中壓開關柜溫升在線監測系統設計

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等原因都將引起觸頭接觸不良，造成接觸電阻增大，運行時出現觸頭溫度上升過高，會使觸頭處于嚴重發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、熱穩定性能和開斷性能。這些電氣設備如果發生故障，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進行實時監測顯得非常有必要，要及時的反映線路設備的運行狀態。

中壓開關柜溫升在線監測系統是采用非接觸遠紅外測溫法監測中壓開關柜帶電工作狀態下母線和電器元件連接處的發熱情況，實時監測，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測方案［3］。監測網絡包括紅外測溫傳感器、數據采集單元、數據主控單元3個部分，總體結構如圖1 所示。在網絡的最底層是紅外測溫探頭，采集開關柜內開關觸頭的溫度，通過RS485 總線將溫度數據上送至數據采集單元，數據采集單元負責將溫度顯示。同時設置報警參數，當溫度超限時報警時，將溫度數據和報警信號通過RS485 總線上送至數據主控單元;數據主控單元進一步控制報警系統進行報警。

圖1 總體結構圖

2 數據采集

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

2.1 硬件設計

開關柜在線監測系統硬件框圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件框圖

基于單片機的數據采集單元通過接受紅外傳感器發出的信號，經過A/D 轉換輸入到單片機，單片機將信號處理后根據相應的接口，通過RS485 總線將控制信號傳送給上位機，上位機通過RS485 總線發送指令。

傳感器采用的TMP100 是TI 公司的總線數字溫度傳感器。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級芯片，C8051F020 的內部電路包括CIP－51 微控制器內核 及 RAM、ROM、I/O 口、定 時/計 數 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字外設集成在一個芯片上，構成一個完整的片上系統。CIP－51 采用了流水線處理結構，指令執行的最小時序單位為系統時鐘，大部分指令只要1～2 個系統周期即可完成，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

開關柜數據采集的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 數據采集程序流程圖

其整體處于一個不斷查詢的循環狀態，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送內容為發送端的標識符(每個發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)和本次溫度數據;若測得溫度數據在報警范圍之內，則C8051F020 每隔一段時間(設置為半小時)發送一次發送端的標識符、無故障標識和最近一次溫度數據。

3 上位機軟件設計

3.1 上位機

上位機主要用于接收監測的數據，實時顯示。上位機軟件的開發使用的是Visual Basic6.0 程序設計語言，并且調用了SQL Server 數據庫。SQL Serve2000 數據庫具有強大的管理能力和安全性，通過ODBC(Open Database Connectivity，開放數據庫互連)及設定的操作權限可以在網絡中實現數據的查詢、編輯、刪除等操作及數據庫的統計管理。它相對于傳統的數據庫調用而言，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測開關柜中設備溫度狀態，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命令，對溫度的報警閾值進行設置。

通信協議模塊流程圖如圖5 所示。

圖5 通信協議模塊流程圖

4 實驗結果

監測結果通過上位機顯示，如圖6 所示。

圖6 監測結果

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高電壓、高溫度、強磁場的惡劣環境問題，實時掌握了開關設備的狀態信息，實現了中壓開關柜內設備運行的實時監測和及時報警。

［1］田毅，黃新波.高壓開關柜溫升在線監測系統［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測［J］.電氣制造，2010(6).

［3］黃新波.輸電線路在線監測與故障診斷［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.開關柜溫度在線監測系統軟件設計［D］.合肥:合肥工業大學，2007.

［6］張艷，田競，葉逢春，路燦.基于紅外傳感器的網絡的研制［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測研究［J］.中國電機工程學報，2006，26(1).

［8］童長飛.C8051F 系列單片機開發與C 語言編程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.