本科生畢業設 計 任務下達日期： 2009 年 3 月 5 日 畢業設計日期： 2009 年 3 月 5 日 至 2009 年 6 月 10 日 畢業設計題目： 高壓開關柜溫度在線監測系統 畢 業設計專題題目： 畢業設計主要內容和要求： 1)分析掌握微機綜合保護器功能及工作原理 ； 2)了解電氣產品電磁兼容性要求及設計方法 ； 3)對微機綜合保護器的電磁兼容 做 出詳細設計 ； 4)翻譯電氣自動化方面專業外文資料約 3000字 。 摘 要 開關柜是保證電力系統安全運行的重要設備之一，但是經常因為開關柜局部過熱，而引起事故，造成損失。在以往的開關柜過熱故障檢測中，采用人工巡檢，不僅費時、費力，而且不易及時發現事故。開關柜過熱故障在線監測系統不僅克服了開關柜內高溫、高壓、強磁場環境下溫 度不易監測的難題，而且通過監控軟件實時顯示開關柜內測點的當前溫度值，并做出報警處理，節省了大量人力、物力，提高了事故預判的準確性、實時性。 本文從硬件和軟件兩個方面介紹了監測系統的設計過程。硬件方面設計了兩種不同的溫度傳感系統 ： 中壓開關柜過熱故障監測采用光纖式溫度傳感器，同時采用光纖傳輸數據 ； 低壓開關柜采用單總線數字式溫度傳感器，數據采用無線傳輸。監測系統軟件主要實現了實時顯示測點溫度，并對溫度數據做出分析、報警、保存等功能。及時提醒工作人員對報警情況做出處理，避免事故的發生。 關鍵詞 ： 開關柜 在線監測 溫度傳感器 實時監控軟件 MFC ADO Abstract As the most important equipment, Metal-clad switchgear guarantee the safe operationof electric power system. Sometimes, the temperature of part of Metal-clad switchgearmaybe over the limit of safe operation, and then arouse accident, bring losing. In past,workers check up the Metal-clad switchgear on schedule, which takes time and hardsledding, can not work efficiency and betimes. On-line real-time monitoring fortemperature overcome the difficulties of high temperature, high voltage and high magneticfield, to be a new method of checking up the Metal-clad switchgear. It can show thetemperature of the spot of being monitored, judge the temperature and give an alarm. Thesystem saves lots of resource and improves the veracity. The paper presents the detail about the procedure of the design for the system fromboth hardware and software aspects. There are two defferent design of hardware: opticalfiber temperature sensor is used for middle-voltage Metal-clad switchgear, which data istransferred by optical fiber; another one is 1-Wire Digital Thermometer, it is used forlower-voltage Metal-clad switchgear, and the data is transferred by unwired. The softwareof On-line real-time monitoring for temperature can show the temperature real-time,analyse