摘要高壓開關(guān)柜作為電網(wǎng)的重要組成部分，它的安全運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的運(yùn)行。而我國電網(wǎng)構(gòu)成龐大，其中包含了大量的高壓開關(guān)柜。當(dāng)高壓開關(guān)柜出現(xiàn)故障時(shí)，就可能應(yīng)發(fā)大規(guī)模的停電，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。而對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行人工定期檢修，又會(huì)損耗大量時(shí)間與人力，并且還很難發(fā)現(xiàn)一些潛在的故障。本論文主要是對(duì)當(dāng)前35KV高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層功能進(jìn)行探討，即高壓開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。整個(gè)設(shè)計(jì)包含有交流模擬量采集設(shè)計(jì)、開關(guān)狀態(tài)量采集設(shè)計(jì)、繼電器輸出設(shè)計(jì)、溫濕度采集設(shè)計(jì)、通信接口設(shè)計(jì)、快速FFT算法、離散信號(hào)計(jì)算以及微機(jī)繼電保護(hù)。根據(jù)各個(gè)采集量的特性，選用合適的傳感器與互感器設(shè)計(jì)電路。高壓開關(guān)柜的安全運(yùn)行可作為電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)參照，本文對(duì)其保護(hù)的研究很有意義。關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜檢測(cè)電路傅里葉變換

目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 緒論1.1課題背景和意義在我國龐大的電網(wǎng)系統(tǒng)中，作為電網(wǎng)重要的組成及電力系統(tǒng)核心保護(hù)和控制設(shè)備。原始的高壓開關(guān)柜數(shù)量眾多，一旦高壓開關(guān)柜發(fā)生故障，就會(huì)損壞相關(guān)聯(lián)的電力設(shè)備和線路，從而引發(fā)大面積的停電事故。這就需要對(duì)其進(jìn)行定期的人工維護(hù)檢修工作，尤其實(shí)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間、分合閘電壓電流、開關(guān)動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)、防誤操作等，耗費(fèi)大量時(shí)間和人力。隨著當(dāng)下智能電網(wǎng)的建設(shè)以及用電量的上升，也難以和快速發(fā)展的智能電網(wǎng)相適應(yīng)。作為電力系統(tǒng)在對(duì)電能進(jìn)行發(fā)輸配等過程中進(jìn)行斷開和控制的重要一次設(shè)備，高壓開關(guān)柜的可靠性直接與電力系統(tǒng)安全運(yùn)行掛鉤，當(dāng)高壓開關(guān)柜內(nèi)出現(xiàn)問題未能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)處理，就會(huì)給國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此需要一種新型的高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)行有效的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題采取預(yù)防措施，實(shí)時(shí)保護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況我國高壓開關(guān)柜的發(fā)展經(jīng)過仿制蘇聯(lián)產(chǎn)品、仿制歐美產(chǎn)品再到自主研發(fā)的發(fā)漫長(zhǎng)過程。1953年引進(jìn)了蘇聯(lián)電工產(chǎn)品制造技術(shù)，其中就包含了高低壓開關(guān)柜。經(jīng)過60年左右的發(fā)展，如今我國的高壓開關(guān)柜的性能和功能已趨近于國際先進(jìn)水平。僅手車式柜型就從KYN1排序到KYN96，從JYN1排序到JYN10。固定柜柜型從XGN1排序到XGN66。而在如今的智能化市場(chǎng)中，國內(nèi)處在前沿的則是南京南瑞繼保電氣有限公司開發(fā)的PCS-223A開關(guān)在線監(jiān)測(cè)裝置、國電南瑞科技股份有限公司開發(fā)的NS3568開關(guān)智能組件和北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司開發(fā)的CSC-122型斷路器輔助保護(hù)裝置等。而國外處在前沿的則是ABB公司開發(fā)的REQ650系列斷路器保護(hù)裝置和REF542系列開關(guān)測(cè)控裝置，以及SIEMEN公司開發(fā)的SHVC系列智能開關(guān)等?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試或?qū)崟r(shí)測(cè)量的發(fā)展而誕生了在線監(jiān)測(cè)，在線監(jiān)測(cè)功能對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行可靠性起了重要作用。高壓開關(guān)柜檢修歷程大致可分為三個(gè)部分：事故維修、定期維修和狀態(tài)維修。