/遼寧工程技術(shù)高校本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要在電力系統(tǒng)中，一次設(shè)備的溫度改變是一個特別重要的指標(biāo)，它關(guān)系到電力設(shè)備能否平安穩(wěn)定運(yùn)行。在變電站運(yùn)行過程中，一次設(shè)備的接點由于設(shè)備制造、觸點氧化、電弧沖擊等緣由，會導(dǎo)致接點的接觸電阻增大，使溫度上升。當(dāng)溫度上升到肯定程度后，設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度會出現(xiàn)下降，嚴(yán)峻時會導(dǎo)致電氣設(shè)備的短路，甚至造成設(shè)備的損毀，嚴(yán)峻威逼電網(wǎng)的平安運(yùn)行。對電氣設(shè)備的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，可以幫助值班人員盡早發(fā)覺問題，消退隱患，確保電力系統(tǒng)的平安運(yùn)行。遵循變電站網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，利用通信技術(shù)、溫度傳感器技術(shù)、溫度告警算法、監(jiān)控中心技術(shù)等溫度在線監(jiān)測技術(shù)，開發(fā)設(shè)計適用于智能變電站的一次設(shè)備熱點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括過程層溫度在線監(jiān)測終端、間隔層溫度在線監(jiān)測IED以及站控層監(jiān)控中心。利用CAN總線、RS485以及以太網(wǎng)技術(shù)，將傳感器測量到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收主機(jī)上，實現(xiàn)溫度的測量。無線傳感器體積小，可以便利的安裝在一次設(shè)備表面，因此可以精確的反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行時溫度信息，并使測量數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的實時性。通過視察監(jiān)控機(jī)的檢測頁面，變電站運(yùn)行人員能夠剛好全面的了解變電站內(nèi)一次設(shè)備的實時溫度信息。關(guān)鍵詞：溫度在線監(jiān)測；IEC61850；在線監(jiān)測IED；傳感器；以太網(wǎng)AbstractInthepowersystem,atemperaturechangedevicesisaveryimportantindicator,whetheritrelatestothesafeandstableoperationofpowerequipment.Duringthesubstationoperation,theprimarycontactsduetoequipmentmanufacturingequipment,contactoxidation,arcimpactandotherreasons,willleadtothecontactresistanceofcontactsincreases,thetemperaturerises.Whenthetemperaturerisestoacertainextent,mechanicalstrengthandelectricalstrengthequipmentwilldecline,inseverecasescanleadtoashortcircuitofelectricalequipmentandevencausedamagetotheequipment,aseriousthreattothesafeoperationofthegrid.Temperatureelectricalequipmentforreal-timemonitoring,canhelpdetectproblemsearlyonduty,eliminaterisks,toensurethesafeoperationofthepowersystem.FollowIEC61850substationnetworkandcommunicationprotocolstandard,theuseofcommunicationstechnology,atemperaturesensortechnology,temperaturealarmalgorithm,controlcentersandtechnologyTemperaturemonitoringtechnology,designedtodevelopadevicesuitableforthehotlinetemperaturemonitoringsystemintelligentsubstation,includingtheprocessofsurfacetemperatureOnlinemonitoringterminal,thespacerlayerTemperaturemonitoringstationlevelIEDandmonitoringcenter.UsingCANbus,RS485andEthernettechnology,thesensorsendsthemeasuredtemperaturedatatothedatareceivinghost,toachievetemperaturemeasurements.Wirelesssensorsaresmall,itcanbeeasilyinstalledinadevicesurface,soyoucanaccuratelyreflectequipmentoperationtemperatureinformation,andthemeasureddatawithstrongreal-time.Byobservingthemonitoringmachinedetectionpage,substationoperatorscanmaketimelyandfullunderstandingofthereal-timetemperatureinformationwithinthesubstationprimaryequipment.Keywords:Temperaturemonitoring;IEC61850;on-linemonitoringIED;sensors;Ethernet書目緒論課題的探討背景和意義國內(nèi)外探討現(xiàn)狀課題的主要探討工作2溫度監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1監(jiān)測系統(tǒng)簡介2.2系統(tǒng)設(shè)計原則2.3系統(tǒng)的總體方案3溫度在線監(jiān)測終端（過程層）設(shè)計3.1無線網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器設(shè)計3.2溫度在線監(jiān)測終端設(shè)計3.3溫度監(jiān)測儀的硬件設(shè)計3.3.1監(jiān)測儀的主板設(shè)計3.3.3RS485和PC的接口電路設(shè)計3.3.4上位機(jī)和監(jiān)測儀的串口設(shè)計3.4溫度傳感器的標(biāo)定3.5電源電路設(shè)計1緒論1.1課題的探討背景和意義正如我們每一個人所感受，電力產(chǎn)業(yè)是我們?nèi)粘Ｉ畈恍腥鄙俚?，它關(guān)系到其他各行業(yè)、生活正常的運(yùn)行以及社會的進(jìn)步，因此它對我們相當(dāng)重要。隨著電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電力工業(yè)將來的發(fā)展方向是智能電網(wǎng),在智能電網(wǎng)規(guī)劃的推動下,智能變電站將成為新建變電站的主流。智能變電站是采納先進(jìn)、牢靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備,以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求,自動完成信息采集、測量、限制、愛護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能,并依據(jù)須要支持電網(wǎng)實時自動限制、智能調(diào)整、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。在智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中，溫度是一次設(shè)備運(yùn)行正常的一個重要參數(shù)。變電站的凹凸壓開關(guān)、斷路器、變壓器、電力電纜、容性設(shè)備、避雷器等重要的一次設(shè)備，在長期運(yùn)行過程中，因老化、表面氧化腐蝕、連接不緊密、緊固螺栓松動或接觸電阻過大而導(dǎo)致發(fā)熱，由于無法在運(yùn)行中發(fā)覺隱藏故障，最終導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生，給生產(chǎn)和經(jīng)營造成重大經(jīng)濟(jì)損失。隨著科技的進(jìn)步，社會用電負(fù)荷不斷增長，溫度的實時在線監(jiān)測已經(jīng)成為變電站一次設(shè)備平安穩(wěn)定運(yùn)行、避開事故發(fā)生所實行的重要手段。本課題的探討目的在于設(shè)計出一種一次設(shè)備熱點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測一次設(shè)備工作時的溫度，從而有效的了解一次設(shè)備運(yùn)行狀況，是否存在平安隱患，能夠有效的防止事故的發(fā)生，保證平安正常供電。1.2國內(nèi)外探討現(xiàn)狀一、國外探討現(xiàn)狀：在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，智能電網(wǎng)戰(zhàn)略己成為國家重要戰(zhàn)略，美國政府圍繞智能電網(wǎng)建設(shè)，重點推動了核心技術(shù)研發(fā)，著手制定發(fā)展規(guī)劃。制定了《2010-2014年智能電網(wǎng)研發(fā)跨年度項目規(guī)劃》，旨在全面設(shè)置智能電網(wǎng)研發(fā)項目，以進(jìn)一步促進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。美國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)探討院提出將分三個階段建立智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已公布“智能電網(wǎng)”的標(biāo)準(zhǔn)化框架—75個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針。歐洲各國結(jié)合各自的科技優(yōu)勢和電力發(fā)展特點，開展了各具特色的智能電網(wǎng)探討和試點項目，英法德等國家著重發(fā)展泛歐洲電網(wǎng)互聯(lián)，意大利著重發(fā)展智能電表及互動化的配電網(wǎng)，而丹麥則著重發(fā)展風(fēng)力發(fā)電及其限制技術(shù)。