高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統的製作方法

2023-05-24 02:14:11 2

專利名稱：高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於輸變電設備狀態監測技術領域，涉及一種高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統 ，該系統通過檢測高壓開關櫃觸頭溫度，實時了解隔離觸頭溫度與高壓開關櫃體溫度相比的 溫升值，即時報警，避免出現隔離觸頭溫升過高，甚至燒毀，造成停電的現象。
背景技術：
目前，輸變電系統中普遍使用小車式開關櫃，並通過插頭聯接開關櫃與斷路器。若觸頭 接觸不良，將導致觸頭的接觸電阻增大，觸頭溫度上升，甚至會燒毀觸頭，造成輸變電系統 停電。這種現象在大電流開關櫃如進線柜上尤為突出，影響極大。為避免觸頭溫升造成的輸 變電系統停電事故，需對觸頭的溫升進行監測，及時採取相應的措施，降低觸頭溫度。現有 觸頭的測溫採用被動式測溫和主動式測溫。被動式測溫是通過接收觸頭被測量點幅射出的遠 紅外波，並判斷該遠紅外波的波長，確定被測量點的溫度。其優點在於通過溫升監測系統中 的凸透鏡直接接收被測量點發出的遠紅外波，接收器(傳感器)可遠離測量點，解決了高壓 隔離以及傳感器環境溫度高的問題，測量系統結構簡單；缺點是只可測量在傳感器直視範圍 內的被測量點的溫度，限制了該監測系統的應用範圍。主動式測溫則是通過埋設在被測量點 的溫度傳感器直接測量該測量點的溫度。其優點在於測量點的位置不受限制，傳感器安裝布 置靈活；缺點是傳感器在高溫、強電場和強磁場環境條件下，工作不可靠，且傳感器與主機 之間存在高電壓隔離和傳感器自身工作電源的問題。

發明內容
本發明的目的是提供一種高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統，實時監測高壓開關櫃觸頭 溫度的變化，該系統中的傳感器在高溫、強電場和強磁場環境條件下，工作可靠，並且可靈 活安裝布置，同時解決了傳感器與主機之間的高電壓隔離和傳感器自身工作電源的問題。
本發明所採用的技術方案是，高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統，包括依次相連接的中 繼器、轉換器和本地工作站，中繼器還分別與多個監測分機相連接，中繼器採用RS-485，轉 換器採用RS-485。
本發明的特徵還在於，
監測分機的結構包括微控制器分別與液晶顯示器、按鍵模塊、溫溼度傳感器、串行通 信接口、無線接收模塊、蜂鳴器、指示燈和繼電器相連接，無線接收模塊分別與9個無線溫 度傳感器節點相連接，9個無線溫度傳感器節點分別與感應電源相連接。微控制器採用C8051F020http:〃www. ic37. com/hot/C8051F020. htm單片機。 無線接收模塊包括依次相連接的微處理器、ZigBee物理層晶片和天線，微處理器和 ZigBee物理層晶片分別與電源模塊相連接。 微處理器採用MC9S08QG8。 ZigBee物理層晶片採用MC13192。 本發明監測系統具有如下優點
1. 系統核心採用微處理器控制，嵌入了多種智能化的控制算法，具有傳統控制方法無法 比擬的優越性。
2. 針對應用環境的複雜性，採用獨特抗幹擾技術和高可靠性設計，使系統具有抗幹擾能 力強和可靠性高的特點。
3..採用模塊化設計，可以方便的增加和刪減各種功能，拓寬了應用範圍，可為用戶量 身定做。
4. 採用冗餘設計，預留多個功能接口，可以方便的進行功能擴展。
5. 系統設計向下兼容，後續更新換代產品可以可前期同系列產品無縫的連接，方便系統 升級。