the data, gave an alarm, save the data, and so on. The system can awoke theworkers about the alarm in time, avoiding the accident. The result of the axperiment indicates the new system works well, it has accomplishedthe design aims of anticipating, providing a good guarantee of the safe operation ofMetal-clad switchgearKey words: Metal-clad switchgear. Keywords: monitoring softwareon-line monitoring MFC ADO 目 錄 1 緒論 . 1 1.1課題背景和意義 . 1 1.2開關柜溫度監測技術的研究 . 2 1.3系統監測軟件的設計需求 . 3 1.4課題主要任務 . 4 2 開關柜在線監測系統的總體設計 . 6 2.1監測系統硬件結構 . 6 2.2監測系統軟件功能設計 . 7 3 監測系統的硬件設計 . 10 3. 1光纖式溫度監測系統設計 . 10 3.1.1光纖式溫度傳感器 . 11 3.1.2光纖溫度在線監測儀 . 12 3.1.2 Nsmart接口通信協議 . 14 3.2單總線數字式溫度傳感器電路設計 . 17 3.2.1單總線數字式溫度計 . 17 3.2.2溫度監測模塊 的其他外圍元件 . 20 3.2.3單總線溫度監測系統設計 . 23 3.3兩種溫度監測硬件設計比較總結 . 23 4 監測系統軟件設計 . 25 4.1軟件開發平臺介紹 . 25 4.2軟件總體設計 . 25 4.2.1多線程的編程模式 . 25 4.2.2線程間的通信 . 29 4.2.3多線程編程設計要點 . 30 4.3軟件功能模塊設計 . 32 4.3.1溫度報警功能的實現 . 37 4.3.2通信模塊編程 . 39 4.4本章小結 . 40 5 監測系統的運行及調試 . 41 5.1監測系統軟件的功能調試 . 41 6 總結 . 42 參考文獻 . 43 翻譯部分 . 44 英文原文 . 44 中文翻譯 . 58 致謝 . 68 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 1 頁 1 緒論 1.1 課題背景和意義 “ 高 低壓開關柜過熱故障在線監測系統”是為減輕人工巡檢的負擔，實現開光柜溫度實時監測、提前報警而合作開發的實時溫度監測系統。發電廠、變電站的中低壓開關柜是保證電力系統安全運行的重要設備之一。但在運行過程中，經常因為發熱引起設備燒毀或突然停電等事故，導致大量的經濟損失。現代電力系統對電能質量的要求越來越高，相應地對開關柜運行的可靠性也提出了更高的要求。同時，隨著 傳感器技術、信號處理技術、計算機技術、人工智能技術的發展，使得對開關柜的運行狀態進行在線監測，及時發現故障隱患并對累計性故障做出預測成為可能。它對于保證開關柜的正常運行，減少維修次數，提高電力系統的運行可靠和自動化程度具有重要意義。在設備長期運行過程中，開關柜中的觸點和母線排連接處等部位因老化或接觸電阻過大而發熱，或母線與觸點在載流過大時經常出現溫升過高，使相鄰的絕緣部件性能劣化，而這些發熱部位的溫度無法監測，由此最終導致擊穿甚至火災而造成事故。電氣設備的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流 作用下，接頭溫度升高，接觸電阻增大，惡性循環造成隱患，此類故障占外部熱故障的 90%以上。統計近幾年來檢測到的外部熱故障的幾千個數據，可以看到線夾和刀閘觸頭的熱故障占整個外部熱故障 的 77%。電氣設備內部熱故障的特點是故障點密封在絕緣材料或金屬外殼中，如電纜。內部熱故障一般都發熱時間長而且較穩定，與故障點周圍導體或絕緣材料發生熱量傳遞，使局部溫度升高，因此可以通過檢測其周圍材料的溫升來診斷電氣設備的內部故障。根據電力事故分析，電氣設備過熱故障可引起火災導致大面積設備燒損，造成被迫停電，短時間內無法恢復生產，造成 重大經濟損失。近年來，在發電廠和變電站已經發生多起開關柜過熱事故，造成火災和大面積的停電事故，解決開關柜局部過熱問題是杜絕此類事故發生的關鍵。