高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).doc

高壓開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)摘 要 開(kāi)關(guān)柜是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一，但是經(jīng)常因?yàn)殚_(kāi)關(guān)柜局部過(guò)熱，而引起事故，造成損失。在以往的開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障檢測(cè)中，采用人工巡檢，不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故。開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅克服了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下溫度不易監(jiān)測(cè)的難題，而且通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)柜內(nèi)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前溫度值，并做出報(bào)警處理，節(jié)省了大量人力、物力，提高了事故預(yù)判的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。 本文從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。硬件方面設(shè)計(jì)了兩種不同的溫度傳感系統(tǒng)：中壓開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障監(jiān)測(cè)采用光纖式溫度傳感器，同時(shí)采用光纖傳輸數(shù)據(jù)；低壓開(kāi)關(guān)柜采用單總線數(shù)字式溫度傳感器，數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示測(cè)點(diǎn)溫度，并對(duì)溫度數(shù)據(jù)做出分析、報(bào)警、保存等功能。及時(shí)提醒工作人員對(duì)報(bào)警情況做出處理，避免事故的發(fā)生。關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)柜 在線監(jiān)測(cè) 溫度傳感器 實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件 MFC ADOAbstract As the most important equipment, Metal-clad switchgear guarantee the safe operationof electric power system. Sometimes, the temperature of part of Metal-clad switchgearmaybe over the limit of safe operation, and then arouse accident, bring losing. In past,workers check up the Metal-clad switchgear on schedule, which takes time and hardsledding, can not work efficiency and betimes. On-line real-time monitoring fortemperature overcome the difficulties of high temperature, high voltage and high magneticfield, to be a new method of checking up the Metal-clad switchgear. It can show thetemperature of the spot of being monitored, judge the temperature and give an alarm. Thesystem saves lots of resource and improves the veracity. The paper presents the detail about the procedure of the design for the system fromboth hardware and software aspects. There are two defferent design of hardware: opticalfiber temperature sensor is used for middle-voltage Metal-clad switchgear, which data istransferred by optical fiber; another one is 1-Wire Digital Thermometer, it is used forlower-voltage Metal-clad switchgear, and the data is transferred by unwired. The softwareof On-line real-time monitoring for temperature can show the temperature real-time,analyse the data, gave an alarm, save the data, and so on. The system can awoke theworkers about the alarm in time, avoiding the accident.The result of the axperiment indicates the new system works well, it has accomplishedthe design aims of anticipating, providing a good guarantee of the safe operation ofMetal-clad switchgearKey words: Metal-clad switchgear. Keywords: monitoring softwareon-line monitoring MFC ADO目 錄1緒論11.1課題背景和意義11.2開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究21.3系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)需求31.4課題主要任務(wù)42開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)62.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)62.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)73監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103. 1光纖式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1.1光纖式溫度傳感器113.1.2光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀123.1.2 Nsmart接口通信協(xié)議143.2單總線數(shù)字式溫度傳感器電路設(shè)計(jì)173.2.1單總線數(shù)字式溫度計(jì)173.2.2溫度監(jiān)測(cè)模塊的其他外圍元件203.2.3單總線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)233.3兩種溫度監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)比較總結(jié)234監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹254.2軟件總體設(shè)計(jì)254.2.1多線程的編程模式254.2.2線程間的通信294.2.3多線程編程設(shè)計(jì)要點(diǎn)304.3軟件功能模塊設(shè)計(jì)324.3.1溫度報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)374.3.2通信模塊編程394.4本章小結(jié)405 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行及調(diào)試415.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的功能調(diào)試416總結(jié)42參考文獻(xiàn)43翻譯部分44英文原文44中文翻譯58 北京化工大學(xué)北方學(xué)院07屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第70頁(yè)1 緒論1.1課題背景和意義“高低壓開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”是為減輕人工巡檢的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)光柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提前報(bào)警而合作開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。