机会根据接收到的温度信号先确定测量的是哪个部分的温度，再比较温度是否过高，温度过高时准备发送值为1和温度正常时准备发送值为0，发送的数据为所在位置值与2的乘积加上准备发送值，由此发送的数据就可以包含地址信息和温度是否过高信息，如1号位温度过高时发送值根据公式得3，当接收数据时因为任何数与2的乘积都为偶数，所以为偶数时则为温度正常反之则温度过高，而接收到的值对2求商则得出故障点位置，如收到数据5时，5为奇数所以发生了故障，5对2取商得2，所以2号位置发生故障。图3.5蜂鸣器电路图图3.6二极管电路图3.6通信方式的选择考虑在开关柜中使用的无线通信方式，首先需要注意的是它的体积，因为一个开关柜中功能的主体是对电力电缆的工作进行控制，且因为散热的问题决定了开关柜的各个功能组件之间需要有一定的间隙散热，如果使用过大的通讯模块会压缩开关柜内其他功能组件的安装位置，在相同体积的情况下会造成开关柜功能的减少甚至缺失，因此要尽量的选择体积小的通信方式，固我们可以先排除使用无线保真通信；其次因为开关柜中大部分都是密封使用的，故障维修困难，维修一次所用的时间也较长，且温度检测系统一般用的电池供电，因此在选择通信方式时我们还需要关注该模块的稳定性及耗电量，而ZIGBEE的通信方式明显无论是在通信范围，通信的稳定性亦或是耗电量方面都要强过蓝牙，而且报警信号的数据量并不大，因此不需要用到蓝牙的大数据传输，故而在本论文中我们使用ZIGBEE通信。3.7主控系统主控系统主要围绕STM32F103来组成，如图3.7所示，本系统有3个DS18B20，一个OLED显示屏，一个ZIGBEE通信模块，以及晶体振荡器等部分组成。其中温度检测由DS18B20模块完成，显示部分由OLED完成，系统的对外通信由ZIGBEE完成。首先系统通过DS18B20，以单总线的方式将温度信息传递到单片机中，而单片机会对受到的信号进行处理，然后将对应的二极管及蜂鸣器串口进行相应的置位，温度数据和传感器的工作状态会通过OLED显示出来中，此外单片机会将对应位置的温度传感器状态经过一定的数据处理后通过ZIGBEE发送到从机系统。图3.7主电路图3.8本章小结本章主要讲述了在开关柜温度检测及报警系统设计的过程中，应该设计哪些模块，电路中选择DS18B20测温，ZIGBEE通信的原因，讨论了是否还有更好的选择，讲解了各个模块使用了什么器件，如何进行元器件的选择，简要的介绍了各部分功能如何控制，确定了硬件电路的接线及原理图的绘制。4电缆故障检监测系统软件设计本文中的开关柜电力电缆接头温度检测及报警系统设计软件部分的内容主要包括主函数程序，LED灯初始化控制程序，蜂鸣器初始化程序，DS18B20测温程序，ZIGBEE通信程序，OLED显示程序，共6部分组成，系统的软件部分主要由各种通信协议组成，其中包括有单总线数据通信，IIC通信协议以及串口通信协议。本系统程序编写主要使用KEIL5软件进行，使用C语言的方式进行编程。KEIL5系统是国内常用的单片机编程软件，其中包含了汇编方式的编程和C语言方式的编程，支持STM32系列单片机的编程，且经过多年的发展，这款软件在查错，仿真，下载方面与其他软件相比都具有一定的优势，因此选择使用这款软件。C语言的编程方式相比于汇编语言具有文字易理解，逻辑性较强，运行效率高，简单易学，错误易于修改等优势，因此选择使用C语言编程。4.1主程序设计主程序中最先定义的是用于储存温度数据及其他储存数据变量的定义，其次是对程序中使用到的元器件的初始化，初始化完成后所运行的程序应该是不断重复执行的，因此要包含在一个while语句中，while语句中首先需要进行的是确定温度传感器模块是否初始化成功了，成功的在OLED上显示该模块OK，反之则显示该模块error，其次就是对测温模块工作正常的地方进行温度数据的读取及处理，通过调用测温程序中编写好的读取数据函数得到被测物体的温度数据，因为读取数据时是分高位和低位来分别读取的。而高位中具有符号位，因此我们要对的到的数据进行判断正负的处理，如果为负数则取反并在OLED中先显示负号再显示取反后的值，如果为正则无需处理直接显示。