基于单片机的电缆在线监测研究

摘要:随着市场经济的深入发展和电力系统规模的持续扩大,电缆用量越来越多;而且由于大量电缆铺设在距离较长、走向复杂的电缆沟内,长期运行在高电压、大电流环境下,很容易引起电缆温度上升、温度异常等现象,进而造成火灾,带来严重的财产损失和人身伤亡。该文正是在这一前提下,设计实现了一套电缆在线监测系统的应用研究。

关键词:单片机;电缆;在线监测系统

中图分类号:TP311文献标识码:A 文章编号: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

长期以来,为确保电力系统安全运行,电力行业一直根据电力设备预防性试验规程的规定,对电缆进行定期的停电试验、检修和维护、这种“计划检修”是按照预试规程所规定的试验周期,到期必修,而不顾电缆的实际运行状况,具有很大的盲目性和强制性,因而容易造成设备的“检修不足”和“过度检修”矛盾的产生,这样既浪费了大量的人力物力,又未能有效地检修设备故障。电缆采用实时监测和状态检修是随着管理水平提高和科学技术进步而发展起来的先进管理和维修方式。目前己经在少数发达国家取得了一定的经验。以国外为例,到90年代初,美国已有1/3的某厂配电系统采用状态检修2年以上,有1/3某厂配电系统不足2年,有1/3的某厂配电系统正准备实施状态维修。可见对电缆采用实时监测和状态检修的经济意义非常明显,同时随着电缆在线监测技术的发展与应用将为电缆的可靠运行提供科学依据,并将为电力系统的正常运行带来更好的经济效益和社会效益。

1 基于单片机电缆在线监测系统的总体设计

基于单片机的电缆在线监测系统硬件主要有:计算机、单片机系统、无线收发模块以及各种适配器等组成。电缆在线监测系统作为电力设备在线监测系统的重要组成部分,充分结合先进的计算机技术、通讯技术、人工智能技术、电力电子技术与设备诊断技术于一身,能够有效地识别由于各种原因引起的电缆及其中间头的过热故障,实时监控电缆的运行状态和变化情况,及时采集电缆的各种状态参数值,通过通讯网络向上位机传送各种现场参数值,最终由上位机对数据和信息进行处理和分析、显示、故障诊断、报警以及实时控制,最终实现电缆实时监测:同时该系统还具备电缆设备隐患的预知维修系统,能在电缆缓慢形成的缺陷演化成故障之前发出报警,以便及时安排进行检修,防止因电缆绝缘破坏造成的大面积停产。本系统主要针对中小型电力机构的电缆各种状态参数监测的需要,本文以某发某厂配电系统为实际研究对象,设计出一套拥有相对独立的实时在线监测控制系统的硬件、软件平台。根据生产现场实际,电缆在线监测系统将设计成分散测量、集中监控的系统结构。它主要由4部分组成:数据采集、信号通讯传输、数据处理和故障诊断。系统结构组成见图1所示。

其中电缆在线监测系统的应用研究中,数据采集是一项关键工作,采集到的数据的准确性直接关系到是否真实反映了电缆设备运行状态,直接关系到系统的可靠性。其包括两大部分:一是电缆各状态参数采集模块。对电缆系统要害部位和易发生故障部位的各状态参数进行实时采集,在其内部将采集到的各状态值转换成数字信号,送入单片机集中处理。二是单片机监测与通信管理模块。该模块中单片机负责采集各状态数据并对采集来的各状态数据进行简单的处理,通过通信网络把传感器编号以及相应的各状态数据传送给监测中心上位机。通讯模块是监测中心与现场各状态参数采集和测试部分之间的数据传输的桥梁,主要提供上位机和下位机间、下位机与现场采集器内部的通信链路,其功能主要是完成数据的传输任务,要保证所采取的通讯方式的可靠性,其范围要覆盖整个发某厂配电系统在线监测与火灾预等系统,保证以最快的速度传送最准确的数据。数据处理和分析模块通过对从各现场上传的相关参数信息进行记录、保存、打印、备份、调查、归纳、综合、分析等工作,提炼出精华,对电缆早期故障进行预测,根据相关参数变化情况作出超温分析和温度升高率趋势分析等,形成一整套具有处理意见与决策的专家系统, 作为分析判断电缆故障的依据。

2 电缆在线监测系统的硬件设计

本文设计的电缆在线监测系统的硬件设计主要是针对中小型电力机构的电缆各种状态监测的需要,该系统采用了国内外先进的数字式传感器技术和一线多点的总线通信传输技术,从而大大地提高了系统的稳定性和可靠性,该系统适用于大面积、长距离、多侧点、工作条件恶劣的工业现场使用。硬件主要有:上位PC机、主控制机、采集器和传感器等组成。具体见图2。

2.1 上位PC机

本系统采用高性能计算机,保证每天24小时无故障工作,实现上位PC管理机与多台控制主机的通讯功能,可接受所有接头的数据并实现数据的报表、曲线等图形显示。如果发现相关数据超过设定值的情况,立即发出图像报警和声音报警信号。

2.2主控制机

以C8051单片机为核心,由单片机、存储器、通信接口组成。通过RS485通信接口、GPRS及公网与上位微机相连。主控制机主要完成巡检并输入所有采集器采集的数据。

2.3 采集器

采集器主要由单片机C8051、选择电路、通信电路、存储器等电路组成。单片机通过通道选择电路控制传感器完成数据的采集,采集的数据先被存储在外部存储器SRAM中,当主控制机要求采集器上传数据时,随时可将数据取出发送至主控制机。其中在采集器上还扩展了一片32K 的非易失性SRAMDCM0256 作为数据存储器, 用于储存DS18B20 的64 位串行系列码和采集的多点数据值。该存储器具有存取速度快, 且掉电时数据不丢失的特性, 能够满足系统的实际需求。通信模块是系统实现远距离传输和多机通信的关键。由于高压断路器的数据传送距离一般要求在几千米, 所以通信模块采用RS-485通讯接口。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力, 加上接收器具有较高的灵敏度, 能检测低达200MV 的电压, 故传输信号能在几千米以外得到恢复。

2.4 传感器

系统所用传感器是美国DALLAS公司最新产品――DS182O数字式传感器,能够准确测量相关数据。该传感器采用半双工数据通信接口,子站向它输入识别代码和命令字,它向子站输出数据 (均通过单总线进行)。子站的任务是实时采集传感器的一系列数据,简单处理后,通过接口电路把传感器编号以及相应的数据传送给主机。主机负责管理全部子站,接收各个子站传来的数据,并在Windows环境下以良好的用户界面管理和显示现场数据。

3 电缆在线监测系统的软件设计

本系统运用面向对象的思想和模块化程序的结构,基于对话框的模板设计,层次清晰,界面良好,扩展性较好。主控机程序采用窗口界面,开启系统后,系统分两个进程运行,一个负责和下位机的通讯,向其发出数据采集指令,进行数据采集和校验;另一个负责将采集来的数据经过校验和处理后,进行判断,对所有的数据都进行存储并实时显示给用户,如果有报警数据,则提示用户并显示故障位置,同时向下位机发出报警指令。功能模块图见图3。

总之,本文主要完成电缆在线监测控制部分的软件系统设计,结合某发某厂配电系统的实际研究情况,分析和设计出电缆在线监测系统的数据库结构、主控机、下位机及通讯接口等各部分的程序流程、用户界面和部分关键程序代码,为用户提供了一个友好的软件平台,充分发挥了现代各种硬件设备的优点,并通过软硬件联调,经实验测试该系统满足国标和现场要求,具备投入试运行的条件。

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