二、國內(nèi)探討現(xiàn)狀：在世界各國進(jìn)行智能電網(wǎng)建設(shè)的同時，我國也在主動推動智能電網(wǎng)的發(fā)展。2010年3月“加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)”被寫入2010年《政府工作報告》，這標(biāo)記著中國智能電網(wǎng)進(jìn)入快速發(fā)展階段。和歐美國家相比，中國的智能電網(wǎng)覆蓋面更為全面，是調(diào)度、發(fā)電、輸電、變電、配電、用電六大環(huán)節(jié)的整體升級。針對我國一次設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)，70年頭開展帶電測試，80年頭發(fā)展快速，生產(chǎn)各種帶電測試儀，同時利用傳感器干脆測量電氣信號，由傳統(tǒng)的模擬測試走向數(shù)字量測量。90年頭出現(xiàn)了以數(shù)字波形采集和處理技術(shù)為核心的微機(jī)多功能在線監(jiān)測系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)后在線監(jiān)測全面進(jìn)入好用化階段。智能變電站一次設(shè)備熱點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，可對變電設(shè)備熱點溫度進(jìn)行實時在線監(jiān)測以及預(yù)警報警功能，隨時清晰駕馭變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和狀況。目前國內(nèi)外研發(fā)的智能變電站一次設(shè)備熱點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)具有實時在線監(jiān)測、高速傳送信息、分析診斷等功能。1.3課題的主要探討工作在變電站中變壓器、高壓電抗器、互感器、無功補(bǔ)償裝置、斷路器、隔離開關(guān)、母線等一次設(shè)備是電力系統(tǒng)中最常見的設(shè)備，因長時間運(yùn)行，接點接觸位置偏移，造成動靜隔離觸頭接觸不良和嚴(yán)峻發(fā)熱，從長期平安運(yùn)行要求考慮，這些一次設(shè)備的最大發(fā)熱溫度不得超過最大允許發(fā)熱溫度。因此采納一種適合的溫度監(jiān)測方法，對一次設(shè)備接點的溫度進(jìn)行在線實時監(jiān)測是特別必要的。在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)，推動了電力設(shè)備運(yùn)行維護(hù)水平的提高，削減了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，對部分設(shè)備采納依據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定停電檢修周期的方法，為從預(yù)防性試驗向狀態(tài)檢修方向過渡積累了閱歷。另一方面，由于引進(jìn)了先進(jìn)的電子技術(shù)、信息處理技術(shù)，使得在線監(jiān)測技術(shù)更具有先進(jìn)性、好用性，推動了電力設(shè)備的溫度監(jiān)測的變革。監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，提高了運(yùn)行管理的智能化程度，加快了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息反饋，縮短了故障推斷和處理的時間，提高了工作效率，削減了因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，為實現(xiàn)無人值班變電站創(chuàng)建了條件。本文提出了智能變電站一次設(shè)備熱點溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，重點探討了通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、IEC61850標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)學(xué)問，設(shè)計了溫度在線監(jiān)測終端以及溫度在線監(jiān)測IED，以及溫度監(jiān)測系統(tǒng)在實際現(xiàn)場中的軟件設(shè)計，在搜集國內(nèi)外相關(guān)資料和導(dǎo)師指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，我起先總體設(shè)計。本課題探討的主要內(nèi)容包括：（1）監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計整個系統(tǒng)由光纖溫度傳感器、光纖、溫度監(jiān)測儀、IED等部分組成。（2）硬件電路的設(shè)計制作包括電源電路設(shè)計、串行接口，顯示器LED設(shè)計，通信模塊設(shè)計等。在實現(xiàn)功能的前提下，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡潔，制作簡潔。⑵光纖溫度傳感器設(shè)計及系統(tǒng)標(biāo)定本課題對于光纖溫度傳感器的標(biāo)定曲線可以在試驗室完成。通過軟件設(shè)計，實現(xiàn)溫度的精確測量。要求能輸出穩(wěn)定的信號，對機(jī)械、光學(xué)、電路等方面的干擾不敏感；工作牢靠，調(diào)整便利；在滿意精度要求的前提下，盡量使結(jié)構(gòu)簡潔，制作簡潔。