其次要对温度进行判断，如果温度超过了电力电缆接头允许的最高温度，则对应的发光二极管应该发光且蜂鸣器应当发出报警声音，直到温度降下来才停止报警，此外需要时刻反应对应位置的温度情况信息，通过ZIGBEE将数据f发送出去，发送的数据通过第n个位置温度状况为x（x为0时正常，为1时温度过高），经过计算得，每次发送之后要延时一段时间来给与接收数据端处理数据。根据上述方法可以绘制出程序的流程图如4.1所示。图4.1主流程图4.2DS18B20测温程序DS18B20温度检测程序中，首先要将对应的I/O口就行初始化设置，设置为推挽输出形式，设置完成后接下来要确定是否能够接收到测温系统传递回单片机中的信号，检测是否有回应的方法为先将串口设置为输出模式，再总线电平拉低480-960us，然后拉高电平15-60us，再把串口设置为输入模式，读取串口信息来分辨是否有DS18B20来回复，因为无法确定释放总线后多少时间后才能受到DS18B20拉低电平，所以要将所有情况都列举出来一一分析，情况1：一开始读取的数据就为0，这种情况下可能是出现什么错误使得I/O口电平一直为低，也可能是DS18B20将它的电平拉低的，而DS18B20在拉低电平60-240us后会受上拉电阻影响再次将电平拉高，所以这种情况下需要在60-240us内能够检测到高电平到才说明有响应，反之则没有连接到测温模块，情况2：一开始检测到高电平信号，此时可能出现的情况分别为还未收到DS18B20置低信号或模块其他原因导致的一直收到高电平数据，所以需要在一段时间内不断检测，确定是没有收到置低电平信号还是其他原因导致的电压一直为高电平状态，如果在这段时间内收到了低电平信号则什么收到测温模块的响应，否则就通信失败。读数据时要先将I/O口设置为输出数据模式，然后先将电平拉低2us后再拉高电平，再将I/O口设置为输入模式，延时12us后即可读取I/O口信息，每进行一次以上操作只能读取一个数据，因此要读取多位数据时要使用for语句循环读八次，而且因为单总线通信时数据由低位读到高位，因此要先把数据保存在高位，需要读下一位数时先将保存数据的变量右移一位后再将新的数值保存在此变量的最高位。因为一般情况下读书分两次读，先读低八位，再读高八位，因此，在我们处理读数的过程中还需要把这两个数据合并起来，这就需要将高八位的数据左移八位后再与低八位进行或运算。发送数据的过程可以分为写0和写1的过程，其中写0时先将I/O口设置为输出模式，把总线电平拉低60us后拉高2us，而写1则恰好相反，要把总线电平拉低2us后拉高60us，而每次发送数据时常直接发送八位，除此之外因为要从低位开始发送的缘故，发送数据时可以将需发送的数据与0x01用与关系符联系起来，再发送，发送完一个位后再将需要发送的数据右移一位，通过循环语句循环8次后就能够发送八位数据了。在读取温度时需要先发送数据启动DS18B20的温度转化功能，再发送一串数据进行读数操作，首先要发送0xcc，这条语句的意思是操作测温系统跳过ROM设置，注意每次对测温模块发送命令前都要重新发送对ROM的设置命令，设置完ROM后接下来就要发送数据0x44时测温模块进行温度转化操作，然后在发送0xcc后才能再发送0xob来读取温度信息，因为单总线通信方式是支持一条线上多个传感器的，所以我们也可以外加读取ROM的程序，如此一来对ROM存储器的设置上就应该发送对应的IP地址，如此来分别操作不同的测温模块。根据上述方法，绘制出DS18B20程序流程图如图4.2所示。图4.2DS18B20数据读取流程图4.3ZIGBEE通信程序此通讯模块的使用方法与串口通信相似，先要对I/O口进行初始化设置，设置为推挽输出的形式，这里面的串口并不是所有串口都可以，需要在芯片手册中找到具有TX，RX功能的串口，在本次设计的过程中我们选择的是PA9与PA10口，另外还需要进行波特率的设置，本次系统设计中使用的波特率为4800，除此之外还需要对中断进行初始化，因为数据的发送及接收过程中都使用到了中断函数来进行。4.4声光报警程序声光报警系统的设置主要为对LED灯以及蜂鸣器的处理，其编程较为简单，先将其I/O口的工作状态设置为推挽输出，其次可以通过利用置1和置0的函数来将他们的电位拉高或置低来，以此控制灯的亮灭以及蜂鸣器是否发声。