在第二次世界大戰(zhàn)之前，高壓開關(guān)柜只有出現(xiàn)故障后人們才會(huì)對(duì)其進(jìn)行停運(yùn)檢修，這是盲目不科學(xué)的，這稱為事故檢修；而當(dāng)前大多數(shù)情況，人們是按照固定的時(shí)間周期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，同時(shí)會(huì)消耗大量時(shí)間與人力，這稱為定期維修；當(dāng)前正在逐步展開研究的狀態(tài)維修，以在線監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行評(píng)估預(yù)判，進(jìn)而在設(shè)備故障發(fā)生之前進(jìn)行預(yù)防檢修。高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括了信號(hào)變送、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與診斷等。整個(gè)過程如圖1-1所示。圖1-1高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)流程圖1.3課題設(shè)計(jì)要求本課題主要完成以下功能:1相電壓監(jiān)測(cè)功能3路相電壓采集，輸入范圍0~60VAC/50Hz、實(shí)現(xiàn)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止過電壓、缺相運(yùn)行;2開關(guān)量動(dòng)作次數(shù)采集采集開關(guān)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)開關(guān)分合閘次數(shù);3監(jiān)視開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)特性監(jiān)視開關(guān)分合閘電壓、電流值，開關(guān)分合閘時(shí)間統(tǒng)計(jì);4防誤操作監(jiān)視刀閘位置，防止帶地刀合閘、帶負(fù)荷分刀閘等異常操作;5監(jiān)視開關(guān)內(nèi)部溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)視開關(guān)內(nèi)部溫濕度，當(dāng)溫濕度超標(biāo)時(shí)，實(shí)時(shí)告警;6通信裝置具備RS485通信接口，波特率9600，Modbus協(xié)議;7狀態(tài)指示；當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，裝置能聲光報(bào)警。2系統(tǒng)總統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)本次課題的要求，高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)以ARM為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜的保護(hù)。各個(gè)檢測(cè)單元可通過CAN總線或RS485通信接口監(jiān)控，由多路傳感器數(shù)據(jù)采集經(jīng)ARM數(shù)據(jù)處理后，可通過CAN總線或RS485通信接口同時(shí)遵循Modbus協(xié)議往后臺(tái)監(jiān)控終端傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖高壓開關(guān)柜在線檢測(cè)的部分包含有：相電壓監(jiān)測(cè)、柜內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)、開關(guān)量動(dòng)作次數(shù)監(jiān)測(cè)、刀閘位置監(jiān)測(cè)等。通過相應(yīng)的監(jiān)測(cè)，工作人員就可以提前預(yù)知柜內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)。如相電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就可以防止過電壓與缺相運(yùn)行；斷路器分合閘狀態(tài)檢測(cè)，通過統(tǒng)計(jì)開關(guān)的分合閘次數(shù)和時(shí)間，就可以判斷是否要對(duì)其進(jìn)行檢修；對(duì)接地開關(guān)刀閘位置監(jiān)測(cè)，就可避免帶地刀合閘、帶負(fù)荷分刀閘的異常操作；柜內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)，可以有效避免斷路器觸頭位置發(fā)生偏移生銹、彈簧松動(dòng)以及柜內(nèi)設(shè)備絕緣性降低等。為完成對(duì)高壓開關(guān)柜相應(yīng)的監(jiān)測(cè)，則需完成一下功能設(shè)計(jì)。模擬量采集模擬量的采集是指模擬信號(hào)輸入，其作為連續(xù)變化的物理量的輸入。其中就包括了交流模擬量與開關(guān)量。交流模擬量通過電壓互感器輸出，需要對(duì)信號(hào)做相應(yīng)的放大、濾波處理，輸出的交流模擬信號(hào)在對(duì)其用A/D芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。開關(guān)狀態(tài)量采集開關(guān)量輸入包括兩類。一類是斷路器等開關(guān)元件的輔助觸點(diǎn)和繼電器的節(jié)點(diǎn)，用來檢測(cè)這些設(shè)備的工作狀態(tài)；另一類是智能單元裝置本身的一些接點(diǎn)。輸出通道部分是控制斷路器實(shí)現(xiàn)控制操作的出口通道。在出口通道里設(shè)有光電隔離，以防止斷路器對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的反饋干擾。主要是采集斷路器和隔離開關(guān)的狀態(tài)，可為斷路器和接地開關(guān)配置相關(guān)的輔助觸點(diǎn)，雖然增加了成本，占用一定空間，但是監(jiān)控可以與一次電氣相隔離，有效隔離干擾。