开关柜母线温度隔离检测系统—软件设计
摘 要
一直以来，安全生产、文明生产都是企业发展、社会安定的基础。尤其当前，我国的国民经济和社会文明都处于飞速发展的状态，对生产的安全性提出了更高的要求。电力系统是国民经济的命脉和发展的基础，因此电力系统中供配电设备的安全性、稳定性和可靠性也越来越受到广泛的关注。
开关柜是电力系统中最重要、运用最广泛的电气设备之一。而开关柜母线在开关柜中占据着重要地位。据有关统计，电力系统发生事故的原因中有很多是因为热问题产生的。由于开关柜一般为密闭装置，散热条件差，再加上用电设备长期满负荷甚至超负荷运行，导致发热量过大，热积累加剧，从而引发破坏柜内设备绝缘部件甚至短路、火灾等重大安全生产事故。其中，作为大电流载体的母线的安全保障至关重要。为保证电网的安全与稳定，并了解其变化趋势是有效减少此类事故发生的关键。
考虑到开关柜内母线特殊工作条件的特殊性，本文设计了一种能够实现接触式测量、无线传输并实时监控的开关柜母线温度监测系统。
温度采集装置安装在开关柜内，选用的DS18B20为采用特殊封装的数字式传感器，可与母线绝缘层直接接触测温。采集到的数据通过单线连接到开关柜外的单片机。AT89C51单片机作为一个处理、中转的核心，将采集到的数据通过LCD显示屏显示出来。还设有报警温度程序，当超过危险温度时，能通过无线通讯的方式将报警信息发送给安全维修员，并通过蜂鸣器示警。在保证人机通讯正常的情况下，本系统还提供一套当母线温度超过临界值时单片机会通过继电器驱动母联断路器跳闸的程序。保证大电网的运行的可靠性，不至于导致多处停电造成重大损失的现象。
关键词：开关柜 温度监测技术 测温技术
Abstract
All along, safe production and civilized production are the foundation for enterprise development and social stability. Especially at present, China's national economy and social civilization are in a state of rapid development, and put forward higher requirements for the safety of production. The power system is the lifeline and development of the national economy. Therefore, the safety, stability and reliability of power supply and distribution equipment in the power system are receiving more and more attention.
Switchgear is one of the most important and widely used electrical equipment in power systems. The switchgear busbar occupies an important position in the switchgear. According to relevant statistics, many of the causes of accidents in the power system are caused by heat problems. Since the switchgear is generally a closed device, the heat dissipation conditions are poor, and the long-term full load or even overload operation of the electrical equipment causes excessive heat generation and heat accumulation, which causes damage to the insulation components of the cabinet and even short-circuit and fire. Safety production accidents. Among them, the safety of the busbar as a large current carrier is crucial. In order to ensure the safety and stability of the power grid, and to understand its changing trend is the key to effectively reduce such accidents.
Considering the particularity of the special working conditions of the busbar in the switchgear, this paper designs a switchgear busbar temperature monitoring system that can realize contact measurement, wireless transmission and real-time monitoring.
The temperature acquisition device is installed in the switch cabinet. The DS18B20 is a digital sensor with special package, which can directly contact the bus insulation layer for temperature measurement. The collected data is connected to the microcontroller outside the switch cabinet through a single wire. As a core of processing and transfer, the AT89C51 MCU displays the collected data through the LCD display. There is also an alarm temperature program. When the dangerous temperature is exceeded, the alarm information can be sent to the safety maintenance personnel through wireless communication, and the alarm is triggered by the buzzer. In the case of ensuring normal human-machine communication, the system also provides a program for the MCU to trip through the relay-driven bus-coupled circuit breaker when the bus temperature exceeds a critical value. Ensuring the reliability of the operation of the large power grid will not cause major losses due to multiple power outages.