⑷軟件設(shè)計包括溫度監(jiān)測儀的軟件設(shè)計、間隔層IED的軟件設(shè)計和上一級管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計。2溫度監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1監(jiān)測系統(tǒng)簡介本溫度監(jiān)測系統(tǒng)是特地用來測量變電站一次設(shè)備熱點溫度的。傳感器采納光纖溫度傳感器，適用于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的特別環(huán)境，采納外置電源的方式。鑒于開關(guān)柜的環(huán)境，要求設(shè)計的監(jiān)測儀能對接點進(jìn)行溫度采集并保存于存儲器中；測量完畢后，可以通過上位機(jī)溫度采集軟件將監(jiān)測儀采集到的數(shù)據(jù)通過串行接口載入計算機(jī)中。同時，上一級管理系統(tǒng)在線視察到現(xiàn)場的溫度。該系統(tǒng)利用單片機(jī)構(gòu)成的監(jiān)測儀對一次設(shè)備溫度進(jìn)行采集和處理。本監(jiān)測系統(tǒng)主要由站控層、間隔層和過程層三大部分組成。2.2系統(tǒng)設(shè)計原則⑴先進(jìn)性：系統(tǒng)需在了解國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，汲取其閱歷和成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案的設(shè)計，使系統(tǒng)的技術(shù)性能和水平具有明顯的先進(jìn)性。⑵牢靠性：系統(tǒng)運(yùn)行平安牢靠，性能穩(wěn)定，可以在惡劣環(huán)境長期連續(xù)工作。⑶通用性：在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮其應(yīng)用對象的共性，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性，可以在開關(guān)柜接點推廣應(yīng)用。⑷擴(kuò)展性：系統(tǒng)的設(shè)計容量要足夠大，滿意系統(tǒng)今后的擴(kuò)充須要。⑸經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的造價經(jīng)濟(jì)合理，性能價格比高。⑹操作維護(hù)便利性。在軟件方面，要求人機(jī)界面友好，操作簡便；在硬件方面，要求維護(hù)檢修便利。2.3系統(tǒng)的總體方案對于本課題的設(shè)計，我打算從智能變電站概念動身，先深刻了解課題的背景以及探討意義。從而系統(tǒng)的相識本設(shè)計系統(tǒng)，通過查閱相關(guān)資料相識到該系統(tǒng)須要經(jīng)驗以下幾個階段，第一階段，即愛護(hù)、測控、狀態(tài)監(jiān)測等智能組件外置獨立的階段。過渡階段，狀態(tài)監(jiān)測組件。第三階段下智能組件和一次設(shè)備完全融合。然后分別對每個階段進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖2-1所示。信息一體化平臺站控層監(jiān)控中心光纖、IEC61850（站控層網(wǎng)絡(luò)）間隔層一次設(shè)備溫度監(jiān)測IEDCAN、485、以太網(wǎng)、等過程層溫度在線監(jiān)測終端溫度傳感器一次設(shè)備本體（過程層網(wǎng)絡(luò)）圖2-1監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure2-1MonitoringSystemBlockDiagram本方案利用智能化一次設(shè)備（傳感器及限制信號的變送器）、智能組件柜（含監(jiān)測及IED的單元）實現(xiàn)一次設(shè)備信息的數(shù)據(jù)收集、處理，通過IEC61850實現(xiàn)過程層數(shù)據(jù)交換，再通過愛護(hù)測控一體扮裝置將智能一次設(shè)備的狀態(tài)信息上傳至變電站站控層；各二次設(shè)備的監(jiān)測信息通過通訊口或光纖接入變電站網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在變電站站控層實時監(jiān)控查詢一次設(shè)備的運(yùn)行狀況。過程層：包括傳感器和采集單元，實時采集電力工能元件溫度信息，點對點傳輸至現(xiàn)場采集單元。間隔層：包括智能匯控柜和IED，過程層采集單元和間隔智能匯控柜內(nèi)IED進(jìn)行通信，然后通過現(xiàn)場光纖環(huán)網(wǎng)總線，應(yīng)用IEC61850協(xié)議自動實時的和站控層通信，上傳狀態(tài)參數(shù)。站控層：包括數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器和監(jiān)控服務(wù)器，限制和管理各個監(jiān)測單元，并負(fù)責(zé)采集、存儲狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、診斷。應(yīng)用IEC61850協(xié)議和站控后臺通信，向運(yùn)行人員供應(yīng)個電力工能元件溫度信息。4溫度在線監(jiān)測終端（過程層）設(shè)計4.1監(jiān)測系統(tǒng)簡介本溫度監(jiān)測系統(tǒng)是特地用來測量變電站高壓開關(guān)柜接點溫度的。傳感器采納光纖溫度傳感器，適用于高電壓、大電流、強(qiáng)磁場的特別環(huán)境，采納外置電源的方式。