這樣就可以通關(guān)輔助觸點(diǎn)通斷來進(jìn)行采集，再通過芯片累計(jì)開關(guān)次數(shù)，同時(shí)還可判斷出開關(guān)、刀閘的位置。繼電器輸出控制在高壓開關(guān)柜中，完成繼電保護(hù)功能核心的電氣元件就是繼電器。在高壓開關(guān)柜發(fā)生故障或者不正常運(yùn)行的狀態(tài)下，就能通過繼電器動(dòng)作使斷路器完成自動(dòng)跳閘的一種自動(dòng)裝置。進(jìn)而可以設(shè)計(jì)通過繼電器輸出控制而達(dá)到控制斷路器的電路，已完成對(duì)高壓開關(guān)柜安全運(yùn)行的保護(hù)。柜內(nèi)溫度采集高壓開關(guān)柜運(yùn)行過程中，開關(guān)的觸點(diǎn)、母線連接頭等部位因長(zhǎng)期負(fù)荷較大、老化等原因會(huì)導(dǎo)致接觸電阻過大而發(fā)熱。由于開關(guān)柜密閉運(yùn)行、內(nèi)部空間狹小和絕緣保護(hù)等原因，這些發(fā)熱部位的溫度在運(yùn)行狀態(tài)下幾乎無法監(jiān)測(cè)，最終可能會(huì)因過熱造成火災(zāi)和大面積停電事故的發(fā)生?？赏ㄟ^對(duì)應(yīng)的溫度傳感器對(duì)柜內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將采集數(shù)據(jù)上傳通信接口計(jì)算機(jī)與后臺(tái)監(jiān)控終端或者與檢測(cè)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸采用串行通訊方式。由于串行通訊方式特點(diǎn)線路少、成本、遠(yuǎn)距離傳輸上還可避免多條線路不一致。IIC接口用于存儲(chǔ)定值及配置，SPL接口用于存儲(chǔ)干擾數(shù)據(jù)，RS485接口用于與后臺(tái)控制終端通信，Modbus協(xié)議。3檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)3.1RAM的選擇本設(shè)計(jì)采用的是NuMicroTMNUC130系列中的NUC130VE3CN芯片。NUC130VE3CN芯片原理圖如圖3-1所示。整個(gè)NuMicroTMNUC130系列特色為寬電壓工作范圍：2.5V至5.5V，工作溫度：-40℃至85℃，內(nèi)建22.1184MHz高精度晶振。同時(shí)備有豐富的外設(shè)，符合Bosch規(guī)格CAN2.0A/B，定時(shí)器，模擬比較器等。除此之外NUC130VE3CN芯片還具有以下關(guān)鍵特性：內(nèi)核：ARM?Cortex?-M0處理器、工作頻率可達(dá)50MHz、工作電壓與工作溫度同上。內(nèi)存：128KB應(yīng)用內(nèi)存、內(nèi)嵌16KBSRAM、可編程DataFlash、支持在線電路更新ICP以及在線系統(tǒng)更新ISP。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器：支持8通道、12位分辨率、每秒取速率可達(dá)800k、±1℃準(zhǔn)確度溫感計(jì)。脈寬調(diào)制器：內(nèi)建8個(gè)16位PWM產(chǎn)生器，可輸出8路PWM或4組互補(bǔ)配對(duì)PWM、捕捉ADC功能。通信接口：4組SPL可達(dá)25MHz、2組IIC可達(dá)400kHz、3組UART可達(dá)1Mbps、1組BoschCAN2.0A/B。時(shí)鐘控制：內(nèi)部晶振4至24MHz、內(nèi)部22.1184MHz振蕩器。CPU引腳圖如圖3-1所示。圖3-1NUC130VE3CN原理圖3.2交流模擬量采集設(shè)計(jì)電壓采集測(cè)量設(shè)備主要有：電磁式電壓互感器、霍爾電壓傳感器?；魻栯妷簜鞲衅髟诠I(yè)測(cè)控領(lǐng)域上得到了廣泛的應(yīng)用，霍爾電壓傳感器是能夠?qū)⒅麟娐泛碗娮涌刂齐娐犯糸_的電壓檢測(cè)元件，其相對(duì)于電磁式電壓互感器而言體積小、重量輕、寬頻傳輸和交直流兩用等特點(diǎn)。它的測(cè)量原理是通過霍爾效應(yīng)。還可檢測(cè)瞬態(tài)電壓峰值，霍爾電壓傳感器是很有潛力成為新一代產(chǎn)品。但是霍爾電壓傳感器不能適用高壓環(huán)境下的檢測(cè)，測(cè)量電壓等級(jí)越高，傳感器的帶寬就會(huì)越窄。所以不選用霍爾電壓傳感器作為本設(shè)計(jì)的電壓采集，而是選用電磁式電壓互感器做電壓采集。

電磁式電壓互感器實(shí)際上是一個(gè)帶鐵心的變壓器。它主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。當(dāng)在一次繞組上施加一個(gè)電壓U1時(shí)，在鐵心中就產(chǎn)生一個(gè)磁通φ，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則在二次繞組中就產(chǎn)生一個(gè)二次電壓U2。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產(chǎn)生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同的電壓互感器。電磁式電壓互感器原理圖如圖3-2所示。圖3-2電磁式電壓互感器原理圖本設(shè)計(jì)交流模擬量的采集使用的是片內(nèi)A/D采集，由于片內(nèi)A/D是單極性的，就需要將交流模擬信號(hào)疊加偏置電壓，變換成為直流信號(hào)。電壓互感器選用的是南京向上電子科技有限公式生產(chǎn)的DL-PT202H1精密電壓互感器。其特點(diǎn)體積小、精度高、抗環(huán)境能力強(qiáng)且隔離耐高溫安全可靠。交流模擬采集原理圖如下圖3-3所示。圖3-3交流模擬采集原理圖被測(cè)電壓由DL-PT202H1電壓互感器轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號(hào)，由第一級(jí)運(yùn)放作用將被測(cè)信號(hào)放大，輸出經(jīng)過RC低通濾波后進(jìn)入第二級(jí)運(yùn)放。