因此，必須采取有效措施監控開關柜內母線與觸點等的溫度。 為了提高供電可靠性，減少停電時間和次數，保證用戶長期、穩定、安全的用電，有必要 設計 能實時監測并記錄電力設備關鍵點的溫度變化的監測系統，預測可能引起火災或設備故障的局部過熱情況，為現場設備的安全運行提供可靠保證。同時又可以作為電氣設備故障的溫度記錄器，能在設備故障發生之前 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 2 頁 發出報警及檢修建議，讓管理人員及時發現故障前兆 ，提前采取防患措施，變“定期檢查”為“按狀態檢修”減少大量的人力物力。通過監測開關柜內觸點溫度的運行情況，可有效防止開關柜的火災發生，由于開關柜內高壓狹小的結構，很難進行人工巡查測溫，因此實現溫度在線監測是保證變電站開關柜安全運行的重要手段。 1.2 開關柜溫度監測技術的研究 由于開關柜觸頭及母線處于高電壓、高溫度、強磁場以及極強的電磁干擾環境中，要實現對它們的測溫，必須解決電子測量裝置在上述惡劣環境條件下的適應性，解決溫度傳感器的電位隔離、抗電磁干擾、小尺寸和便于安裝等問題。目前常用的溫度監測方法有下列幾種 ： 1 熱敏電阻式測溫系統 ： 熱敏電阻具有體積小、溫度響應快、產品成熟、成本低等優點，可以顯示溫度值，但由于每個熱敏電阻都需要獨立的接線、布線復雜且熱敏電阻易損壞、維護量大，傳感器不具備自檢功能，需要經常校驗，因此不常采用。 2 紅外探頭測溫系統 :紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優點。紅外測溫儀器主要有 3 種類型 :紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀 （ 點溫儀 ） 。非接觸紅外 測溫儀 包括 ： 便攜式、在線式和掃描式三大系列，可以在線監測。但由于系統穩定性不高，體積較大，受安裝空間限制，外加受環境影響嚴 重，誤報較多，也不常采用。 3 示溫蠟片 /試溫蠟片 溫 ： 采用“示溫蠟片 /試溫蠟片”存在一些問題，一是在粘貼時普遍采用清漆將“示溫蠟片 /試溫蠟片”粘貼在電氣設備需要測試的部位，這樣粘貼牢固后，待測點溫度達到“示溫蠟片 /試溫蠟片”相同溫度時，不能脫落下來，只有溫度超過很大程度才會脫落下來，這樣很容易給操作人員造成 誤導，判斷不及時。二是 :“示溫蠟片 /試溫蠟片”只能靠熔化現象表示發生了 過熱，現象不直觀也不易發現。三是 :電氣設備的負荷是隨用戶需求量變化的，接點溫度也是隨之變化的，當被監視的電氣設備接點發生了不同程度的過 熱，使用“示溫蠟片 /試溫蠟片”不能隨之不同程度熔化或脫落下來。 4 使用示溫記錄標簽 :“示溫記錄標簽”是以膠粘貼固定的，只要在測溫范圍內發生了過熱，就可以繼續保留在貼片接點部位。“示溫記錄標簽”表面涂一層隨溫度變化而改變顏色的發光材料，通過觀察其顏色變化來大致確定溫度范圍，這種方法準確度低、可讀性差，不能進行定量測量，因此也 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 3 頁 不能滿足現在系統監測的需要。 其它還有 ： 采用雙 CCD彩色 CCD及 NICCD)成像技術，基于比色測溫原理，研制生產可以實現大范圍目標溫度全面實時測量的高溫測量電視系統。提高了測溫的靈敏度、 線性度、檢測速度，而且大大地減少了檢測過程對目標物體發射率的依賴性，做到了不受檢測距離的影響，成功地解決了溫度場動態實時檢測的技術難題。但是這種方法成本太高，并不利于大面積推廣。或者采用新興 ZigBee 組網技術，研制、生產的 ZBT 1. 0型無線測溫系統，實現對電力系統的高壓和超高壓母線、高壓開關接點 (以 2 及人員無法接近的其他危險、惡劣環境 )的溫度進行實時在線檢測，經過與電力自動化系統連接，在中心監控室內就可以監視運行狀態，真正做到了遠距離遙測，當被測點溫度超過預先設定的閥值時，就發出報警信號及時提醒有關人 員采取措施。國內 ZigBee 無線傳輸系統仍然處于實驗階段，技術并不成熟，而且對于單片機、無線發射模塊在高溫、高壓、高磁場的環境下的穩定運行并不能保證。 根據以上分析，電力系統中需要一種高性能、穩定、低成本、安裝方便、不需外供電源的開關柜溫度監測設備，并組成相應監測系統。 為實現上述溫度在線監測的功能，現有兩種不同的溫度傳感系統滿足需求。