6..系統配置有液晶顯示器，對於能數字顯示的部分進行數字顯示，例如溫溼度值、當 前的時間。
7. 採用雙線串行連接進行數據通訊，兼容RS485和RS232接口。
8. 採用ZigBee無線溫度傳感器節點，解決了高壓開關觸頭處於高電壓、高溫度、強磁場 以及極強的電磁幹擾環境中電子測量裝置難以適應的問題。


圖l是本發明監測系統一種實施例的結構示意圖； 圖2是本發明監測系統中監測分機的結構示意圖； 圖3的本發明監測系統中無線接收模塊的結構示意圖； 圖4表示本發明系統中監測分機的流程框圖。
圖中，l.監測分機，2.中繼器，3.轉換器，4.本地工作站，5.微控制器，6.液晶顯示器 ，7.按鍵模塊，8.溫溼度傳感器，9.串行通信接口， IO.無線接收模塊，ll.無線溫度傳感器 節點，12.感應電源，13.蜂鳴器，14.指示燈，15.繼電器，16.微處理器，17.ZigBee物理層 晶片，18.電源模塊，19.天線。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
本發明監測系統一種實施例的結構，如圖1所示，包括依次連接的中繼器2、轉換器3和 本地工作站4，中繼器2還分別與多個監測分機1相連接，中繼器2採用RS-485中繼器，轉換器 3採用RS-485轉換器。
本發明監測系統中監測分機l的結構，如圖2所示，包括微控制器5，微控制器5分別與液 晶顯示器6、按鍵模塊7、溫溼度傳感器8、串行通信接口9、無線接收模塊IO、蜂鳴器13、指 示燈14和繼電器15相連接，無線接收模塊10分別與9個無線溫度傳感器節點11通過無線方式 相連接，9個無線溫度傳感器節點11分別與感應電源12相連接。
一套監測分機1中包含有9路無線溫度傳感器節點12，完成對9路觸頭、櫃體溫度的監測 ，9路無線溫度傳感器節點12同時向分機上的無線接收模塊10發送採集的信息數據，無線接 收模塊10在通過串口將採集的信息數據發送給微控制器5，並且每一路無線溫度傳感器節點 12都是每隔一秒發送一個8個字節的數據包，而每一套監測分機1中只有一個微控制器5，要 求微控制器5的速度很快，所以微控制器5採用C8051F020http:〃www. ic37. com/hot/C8051F 020.htm單片機，該單片機是一種混合信號SoC型8位單片機，其集成度很高，具有流水線指令結構；70%的指-令的執行時間為一個或兩個系統時鐘周期，速度可達25MIPS(時鐘頻率為25MHz時)，能實時對無線溫度傳感 器節點ll發送的信息進行處理。監測分機1通過RS485或CAN總線與本地工作站4相連。
無線接收模塊10接受無線溫度傳感器節點11傳輸的信息數據，並將接收到的信息數據傳 送至微控制器5，微控制器5在接收無線接收模塊10輸入信息數據的同時，還接收安裝於高壓 開關櫃櫃體的溫溼度傳感器8採集的溫度信息，微控制器5將接收到的兩種信息進行差運算， 計算出開關櫃的溫升值，並將該溫升值通過液晶顯示器6予以顯示。微控制器5還需將該溫升 值與預先設定的預警值和報警值進行比較，當計算得到的溫升值高於預先設定的值時，微控 制器5通過繼電器15打開安裝在高壓開關櫃櫃體上的指示燈14，並且開啟蜂鳴器13，進行預 警或報警，提醒檢測人員做出相應措施。
無線接收模塊10實現了觸頭溫度監測節點與監測分機1之間的無線通信，相當於ZigBee 網絡中的全功能設備(FFD)，無線接收模塊10垂直插在主電路板上(由於無線接收模塊屬 於高頻電路板，垂直插在主電路板上可以減少其對主電路板的影響)，其結構如圖3所示， 包括依次相連接的微處理器16、 ZigBee物理層晶片17和天線19，微處理器16和無線模塊17分 別與電源模塊18相連接。