發(fā)電廠、變電站的中低壓開(kāi)關(guān)柜是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一。但在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常因?yàn)榘l(fā)熱引起設(shè)備燒毀或突然停電等事故，導(dǎo)致大量的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，相應(yīng)地對(duì)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行的可靠性也提出了更高的要求。同時(shí)，隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患并對(duì)累計(jì)性故障做出預(yù)測(cè)成為可能。它對(duì)于保證開(kāi)關(guān)柜的正常運(yùn)行，減少維修次數(shù)，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠和自動(dòng)化程度具有重要意義。在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，開(kāi)關(guān)柜中的觸點(diǎn)和母線排連接處等部位因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，或母線與觸點(diǎn)在載流過(guò)大時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)溫升過(guò)高，使相鄰的絕緣部件性能劣化，而這些發(fā)熱部位的溫度無(wú)法監(jiān)測(cè)，由此最終導(dǎo)致?lián)舸┥踔粱馂?zāi)而造成事故。電氣設(shè)備的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，接觸電阻增大，惡性循環(huán)造成隱患，此類(lèi)故障占外部熱故障的90%以上。統(tǒng)計(jì)近幾年來(lái)檢測(cè)到的外部熱故障的幾千個(gè)數(shù)據(jù)，可以看到線夾和刀閘觸頭的熱故障占整個(gè)外部熱故障的77%。電氣設(shè)備內(nèi)部熱故障的特點(diǎn)是故障點(diǎn)密封在絕緣材料或金屬外殼中，如電纜。內(nèi)部熱故障一般都發(fā)熱時(shí)間長(zhǎng)而且較穩(wěn)定，與故障點(diǎn)周?chē)鷮?dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞，使局部溫度升高，因此可以通過(guò)檢測(cè)其周?chē)牧系臏厣齺?lái)診斷電氣設(shè)備的內(nèi)部故障。根據(jù)電力事故分析，電氣設(shè)備過(guò)熱故障可引起火災(zāi)導(dǎo)致大面積設(shè)備燒損，造成被迫停電，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，在發(fā)電廠和變電站已經(jīng)發(fā)生多起開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱事故，造成火災(zāi)和大面積的停電事故，解決開(kāi)關(guān)柜局部過(guò)熱問(wèn)題是杜絕此類(lèi)事故發(fā)生的關(guān)鍵。因此，必須采取有效措施監(jiān)控開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線與觸點(diǎn)等的溫度。為了提高供電可靠性，減少停電時(shí)間和次數(shù)，保證用戶長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全的用電，有必要設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電力設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)的溫度變化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)可能引起火災(zāi)或設(shè)備故障的局部過(guò)熱情況，為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行提供可靠保證。同時(shí)又可以作為電氣設(shè)備故障的溫度記錄器，能在設(shè)備故障發(fā)生之前發(fā)出報(bào)警及檢修建議，讓管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障前兆，提前采取防患措施，變“定期檢查”為“按狀態(tài)檢修”減少大量的人力物力。通過(guò)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)溫度的運(yùn)行情況，可有效防止開(kāi)關(guān)柜的火災(zāi)發(fā)生，由于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)高壓狹小的結(jié)構(gòu)，很難進(jìn)行人工巡查測(cè)溫，因此實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證變電站開(kāi)關(guān)柜安全運(yùn)行的重要手段。1.2開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究由于開(kāi)關(guān)柜觸頭及母線處于高電壓、高溫度、強(qiáng)磁場(chǎng)以及極強(qiáng)的電磁干擾環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的測(cè)溫，必須解決電子測(cè)量裝置在上述惡劣環(huán)境條件下的適應(yīng)性，解決溫度傳感器的電位隔離、抗電磁干擾、小尺寸和便于安裝等問(wèn)題。目前常用的溫度監(jiān)測(cè)方法有下列幾種：1熱敏電阻式測(cè)溫系統(tǒng)：熱敏電阻具有體積小、溫度響應(yīng)快、產(chǎn)品成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以顯示溫度值，但由于每個(gè)熱敏電阻都需要獨(dú)立的接線、布線復(fù)雜且熱敏電阻易損壞、維護(hù)量大，傳感器不具備自檢功能，需要經(jīng)常校驗(yàn)，因此不常采用。2紅外探頭測(cè)溫系統(tǒng):紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。紅外測(cè)溫儀器主要有3種類(lèi)型:紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測(cè)溫儀（點(diǎn)溫儀）。非接觸紅外測(cè)溫儀包括：便攜式、在線式和掃描式三大系列，可以在線監(jiān)測(cè)。但由于系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，體積較大，受安裝空間限制，外加受環(huán)境影響嚴(yán)重，誤報(bào)較多，也不常采用。3示溫蠟片/試溫蠟片溫：采用“示溫蠟片/試溫蠟片”存在一些問(wèn)題，一是在粘貼時(shí)普遍采用清漆將“示溫蠟片/試溫蠟片”粘貼在電氣設(shè)備需要測(cè)試的部位，這樣粘貼牢固后，待測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到“示溫蠟片/試溫蠟片”相同溫度時(shí)，不能脫落下來(lái)，只有溫度超過(guò)很大程度才會(huì)脫落下來(lái)，這樣很容易給操作人員造成誤導(dǎo)，判斷不及時(shí)。二是:“示溫蠟片/試溫蠟片”只能靠熔化現(xiàn)象表示發(fā)生了過(guò)熱，現(xiàn)象不直觀也不易發(fā)現(xiàn)。三是:電氣設(shè)備的負(fù)荷是隨用戶需求量變化的，接點(diǎn)溫度也是隨之變化的，當(dāng)被監(jiān)視的電氣設(shè)備接點(diǎn)發(fā)生了不同程度的過(guò)熱，使用“示溫蠟片/試溫蠟片”不能隨之不同程度熔化或脫落下來(lái)。4使用示溫記錄標(biāo)簽:“示溫記錄標(biāo)簽”是以膠粘貼固定的，只要在測(cè)溫范圍內(nèi)發(fā)生了過(guò)熱，就可以繼續(xù)保留在貼片接點(diǎn)部位?！笆緶赜涗洏?biāo)簽”表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的發(fā)光材料，通過(guò)觀察其顏色變化來(lái)大致確定溫度范圍，這種方法準(zhǔn)確度低、可讀性差，不能進(jìn)行定量測(cè)量，因此也不能滿足現(xiàn)在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的需要。其它還有：采用雙CCD彩色CCD及NICCD)成像技術(shù)，基于比色測(cè)溫原理，研制生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)大范圍目標(biāo)溫度全面實(shí)時(shí)測(cè)量的高溫測(cè)量電視系統(tǒng)。