基于單片機的電纜在線監測研究

摘要:隨著市場經濟的深入發展和電力系統規模的持續擴大，電纜用量越來越多;而且由于大量電纜鋪設在距離較長、走向復雜的電纜溝內，長期運行在高電壓、大電流環境下，很容易引起電纜溫度上升、溫度異常等現象，進而造成火災，帶來嚴重的財產損失和人身傷亡。該文正是在這一前提下，設計實現了一套電纜在線監測系統的應用研究。

關鍵詞:單片機;電纜;在線監測系統

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)24-6808-02

MCU-based Online Monitoring of Cables

WU Zheng-zhou

(Nanjing Normal University， Nanjing 210042，China)

Abstract: With the deepening of market economy development and the size of the power system continues to expand， more and more cable usage; and as a result of a large number of cable laying in the distance is longer， to the complexity of the cable trench， a long-term operation in high-voltage， high current environment under the cable will likely give rise to an increase in temperature， such as temperature anomalies， which in turn resulted in fires， serious property damage and personal injury. This article is in this premise， the design of cable to achieve a set of online monitoring system for applied research.

Key words: microcomputer; cable; on-line monitoring system

長期以來，為確保電力系統安全運行，電力行業一直根據電力設備預防性試驗規程的規定，對電纜進行定期的停電試驗、檢修和維護、這種“計劃檢修”是按照預試規程所規定的試驗周期，到期必修，而不顧電纜的實際運行狀況，具有很大的盲目性和強制性，因而容易造成設備的“檢修不足”和“過度檢修”矛盾的產生，這樣既浪費了大量的人力物力，又未能有效地檢修設備故障。電纜采用實時監測和狀態檢修是隨著管理水平提高和科學技術進步而發展起來的先進管理和維修方式。目前己經在少數發達國家取得了一定的經驗。以國外為例，到90年代初，美國已有1/3的某廠配電系統采用狀態檢修2年以上，有1/3某廠配電系統不足2年，有1/3的某廠配電系統正準備實施狀態維修。可見對電纜采用實時監測和狀態檢修的經濟意義非常明顯，同時隨著電纜在線監測技術的發展與應用將為電纜的可靠運行提供科學依據，并將為電力系統的正常運行帶來更好的經濟效益和社會效益。

1 基于單片機電纜在線監測系統的總體設計

基于單片機的電纜在線監測系統硬件主要有:計算機、單片機系統、無線收發模塊以及各種適配器等組成。電纜在線監測系統作為電力設備在線監測系統的重要組成部分，充分結合先進的計算機技術、通訊技術、人工智能技術、電力電子技術與設備診斷技術于一身，能夠有效地識別由于各種原因引起的電纜及其中間頭的過熱故障，實時監控電纜的運行狀態和變化情況，及時采集電纜的各種狀態參數值，通過通訊網絡向上位機傳送各種現場參數值，最終由上位機對數據和信息進行處理和分析、顯示、故障診斷、報警以及實時控制，最終實現電纜實時監測:同時該系統還具備電纜設備隱患的預知維修系統，能在電纜緩慢形成的缺陷演化成故障之前發出報警，以便及時安排進行檢修，防止因電纜絕緣破壞造成的大面積停產。本系統主要針對中小型電力機構的電纜各種狀態參數監測的需要，本文以某發某廠配電系統為實際研究對象，設計出一套擁有相對獨立的實時在線監測控制系統的硬件、軟件平臺。根據生產現場實際，電纜在線監測系統將設計成分散測量、集中監控的系統結構。它主要由4部分組成:數據采集、信號通訊傳輸、數據處理和故障診斷。系統結構組成見圖1所示。