一種是分布式光纖溫度傳感系統。分布式光纖溫度傳感系統原理是同時利用光纖作為溫度傳感敏感元件和傳輸信號介質，采用先進的 OTDR 技術，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應變的變化，實 現真正分布式的測量。溫度測量原理是基于 Raman散射效應的分布式溫度傳感系統，光纖光柵溫度在線監測系統采用布置在各個觸點的光柵傳感器將溫度信號通過光纖傳至網絡分析儀。由于利用了光纖光柵固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能，并具有極高的可靠性和安全性，因此從根本上解決了開關柜內母線及觸點運行溫度及柜內環境溫度不易監測的難題。 對于在線監測包括母線連接處的溫度及斷路器等觸頭溫度的另一種溫度傳感器，常用的還有單總線數字溫度傳感器、石英傳感器、光微薄硅溫度傳感器和吸收型光纖溫度傳感器，它們分別以石英晶體、硅片及玻璃構成的Fabry perot槽和 GaAs晶體作為感溫元件，并對數據無線傳輸，這就有效地解決了電磁干擾問題。 1.3 系統監測軟件的設計需求 變電站中低壓開關柜過熱故障在線監測系統是基于分布式溫度測量、數據采集與傳輸、顯示及報警等部分組成的計算機實時溫度監測系統。此系統 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 4 頁 采用分布式、可組網、隔離性能良好的高精度溫度傳感器，對變電站中低壓開關柜內的母線、斷路器與隔離開關觸點、互感器 (包括電纜接頭 )等這些易產生異常溫升的部件實現在線溫度測量與監控。利用溫度采集單元采集多路溫度信號并通過 RS232 或 RS485 總線上傳到監控主 機，主機采用巡檢式 (查詢式 )工作方法，逐一巡檢每個測量點的溫度，并可統計、打印、報警，設定工作溫度范圍，顯示每個開關柜內測量點的溫度及歷史數據。 系統軟件需要實現多種報警方式，當發生報警時，主監控計算機能自動彈出報警窗口，顯示出報警時間、報警測點名稱和安裝部位，同時發出聲、光報警并可以打印報警記錄，提醒運行人員檢查。所有的報警信息都被記錄數據庫中，以備查閱。系統能提供完善的分析功能，包括超溫分析、溫升趨勢分析、相間溫差分析，并能做出報警、對比、歷史記錄統計與分析等處理，保障工作人員在開關柜發生事故之前做出及 時處理。測控軟件可以建立開關柜設備數據庫，幫助工作人員監測和分析開關柜內母線與觸點的過熱情況，預測出故障發生的部位，保證開關柜設備的安全運行。監測結果可通過本地數據庫進行存儲，監測結果和統計 報表可通過屏幕和打印機與網絡等多種方式進行輸出。 1.4 課題主要任務 根據項目的要求，開關柜溫度監測系統的設計主要有以下幾個方面 ： 1)溫度測量、信號隔離與傳輸對于中高壓開關柜的過熱故障監測采用光纖式溫度傳感器，用光纖進行高壓隔離和信號傳輸。利用光纖固有的絕緣性和抗電磁場干擾性能，從根本上解決了開關柜內母線與觸點溫度不易 監測的難題。對于低壓開關柜的過熱故障監測采用單總線數字式溫度傳感器，數據傳輸采用無線傳輸方式，以實現高、低壓側的電隔離。 2)溫度的數據采集 光纖式溫度傳感器將母線與觸點的溫度值轉換為模擬量，通過數據采集變換器轉化為數字信號，通過通訊總線，上傳到控制計算機，實現溫度在線監側。系統采用完全的總線測量方式，使系統的擴展和與其它網絡互連變得很方便。 單總線數字式溫度傳感器直接測量母線與觸點的溫度，通過無線傳輸到數據采集器，然后傳送到監控中心。多只數字式溫度傳感器可直接連接到一條總線電纜上，在擴展測點時不受布線的限 制。 3)軟件設計 系統軟件有在線監測和實時分析兩個主要功能。軟件具有在線采集、監 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 5 頁 測、分析現場溫度的功能，實時分析則包括超溫分析、溫升趨勢分析、相間溫差分析等，并能做出報警、對比等處理，保障工作人員在母線或觸點發生事故之前做出處理。軟件還具有歷史記錄分析、查看等功能，實現對相應測點歷史運行狀態的查看，評估。 本課題在完成以上研究的同時，要實現 完整的系統調試。 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 6 頁 2 開關柜在線監測系統的總體設計 本設計方案中，變電站中低壓開關柜溫度監測系統以微型計算機作為監測核心， 結合高 精度的溫度傳感器、數據采集變換器及可靠的通訊技術，構成功能強大、操作簡便、工作安全可靠的在線溫度監測系統。