4.5OLED显示程序本次开关柜电力电缆接头温度检测使用四串口的基于IIC通信的OLED显示，其中使用芯片中的PG11对应显示器上的SCL口，PD5对应SDA口，此函数中首先要对各个I/O口进行初始化，其次是对通信协议的设计，按照IIC的通信方法，其发送数据的过程主要由起始函数，结束函数，等待响应函数，写数据函数，发送数据函数，更新显示函数等部分组成。首先是起始函数，在起始函数中首先把SDA和SCL位置1，延时一段时间后先将SDA置0，再延时一段时间后SCL也置0，这在IIC通信中代表了开始发送数据，然后是发送地址数据0x78或0x7a，其中前者表示地址为0111000，后者表示地址为01111010时发送的数据，而写电平的函数则分为写0和写1，先将SDA的电平变成发送数据中变量所代表的电平，如要发送1则将电平拉高，发送0则将电平拉低。然后延时一段时间后将SCL置高，再延时一段时间，最后将SCL置低，通过下降沿把数据写进去，数据工作过程中常常以字节为单位发送数据，除此之外IIC的通信方式要求我们将数据由高到低依次写入，因此在实际操作过程中，将要发送的数据与0x80通过与关系符联系起来，然后传递到发送函数中发送出去，传递完成后再把要发送的数据左移一位，用for语句循环发送8次，这就可以实现一个字节一个字节的发送数据。发送完地址后要等待OLED传递信号来判断是否建立起了正常的通信，否则发送的数据没有任何意义，等待响应的函数需要先将SDA置一，延时一段时间后将SCL也置一，然后再延时一段时间，再把SCL置零，最后再延时一段时间来等待响应。收到响应函数后通过各自不同的需要发送一串数据来让OLED了解我们的需求，这串数据由8位二进制数组成，其中后面6位都为0，前2位中第一位co位为0表示后面数据都是数据字节，否则不是，大部分情况下我们都将其置零，第二位R/W位为选择后面数据发送的是命令还是数据，1则为数据，0则为命令，通过这串数据可以用函数中输入的值来确定发送的是数据，还是命令。发送完成后我们需要再次等待响应，然后以十六进制数发送出系统的数据或要执行的命令的十六进制代码，然后我们依旧要等待响应告诉系统发送是否成功了，最后发送停止位来说明数据或命令的发送已经完成，停止函数的编程方法为先将SDA置1，延时一段时间后SCL置1，再延时一段时间后SCL置0。通过以上的方法可以让OLED在单片机的控制下正常工作。当使用OLED前，需要先发送一系列命令来配置它的工作状态，命令内容如图4.3所示，另外需要显示时首先要将内容保存在显示数组中，然后更新显示来完成数据最终的显示，如果要清除显示则将数组中的数全部清零再更新，更新显示的函数编写格式如下：图4.3OLED命令图首先因为OLED为规格，其赋值方法为每8行中同一列的数化为两个十六进制数发送出去，系统会将其对应到相应的地址上显示出来，其中0则表示那一处灯灭，1为亮，所以每次更新显示的时候要先发送好对应行的起始地址，正如坐标轴中要准确找到一个点的位置需要行和列坐标，在OLED中要找到准确的地址位置需要行地址和列地址，其中第一大行对应0xb0地址，下一行的地址则为0xb1，以此类推每一行的地址都为上一行的地址加一，又因为每八行的同一列数据最终处理成一个总的数，因此对应的系统中可分为8个大行，其次是要设置列的地址，但是由于列的数目有128个，因此我们将它分为高64位和低64位来方便使用，其中低64位的起始地址为00，高64位的地址为10，赋值时在同一大行中可以给与初始行，列位置后不断的赋值，直到行位置或者列位置需要改变，以此来减少发送起始位，停止位等命令的次数，减少单片机工作量。