微處理器16採用MC9S08QG8。 ZigBee物理層晶片17採用MC13192。
無線溫度傳感器節點ll相當於ZigBee網絡中的精簡功能設備(RFD)，由無線模塊17、DS18B20數字溫度傳感器和電源模塊18組成。
9路無線溫度傳感器節點ll和無線接收模塊10組成了一個小型ZigBee網絡，該ZigBee網 絡採用具有縮減功能的ZigBee協議棧，其主要功能包括SPI接口讀寫操作、ZigBee晶片的初 始化、數據發送、數據接收、CCA檢測、PHY數據結構生成和MAC層數據結構生成等。該 ZigBee協議棧可以組成星形網絡，實現本監測系統基本的數據傳送功能。無線模塊17採用的 MC13192具有碰撞避免策略，同時採用了空閒信道能量評估策略，使得固定區域內的監測分 機l不會發生誤收或不收某分路無線溫度傳感器節點ll發出的信息的現象。
電源模塊18由感應線圈和整流濾波電路構成。該感應線圈由鐵芯和繞線構成，整個感應 線圈被澆鑄封裝在環氧樹脂內再套在觸臂上，由於流過高壓開關櫃觸頭的電流是交變電流， 通過電磁感應，感應線圈(相當於變壓器)從一次電流迴路取電，產生感應電流，並將該感 應電流輸送給整流濾波電路，整流濾波電路將輸入的感應電流進行整流濾波處理，為無線模 塊17提供3. 3V電壓。經測試感應線圈一次迴路電流在40A 8000A範圍內，該感應線圈均能穩 定工作，當感應線圈一次迴路電流小於40A時，對於大電流高壓設備來說，認為觸頭不發熱 ，因此，感應線圈一次迴路電流小於40A時，不需對觸頭的溫度進行檢測，此時無線溫度傳 感器節點ll無需工作。鐵芯與線圈的結構和設計參數根據觸頭的形狀、大小及觸臂的外圍形 狀確定。
電源模塊18中的DS18B20數字溫度傳感器通過高壓屏蔽線與電源板連接，提供9位溫度讀 數，指示所測器件的溫度。測得器件的溫度信息經過單線接口送入該溫度傳感器或從該溫度 傳感器送出，微處理器16與DS18B20數字溫度傳感器之間僅需連接一條線(和地)。該溫度 傳感器的讀、寫和完成溫度變換所需的電源由數據線本身提供，而不需要外部電源，其測量 範圍從-55。C至+125。C，增量值為0.5。C。
無線溫度傳感器節點11的電源模塊中有一個電可擦寫可編程只讀存儲器AT24C02，用來 存儲無線溫度傳感器節點11的地址，並可以多次修改該地址。
高壓開關櫃運行在高電壓、大電流的環境中，而輸變電系統發生事故的瞬間，經常出現 強烈的電磁暫態過程，都產生強電場、強磁場及強電磁幹擾，不利於微電子系統及微弱信號 的處理。無線溫度傳感器節點ll靠近斷路器觸頭，為了避免強電場、強磁場及強電磁的幹擾 ，將無線溫度傳感器節點ll澆鑄封裝在環氧樹脂內，利用環氧樹脂體系具有的高介電性能、 耐表面漏電和耐電弧的優良性能，起到很好的隔離作用。無線溫度傳感器節點ll中的 DS18B20溫度傳感器從環氧樹脂中伸出，直接固定在待測觸頭的觸臂上，與測溫點處於同一 電位，減少電場的影響，快速準確感應觸頭的溫度變化。為消除隨機因素的幹擾，利用觸頭溫度變化相對緩慢的特點，對檢測點的溫度信號反覆接收，多次採集，排除異常數據以保證 數據的可靠。
監測分機l的程序流程圖，如圖4所示。該流程為無限循環，無線溫度傳感器節點ll和溫 溼度傳感器8不停地對開關櫃、觸頭和開關櫃按鍵的狀態進行監測，並將監測到的信息輸入 微控制器5，微控制器5對接收到的信息進行處理，同時，可通過按鍵模塊7向微控制器5輸入 相應的指令，使得微控制器5實時輸出各種控制信號，最後清除看門狗計數器，以確認系統 正常運轉。