在系統設計中，充分考慮系統的可操作性、可靠性等，使系統能夠應用于實踐并加以推廣。 2.1 監測系統硬件結構 整個監測系統的硬件由溫度傳感器、信號傳輸線纜 (光纖或者無線通信 )、數據采集變換器、 RS-485 總線、 RS-485/RS232 轉換器以及監測中心構成，系統總體連接示意圖如 2-1 所示 : U P S 2 2 0 VR S 2 3 2 - R S 4 8直 流 2 4 V 開 關 電源溫 度 采 集模 塊溫 度 采 集模 塊溫 度 采 集 模塊溫度傳感器計 算 機圖 2-1 系統總體連接示意圖 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 7 頁 其中，系統設 計要求每個開關柜有 6 個溫度監測點，即每個溫度采集模塊連接 6 個溫度傳感器。系統采用兩種不同的溫度監測方式，分別利用不同的數據傳輸方式，并需要設計相對應的溫度采集模塊。在高溫、高壓以及強磁場的環境下，必須保證監測系統的正常工作，測溫和信號傳輸的準確性。各硬件模塊的選擇和功能如下 ： 1)溫度傳感器 ： 溫度傳感器是組成整個監測網絡底層的工作單位，保證傳感器長期、穩定的工作是系統運行的保證。基于綜合考慮，對于中高壓開關柜的過熱故障監測采用光纖式溫度傳感器，并采用光纖傳輸數據。對低壓開關柜的過熱故障監測采用單總線數字式 溫度傳感器 DS1820，監測數據采用無線傳輸。 在監測系統中，傳感器通常緊貼需要監測的母線排、開關觸點等安裝。要求傳感器測溫精度不小于 100。 2)溫度采集模塊 每個開關柜設置一個溫度采集模塊，實現該開關柜內溫度監測數據的采集，并將數據傳送到監測中心。對于兩種不同的溫度傳感器，需要設計不同的溫度采集模塊 光纖式數據采集器采用 Nsmart 光纖式溫度監測儀接收光纖信號，完成溫度數據的轉化。單總線數字式溫度傳感器 DS1820 通過無線傳輸數據，需要無線接收模塊實現數據的接收與轉發。溫度采集模塊可安裝在開關柜面板，并 需要外部提供 24V 直流電源供電。 3) RS-485總線 在溫度采集模塊和監測中心之間采用 RS-485 電纜進行通訊連接，以保證信號可靠的傳輸， RS-485通信在 1200m 內可以保證可靠的通信質量，因此監測計算機與最遠的開關柜間距離應小于 1200m。監測計算機一般采用工控機，而工控機只帶有 RS-232接口，故 RS-485總線末端需要用 RS-485/RS-232轉換器進行信號轉化，方便系統軟件的數據采集。 4)監測中心 監測中心是由工業控制計算機構成 (含不間斷電源 UPS)，保證對系統進行實時監測。監控中心通過 系統軟件對接收到的溫度信號進行適當的處理，完成顯示、報警等功能。 2.2 監測系統軟件功能設計 軟件開發使用 Microsoft Visual C+ 6. 0 的基礎類庫 MFC, MFC 作為大型的工程編程語言，已經大量的應用于實踐當中。它提供了大量預先編寫 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 8 頁 好的類及支持代碼，大大減少了工程開發的時間，提高了工作效率。 系統軟件由在線監測和實時分析兩個主要部分組成。軟件具有在線采集、監測、分析現場溫度的功能，這些分析包括超溫分析、溫升趨勢分析和相間溫差分析，并能做出報警、預報警 (包括溫升預報警，三相相間溫差預報警等 )、報警日志記錄等處理。可以在數據庫中保留歷史數據，作查看與分析使用。 系統功能模塊可大致分為開關柜自檢模塊、溫度管理模塊、數據顯示與分析統計模塊、溫度報警模塊、日志記錄和系統安全模塊等組成。各模塊功能如下 : 1)自檢模塊 為了使監測系統能夠可靠的工作，系統在第一次上電時對溫度采集模塊、傳感器等硬件設備進行自檢。同時在系統工作中，也可以通過比較采集到的數據，提示可能發生的故障 ： 如采集器通信故障、光纖故障 (含溫度傳感器故障 )等。自檢模塊通過在系統運行過程中的自檢，方便設備的檢查、維修工作，同時保證設備正常有效 的工作。 2)溫度管理模塊 溫度管理模塊主要實現對溫度報警限值的設置。系統需要根據報警限值來對數據進行分析和報警。根據開關柜溫度監測的實際需求，溫度報警限值主要有三種 :溫度上限報警值，溫升趨勢報警值和相間溫差報警值。溫度報警限值的設置需要用戶根據現場的實際情況，并且溫度報警限值的設置和修改需要具有管理員操作權限。 