鑒于開關(guān)柜的環(huán)境，要求設(shè)計的監(jiān)測儀能對接點進(jìn)行溫度采集并保存于存儲器中；測量完畢后，可以通過上位機(jī)溫度采集軟件將監(jiān)測儀采集到的數(shù)據(jù)通過串行接口載入計算機(jī)中。同時，上一級管理系統(tǒng)在線視察到現(xiàn)場的溫度。該系統(tǒng)利用單片機(jī)構(gòu)成的監(jiān)測儀對一次設(shè)備接點溫度進(jìn)行采集和處理。4.1.1系統(tǒng)設(shè)計原則⑴先進(jìn)性：系統(tǒng)需在了解國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，汲取其閱歷和成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案的設(shè)計，使系統(tǒng)的技術(shù)性能和水平具有明顯的先進(jìn)性。⑵牢靠性：系統(tǒng)運(yùn)行平安牢靠，性能穩(wěn)定，可以在惡劣環(huán)境長期連續(xù)工作。⑶通用性：在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮其應(yīng)用對象的共性，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的通用性，可以在開關(guān)柜接點推廣應(yīng)用。⑷擴(kuò)展性：系統(tǒng)的設(shè)計容量要足夠大，滿意系統(tǒng)今后的擴(kuò)充須要。⑸經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的造價經(jīng)濟(jì)合理，性能價格比高。⑹操作維護(hù)便利性。在軟件方面，要求人機(jī)界面友好，操作簡便；在硬件方面，要求維護(hù)檢修便利。4.1.2系統(tǒng)的總體方案本設(shè)計系統(tǒng)溫度監(jiān)測模塊采納雙金屬片型光纖溫度傳感器，由計算機(jī)和監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測，計算機(jī)可充分利用其快速的數(shù)值計算功能和豐富的外設(shè)資源；監(jiān)測儀由單片機(jī)限制，可發(fā)揮其接口簡潔，數(shù)據(jù)傳輸便利，價格低等優(yōu)點。RS-485總線收發(fā)器運(yùn)用具有光電隔離的數(shù)據(jù)通訊接口MAX485，利用它構(gòu)成的外電路比較簡潔，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、牢靠、吩咐簡潔。經(jīng)過上述配置的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對測點的覆蓋范圍較大區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，性能優(yōu)于其他形式監(jiān)測系統(tǒng)，且系統(tǒng)運(yùn)用簡潔、便利。由于本系統(tǒng)的重點在于實時的監(jiān)測一次設(shè)備接點溫度信號，考慮到現(xiàn)場的設(shè)備、測點的分散性和系統(tǒng)要求能夠通過局域網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)一次設(shè)備接點溫度，整個系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)分為三個層次：數(shù)據(jù)采集層、監(jiān)測層、上一級管理層。溫度監(jiān)測模塊架構(gòu)圖如圖4－1示。圖4-1溫度監(jiān)測模塊架構(gòu)圖Figure4-1Temperaturemonitoringmodulechart⑴數(shù)據(jù)采集層主要包括光纖溫度傳感器、監(jiān)測儀。主要完成對測點的采集、數(shù)據(jù)處理、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳送。傳感器安裝于被測接點處。監(jiān)測儀裝于開關(guān)柜前面板，三位數(shù)碼管分別顯示通道和溫度。⑵監(jiān)測層由上位機(jī)組成。主要完成對全部測點的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、聲光報警。值班室人員可以對多開關(guān)柜、多通道接點溫度的實時在線顯示。⑶上一級管理層主要面對高級管理人員使其能查看各站的監(jiān)測計算機(jī)中監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)。4.2溫度監(jiān)測儀的硬件設(shè)計4.2.1監(jiān)測儀的主板設(shè)計監(jiān)測儀的硬件系統(tǒng)由電源、光電轉(zhuǎn)換裝置、C8051、LED、RS485、JTAG等部分組成。每個監(jiān)測儀限制六個光纖溫度傳感器，即六個通道。光纖溫度傳感器將溫度的凹凸轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w中的光的強(qiáng)弱，光電轉(zhuǎn)換裝置將光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，通過引腳AIN0－AIN7，C8051芯片光電轉(zhuǎn)換后的電壓傳入其芯片內(nèi)部，調(diào)用已設(shè)定好的程序?qū)?shù)值進(jìn)行處理。LED由CPU限制，采納三位數(shù)碼管顯示，第一位顯示通道號，二三位顯示溫度值。