本系統預先設定報警優先級高於預警優先級，只要接收到觸頭的溫升值高於報警值，都 將直接進行報警。每次發出預警或報警信號(前面板的預警或報警燈閃爍)後，系統返回監 測狀態進行査詢判斷。進行預警或報警後，在網關節點達的溫度低於預先設定的預警或報警 值2 以下，用於預警或報警的指示燈才會熄滅，防止了溫度反覆變化而導致得到的預警或報 警指示燈亂閃。
本發明監測系統的工作過程
監測分機1首先通過串行通信接口9接收上位機發送的各參數數據，並將接收到的數據通 過液晶顯示器6予以顯示，同時通過液晶顯示器6顯示無線溫度傳感器節點11傳輸的觸頭實際 溫度與櫃體溫度的差值和溫溼度傳感器8監測到的外部環境溫度與溼度，根據設定的觸頭溫 度值，通過微控制器5控制蜂鳴器13鳴響和指示燈14發光，實現預警和故障報警。並且通過 串行通信接口9向本地工作站4上報報警信息與通信，上報査詢溫度、狀態信息和更改系統溫 度設置。通過按鍵模塊7完成6位鍵盤數據的錄入；向溫溼度傳感器8提供電源且完成信息採 集。通過串行通信接口9和無線接收模塊10，分別實現無線通信數據的採集、系統數據打包 處理，電平轉換上報回傳、數據處理驅動液晶和根據溫度值控制3路繼電器，通過3路繼電器 控制安裝在開關櫃前面板上的3路指示燈。在不影響正常運行條件下，可在線輸入新的報警 數據，新的數據在確認鍵按下後生效。
本監測系統兼容多種作業系統，能在高電壓、高溫度及強磁場環境中，對高壓開關櫃觸 頭的溫升值進行實時監測，完成各匯聚節點數據的收集、存儲、査詢和報表輸出，方便地支持用 戶二次開發。
權利要求
1.高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統，其特徵在於，該監測系統包括依次相連接的中繼器(2)、轉換器(3)和本地工作站(4)，中繼器(2)還分別與多個監測分機(1)相連接，中繼器(2)採用RS-485，轉換器(3)採用RS-485。
2 按照權利要求l所述的監測系統，其特徵在於，所述的監測分機 (1)的結構包括微控制器(5)分別與液晶顯示器(6)、按鍵模塊(7)、溫溼度傳感器 (8)、串行通信接口 (9)、無線接收模塊(10)、蜂鳴器(13)、指示燈(14)和繼電器 (15)相連接，無線接收模塊(10)分別與9個無線溫度傳感器節點(11)相連接，9個無線 溫度傳感器節點(11)分別與感應電源(12)相連接。
3 按照權利要求2所述的監測系統，其特徵在於，所述的微控制器( 5)採用C8051F020單片機。
4 按照權利要求2所述的監測系統，其特徵在於，所述的無線接收模 塊(10)包括依次相連接的微處理器(16) 、 ZigBee物理層晶片(17)和天線(19)，微處 理器(16)和ZigBee物理層晶片(17)分別與電源模塊(18)相連接。
5 按照權利要求4所述的監測系統，其特徵在於，所述的微處理器( 16)採用MC9S08QG8。
6 按照權利要求4所述的監測系統，其特徵在於，所述的ZigBee物理 層晶片(17)採用MC13192。
全文摘要
高壓開關櫃觸頭溫度在線監測系統，包括依次相連接的中繼器、轉換器和本地工作站，中繼器還分別與多個監測分機相連接，中繼器採用RS-485，轉換器採用RS-485。本發明監測系統能在高電壓、高溫度及強磁場環境中，對高壓開關櫃觸頭的溫升值進行實時監測，通過檢測高壓開關櫃觸頭溫度，實時了解隔離觸頭溫度與高壓開關櫃體溫度相比的溫升值，即時報警，避免出現隔離觸頭溫升過高，甚至燒毀，造成停電的現象，同時完成各匯聚節點數據的收集、存儲、查詢和報表輸出。
文檔編號G08C17/02GK101576416SQ20091030355
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月23日 優先權日2009年6月23日
發明者毅 田, 黃新波 申請人:西安工程大學