提高了測(cè)溫的靈敏度、線性度、檢測(cè)速度，而且大大地減少了檢測(cè)過(guò)程對(duì)目標(biāo)物體發(fā)射率的依賴性，做到了不受檢測(cè)距離的影響，成功地解決了溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)的技術(shù)難題。但是這種方法成本太高，并不利于大面積推廣?；蛘卟捎眯屡dZigBee組網(wǎng)技術(shù)，研制、生產(chǎn)的ZBT 1. 0型無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開(kāi)關(guān)接點(diǎn)(以2及人員無(wú)法接近的其他危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，經(jīng)過(guò)與電力自動(dòng)化系統(tǒng)連接，在中心監(jiān)控室內(nèi)就可以監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測(cè)，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，就發(fā)出報(bào)警信號(hào)及時(shí)提醒有關(guān)人員采取措施。國(guó)內(nèi)ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)仍然處于實(shí)驗(yàn)階段，技術(shù)并不成熟，而且對(duì)于單片機(jī)、無(wú)線發(fā)射模塊在高溫、高壓、高磁場(chǎng)的環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行并不能保證。根據(jù)以上分析，電力系統(tǒng)中需要一種高性能、穩(wěn)定、低成本、安裝方便、不需外供電源的開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，并組成相應(yīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述溫度在線監(jiān)測(cè)的功能，現(xiàn)有兩種不同的溫度傳感系統(tǒng)滿足需求。一種是分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)原理是同時(shí)利用光纖作為溫度傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，采用先進(jìn)的OTDR技術(shù)，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量。溫度測(cè)量原理是基于Raman散射效應(yīng)的分布式溫度傳感系統(tǒng)，光纖光柵溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用布置在各個(gè)觸點(diǎn)的光柵傳感器將溫度信號(hào)通過(guò)光纖傳至網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于利用了光纖光柵固有的絕緣性和抗電磁場(chǎng)干擾性能，并具有極高的可靠性和安全性，因此從根本上解決了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線及觸點(diǎn)運(yùn)行溫度及柜內(nèi)環(huán)境溫度不易監(jiān)測(cè)的難題。對(duì)于在線監(jiān)測(cè)包括母線連接處的溫度及斷路器等觸頭溫度的另一種溫度傳感器，常用的還有單總線數(shù)字溫度傳感器、石英傳感器、光微薄硅溫度傳感器和吸收型光纖溫度傳感器，它們分別以石英晶體、硅片及玻璃構(gòu)成的Fabry perot槽和GaAs晶體作為感溫元件，并對(duì)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，這就有效地解決了電磁干擾問(wèn)題。1.3系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)需求變電站中低壓開(kāi)關(guān)柜過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于分布式溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與傳輸、顯示及報(bào)警等部分組成的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用分布式、可組網(wǎng)、隔離性能良好的高精度溫度傳感器，對(duì)變電站中低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的母線、斷路器與隔離開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、互感器(包括電纜接頭)等這些易產(chǎn)生異常溫升的部件實(shí)現(xiàn)在線溫度測(cè)量與監(jiān)控。利用溫度采集單元采集多路溫度信號(hào)并通過(guò)RS232或RS485總線上傳到監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)采用巡檢式(查詢式)工作方法，逐一巡檢每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度，并可統(tǒng)計(jì)、打印、報(bào)警，設(shè)定工作溫度范圍，顯示每個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的溫度及歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)多種報(bào)警方式，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，主監(jiān)控計(jì)算機(jī)能自動(dòng)彈出報(bào)警窗口，顯示出報(bào)警時(shí)間、報(bào)警測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)和安裝部位，同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警并可以打印報(bào)警記錄，提醒運(yùn)行人員檢查。所有的報(bào)警信息都被記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備查閱。系統(tǒng)能提供完善的分析功能，包括超溫分析、溫升趨勢(shì)分析、相間溫差分析，并能做出報(bào)警、對(duì)比、歷史記錄統(tǒng)計(jì)與分析等處理，保障工作人員在開(kāi)關(guān)柜發(fā)生事故之前做出及時(shí)處理。測(cè)控軟件可以建立開(kāi)關(guān)柜設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助工作人員監(jiān)測(cè)和分析開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線與觸點(diǎn)的過(guò)熱情況，預(yù)測(cè)出故障發(fā)生的部位，保證開(kāi)關(guān)柜設(shè)備的安全運(yùn)行。監(jiān)測(cè)結(jié)果可通過(guò)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)報(bào)表可通過(guò)屏幕和打印機(jī)與網(wǎng)絡(luò)等多種方式進(jìn)行輸出。1.4課題主要任務(wù)根據(jù)項(xiàng)目的要求，開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：1)溫度測(cè)量、信號(hào)隔離與傳輸對(duì)于中高壓開(kāi)關(guān)柜的過(guò)熱故障監(jiān)測(cè)采用光纖式溫度傳感器，用光纖進(jìn)行高壓隔離和信號(hào)傳輸。利用光纖固有的絕緣性和抗電磁場(chǎng)干擾性能，從根本上解決了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)母線與觸點(diǎn)溫度不易監(jiān)測(cè)的難題。對(duì)于低壓開(kāi)關(guān)柜的過(guò)熱故障監(jiān)測(cè)采用單總線數(shù)字式溫度傳感器，數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線傳輸方式，以實(shí)現(xiàn)高、低壓側(cè)的電隔離。2)溫度的數(shù)據(jù)采集光纖式溫度傳感器將母線與觸點(diǎn)的溫度值轉(zhuǎn)換為模擬量，通過(guò)數(shù)據(jù)采集變換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)通訊總線，上傳到控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)側(cè)。系統(tǒng)采用完全的總線測(cè)量方式，使系統(tǒng)的擴(kuò)展和與其它網(wǎng)絡(luò)互連變得很方便。單總線數(shù)字式溫度傳感器直接測(cè)量母線與觸點(diǎn)的溫度，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，然后傳送到監(jiān)控中心。