第二級(jí)運(yùn)放的是射級(jí)跟隨器，它的輸入電阻高，傳遞信號(hào)源信號(hào)效率高，輸出電阻低，且輸出電壓與輸入電壓相位相同，可作為中間級(jí)使用，用于緩沖、隔離前后級(jí)的相互干擾。第三級(jí)運(yùn)放的作用是加法器，給信號(hào)疊加偏置電壓，送給處理器片內(nèi)AD模塊。D1、D2的作用是鉗位二極管，用于保護(hù)處理器A/D模塊。通過A/D采樣把交流模擬量轉(zhuǎn)換為連續(xù)模擬信號(hào)，再將連續(xù)模擬信號(hào)通過傅里葉變換為離散信號(hào)，計(jì)算出交流信號(hào)諧波系數(shù)，再由諧波系數(shù)計(jì)算出電壓幅值大小。如下列公式（3.1）、（3.2）和（3.3）所示。(3.1)(3.2)(3.3) 在計(jì)算出相應(yīng)的電壓值后還需注意以下問題：（1）電壓偏差供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行下，某一節(jié)點(diǎn)的實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差對(duì)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)，稱為該節(jié)點(diǎn)的電壓偏差，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：電壓偏差（％）=[（實(shí)際電壓-系統(tǒng)標(biāo)稱電壓）/系統(tǒng)標(biāo)稱電壓]*100%；35kV及以上供電電壓的正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%，10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的±7%，220V單相供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的＋7%，-10%。（2）頻率偏差電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下，系統(tǒng)頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差，表達(dá)式為：頻率偏差=實(shí)際頻率－標(biāo)稱頻率；我國電力系統(tǒng)的正常頻率偏差允許值為±0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，頻率偏差值可以放寬到±0.5Hz；系統(tǒng)有功功率不平衡是產(chǎn)生頻率偏差的根本原因。（3）電壓不平衡和序分量測(cè)量在理想的三相電源供電系統(tǒng)中ABC三相電壓和電流幅值相等，相位相差120°。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)偏離上述情況時(shí)，就產(chǎn)生了不平衡問題及相應(yīng)的電源利用效率降低的問題。如發(fā)電機(jī)和大型電動(dòng)機(jī)，負(fù)荷不平衡造成設(shè)備的不對(duì)稱運(yùn)行，產(chǎn)生負(fù)序分量，會(huì)引起設(shè)備過熱和損耗，縮短設(shè)備的使用壽命。電壓負(fù)序不平衡度表達(dá)式：U2=[電壓負(fù)序分量/電壓正序分量]*100%電壓零序不平衡表達(dá)式：U0=[電壓零序分量/電壓正序分量]*100%（5）電壓波動(dòng)電壓波動(dòng)為一系列電壓變動(dòng)或連續(xù)的電壓偏差，電壓波動(dòng)值為電壓均方根值的兩個(gè)極值Umax和UminUmin之差△U，常以額定電壓Unom的百分?jǐn)?shù)表示其相對(duì)百分值，即若電壓波動(dòng)變化率低于每秒0.2％，應(yīng)視為電壓偏差，不屬于電壓波動(dòng)的范圍。3.3開關(guān)狀態(tài)量采集設(shè)計(jì)輔助開關(guān)作為主開關(guān)的一種附件，常用于配置高壓斷路器、隔離開關(guān)作為二次控制回路分合閘、信號(hào)控制和聯(lián)鎖保護(hù)作用。輔助開關(guān)是與主開關(guān)位置相對(duì)應(yīng)的，斷路器與隔離開關(guān)的開斷信息采集，可以通過兩開關(guān)雙上的輔助開關(guān)的開斷情況得知。采集電路如圖3-4所示。圖3-4開關(guān)分合閘次數(shù)采集電路圖輔助開關(guān)與主電路串接，經(jīng)過R8與二極管回到負(fù)電極，形成一個(gè)回路。其中電阻通過限流作用保護(hù)光電耦合器中的二極管正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電路中TLP181光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量與計(jì)算機(jī)總線之間的完全隔離。TLP181由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成，且發(fā)光二極管與光敏三極管之間隔離絕緣。雖然整個(gè)采集過程輸入、輸出都是電信號(hào)，但是它們之間信息傳遞媒介是光，同時(shí)在密閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就不會(huì)受到電磁干擾與外界光源的干擾。當(dāng)隔離開關(guān)、斷路器合閘時(shí)，輔助開關(guān)閉合，電回路形成通路，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管飽和導(dǎo)通，于是輸出IN0有電位變化。反之，隔離開關(guān)、斷路器分閘時(shí)，輔助開關(guān)斷開，電回路沒有形成通路，發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管截止，輸出IN0電位再次變化。