RS485串口傳送，用于監(jiān)測儀和上位PC機(jī)間的數(shù)據(jù)傳送。JTAG用于軟件的調(diào)試和安裝。通過整壓、穩(wěn)壓、降壓后形成的3.0V的穩(wěn)壓電源，供單片機(jī)運(yùn)用。由于采納了新型芯片C8051使電路的設(shè)計更加簡潔，省去了放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、不用再擴(kuò)展引腳。所以整個電路的設(shè)計顯的簡潔高效。硬件系統(tǒng)總體框圖，如圖4-2所示。圖4-2硬件系統(tǒng)總體框圖Figure4-2overallblockdiagramofthehardwaresystem4.2.2RS485和C8051的接口電路設(shè)計本設(shè)計的監(jiān)測儀由單片機(jī)限制，可發(fā)揮其接口簡潔，數(shù)據(jù)傳輸便利，價格低等優(yōu)點。RS-485總線收發(fā)器運(yùn)用具有光電隔離的數(shù)據(jù)通訊接口MAX485，利用它構(gòu)成的外電路比較簡潔，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、牢靠、吩咐簡潔?？梢詫崿F(xiàn)和間隔層IED之間進(jìn)行通信。如圖4-3為RS485和C8051的接口電路圖。圖4-3RS485和C8051的接口電路圖Figure4-3RS485interfacecircuitdiagramoftheC8051由表4-1可見：DE為發(fā)送器輸出訪能端，DE＝l時，允許發(fā)送器工作，DI端為輸入端，A、B端為輸出端；DE＝0時，發(fā)送器被禁止，輸出端為高阻。從表4－2可見，RE為接收器輸入使能端，RE＝0時，允許接收器工作，A、B為輸入端，RO輸出端；RE＝l時，接收器被禁止，RO為高阻。在圖4-3中，將DE和RE端接在一起，并和C8051單片機(jī)的一個I/O口(P0.2)相聯(lián)，通過P0.2口限制MAX485的工作狀態(tài)。表4-1MAX485的發(fā)送功能表Tab4-1TableMAX485ofsending輸入輸出DEDIAB111010010X高阻高阻表4-2MAX485的接收功能表Tab4-2MAX485'sreceptionmenu輸入輸出REA-BRO0+0.2V10-0.2V00輸入開路11X高阻4.2.3上位機(jī)和監(jiān)測儀的串口設(shè)計圖6上位機(jī)和監(jiān)測儀的串口設(shè)計一般PC機(jī)供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口，該接口采納負(fù)邏輯，和CMOS、TTL電路的相連須要專用集成電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。由于檢測儀器電平是TTL電平，和標(biāo)準(zhǔn)RS232不兼容，又考慮到通信距離，我們采納Maxim公司生產(chǎn)的Max485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS485標(biāo)準(zhǔn)，然后再進(jìn)行RS485和RS232之間的轉(zhuǎn)換，再和PC機(jī)的串口連接，可以選用隔離型的RS232／485轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，如圖6所示。這種通訊方式延長了通信距離，最長可達(dá)1200米，提高了系統(tǒng)的牢靠性。4.2.4電源電路設(shè)計因為C8051系列單片機(jī)模擬電壓電源最小值為2.7V，典型值為3.0V，最大值為3.6V。而干脆溝通電源為220V，因此就須要對接入的電源整流、穩(wěn)壓、降壓，如圖4-4為單片機(jī)電源電路設(shè)計圖。圖4-4電源電路設(shè)計圖Figure4-4Thepowersupplycircuitdesign電源變壓器：將溝通電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的溝通電壓u2；整流電路：將溝通電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u2;濾波電路：將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4；穩(wěn)壓電路：消退電網(wǎng)波動及負(fù)載改變的影響，保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。如圖4-5為直流穩(wěn)壓電源原理圖。圖4-5直流穩(wěn)壓電源原理圖Figure4-5DCpowersupplyschematic4.3溫度傳感器的標(biāo)定對于該系統(tǒng)溫度傳感器對應(yīng)電壓的標(biāo)定可以在試驗室內(nèi)用傳感器對不同的溫度梯度進(jìn)行測定，通過檢測部分得出標(biāo)定曲線，然后經(jīng)過軟件設(shè)計，修正校準(zhǔn)檢測結(jié)果以得出精確溫度值。為求得電壓和溫度之間的函數(shù)關(guān)系，本設(shè)計采納約束三次樣條曲線差值計算方法，這種計算方法比起傳統(tǒng)的三次樣條曲線差值計算方法，解決了過沖和欠沖的問題，光滑度差一些，但是各區(qū)間的分段函數(shù)更加精確。然后依據(jù)溫度和電壓之間的關(guān)系繪制成溫度曲線圖。下圖為大致溫度曲線圖。圖4-6溫度曲線圖Figure4-6temperaturegraph4.4監(jiān)測模塊軟件設(shè)計硬件電路完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計。