多只數(shù)字式溫度傳感器可直接連接到一條總線電纜上，在擴(kuò)展測(cè)點(diǎn)時(shí)不受布線的限制。3)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件有在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析兩個(gè)主要功能。軟件具有在線采集、監(jiān)測(cè)、分析現(xiàn)場(chǎng)溫度的功能，實(shí)時(shí)分析則包括超溫分析、溫升趨勢(shì)分析、相間溫差分析等，并能做出報(bào)警、對(duì)比等處理，保障工作人員在母線或觸點(diǎn)發(fā)生事故之前做出處理。軟件還具有歷史記錄分析、查看等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)歷史運(yùn)行狀態(tài)的查看，評(píng)估。本課題在完成以上研究的同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)調(diào)試。2 開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)方案中，變電站中低壓開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以微型計(jì)算機(jī)作為監(jiān)測(cè)核心，結(jié)合高精度的溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集變換器及可靠的通訊技術(shù)，構(gòu)成功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、工作安全可靠的在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分考慮系統(tǒng)的可操作性、可靠性等，使系統(tǒng)能夠應(yīng)用于實(shí)踐并加以推廣。2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件由溫度傳感器、信號(hào)傳輸線纜(光纖或者無(wú)線通信)、數(shù)據(jù)采集變換器、RS-485總線、RS-485/RS232轉(zhuǎn)換器以及監(jiān)測(cè)中心構(gòu)成，系統(tǒng)總體連接示意圖如2-1所示: 圖2-1系統(tǒng)總體連接示意圖其中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求每個(gè)開(kāi)關(guān)柜有6個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即每個(gè)溫度采集模塊連接6個(gè)溫度傳感器。系統(tǒng)采用兩種不同的溫度監(jiān)測(cè)方式，分別利用不同的數(shù)據(jù)傳輸方式，并需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的溫度采集模塊。在高溫、高壓以及強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下，必須保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作，測(cè)溫和信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。各硬件模塊的選擇和功能如下：1)溫度傳感器：溫度傳感器是組成整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)底層的工作單位，保證傳感器長(zhǎng)期、穩(wěn)定的工作是系統(tǒng)運(yùn)行的保證?；诰C合考慮，對(duì)于中高壓開(kāi)關(guān)柜的過(guò)熱故障監(jiān)測(cè)采用光纖式溫度傳感器，并采用光纖傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)低壓開(kāi)關(guān)柜的過(guò)熱故障監(jiān)測(cè)采用單總線數(shù)字式溫度傳感器DS1820，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器通常緊貼需要監(jiān)測(cè)的母線排、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)等安裝。要求傳感器測(cè)溫精度不小于100。2)溫度采集模塊每個(gè)開(kāi)關(guān)柜設(shè)置一個(gè)溫度采集模塊，實(shí)現(xiàn)該開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心。對(duì)于兩種不同的溫度傳感器，需要設(shè)計(jì)不同的溫度采集模塊光纖式數(shù)據(jù)采集器采用Nsmart光纖式溫度監(jiān)測(cè)儀接收光纖信號(hào)，完成溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。單總線數(shù)字式溫度傳感器DS1820通過(guò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，需要無(wú)線接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。溫度采集模塊可安裝在開(kāi)關(guān)柜面板，并需要外部提供24V直流電源供電。3) RS-485總線在溫度采集模塊和監(jiān)測(cè)中心之間采用 RS-485電纜進(jìn)行通訊連接，以保證信號(hào)可靠的傳輸，RS-485通信在1200m內(nèi)可以保證可靠的通信質(zhì)量，因此監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)與最遠(yuǎn)的開(kāi)關(guān)柜間距離應(yīng)小于1200m。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)一般采用工控機(jī)，而工控機(jī)只帶有RS-232接口，故RS-485總線末端需要用RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，方便系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集。4)監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)中心是由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成(含不間斷電源UPS)，保證對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)控中心通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)接收到的溫度信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，完成顯示、報(bào)警等功能。2.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)使用Microsoft Visual C+ 6. 0的基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC, MFC作為大型的工程編程語(yǔ)言，已經(jīng)大量的應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中。它提供了大量預(yù)先編寫(xiě)好的類(lèi)及支持代碼，大大減少了工程開(kāi)發(fā)的時(shí)間，提高了工作效率。系統(tǒng)軟件由在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)分析兩個(gè)主要部分組成。軟件具有在線采集、監(jiān)測(cè)、分析現(xiàn)場(chǎng)溫度的功能，這些分析包括超溫分析、溫升趨勢(shì)分析和相間溫差分析，并能做出報(bào)警、預(yù)報(bào)警(包括溫升預(yù)報(bào)警，三相相間溫差預(yù)報(bào)警等)、報(bào)警日志記錄等處理?？梢栽跀?shù)據(jù)庫(kù)中保留歷史數(shù)據(jù)，作查看與分析使用。系統(tǒng)功能模塊可大致分為開(kāi)關(guān)柜自檢模塊、溫度管理模塊、數(shù)據(jù)顯示與分析統(tǒng)計(jì)模塊、溫度報(bào)警模塊、日志記錄和系統(tǒng)安全模塊等組成。各模塊功能如下:1)自檢模塊為了使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠可靠的工作，系統(tǒng)在第一次上電時(shí)對(duì)溫度采集模塊、傳感器等硬件設(shè)備進(jìn)行自檢。同時(shí)在系統(tǒng)工作中，也可以通過(guò)比較采集到的數(shù)據(jù)，提示可能發(fā)生的故障：如采集器通信故障、光纖故障(含溫度傳感器故障)等。自檢模塊通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的自檢，方便設(shè)備的檢查、維修工作，同時(shí)保證設(shè)備正常有效的工作。