通過輸出電位變化，就可判斷出隔離開關(guān)、斷路器的狀態(tài)，從而完成采集過程。3.4繼電器輸出設(shè)計(jì)繼電器輸出就是電路控制中說的弱電控制強(qiáng)電。通過與負(fù)載電路串接，在接收到負(fù)載電路上信號(hào)超限時(shí)，繼電器動(dòng)作，帶動(dòng)觸點(diǎn)閉合，接通斷路器跳閘電路，使得斷路器跳閘，完成保護(hù)動(dòng)作。設(shè)計(jì)如圖3-5所示。圖3-5繼電器輸出控制原理圖因?yàn)樾枰诖蠊β虱h(huán)境下工作，在設(shè)計(jì)上還串接光耦合器。同時(shí)光耦合器還具有是單向傳輸信號(hào)、輸入端與輸出端實(shí)現(xiàn)完美的電氣隔離、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)和傳輸效力高的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載電路電流超限，光耦合器TLP127中的二極管發(fā)光，使得整個(gè)電路導(dǎo)通，KM1繼電器上的觸點(diǎn)KM1B就會(huì)閉合，接通斷路器跳閘電路。3.5溫濕度采集設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)溫濕度采集用到了廣州奧松有限公式生產(chǎn)的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，僅需要一個(gè)I/O口。使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗。DHT11傳感器具體參數(shù)特性如下所示：工作電壓范圍：3.5V至5.5V；工作電流：平均0.5mA；溫度測(cè)量范圍：20至90%RH；溫度測(cè)量范圍：0-50℃；濕度分辨率：1%RH8位；溫度分辨率：1℃8位；采樣周期：1s；DHT11傳感器引腳連接方式為：引腳1接電源正極，引腳2為數(shù)據(jù)端，可以直接接單片機(jī)I/O口，同時(shí)為提高穩(wěn)定性，可在數(shù)據(jù)端接上一個(gè)上拉電阻。引腳3為空腳不使用。引腳4接電源地段。如圖5-6所示。圖3-6DHT11傳感器接線原理圖3.6通訊接口設(shè)計(jì)隨著電子技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的需求，各種各類的儀表越來越多地應(yīng)用于各個(gè)不同領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，這要求系統(tǒng)之間以及各系統(tǒng)自身的各個(gè)組成部分之間必須保持良好的通信來完成采集數(shù)據(jù)的傳輸，先進(jìn)的通信協(xié)議技術(shù)能可靠地保證這一點(diǎn)。通信協(xié)議是通信雙方的約定，對(duì)數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、不同系統(tǒng)間的相互溝通。下面就對(duì)當(dāng)前工業(yè)通訊運(yùn)用最為廣泛的兩種通信接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.6.1帶光電隔離RS485與RS232通信接口RS485總線作為當(dāng)今遠(yuǎn)距離工業(yè)通訊最常見、運(yùn)用廣泛的串行總線標(biāo)準(zhǔn)。其數(shù)據(jù)傳輸采用的時(shí)平衡發(fā)送和差分接受，這讓其具備了抑制共模干擾的能。RS485總線大致可分為兩類：隔離型與非隔離型。顧名思義，前者比后者有著跟好的抗干擾能力。高壓開關(guān)柜內(nèi)環(huán)境情況復(fù)雜特殊，會(huì)造成每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓。這就使得在RS485總線接收到超限電壓時(shí)，破壞接收器讓其無法正常工作，嚴(yán)重的可能會(huì)破壞芯片和儀器。為解決這種問題，就是通過光耦合HCPL0601進(jìn)行電氣隔離，徹底去除共模電壓的干擾。如下圖3-7所示。圖3-7帶光電隔離的485通訊接口圖同樣作為目前最為廣泛的接口之一，RS232通信接口也廣泛運(yùn)用各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。RS232接口同樣采用光電隔離。如下圖3-8所示。圖3-7帶光電隔離的RS232通信接口圖RS485與RS232通信接口光電隔離都采用的是HCPL0601光耦電路芯片，組合了磷砷化鎵發(fā)光二極管和集成高增益光探測(cè)器。HCPL-0601的使能輸入允許探測(cè)器帶有選通特性。探測(cè)器IC的輸出則是一個(gè)集電極開路肖特基鉗位晶體管。HCPL-0601的內(nèi)部屏蔽可保證在Vcm=1000V條件下，其共模瞬變抗擾度達(dá)到15000V/μs。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)提供了最大限度的ac和dc電路隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了TTL兼容。HCPL-0601光耦的操作參數(shù)保證溫度范圍為–40℃～+85℃，這些參數(shù)允許了系統(tǒng)的無擾運(yùn)行。3.6.2IIC存儲(chǔ)器大量數(shù)據(jù)的采集就需要通過相應(yīng)的存儲(chǔ)器來存放不同的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而能讓計(jì)算機(jī)連續(xù)自動(dòng)的執(zhí)行程序，對(duì)廣泛的信息進(jìn)行處理。IIC存儲(chǔ)器一般使用EEPROM實(shí)現(xiàn),故可以在線讀取和寫入,寫入的數(shù)據(jù)保存時(shí)間也很長(zhǎng).IIC實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)潔,只需很少的幾根線即可。