对显示数组的赋值可以通过枚举法来完成，首先在另外一个文档中先定义好一系列的数组，其中包括各种显示大小条件下应该发送的数据的情况（即在初始行和列情况下，需要发送什么数据能使其显示出想要的字符），当要使用时则可以通过调用显示函数来对显示数组进行赋值，此函数中需要输入显示的位置横坐标，纵坐标，字体大小以及显示的数据，根据字体的大小和显示的数字我们可以找到发送这个数据所需要发送的数据的代码，其次根据给出的行坐标，将行的数据对8取商和取余，根据商可以判断出在第几大行中，根据余数可以得知需要对其进行移位多少，如余数为3则我们需要对所需发送数据的代码进行右移3位的操作，有时因为他们并不在同一大行中显示，因此第一行的数据移动后还要改变后面几行的数据，改变的方法为将第一行的数据左移8-余数位，将第二行的数据右移余数位，再将它们或语句联系起来，以此类推可以对显示数组进行赋值，另外为了避免后一个赋值对前面赋值语句的干扰，外部数据要进入到显示函数时不能够直接赋值而是要用或语句来进行赋值。如此就能完成数据在OLED上显示操作。由上述方法总结可得OLED显示的流程图如图4.4所示。图4.4OLED程序编写流程图4.6本章小结本章主要介绍了开关柜中电力电缆故障监测系统中软件部分编程的思路和方法，详细的介绍了各种通信协议的使用方法，讲解了在编程过程中要注意的一些细节。5电缆故障检监测系统仿真与样机调试5.1系统仿真5.1.1仿真软件介绍PROTEUS是由英国公司出版的仿真软件，它不仅具备了硬件电路的仿真功能，具备EDA软件所具有的能力，而且能够对单片机及其外围电路进行程序仿真，不仅可以进行原理图的设计，而且可以使用PCB设计的方式，编程的方法也多种多样，支持在软件内部用汇编语言进行编程，也能够将其他软件上的C语言编程文件导入进去，使用十分方便，另外它还支持使用虚拟串口进行仿真，是世界上唯一的，能够将电路仿真，PCB设计，虚拟模型结合到一起的软件。另外它提供了很多的元器件，同一类型的器件都包括了很多型号，能够满足绝大多数人的需求，受到许多老师和使用者的一致好评。当然PROTEUS还存在一系列的不足之处，比如其STM32方面的芯片种类不够多，32系列的软件编程方面经常会出现错误等，但随着软件的不断普及，不断的更新，有理由相信这款软件会越来越完善。5.1.2系统软硬件联合仿真根据需求可以的出本次系统设计电路共由3部分组成，分别为电源电路，测温电路，接收报警电路三部分组成。其中电源电路的原理图如图5.1所示，其中整流桥采用的是KBPC808，其余部分与实际电路原理图中的元器件一样，仿真结果如图5.2所示，分别到达3.302满足单片机工作范围，因此电源部分硬件电路设计通过，可以进行实物制作。图5.13.3V电源仿真图图5.23.3V电源仿真结果图测温电路部分仿真电路如图5.3、5.4、5.5所示，为该系统运行时的状态，由两张图对比可知当一个温度传感器方式故障时蜂鸣器端能够发出声音，对应的LED也能发光，而且OLED显示正常，能够完美的实现在硬件电路设计中所要达到的要求，因此证明该电路可行，可进行实际电路的搭建。图5.3测温部分电路仿真图图5.4无故障电路运行图5.5有故障运行图5.2硬件调试硬件电路可分为3个部分，第一个为电源电路部分，根据实际测试的数据电源部分满足单片机供电要求，因此不需要变化，其次是测温部分及接收数据部分，供电电源接上后单片机各管脚工作正常，能够进行程序的下载等，因此不需调整。5.3本章小结在本章中主要进行了设计电路的仿真测试，仿真完成后进行了硬件电路的搭建，制作了样机进行调试，并对样机的功能，程序功能进行了测试，并对测试结果进行了分析，提出误差产生的原因。第六章结论本毕设基于STM32F103系列芯片，以DS18B20温度检测模块，基于温度对不同类型晶振的震荡频率的影响，根据其线性关系，计算出物体的温度，通过单总线的通信方式将数据传输到单片机，其次通过IIC通信协议进行单片机与OLED之间的数据传输使得温度数据及传感器工作状态等能够顺利的显示出来，通讯模块使用了ZIGBEE无线通信模块，报警方式为声光报警，在软件设计方面，本系统采用了分模块进行编程的方式，将各个功能模块分别放到一个文档中，最后再与主函数中调用的方式使得编程通俗易懂，便于修改。参考文献[1]何秋泠.基于光纤光栅的高压电缆在线监测方法研究[J].电气时代,2022(03):30-33+40.[2]汤峻,周飞,郦君婷,谢富伟.接地故障引起电力电缆轰燃的机理与监测预警系统[J].电线电缆,2022(01):34-36+46.[3]李志刚,杨国练.电力电缆故