2)溫度管理模塊溫度管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度報(bào)警限值的設(shè)置。系統(tǒng)需要根據(jù)報(bào)警限值來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和報(bào)警。根據(jù)開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，溫度報(bào)警限值主要有三種:溫度上限報(bào)警值，溫升趨勢(shì)報(bào)警值和相間溫差報(bào)警值。溫度報(bào)警限值的設(shè)置需要用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，并且溫度報(bào)警限值的設(shè)置和修改需要具有管理員操作權(quán)限。3)數(shù)據(jù)顯示與分析統(tǒng)計(jì)模塊該模塊可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與分析，各測(cè)點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)顯示可以用數(shù)碼管顯示框或溫度實(shí)時(shí)變化曲線來(lái)反映，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)顯示溫升曲線;相間溫差也可用數(shù)碼管顯示框或溫差實(shí)時(shí)變化曲線圖來(lái)反映。此外該模塊可通過(guò)讀取保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)溫度的數(shù)據(jù)和變化情況進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。如可查看測(cè)點(diǎn)溫度的日平均值、最高值、最低值及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)時(shí)間;可查看各測(cè)溫點(diǎn)的溫度歷史曲線，溫升歷史曲線，相間溫差歷史曲線。4)溫度報(bào)警模塊系統(tǒng)通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與報(bào)警限值的比較來(lái)做出報(bào)警判斷。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)顯示與報(bào)警狀態(tài)指示燈都會(huì)變成橙色，同時(shí)激活聲音報(bào)警系統(tǒng)，提示操作人員檢修。操作人員可以通過(guò)點(diǎn)擊實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)按鈕來(lái)查看報(bào)警傳感器，并可以通過(guò)點(diǎn)擊報(bào)警傳感器彈出報(bào)警對(duì)話框，查看報(bào)警測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置、測(cè)點(diǎn)名稱(chēng)以及這次報(bào)警的詳細(xì)時(shí)間。報(bào)警對(duì)話框還可以顯示最近一個(gè)小時(shí)內(nèi)的溫度變化曲線圖。由于系統(tǒng)能指示出故障發(fā)生的準(zhǔn)確部位，因此能有效指導(dǎo)檢修工作。報(bào)警信息可被長(zhǎng)期記錄。5)日志記錄模塊考慮到安全操作的需要，在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，所有與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有關(guān)的操作都將被記錄，如什么時(shí)候開(kāi)始登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，何時(shí)執(zhí)行了何種操作等。如果出現(xiàn)問(wèn)題，操作人員就可以查看歷史日志，完成修復(fù)工作。6)系統(tǒng)安全模塊考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的安全問(wèn)題，系統(tǒng)對(duì)操作做了分級(jí)控制，普通操作員一般只能進(jìn)行常規(guī)操作(如讀取數(shù)據(jù)并查看)，而對(duì)報(bào)警的上下限、一些重要的參數(shù)等設(shè)置只能由系統(tǒng)管理員完成。上述對(duì)系統(tǒng)軟、硬件的大體設(shè)計(jì)。它的功能設(shè)計(jì)基本上滿足開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的需要，避免了開(kāi)關(guān)柜內(nèi)惡劣環(huán)境對(duì)溫度監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件能夠很好的完成報(bào)警，分析，設(shè)置等功能，使工作人員不必再對(duì)開(kāi)關(guān)柜執(zhí)行巡檢，大大減少了工作量，提高溫度監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度。3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3. 1光纖式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光信號(hào)，將其解碼為標(biāo)準(zhǔn)的攝氏溫度數(shù)值。圖3-1顯示了光纖測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成：在開(kāi)關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器是底層的硬件設(shè)備。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部是高電壓、高溫度、以及強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境，在這種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)觸頭以及母線等的溫度測(cè)量，必須解決電子測(cè)量裝置在上述環(huán)境條件下的工作可靠性，解決溫度傳感器的電位隔離、抗電磁干擾、小尺寸和便于安裝等問(wèn)題。光纖式溫度在線監(jiān)測(cè)儀采用光纖進(jìn)行高壓隔離和信號(hào)傳輸，利用光纖固有的絕緣性和抗電磁場(chǎng)千擾性能, 從根本上解決了高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)觸點(diǎn)溫度不易監(jiān)測(cè)的難題。Nsmart光纖式溫度監(jiān)測(cè)儀是北京安伏電子技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的，用于監(jiān)測(cè)高溫, 高壓設(shè)備的光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用先進(jìn)的光纖和光電子技術(shù)，在溫度測(cè)點(diǎn)和測(cè)溫儀表之間使用光導(dǎo)纖維進(jìn)行高壓隔離和信號(hào)傳輸，因此具有極強(qiáng)的抗干擾性能。溫度監(jiān)測(cè)儀接受來(lái)自光纖傳感器的圖3-1 Nsmart光纖測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)組成Nsmart光纖式溫度監(jiān)測(cè)儀單個(gè)單元裝置包括溫度傳感器、傳輸光纖、監(jiān)測(cè)儀主機(jī)三個(gè)部分。測(cè)量電路轉(zhuǎn)換測(cè)溫點(diǎn)采集的溫度量為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)邏輯控制電路產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)并傳給光調(diào)制器調(diào)制后由光纖傳給監(jiān)測(cè)儀主機(jī)，由LCD屏顯示各測(cè)點(diǎn)溫度。監(jiān)測(cè)儀主機(jī)可以將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485通訊總線傳到監(jiān)控中心作進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜溫度的集中監(jiān)測(cè)、處理。3.1.1光纖式溫度傳感器1)光纖光柵溫度傳感器原理光纖光柵就是一段光纖。光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過(guò)摻雜光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖禍合，可與其它光器件兼容成一體，不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵的種類(lèi)很多，主要分兩大類(lèi)：一是Bragg光柵(也稱(chēng)為反射或短周期光柵);二是透射光柵(也稱(chēng)為長(zhǎng)周期光柵)。