Key words: Switch cabinet;temperature monitoring technology;temperature measurement technology
目录
1 绪论 5
1.1课题研究的意义和背景 5
1.2母线测温技术的现状及分析 6
1.3课题总结 7
2 系统方案设计 8
2.1系统 8
2.2系统的功能 8
2.3系统的总体框架 8
2.4系统的工作原理 11
2.5本章小结 13
3 系统的仿真与调试 13
3.1系统仿真 13
4 系统的软件设计 13
4.1 编程语言及工具介绍 13
4.2 单片机程序的设计 14
参考文献.............................................................................................................22
1 绪论
1.1课题研究的意义和背景
母线作为开关柜重要电气设备，承担着汇集、分配和传送电能的重要工作。其运行的安全性直接关系着整个电力系统的安全。开关柜的故障种类很多，其中由于各种原因导致的热故障是影响开关柜安全性的最常见因素。据有关统计，电力系统发生事故的原因中有很多是因为热问题产生的。由于开关柜一般为密闭装置，散热条件差，再加上用电设备长期满负荷甚至超负荷运行，导致发热量过大，热积累加剧，从而引
发破坏柜内设备绝缘部件甚至短路、火灾等重大安全生产事故。及时测量柜内尤其是主要部件（如母线等）的温度，并了解其变化趋势是有效预防此类事故的关键，但是开关柜密闭结构的特点，使得人工巡检等常规检测手段难Ｗ方便地实施。因此进行开关柜母线温度在线监测，及时发现并解决母线由于异常温度升高引起的不正常运行状态，具有重大的工程意义和应用价值。
传统的温度监测方式已经难以满足现代电气设备的控制要求，如温度接触器等，其主要的缺点是温度波动范围广，由于其主要通过控制接触器的通断时间比来达到控制加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率低。现在国际上主要使用以单片机、DSP、PLC等为核心的温度监测系统，随着传感器与微技术的不断进步，温度监测系统向着微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器方面发展。多点测量是现在发展的一个趋势。例如：DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，从DS18B20读出或写入的信息仅需要一根口线。在单总线工作方式下，允许一条信号线上挂接多个DS18B20，特别适合于构成远距离多点温度测控系统，从而大大简化了系统布线，提高了可靠性，降低了成本，适合于恶劣环境下的现场温度测量。现在也发展到一些对色谱进行分析来反映温度状况的监测方式。
由于国外单片机技术起步早，基于单片机技术的测温传感器比之国内性能要更好。比如DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20，急采集测温数据、A/D转换于一体，单总线的连接方式大大简化了电路，使测量温度不再像过去一样需要连接复杂的电路来实现测温功能，降低了测温成本。国内在温度监测方面的技术也日益成。过去的是以继电器、电位器的间断来控制实现的。这种方式的精度低、超调量大，滞后严重。现在采用单片机与一些校正环节结合进行监测能够较好解决上述问题。
1.2母线测温技术的现状及分析
对于母线来说，因为一般其位于高电压、强磁场的环境里，所以要想实现对温度的实时监测必须对测量仪器进行电气隔离。因此，一般的测温方法难以对其测温。
目前全世界对电气设备母线温度测量的方法有以下几种：
（1）光纤传感测温技术
光纤传感测温技术结合了非接触测温方法和光纤传感技术，是目前国际上竞相研究的热门课题。在微区光纤瞬态测温技术中，引信(微金属丝或金属薄膜)在冲击电流下击穿或熔断瞬间发出微弱光辐射,，温度过程为数十微妙，辐射微区面积小于1 mm2。对这样的微区瞬态过程，传统的测试方法如热电偶法和红外测温法由于缺乏足够的时间分辨率和空间分辨率而无能为力。因此只能采用非接触测温法来达到高响应速度，并将光纤置于微区前端达到所要求的空间分辨率。这种测温技术不仅可以替代传统的测温技术，而且能解决传统测温方法所不能胜任的多种场合，精度高、动态范围大、抗干扰能力强。
（2）光纤光栅测温技术
光纤光栅是最近几年发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。光纤光栅是通过一定的方法在光纤纤芯形成永久性折射率周期性变化的光纤器件。光纤光栅的谐振波长与光栅的周期及模的有效折射率有关，当这些量由于外界因素的变化而发生改变时，谐振波长将产生偏移，通过测量谐振波长的偏移，可以间接测量外界物理量的变化。温度是引起光栅周期和模的有效折射率变化的一个主要因素。光纤光栅测温的工作原理是通过建立并标定光纤光栅的温度响应与被测参量变化的关系，测量出光纤光栅谐振波长的变化，从而计算出被测温度的变化。
（3）红外辐射测温
当处于某一背景的被测物体辐射的能量通过大气媒介传输到红外测温仪上时，它内部的光学系统将目标辐射的能量会聚到探测器(传感器)，并转换成电信号，再通过放大电路、补偿电路及线性处理后，在显示终端显示被测物体的温度。随着温度升高物体的辐射能量越强，辐射峰值向短波方向移动，并满足维恩位移定理，如公式1-1所示。
T·λm=2·897.8(μm·K)…………………………（1-1）
红外测温必须根据波长划分测温范围，高温在短波处，低温在长波处，且它的灵敏度高，抗干扰性强。在实际测量工作中，周围环境温度越高，产生附加辐射影响较大，误差也越大；被测物体本身温度越高，测量精度越高；不同感受波长的测温仪只适于测量相应温度的物体，才会减少在实际工作中的误差。
我们知道红外测温技术的应用是非常广泛的，存在着很多优点：
（1）在应用的过程中，能够做到在应用中不需停电，不需改变系统运行的整个状态。在不改变任何状态的情况下就可以监测到设备运行状态的最真实的信息，并能够保障在实际操作中的安全工作。
（2）在大量的扫描过程中可以通过不停地扫描成像，其中所显示的状态是比较快捷的。并且是非常灵活的，具有非常直观的，比较形象的，含有监测率非常高的状态，所使用的劳动力较低。
（3）不仅能够及时地检查设备是否存在故障，同时还可以不间断地定量反映存在隐患的严重程度，以此作为检修工作时间安排的依据。
然而，在实际生活的应用过程中也存在着一些不足之处：
（1）红外测温技术在配电网中应用，很容易受到环境的影响，空气中会有大量的灰尘，还有受气温的影响，温度的高低影响红外测温仪的使用。因此要特别注意天气变化。
（2）在运用红外线测温技术的时候，对于那些存有光亮的或者具有金属表面的物体，很容易影响测温的效果，使测温的读数不能够正常的阅读。
（3）有些测量设备由于有防护罩，使测量存在局限性。
（4）由于红外测温技术局限于测量物体的表面温度，这样就会影响测量的效果，对于物体的内部温度不能准确测量而造成误判。
1.3课题总结
21世纪以来，单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃发展。单片机的出现使得温度的采集和数据处理问题能够有效的解决，采用单片机对温度进行控制不仅具有控制方便、简单、灵活性大等特点，而且还能够大幅度提高被控温度的技术指标，从而提高开关柜内母线运行环境。所以我们应当顺应时代的发展，利用单片机来对开关柜母线温度监测进行编程。其次，红外测温技术灵敏度高，抗干扰能力强，经济性好，对于母线温度监测来说是比较好的选择。所以本设计采用红外辐射测温技术进行温度监测。
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