FM24CL64是采用先進(jìn)的鐵電工藝制造的64K位非易失性存儲(chǔ)器。并且可以像RAM一樣快速讀寫。FM24CL64中的數(shù)據(jù)在掉電后可以保存45年。相對(duì)EEPROM或其他非易失性存儲(chǔ)器，F(xiàn)M24CL64具有結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性更高等諸多優(yōu)點(diǎn)。如圖3-8所示。與EEPROM系列不同的是，F(xiàn)M24CL64以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時(shí)。數(shù)據(jù)發(fā)到FM24CL64后直接寫到具體的單元地址，下一個(gè)總線操作可以立即開始，無需數(shù)據(jù)輪詢。此外，F(xiàn)M24CL64的可讀/寫次數(shù)比EEPROM高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，由于無需內(nèi)部升壓電路，F(xiàn)M24CL64的寫操作功耗非常低。所以本次IIC存儲(chǔ)器以FM24CL64實(shí)現(xiàn)。圖3-8IIC存儲(chǔ)器原理圖4軟件部分4.1快速FFT算法數(shù)字信號(hào)處理，無非就是通過把信號(hào)交給計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)還需滿足信號(hào)是離散信號(hào)與有限長(zhǎng)度兩點(diǎn)要求。如第3章中3.2小節(jié)介紹的，連續(xù)模擬信號(hào)通過傅里葉變換為離散信號(hào)，再通過離散傅里葉算法求解相應(yīng)的值。離散傅里葉變換（DFT）就是通過將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，同時(shí)時(shí)域和頻域都是離散的。這樣就可以得知一個(gè)信號(hào)是有哪些正弦波疊加而成，且求出的結(jié)果就是正弦波的幅值與相位。由于離散傅里葉變換的計(jì)算量較大，會(huì)降低計(jì)算器的處理速度。進(jìn)而出現(xiàn)了快速傅里葉變換，簡(jiǎn)稱為FFT。快速傅里葉變換本質(zhì)上就是傅里葉變換，它只是提高了運(yùn)算速率，能快速地的計(jì)算出傅里葉變換的結(jié)果。首先列出離散傅里葉變換公式：，k=0,1,2,…,N-1。（4.1）公式中X(K)表示離散傅里葉變換后的數(shù)據(jù)，X(n)表示為采樣的模擬信號(hào)。公式內(nèi)的x(n)可以為復(fù)信號(hào)，而實(shí)際當(dāng)中x(n)都是實(shí)信號(hào)，即虛部為0，再將離散傅里葉變換公式展開：（4.2）在對(duì)公式中的一個(gè)序列不斷地進(jìn)行分解，即可得出對(duì)應(yīng)的蝶形圖，如圖4-1所示。圖4-1蝶形圖其中同一級(jí)內(nèi)的蝶形的輸出點(diǎn)在同一直線上，我們就可以對(duì)它進(jìn)行分級(jí)來運(yùn)算。但是每個(gè)蝶形的輸出點(diǎn)在下一個(gè)級(jí)運(yùn)算是不一樣的，在第一級(jí)蝶形中是兩個(gè)相鄰的數(shù)據(jù)進(jìn)行蝶形運(yùn)算，第二級(jí)蝶形中兩個(gè)數(shù)據(jù)將會(huì)間隔一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行蝶形運(yùn)算，第三級(jí)蝶形中兩個(gè)數(shù)據(jù)將會(huì)間隔三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行蝶形運(yùn)算。FFT算法的原理是通過許多小的更加容易進(jìn)行的變換去實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的變換，降低了運(yùn)算要求，提高了與運(yùn)算速度?？焖俑道锶~變換并不屬于傅里葉變換的相似運(yùn)算，它們是完全等效的關(guān)系。4.2離散信號(hào)計(jì)算 通過對(duì)交流模擬信號(hào)的采樣，就可得到一系列的脈沖序列，這是一時(shí)間不連續(xù)但是幅值仍然連續(xù)的信號(hào)。根據(jù)著名的香農(nóng)采樣定理，就正弦交流電壓而言，我們就可以通過對(duì)每個(gè)周波取兩點(diǎn)采樣來確定這波形的相關(guān)特點(diǎn)。隨后通過是離散傅里葉算法算出電壓有效值，在計(jì)算出有功功率與無功功率。設(shè)電壓信號(hào)用一個(gè)周期函數(shù)表示：u（t）=u（t+kT），T為周期，k=0,1,2,3,…,N-1，其滿足狄里赫利條件，進(jìn)而可對(duì)其分解成傅里葉級(jí)數(shù)：（4.3）對(duì)離散信號(hào)在時(shí)間序列下進(jìn)行傅里葉變換則有：（4.4）在根據(jù)時(shí)間序列，按離散傅里葉變換理論，可導(dǎo)出第n此諧波系數(shù)公式：（4.5）其中n=1,2,3,…,N-1。第n次諧波幅值就是An與Bn的平方和開根號(hào)，n取1時(shí)也可以得到基波的幅值。但是這里的運(yùn)算量很大，算法運(yùn)算執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)。這里我們就可以通過快速傅里葉變換減少其運(yùn)算量，使得計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提高。將公式(4.2)兩端同時(shí)乘以2/N，在帶入到公式(4.1)中即可的到復(fù)數(shù)形式：（4.6）由公式(4.6)可知，通過快速傅里葉變換計(jì)算出基波與諧波的系數(shù)X(k)，在乘上2/N即可得到復(fù)數(shù)An-jBn，再通過對(duì)實(shí)部與虛部平方和在開方即可的到對(duì)應(yīng)幅值，虛部除以實(shí)部取反正切即可得到對(duì)應(yīng)相位值。