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵，色散補(bǔ)償型光柵是非周期光柵。光纖沿徑向從里向外分為纖芯、包層、涂覆層三部分，用特殊的紫外光照射工藝，光纖纖芯折射率受到永久的周期性微擾而形成一種光纖無(wú)源器件。它能將入射光中某一特定波長(zhǎng)的光部分或全部反射。滿足布拉格條件的波長(zhǎng)被光纖光柵反射，相關(guān)公式如下： n其中是被反射的波長(zhǎng)是光纖光柵的有效折射率為光柵周期通過(guò)拉伸和壓縮光纖光柵，或者改變溫度，可以改變光纖光柵的周期和有效折射率，從而達(dá)到改變光纖光柵的反射波長(zhǎng)的目的。反射波長(zhǎng)和應(yīng)變、溫度、壓力物理量。溫度變化量根據(jù)這些特性，可將光纖光柵制作成應(yīng)變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。光纖光柵傳感系統(tǒng)主要由光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和傳感器三個(gè)主要部分組成。對(duì)光芯進(jìn)行照射，使得光纖纖芯的一段區(qū)域折射率發(fā)生周期性變化，從而制成光纖光柵。光纖光柵傳感器獲取物理變化量。以光波長(zhǎng)為載體，通過(guò)光纖傳輸系統(tǒng)傳至解調(diào)系統(tǒng)，由解調(diào)系繞對(duì)光信號(hào)進(jìn)行處理分析，獲取物理變化量數(shù)據(jù)。2 )Optic-3000光纖式溫度傳感器光纖式溫度傳感器用于測(cè)量帶電物體表面的溫度，如高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的裸露觸點(diǎn)和母線連接處的運(yùn)行溫度。Optic-3000光纖式溫度傳感器，如圖3-2所示，探頭體積小巧，耐壓高，工作范圍大，不受磁場(chǎng)干擾，可以直接安裝在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量溫度。它由測(cè)溫點(diǎn)、光纖調(diào)制器和光纖接口(ST接口)3部分組成。測(cè)溫點(diǎn)采用感溫石英晶體材料，直徑通常4mm，測(cè)溫點(diǎn)與光纖調(diào)制器封裝成一體化結(jié)構(gòu)，由后者的一個(gè)側(cè)面檢測(cè)溫度，其工作電源為一節(jié)3.6V鋰電池，應(yīng)用時(shí)間達(dá)到兩年以上，能夠滿足開(kāi)關(guān)柜監(jiān)測(cè)需要，可結(jié)合設(shè)備檢修適時(shí)更換。圖3-2 Optic-3000型光纖溫度傳感器 Optic-3000光纖式溫度傳感器利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，有效地解決了在高電壓，高溫度，強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，溫度難以監(jiān)測(cè)得難題。Optic-3000光纖式溫度傳感器的主要性能指標(biāo)為： 測(cè)溫范圍:-55+100 測(cè)量誤差:小于0.5 (全量程范圍) 測(cè)溫分辨率:士0.1 光纖長(zhǎng)度:小于50m 接口方式:標(biāo)準(zhǔn)ST接口 外觀尺寸:6.0(長(zhǎng))cm*3.2(寬)cm*2.2(高)cm該光纖式溫度傳感器有一個(gè)測(cè)面是感溫面，傳感器測(cè)得的溫度就是該感溫面的溫度，若傳感器放置在空氣中，則測(cè)到的就是環(huán)境溫度。為了準(zhǔn)確測(cè)量物體表面的溫度，應(yīng)保證傳感器的感溫面與被測(cè)物體的表面緊密接觸。安裝光纖傳感器之前，首先要找到傳感器的測(cè)溫面，每一個(gè)Optic-3000光纖式溫度傳感器的光纖接口都有一個(gè)定位缺口，和定位缺口相反的一面就是傳感器的感溫面。傳感器的傳感頭與光纖設(shè)計(jì)為可拆卸的結(jié)構(gòu)，即通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)ST光纖接口與多模光纖連接。3.1.2光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀Nsmart光纖式在線溫度監(jiān)測(cè)儀組成溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器溫度數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)RS-485總線將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。檢測(cè)儀安裝可以直接嵌入到開(kāi)關(guān)柜的前柜門(mén)上，也可以放置在其他易于觀察的地方。在方便安裝的同時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)觀察溫度數(shù)據(jù)。它的系統(tǒng)指標(biāo)如下:光纖通道:6ch(支持1到6個(gè)光纖式溫度傳感器); 光纖接口:標(biāo)準(zhǔn)ST光纖接口; 光纖類(lèi)型:多模光纖; 巡檢周期:小于60s/6光纖通道(典型值:45s); 溫度顯示:LCD液晶顯示器，帶背光; 報(bào)警輸出:1個(gè)(無(wú)源接點(diǎn))250Vac, 0.6A或24Vdc, 5A; 網(wǎng)絡(luò)接口:隔離RS485工業(yè)總線接口; 工作電壓:直流10-30V或交流220V (外接電源適配器); 工作溫度:-10+80; 存儲(chǔ)溫度:-40+85; 安裝方式:掛裝或嵌入式盤(pán)裝。主要功能為：1)溫度顯示功能監(jiān)測(cè)儀具有6個(gè)ST光纖接口，能夠同時(shí)支持6個(gè)光纖溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)最多6通道的溫度測(cè)量。帶背光的LCD顯示屏能夠同時(shí)顯示6個(gè)通道的溫度數(shù)值，并具有溫度報(bào)警和溫度測(cè)點(diǎn)故障指示等功能。2)運(yùn)行狀態(tài)指示當(dāng)Nsmart光纖溫度監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)儀表的LCD顯示屏了解當(dāng)前的運(yùn)行情況。在儀表LCD顯示屏上，有一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)指示(run)，該指示在顯示屏的右上角。運(yùn)行狀態(tài)指示是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)棒，每測(cè)到一個(gè)通道的溫度值時(shí)，該狀態(tài)棒即旋轉(zhuǎn)450。3)報(bào)警功能 Nsmart光纖溫度監(jiān)測(cè)儀具有多種報(bào)警功能，每個(gè)光纖測(cè)溫通道都可以設(shè)置獨(dú)立的定溫報(bào)警值和溫升報(bào)警值，報(bào)警值可以通過(guò)RS-485通訊接口下載。當(dāng)發(fā)生超溫報(bào)警時(shí)，報(bào)警狀態(tài)在LCD液晶屏上指示，一個(gè)繼電器型的報(bào)警輸出，可以控制外部設(shè)備動(dòng)作或用于報(bào)警指示。4) RS-485網(wǎng)絡(luò)接口Nsmart光纖溫度監(jiān)測(cè)儀具有一個(gè)RS-485接口，該接口用于與上位計(jì)算機(jī)的通信，接口可以支持64個(gè)Nsmart光纖溫度監(jiān)測(cè)儀聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，使用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器可以增加聯(lián)網(wǎng)的光纖溫度測(cè)量?jī)x的數(shù)量，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可連接254臺(tái)光纖溫度測(cè)量?jī)x。光纖溫度監(jiān)測(cè)儀采用可插拔接線端子，方便儀表的電氣連接。這是一個(gè)8位端子，可以帶電插拔，它包括電源供電、通訊接口和報(bào)警輸出，其功能定義如表3-1所示：表3-1 Nsmart光纖式溫度監(jiān)測(cè)儀接線端子功能定義端子號(hào)名稱(chēng)功能說(shuō)明1NC state報(bào)警輸出的無(wú)源接點(diǎn)，常閉接點(diǎn)2Com.報(bào)警輸出的公共端子3No state報(bào)警輸出的無(wú)源接點(diǎn)，常開(kāi)接點(diǎn)4No used未使用5Rs485()Rs485通訊接口正端子（）6RS485(+)Rs485通訊接口正端子（+）7Power()直流供電電源正端子（）8Power(+)直流供電電源正端子（+）3.1.2 Nsmart接口通信協(xié)議 Nsmart光纖溫度在線監(jiān)測(cè)儀作為光纖溫度傳感器的接入設(shè)備，通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Nsmart在線監(jiān)測(cè)儀設(shè)備的RS-485通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信方式，格式由1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位組成，無(wú)校驗(yàn)位。