3)數據顯示與分析統計模塊 該模塊可對采集到的數據進行實時顯示與分析，各測點溫度的實時顯示可以用數碼管顯示框或溫度實時變化曲線來反映，同時也可以實時顯示溫升曲線 ;相間溫差也可用數碼管顯示框或溫差實 時變化曲線圖來反映。此外該模塊可通過讀取保存在數據庫中的歷史數據，對所有測點溫度的數據和變化情況進行分析和統計。如可查看測點溫度的日平均值、最高值、最低值及對應的檢測時間 ;可查看各測溫點的溫度歷史曲線，溫升歷史曲線，相間溫差歷史曲線。 4)溫度報警模塊 系統通過對實時數據與報警限值的比較來做出報警判斷。系統報警時，對應數據顯示與報警狀態指示燈都會變成橙色，同時激活聲音報警系統，提示操作人員檢修。操作人員可以通過點擊實時溫度監測按鈕來查看報警傳感器，并可以通過點擊報警傳感器彈出報警對話框，查看報警測點的準確位 置、 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 9 頁 測點名稱以及這次報警的詳細時間。報警對話框還可以顯示最近一個小時內的溫度變化曲線圖。由于系統能指示出故障發生的準確部位，因此能有效指導檢修工作。報警信息可被長期記錄。 5)日志記錄模塊 考慮到安全操作的需要，在系統開機后，所有與監測系統有關的操作都將被記錄，如什么時候開始登錄監測系統，何時執行了何種操作等。如果出現問題，操作人員就可以查看歷史日志，完成修復工作。 6)系統安全模塊 考慮到系統運行的安全問題，系統對操作做了分級控制，普通操作員一般只能進行常規操作 (如讀取數據并查看 )，而對報警的上下限、一些 重要的參數等設置只能由系統管理員完成。 上述對系統軟、硬件的大體設計。它的功能設計基本上滿足開關柜系統監測的需要，避免了開關柜內惡劣環境對溫度監測和數據傳輸的影響。系統監測軟件能夠很好的完成報警，分析，設置等功能，使工作人員不必再對開關柜執行巡檢，大大減少了工作量，提高溫度監測的自動化程度。 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 10 頁 3 監測系統的硬件設計 3. 1 光纖式溫度監測系統設計 光信號，將其解碼為標準的攝氏溫度數值。圖 3-1顯示了光纖測溫儀的結構組成 ： 在開關柜溫度實時監測系統中，傳感器是底層的硬件設備。開關柜內部 是高電壓、高溫度、以及強磁場的環境，在這種環境下實現對開關觸頭以及母線等的溫度測量，必須解決電子測量裝置在上述環境條件下的工作可靠性，解決溫度傳感器的電位隔離、抗電磁干擾、小尺寸和便于安裝等問題。光纖式溫度在線監測儀采用光纖進行高壓隔離和信號傳輸，利用光纖固有的絕緣性和抗電磁場千擾性能 , 從根本上解決了高壓開關柜內觸點溫度不易監測的難題。 Nsmart光纖式溫度監測儀是北京安伏電子技術有限公司開發的，用于監測高溫 , 高壓設備的光纖溫度監測系統。采用先進的光纖和光電子技術，在溫度測點和測溫儀表之間使用光導纖維 進行高壓隔離和信號傳輸，因此具有極強的抗干擾性能。溫度監測儀接受來自光纖傳感器的 圖 3-1 Nsmart光纖測溫儀的結構組成 Nsmart光纖式溫度監測儀單個單元裝置包括溫度傳感器、傳輸光纖、監測儀主機三個部分。測量電路轉換測溫點采集的溫度量為相應的電信號，經邏輯控制電路產生數字信號并傳給光調制器調制后由光纖傳給監測儀主機，由 LCD 屏顯示各測點溫度。監測儀主機可以將溫度數據通過 RS-485 通訊總線傳到監控中心作進一步處理，實現開關柜溫度的集中監測、處理。 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 11 頁 3.1.1 光纖式溫度傳感器 1)光纖光柵溫度傳 感器原理 光纖光柵就是一段光纖。光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，光纖的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化的特性。而在纖芯內形成的空間相位光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的 (透射或反射 )濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小，易與光纖禍合，可與其它光器件兼容成一體，不受環境塵埃影響等一系列優異性能。