只要測(cè)出電壓U，電流I和兩者的相位差φ，通過它們之間的關(guān)系就可以計(jì)算：視在功率S=U*I。有功功率P=S*cosφ。無功功率Q=S*sinφ。cosφ就稱為有功功率因數(shù)。4.3微機(jī)繼電保護(hù)微機(jī)繼電保護(hù)通過運(yùn)用微型計(jì)算機(jī)組建城的繼電保護(hù)。在65年左右人們就開始著手研究微機(jī)繼電保護(hù)，但由于當(dāng)時(shí)的條件不足以支撐研究，限制微機(jī)繼電保護(hù)的發(fā)展。再往后，集成電路計(jì)算的發(fā)展突飛猛進(jìn)，帶動(dòng)了微機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)而微機(jī)繼電保護(hù)的發(fā)展達(dá)到前所未有的高潮。我國的在這一方面起步雖然較慢，但是進(jìn)步是很大的，也取得了比較好的成效。我國在90年代往后就陸續(xù)產(chǎn)出很多成型的產(chǎn)品。微機(jī)繼電保護(hù)基本構(gòu)成如下圖4-2所示圖4-2微機(jī)繼電保護(hù)構(gòu)成圖一般來說，計(jì)算機(jī)主要就是對(duì)數(shù)字進(jìn)行具體的量化以及判斷，而微機(jī)繼電保護(hù)所輸入的信號(hào)就是電力系統(tǒng)的一個(gè)模擬信號(hào)，也就是說在經(jīng)過電力系統(tǒng)的電流互感器進(jìn)行模擬和預(yù)處理之后，有效的將一些諧波的分量在進(jìn)入濾樣器之前就被處理掉。雖然微機(jī)繼電保護(hù)所輸入的信號(hào)往往都是比較復(fù)雜，也比較多的，但是可以通過設(shè)置多路的轉(zhuǎn)換器就可以將模擬信號(hào)進(jìn)行分類并排列整齊，為后續(xù)的一些功能的處理以及取用都做好了準(zhǔn)備。4.3.1低電壓保護(hù)通過低壓保護(hù)繼電器并接在線路兩端，設(shè)定低電壓電壓定值，當(dāng)被保護(hù)電路電壓超過設(shè)定低電壓電壓定值時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)的低電壓保護(hù)不響應(yīng)，當(dāng)?shù)蛪哼\(yùn)行超過所設(shè)定的延時(shí)保護(hù)時(shí)間后相應(yīng)，斷路器開始動(dòng)作，并且發(fā)出相應(yīng)的告警。低電壓保護(hù)原理圖如圖4-3所示。注：圖中Tx為低電壓保護(hù)延時(shí)。圖4-3低電壓保護(hù)原理圖4.3.2過電壓保護(hù)通過低壓保護(hù)繼電器并接在線路兩端，設(shè)定過電壓電壓定值，當(dāng)被保護(hù)電路電壓超過設(shè)定過電壓電壓定值時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)的過電壓保護(hù)不響應(yīng)，當(dāng)?shù)蛪哼\(yùn)行超過所設(shè)定的延時(shí)保護(hù)時(shí)間后相應(yīng)，斷路器開始動(dòng)作，并且發(fā)出相應(yīng)的告警。過電壓保護(hù)原理圖如圖4-4所示。注：圖中Tx為過電壓保護(hù)延時(shí)。圖4-4過電壓保護(hù)原理圖整體來上來說微機(jī)繼電保護(hù)其實(shí)就是一個(gè)綜合了控制，監(jiān)測(cè)，保護(hù)以及通信等各類功能于一身的高科技新產(chǎn)品，這些各種功能集合在一塊兒，再搭配上人性化的界面設(shè)置，同時(shí)微機(jī)繼電保護(hù)裝置采用的32位數(shù)字的處理器且內(nèi)核結(jié)構(gòu)也是最先進(jìn)的，高速運(yùn)算能力是最為顯著的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)微機(jī)繼電保護(hù)裝置還有一個(gè)最大的特點(diǎn)就要屬于其強(qiáng)大的自檢能力，一旦發(fā)現(xiàn)異常就可以自動(dòng)報(bào)警，由此可見其具有一定的自我保護(hù)能力。5總結(jié)本課題是基于高壓開關(guān)柜各檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)。在如今電網(wǎng)智能化的大環(huán)境下，通過比對(duì)了解在高壓開關(guān)柜線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與相應(yīng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的需求性與迫切性。然而國內(nèi)和國外在這方面的技術(shù)都不是很成熟，很多都只是單一的對(duì)開關(guān)柜內(nèi)一些必要參數(shù)進(jìn)行分開檢測(cè)分析。雖然也有不少的監(jiān)測(cè)設(shè)備投入到關(guān)于開關(guān)柜內(nèi)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，但是整個(gè)高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)還是不太完善的。本課題對(duì)高壓開關(guān)柜安全檢測(cè)的設(shè)計(jì)，并沒有用到市面上現(xiàn)有的高壓開關(guān)柜柜型來具體設(shè)計(jì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，而是通過前人對(duì)大量高壓開關(guān)柜在運(yùn)行中所出現(xiàn)的一些故障總結(jié)，在對(duì)其故障參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)信號(hào)采集電路與保護(hù)電路，來構(gòu)成整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本課題對(duì)高壓開關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)還是較為廣義的。