位格式如圖3-3所示。每個(gè)Nsmart設(shè)備都具有一個(gè)唯一的設(shè)備地址號(hào)，這個(gè)設(shè)備地址號(hào)用于主機(jī)與設(shè)備通訊時(shí)使用，它可以由用戶自己設(shè)定。每個(gè)設(shè)備地址由一個(gè)字節(jié)組成，這表明設(shè)備地址的整個(gè)分布空間為256個(gè)地址可供使用，但對(duì)于Nsmart又有不同的限制，其設(shè)備地址分配表如圖3-4 圖3-4 Nsmart設(shè)備地址空間分布為使Nsmart設(shè)備能與主機(jī)通信，它們應(yīng)該設(shè)定相同的通信速率，即波特率。這樣運(yùn)行在主機(jī)上的軟件才能采集到Nsmart設(shè)備中的溫度數(shù)據(jù)。Nsmart設(shè)備RS-485通訊接口的波特率可以由用戶設(shè)定，其波特率可以選擇為以下四種:1200bps,2400bps, 4800bps, 9600bpso Nsmart設(shè)備RS-485通訊接口初始波特率為2400bps。多臺(tái)Nsmart設(shè)備通過(guò)RS-485接口構(gòu)成總線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)采用主從通信方式，Nsmart設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備工作，主設(shè)備(可以為上位機(jī))發(fā)出命令幀，與其相匹配的Nsmart設(shè)備會(huì)響應(yīng)該命令幀，并發(fā)出響應(yīng)幀。響應(yīng)幀是由網(wǎng)絡(luò)中的Nsmart設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備的命令幀的數(shù)據(jù)時(shí)，用于傳輸Nsmart設(shè)備測(cè)量到的溫度數(shù)據(jù)。每個(gè)響應(yīng)幀由41個(gè)字節(jié)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如下圖3-5所示。 圖3-5命令幀結(jié)構(gòu)Nsmart光纖式溫度監(jiān)測(cè)儀已經(jīng)通過(guò)中國(guó)電力科學(xué)研究院高壓所的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，能夠滿足高溫、高壓和強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的溫度監(jiān)測(cè)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3-2所示:氣象條件b=100.2kPa,ta=25.5,tw=210電壓等級(jí)KV光纖長(zhǎng)度mm規(guī)定電壓KV校正值KV試驗(yàn)電壓KV耐受時(shí)間min實(shí)驗(yàn)結(jié)果61002525251通過(guò)101253535351通過(guò)352508586861通過(guò)665001401411411通過(guò)1108502002022021通過(guò)22020003603623621通過(guò)50045006806836831通過(guò) 表3-2光纖式溫度在線監(jiān)測(cè)儀工頻耐受電壓試驗(yàn)結(jié)果3.2單總線數(shù)字式溫度傳感器電路設(shè)計(jì)3.2.1單總線數(shù)字式溫度計(jì)對(duì)于低壓開(kāi)關(guān)柜的過(guò)熱故障檢測(cè)我們采用單總線數(shù)字式溫度傳感器，數(shù)據(jù)傳輸采用紅外線傳輸方式，以實(shí)現(xiàn)高、低壓側(cè)的電隔離。由DALLS公司生產(chǎn)的DS1820溫度傳感器就是常用的一種單總線1W工RE數(shù)字溫度傳感器，可以廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。1) DS1820溫度傳感器DS1820數(shù)字溫度計(jì)提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過(guò)單線接口送入DS1820或從DS1820送出，因此從中央處理器到DS1820僅需連接一條線(地線也需要連接)。讀寫(xiě)和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。每一個(gè)DS1820都有唯一的系列號(hào)(silicon serial number)，因此多個(gè)DS1820可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應(yīng)用范圍包括HVAC環(huán)境控制，建筑物、設(shè)備或機(jī)械內(nèi)的溫度檢測(cè)，以及過(guò)程監(jiān)視和控制中的溫度檢測(cè)。其主要特性有:獨(dú)特的單總線接口方式:DS1820與總線連接時(shí)，只需1個(gè)接口引腳即可實(shí)現(xiàn)雙向通信;多點(diǎn)Multidrop能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化;在使用中不需要任何外部元件可以用正常供電，也可以使用IO寄生供電方式工作，電壓范圍:+3.0V+5.5V.測(cè)量范圍從-55至+125，增量值為0.5 ，等效的華氏溫度范圍是-67 0F至2570 F，增量值為0.9 0 F;以9位數(shù)字的方式讀出溫度; 在1秒(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字;用戶可以自設(shè)定EEPROM的報(bào)警上下限值;告警搜索命令識(shí)別和尋址溫度超過(guò)報(bào)警上下限值之外的器件(溫度告警情況);支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在一起工作，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫;負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS182溫度傳感器具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。DS 1820有三個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件:1) 64位激光ROM, 2)溫度靈敏元件，3)非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。器件從單線的通信取得其電源，在信號(hào)線為高電平的時(shí)間周期內(nèi)，把能量貯存在內(nèi)部的電容器中，在單信號(hào)線為低電平的時(shí)間期內(nèi)斷開(kāi)此電源，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙蓦娫礊橹埂Ｗ鳛榱硪环N可供選擇的方法，DS1820也可用外部5V電源供電。與DS1820的通信經(jīng)過(guò)一個(gè)單線接口，可以將單片機(jī)串行輸出口與DS1820傳感器DQ引腳相連接。在單線接口情況下，在ROM操作約定未建立之前不能使用存貯器和控制操作。如果在單線上有許多器件那么可以挑選出一個(gè)特定的器件并給總線上的主機(jī)指示存在多少器件及其類(lèi)型。一個(gè)控制操作命令指示DS1820完成溫度測(cè)量。該測(cè)量的結(jié)果將放入DS1820的高速暫存(便箋式)存貯器(Scratchpad memory)，通過(guò)發(fā)出讀暫存存儲(chǔ)器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以讀出此結(jié)果。每一溫度告警觸發(fā)器TH和TL構(gòu)成一個(gè)字節(jié)的EEPROM。如果不對(duì)DS1820施加告警搜索命令，這些寄存器可用作通用用戶存儲(chǔ)器。使用存儲(chǔ)器操作命令可以寫(xiě)TH和TL。對(duì)這些寄存器的讀訪問(wèn)通過(guò)便箋存儲(chǔ)器，所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式被讀寫(xiě)。2) DS1820的電源與通信DS1820的電源供電主要有兩種方式，一種是外部5V電源供電，將電源接在VDD引腳即可。第二種是器件從單線的通信總線取得電源，即寄生電源。為了使DS1820能完成準(zhǔn)確的溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時(shí)，I/0線上必須提供足夠的功率。因?yàn)镈S1820的工作電流高達(dá)1mA，寄生電源供電將使I/0線沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，如果幾個(gè)DS1820在同一條I/0線上而且企圖同時(shí)變換，那么這一問(wèn)題將變得特別尖銳。解決問(wèn)題的方法是通過(guò)使用連接到VDD引腳的外部電源供電。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在I/0線上不要求強(qiáng)的上拉，總線上主機(jī)不需要上拉引腳以便在溫度變換期間使線保持高電平。