其中電纜在線監測系統的應用研究中，數據采集是一項關鍵工作，采集到的數據的準確性直接關系到是否真實反映了電纜設備運行狀態，直接關系到系統的可靠性。其包括兩大部分:一是電纜各狀態參數采集模塊。對電纜系統要害部位和易發生故障部位的各狀態參數進行實時采集，在其內部將采集到的各狀態值轉換成數字信號，送入單片機集中處理。二是單片機監測與通信管理模塊。該模塊中單片機負責采集各狀態數據并對采集來的各狀態數據進行簡單的處理，通過通信網絡把傳感器編號以及相應的各狀態數據傳送給監測中心上位機。通訊模塊是監測中心與現場各狀態參數采集和測試部分之間的數據傳輸的橋梁，主要提供上位機和下位機間、下位機與現場采集器內部的通信鏈路，其功能主要是完成數據的傳輸任務，要保證所采取的通訊方式的可靠性，其范圍要覆蓋整個發某廠配電系統在線監測與火災預等系統，保證以最快的速度傳送最準確的數據。數據處理和分析模塊通過對從各現場上傳的相關參數信息進行記錄、保存、打印、備份、調查、歸納、綜合、分析等工作，提煉出精華，對電纜早期故障進行預測，根據相關參數變化情況作出超溫分析和溫度升高率趨勢分析等，形成一整套具有處理意見與決策的專家系統， 作為分析判斷電纜故障的依據。

2 電纜在線監測系統的硬件設計

本文設計的電纜在線監測系統的硬件設計主要是針對中小型電力機構的電纜各種狀態監測的需要，該系統采用了國內外先進的數字式傳感器技術和一線多點的總線通信傳輸技術，從而大大地提高了系統的穩定性和可靠性，該系統適用于大面積、長距離、多側點、工作條件惡劣的工業現場使用。硬件主要有:上位PC機、主控制機、采集器和傳感器等組成。具體見圖2。

2.1 上位PC機

本系統采用高性能計算機，保證每天24小時無故障工作，實現上位PC管理機與多臺控制主機的通訊功能，可接受所有接頭的數據并實現數據的報表、曲線等圖形顯示。如果發現相關數據超過設定值的情況，立即發出圖像報警和聲音報警信號。

2.2主控制機

以C8051單片機為核心，由單片機、存儲器、通信接口組成。通過RS485通信接口、GPRS及公網與上位微機相連。主控制機主要完成巡檢并輸入所有采集器采集的數據。

2.3 采集器

采集器主要由單片機C8051、選擇電路、通信電路、存儲器等電路組成。單片機通過通道選擇電路控制傳感器完成數據的采集，采集的數據先被存儲在外部存儲器SRAM中，當主控制機要求采集器上傳數據時，隨時可將數據取出發送至主控制機。其中在采集器上還擴展了一片32K 的非易失性SRAMDCM0256 作為數據存儲器， 用于儲存DS18B20 的64 位串行系列碼和采集的多點數據值。該存儲器具有存取速度快， 且掉電時數據不丟失的特性， 能夠滿足系統的實際需求。通信模塊是系統實現遠距離傳輸和多機通信的關鍵。由于高壓斷路器的數據傳送距離一般要求在幾千米， 所以通信模塊采用RS-485通訊接口。RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力， 加上接收器具有較高的靈敏度， 能檢測低達200MV 的電壓， 故傳輸信號能在幾千米以外得到恢復。

2.4 傳感器

系統所用傳感器是美國DALLAS公司最新產品——DS182O數字式傳感器，能夠準確測量相關數據。該傳感器采用半雙工數據通信接口，子站向它輸入識別代碼和命令字，它向子站輸出數據 (均通過單總線進行)。子站的任務是實時采集傳感器的一系列數據，簡單處理后，通過接口電路把傳感器編號以及相應的數據傳送給主機。主機負責管理全部子站，接收各個子站傳來的數據，并在Windows環境下以良好的用戶界面管理和顯示現場數據。

3 電纜在線監測系統的軟件設計

本系統運用面向對象的思想和模塊化程序的結構，基于對話框的模板設計，層次清晰，界面良好，擴展性較好。主控機程序采用窗口界面，開啟系統后，系統分兩個進程運行，一個負責和下位機的通訊，向其發出數據采集指令，進行數據采集和校驗;另一個負責將采集來的數據經過校驗和處理后，進行判斷，對所有的數據都進行存儲并實時顯示給用戶，如果有報警數據，則提示用戶并顯示故障位置，同時向下位機發出報警指令。功能模塊圖見圖3。

總之，本文主要完成電纜在線監測控制部分的軟件系統設計，結合某發某廠配電系統的實際研究情況，分析和設計出電纜在線監測系統的數據庫結構、主控機、下位機及通訊接口等各部分的程序流程、用戶界面和部分關鍵程序代碼，為用戶提供了一個友好的軟件平臺，充分發揮了現代各種硬件設備的優點，并通過軟硬件聯調，經實驗測試該系統滿足國標和現場要求，具備投入試運行的條件。

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