首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體設(shè)計，包括程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和對程序進(jìn)行模塊化設(shè)計。按整體功能分成多個不同的模塊，單獨設(shè)計、編程、調(diào)試，然后將各個模塊裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的軟件。依據(jù)實際須要，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)須要完成的任務(wù)有：選擇須要采集的通道及采集時間，并針對每個通道，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在數(shù)碼管上顯示并存于存儲器。再通過串行通信發(fā)送給上位機(jī)。隨著國內(nèi)單片機(jī)開發(fā)工具研制水平的提高，C5l語言得到了更加普遍的運(yùn)用C5l語言是一種記敘性程序語言，它是比較靠近硬件系統(tǒng)的，即和匯編語言比較接近。既有像匯編語言那樣可以干脆訪問硬件和系統(tǒng)的功能，又有面對用戶、簡潔記憶、便于閱讀和書寫的優(yōu)點。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序用C51語言編寫，單片機(jī)是測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，它主要完成對各個溫度傳感器所測的溫度數(shù)據(jù)的讀取、顯示以及同上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。主程序流程如圖4-7所示。系統(tǒng)初始化后就進(jìn)行一次信號采集,接下來就順次完成數(shù)據(jù)處理,對所得結(jié)果的超限推斷,做報警、顯示、通信處理,這些完成之后就再進(jìn)行下一次采集。圖4-7主程序流程圖Figure4-7Themainprogramflowchart4.4.1數(shù)據(jù)通訊過程主機(jī)定時發(fā)送監(jiān)控吩咐，輪巡各個從機(jī)，主機(jī)發(fā)出監(jiān)控吩咐后等待從機(jī)的應(yīng)答。從機(jī)處于偵聽狀態(tài)，在接收到地址碼后，馬上推斷是否在呼叫自己。假如不是，則不予理睬。假如是，則接著接收下面的數(shù)據(jù)。接收完一個主機(jī)監(jiān)控吩咐后先進(jìn)行校驗，假如校驗正確則解析接收的監(jiān)控吩咐，并依據(jù)吩咐做出應(yīng)答。假如校驗不正確則回送出錯信息要求重發(fā)。主機(jī)發(fā)出的監(jiān)控吩咐通過RS232串行通信端口傳輸出去，此信號經(jīng)過RS232／RS485轉(zhuǎn)換卡，進(jìn)行信號電位和類型轉(zhuǎn)換后，在RS485網(wǎng)絡(luò)上傳播；從機(jī)接收到監(jiān)控吩咐后，進(jìn)行分析并將應(yīng)答信息再送至RS485網(wǎng)絡(luò)，此信號經(jīng)RS232／RS485轉(zhuǎn)換卡，由主機(jī)的RS232串行通信端口接收。4.4.2數(shù)據(jù)通信協(xié)議系統(tǒng)采納半雙工主從通信方式主機(jī)監(jiān)測吩咐的格式為：地址碼吩咐碼校驗碼結(jié)束標(biāo)記碼地址碼：兩個字節(jié)，表明將送至的從機(jī)。吩咐碼：一個或多個字節(jié)，指定從機(jī)執(zhí)行的吩咐。校驗碼：一個字節(jié)，奇校驗位。結(jié)束標(biāo)記：用字符CR表示吩咐結(jié)束。從機(jī)應(yīng)答的格式為：地址碼數(shù)據(jù)校驗碼結(jié)束標(biāo)記碼數(shù)據(jù)：一個或多個字節(jié)，表示從機(jī)應(yīng)答的數(shù)據(jù)。其余和主機(jī)格式相同。5溫度在線監(jiān)測IED（間隔層）設(shè)計5.1IED概述IED的英文全稱IntelligentElectronicDevice，即智能電子設(shè)備。IEC61850協(xié)議中將IED定義為：由一個或多個處理器構(gòu)成，且有實力接收外部資源和（或）向外部資源發(fā)送數(shù)據(jù)和（或）限制吩咐的裝置。IED是現(xiàn)代智能變電站間隔層的關(guān)鍵設(shè)備，和信息一體化平臺、過程層（智能設(shè)備、合并單元和智能終端等）進(jìn)行協(xié)調(diào)工作和雙向的數(shù)據(jù)通信，在智能變電站一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。依據(jù)IEC61850協(xié)議對實際的IED進(jìn)行建模，達(dá)到了不同廠家的IED之間信息交換的目的，為IED之間的互操作供應(yīng)途徑，解決了以前變電站不同廠家設(shè)備之間通信協(xié)議不兼容的問題。基于IED的智能變電站削減了變電站狀態(tài)監(jiān)測以及愛護(hù)裝置相互之間的干擾，通信網(wǎng)絡(luò)更加牢靠和快速，提高了信號傳輸?shù)睦慰啃裕M(jìn)一步提高了變電站的自動化和管理水平，并且節(jié)約智能變電站系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)費(fèi)用。