這就允許在變換時(shí)間內(nèi)其它數(shù)據(jù)在單線上傳送，此外在單線總線上可以放置任何數(shù)目的DS1820。而且如果它們都使用外部電源，那么通過(guò)發(fā)出跳過(guò)(Skip ROM)命令和接著發(fā)出變換(Convert) T命令可以同時(shí)完成溫度變換。需要注意的只是外部電源處于工作狀態(tài)，GND地引腳不可懸空。我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中就采用外部電源供電。圖3-6 64位激光ROM每一個(gè)DS 1820包括一個(gè)唯一的64位長(zhǎng)的ROM編碼，如圖3-8. 64位ROM和ROM操作控制部分允許DS1820作為一個(gè)單線器件工作，并遵循單線總線系統(tǒng)的單線協(xié)議，直到 ROM操作協(xié)議被滿足，DS1820控制部分的功能是不可訪問(wèn)的?？偩€上的主機(jī)根據(jù)64位ROM的前56位計(jì)算CRC的值并把它與存儲(chǔ)在DS 1820內(nèi)的值進(jìn)行比較以決定ROM的數(shù)據(jù)是否已被主機(jī)正確地接收。CRC的等效多項(xiàng)式函數(shù)為:CRC= X8+Xs+X4+1DS1820在使用CRC來(lái)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的每一種情況中，總線主機(jī)必須使用上面給出的多項(xiàng)式函數(shù)計(jì)算CRC的值并把計(jì)算所得的值與存儲(chǔ)在64位ROM部分中的8位CRC值(ROM讀數(shù))，或者與DS1820中計(jì)算得到的8位CRC值(在讀暫存存儲(chǔ)器中時(shí)，它作為第九個(gè)字節(jié)被讀出)，進(jìn)行比較。當(dāng)存儲(chǔ)在DS1820內(nèi)或由DS1820計(jì)算得到的CRC值與總線主機(jī)產(chǎn)生的值不相符合時(shí)，在DS1820內(nèi)設(shè)有電路來(lái)阻止命令序列的繼續(xù)執(zhí)行。校驗(yàn)碼CRC可以使用如圖3-7所示，由一個(gè)移位寄存器和“異或”(XOR)門(mén)組成的多項(xiàng)式產(chǎn)生器來(lái)產(chǎn)生。移位寄存器的所有位被初始化為零，然后從產(chǎn)品系列編碼的最低有效位開(kāi)始，每次移入一位，接著移入序列號(hào)。在序列號(hào)的第48位進(jìn)入之后，移位寄存器便包含了CRC值。移入CRC的8位應(yīng)該使移位寄存器返回至全零。圖3-7單線CRC編碼3) DS1820的報(bào)警功能DS1820通過(guò)使用在板(on-board)溫度測(cè)量專(zhuān)利技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度。溫度測(cè)量電路的方框圖見(jiàn)圖所示。DS1820通過(guò)門(mén)開(kāi)通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度，而門(mén)開(kāi)通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。同時(shí)計(jì)數(shù)器用斜率累加器電路所決定的值進(jìn)行預(yù)置。為了對(duì)遵循拋物線規(guī)律的振蕩器溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，這種電路是必需的。斜率累加器用于補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測(cè)量。通過(guò)改變溫度每升高一度，計(jì)數(shù)器必須經(jīng)歷的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)行補(bǔ)償。此計(jì)算在DS1820內(nèi)部完成以提供0. 5 攝氏度的分辨率。溫度讀數(shù)以16位、符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供。DS1820以0. 5攝氏度的增量值，在-55攝氏度至+125攝氏度的范圍內(nèi)測(cè)量溫度。對(duì)于應(yīng)用華氏溫度的場(chǎng)合，則需要使用查找表或變換系數(shù)。注意，在DS1820中，溫度以1/2攝氏度 LSCB(最低有效位)形式表示時(shí)，產(chǎn)生以下9位格式，見(jiàn)下圖3-8：圖3-8DS1820內(nèi)數(shù)據(jù)表示格式最高有效(符號(hào))位被復(fù)制到存儲(chǔ)器內(nèi)兩字節(jié)的溫度寄存器中較高的MSB的所有位，這種“符號(hào)擴(kuò)展”產(chǎn)生了如表3-3所示的16位溫度讀數(shù)。溫度數(shù)字輸出(二進(jìn)制)安息字輸出（十六進(jìn)制）+12500000000 1111101000FAh+2500000000 001100100032h+1/200000000 000000010032h+000000000 000000000032h-1/211111111 111111110032h-2511111111 110011100032h-5511111111 100100100032h表3-3溫度/數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表在DS 1820完成溫度變換之后，溫度值與貯存在TH和TL內(nèi)的觸發(fā)值相比較。TH或TL的最高有效位直接對(duì)應(yīng)于16位溫度寄存器的符號(hào)位，如果溫度測(cè)量的結(jié)果高于TH或低于TL，那么器件內(nèi)告警標(biāo)志將置位。每次溫度測(cè)量更新此標(biāo)志。只要告警標(biāo)志置位，DS1820將對(duì)告警搜索命令做出響應(yīng)。這允許并聯(lián)連接許多DS1820，同時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量。如果某處溫度超過(guò)極限，那么可以識(shí)別出正在告警的器件并立即將其讀出，而不必讀出非告警的器件。3.2.2溫度監(jiān)測(cè)模塊的其他外圍元件1) CC1000射頻芯片的應(yīng)用在單總線數(shù)字式溫度傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸方式。為了避免強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，最好采用高頻波段傳輸。為此我們采用了CC1000來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。CC1000是Chipcon公司推出的單片可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipcon ISSmart RF技術(shù)，是一種高性能、低損耗、高靈敏度的射頻芯片。CC1000專(zhuān)用于低功率和低電壓類(lèi)無(wú)線電產(chǎn)品，并且很容易通過(guò)編程使其工作頻率在300-1000MHz范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)的需求。CC1000的結(jié)構(gòu)示圖見(jiàn)圖3-9： 圖3-9 CC1000簡(jiǎn)化模塊圖CC1000的主要工作參數(shù)可由三個(gè)串行接口(PDATA, PCLK和PALE)編程設(shè)定來(lái)控制CC1000處于發(fā)送或接收模式。CC1000在一個(gè)電路中只能在一種模式下工作。芯片提供信號(hào)接口DIO和DCLK，用于收發(fā)數(shù)據(jù)。DIO是雙向數(shù)據(jù)線，DCLK提供數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的同步時(shí)鐘。在接收模式下，CC1000可看成是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收器。射頻(RF)輸入信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大后翻轉(zhuǎn)進(jìn)入混頻器，通過(guò)混頻器混頻產(chǎn)生中頻(IF)信號(hào)。在中頻處理階段，該信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波?？蛇x的RSSI信號(hào)和IF信號(hào)也可通過(guò)混頻產(chǎn)生于引腳RSSI/IF。解調(diào)后，CC1000從引腳DIO輸出解調(diào)數(shù)字信號(hào)，解調(diào)信號(hào)的同步性由芯片上的PCLK提供的時(shí)鐘信號(hào)完成。在發(fā)送模式下，壓控振蕩器(VCO)輸出的信號(hào)直接送入功率放大器(PA)。射頻輸出是通過(guò)加在DIO腳上的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的，稱(chēng)為移頻鍵控(FSK)。這種內(nèi)部T/R切換電路使天線的連接和匹配設(shè)計(jì)更容易。當(dāng)調(diào)制數(shù)據(jù)時(shí)，CC1000能被