硬件設(shè)計(jì)中，主要是通過參考高壓開關(guān)柜在運(yùn)行中產(chǎn)生的故障，通過故障明確相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量采集。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)分析，就可知道當(dāng)前高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)是否安全，進(jìn)而做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。在交流模擬量采集中，通過對(duì)比電壓互感器與霍爾電壓傳感器在高壓環(huán)境采集數(shù)據(jù)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定本設(shè)計(jì)采樣電壓互感器進(jìn)行交流模擬量采集。開關(guān)狀態(tài)量采集、溫濕度采集、繼電器輸出和通訊接口的設(shè)計(jì)上都模擬在高壓環(huán)境下選用合適的傳感器設(shè)計(jì)電路。軟件設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化離散傅里葉變換即運(yùn)用快速離散傅里葉變換算法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)快速處理，計(jì)算出交流信號(hào)幅值、有功功率與無功功率。同時(shí)通過微機(jī)繼電保護(hù)對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯示，對(duì)異常運(yùn)行及時(shí)的進(jìn)行故障報(bào)警、診斷和對(duì)故障設(shè)備快速切除。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)單元對(duì)高壓開關(guān)柜監(jiān)測(cè)的量少，仍然存在著不少的待測(cè)量對(duì)高壓開關(guān)柜安全運(yùn)行存在隱患。但是這些帶測(cè)量的測(cè)量難度極大就沒有列入其中。同時(shí)溫濕度傳感器對(duì)溫度測(cè)量范圍略小，還可加以改進(jìn)。本課題設(shè)計(jì)總體實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)故障監(jiān)測(cè)的功能，提供給開關(guān)柜檢修的直觀依據(jù)，減輕了定期檢修的繁重勞動(dòng)，增加了報(bào)警的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)通過檢測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到IIC存儲(chǔ)器，就可查找以往數(shù)據(jù)的變化，為分析高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)提供了方便。6致謝寫到這里，就要完成我在學(xué)校的最后一篇論文了，同樣代表著四年的求學(xué)之旅即將結(jié)束。始于微涼的秋天，終于炎熱的夏天，時(shí)間匆匆流逝。回望這大學(xué)四年的生活，百感交集，當(dāng)初那個(gè)懵懂青年入學(xué)之日恍惚就在昨天。回憶記憶里校園，郁郁蔥蔥，學(xué)校的每一角早已深深的刻入腦中，再次當(dāng)中有失落，也有過快樂。留在這里的是四年揮散的汗水，帶走的則是成長(zhǎng)的果實(shí)。在這個(gè)炎熱夏天，我也將重新規(guī)劃人生起點(diǎn)，踏上新的旅途。在論文完成之前，首先對(duì)我的指導(dǎo)老師江忠耀老師表示感謝，從開題報(bào)告的撰寫再到本論文的定稿，是江老師悉心的指導(dǎo)與不遺余力的幫助，助我完成離校前最后一個(gè)任務(wù)。就算是再疫情期間，仍然為我批閱修改論文，同時(shí)為本文給予大量寶貴意見。由衷的感謝江老師對(duì)我論文的指導(dǎo)以及幫助。同時(shí)還要感謝四年里為我傳道授業(yè)的老師以及在生活上給予我?guī)椭睦蠋焸?。我的同窗知己，有生以來這樣感覺到，你我的心不會(huì)太遠(yuǎn)。方寸指心，悠悠即遠(yuǎn)，知己的心不會(huì)太遠(yuǎn)。感謝三位同窗兄弟，四年的朝夕相處，我們之間相互包容、關(guān)心彼此，不管是學(xué)習(xí)還是生活都是你們及時(shí)的給我?guī)椭凸膭?lì)，讓我覺得很幸福。感謝那四年來在生活上幫助我朋友們，離別之際，我祝大家前程什錦，未來可期。天下之大愛就是父母對(duì)孩子的那種愛，父母習(xí)慣為孩子做長(zhǎng)遠(yuǎn)打算，想給孩子謀一個(gè)好的前程。在此，特別要感謝辛苦養(yǎng)育我父母，二十多年的求學(xué)之旅，謝謝你們?cè)诤竺娴母冻雠c支持，他們總會(huì)在我情緒低落時(shí)給予我鼓勵(lì)。祝愿父母身體健康。庚子年初，新型冠狀病毒突如其來，全國上下打起了一場(chǎng)疫情防護(hù)戰(zhàn)役。面對(duì)疫情，黨和國家高度重視，積極應(yīng)對(duì)。一支支醫(yī)療隊(duì)前往武漢，支援前線防控工作。感謝此次逆行者們的無私奉獻(xiàn)，向你們致以最崇高的敬意。感謝祖國的強(qiáng)大，祝愿祖國繁榮昌盛國泰民安。7參考文獻(xiàn)劉健華,孫亮亮,黃順建.高壓斷路器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009,000(010):111-112.劉鉞.交流電壓的數(shù)字采集測(cè)量方法研究[D].中國計(jì)量科學(xué)研究院,2007.黃新波,方壽賢,王霄寬,等.HighvoltageswitchgearcabinetbasedonIoTtechnology