IED在智能變電站系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下功能1）協(xié)調(diào)功能：和站控層信息一體化平臺（包括監(jiān)控系統(tǒng)或在線監(jiān)測系統(tǒng)）以及過程層一次設(shè)備智能終端進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，接收信息一體化平臺的限制吩咐以及過程層設(shè)備上傳的監(jiān)測狀態(tài)量，正確執(zhí)行信息一體化平臺的限制吩咐，剛好將過程層上傳的數(shù)據(jù)傳輸給信息一體化平臺進(jìn)行處理。2）傳輸功能：IED完成過程層和站控層之間信息的傳輸，例如智能變電站是通過IED將時鐘信息傳輸給過程層設(shè)備實現(xiàn)時鐘同步，接收站控層的時鐘信息傳輸給相應(yīng)的過程層，從而實現(xiàn)全站的時鐘同步。3）數(shù)據(jù)處理功能：IED對有些設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行就地處理運(yùn)算，并對設(shè)備故障信息進(jìn)行存儲以及本地顯示。例如，溫度在線監(jiān)測告警算法模型的建立等。4）嵌入IEC61850協(xié)議：IED接收過程層的數(shù)據(jù)可能來自不同的廠家，數(shù)據(jù)的格式也各不相同，IED通過對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行IEC61850協(xié)議封裝，將不同的協(xié)議統(tǒng)一化，實現(xiàn)變電站的信息共享以及設(shè)備的互操作性。5.2間隔層硬件設(shè)計溫升狀態(tài)監(jiān)測IED(間隔層)的工作流程為:溫升在線監(jiān)測IED在GPS對時信號的作用下,周期接收站控層下發(fā)的數(shù)據(jù)采集指令和限制指令,并將收到的指令解析后通過485總線下發(fā)至各溫升在線監(jiān)測終端單元。溫升監(jiān)測終端將采集的各一次設(shè)備熱點溫度狀態(tài)量上傳給溫升在線監(jiān)測IED,IED依據(jù)已經(jīng)嵌人好的專家算法對在線監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算。依據(jù)本IED的功能需求提出的硬件框架包括:CPU(ARM+DSP)模塊,電源模塊,以太網(wǎng)通信模塊,開關(guān)量輸人輸出模塊,存儲模塊,Rs485通信模塊,液晶顯示,看門狗模塊,RTC等。本裝置采納的ARM芯片是三星公司ARMg系列53C2440A,該芯片是犯位精簡指令集(RISC)的微處理器,功耗小,簡潔,穩(wěn)定,具有高速的處理計算實力。DSP芯片采納TI公司2000系列TMS32oF28335芯片,該芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理實力,可快速完成對各監(jiān)測單元數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算處理,DSP和ARM之間采納SPI通信。由于溫升IED安裝于變電站的強(qiáng)電磁場環(huán)境中,故采納金屬外殼便于提高IED的抗電磁干擾實力和設(shè)備的穩(wěn)定性。其外殼接口采納電氣性能良好的穿墻式接線端子及專用插頭,并留有RS485、JTAG和USB等接口,便利設(shè)備的調(diào)試及維護(hù)。在IED電源設(shè)計中采納多級共模電感串聯(lián),有效隔離外界電磁干擾；在信號采集部分通過兩級光藕隔離實現(xiàn)完全的電氣隔離；一次設(shè)備的通信中采納內(nèi)部帶有電源隔離、電氣隔離的RS485模塊,該模塊具有很好的抗電磁干擾性能。溫度在線監(jiān)測IED的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖4-8所示：圖4-8溫度在線監(jiān)測IED硬件結(jié)構(gòu)圖Figure4-8TemperaturemonitoringIEDhardwarestructure課題所設(shè)計的溫度在線監(jiān)測IED的主要功能及工作原理包括：（1）主機(jī)（ARM）給從機(jī)（DSP）下發(fā)采集數(shù)據(jù)的指令（此部分通訊采納SPI實現(xiàn)）；（2）從機(jī)（DSP）通過主機(jī)（ARM）下發(fā)的指令推斷主機(jī)（ARM）須要查詢的一次設(shè)備終端設(shè)備的詳細(xì)編號；（3）從機(jī)DSP向過程層溫度監(jiān)測終端設(shè)備下發(fā)采集吩咐，并接收終端采集到的數(shù)據(jù)（此部分通訊采納485總線完成）；（4）從機(jī)（DSP）整合、篩選接收到的數(shù)據(jù)，并通過對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能告警診斷，隨后將主機(jī)（ARM）須要的數(shù)據(jù)重新打包并申請向主機(jī)（ARM）上傳數(shù)據(jù)；（5）主機(jī)（ARM）向從機(jī)（DSP）下達(dá)接收指令并接收數(shù)據(jù)信息。（6）主機(jī)（ARM）將數(shù)據(jù)重新規(guī)約分類存儲并配置成IEC61850協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)共享到站控層5.2.1電源模塊電源采納AD/DC電源芯片,主要作用是將220V電壓轉(zhuǎn)換為5V和備用電源12V電壓。SV電壓通過線性穩(wěn)壓芯片MIC29503轉(zhuǎn)換為3.3V供應(yīng)應(yīng)以太網(wǎng)接口電路和IED上其他器件的供電。因為DSP在系統(tǒng)中要擔(dān)當(dāng)大量的數(shù)據(jù)計算,在CPU內(nèi)部