光纖光柵的種類很多，主要分兩大類 ： 一是 Bragg光柵 (也稱為反射或短周期光柵 );二是透 射光柵 (也稱為長周期光柵 )。光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非周期光柵。光纖沿徑向從里向外分為纖芯、包層、涂覆層三部分，用特殊的紫外光照射工藝，光纖纖芯折射率受到永久的周期性微擾而形成一種光纖無源器件。它能將入射光中某一特定波長的光部分或全部反射。滿足布拉格條件的波長被光纖光柵反射，相關公式如下 ： 2b n 其中 b 是被反射的波長是光纖光柵的有效折射率為光柵周期通過拉伸和壓縮光纖光柵，或者改變溫度，可以改變光纖光柵的周期和有效折射率，從而達到改變光纖光柵的反射波長的目的。反射波長和應變、溫度、壓力物理量 。 溫度變化量根據這些特性，可將光纖光柵制作成應變、溫度、壓力、加速度等多種傳感器。 光纖光柵傳感系統主要由光纖光柵解調系統、信號傳輸系統和傳感器三個主要部分組成。對光芯進行照射，使得光纖纖芯的一段區域折射率發生周期性變化，從而制成光纖光柵。光 纖光柵傳感器獲取物理變化量。以光波長為載體，通過光纖傳輸系統傳至解調系統，由解調系繞對光信號進行處理分析，獲取物理變化量數據 。 2 )Optic-3000 光纖式溫度傳感器 光纖式溫度傳感器用于測量帶電物體表面的溫度，如高壓開關柜內的裸露觸點和母線連接處的運行溫度。 Optic-3000光纖式溫度傳感器，如圖 3-2所示，探頭體積小巧，耐壓高，工作范圍大，不受磁場干擾，可以直接安裝在開關柜測溫點測量溫度。它由測溫點、光纖調制器和光纖接口 (ST 接口 )3 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 12 頁 部分組成。測溫點采用感溫石英晶體材料，直徑通常 4mm，測溫點與光 纖調制器封裝成一體化結構，由后者的一個側面檢測溫度，其工作電源為一節3.6V鋰 電池，應用時間達到兩年以上，能夠滿足開關柜監測需要，可結合設備檢修適時更換 。 圖 3-2 Optic-3000 型光纖溫度傳感器 Optic-3000 光纖式溫度傳感器利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，有效地解決了在高電壓，高溫度，強磁場的環境中，溫度難以監測得難題。 Optic-3000 光纖式溫度傳感器的主要性能指標為 ： 測溫范圍 :-55 +100 測量誤差 :小于 0.5 (全量程范圍 ) 測溫分辨 率 :士 0.1 光纖長度 :小于 50m 接口方式 :標準 ST接口 外觀尺寸 :6.0(長 )cm*3.2(寬 )cm*2.2(高 )cm 該光纖式溫度傳感器有一個測面是感溫面，傳感器測得的溫度就是該感溫面的溫度，若傳感器放置在空氣中，則測到的就是環境溫度。為了準確測量物體表面的溫度，應保證傳感器的感溫面與被測物體的表面緊密接觸。安裝光纖傳感器之前，首先要找到傳感器的測溫面，每一個 Optic-3000 光纖式溫度傳感器的光纖接口都有一個定位缺口，和定位缺口相反的一面就是傳感器的感溫面。傳感器的傳感 頭與光纖設計為可拆卸的結構，即通過標準 ST光纖接口與多模光纖連接。 3.1.2 光纖溫度在線監測儀 Nsmart光纖式在線溫度監測儀組成溫度監測系統網絡的節點，實現對傳感器溫度數據的采集，并通過 RS-485 總線將數據傳送到監控中心。檢測儀安裝可以直接嵌入到開關柜的前柜門上，也可以放置在其他易于觀察的地 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 13 頁 方。在方便安裝的同時，可以現場觀察溫度數據。它的系統指標如下 : 光纖通道 :6ch(支持 1到 6個光纖式溫度傳感器 ); 光纖接口 :標準 ST光纖接口 ; 光纖類型 :多模光纖 ; 巡檢周期 :小于 60s/6光纖通道 (典型值 :45s); 溫度顯示 :LCD液晶顯示器，帶背光 ; 報警輸出 :1個 (無源接點 )250Vac, 0.6A 或 24Vdc, 5A; 網絡接口 :隔離 RS485工業總線接口 ; 工作電壓 :直流 10-30V或交流 220V (外接電源適配器 ); 工作溫度 :-10 +80 ; 存儲溫度 :-40 +85 ; 安裝方式 :掛裝或嵌入式盤裝。 主要功能為 ： 1)溫度顯示功能監測儀具有 6 個 ST 光纖接口，能夠同時支持 6 個光纖溫度傳感器，實現最多 6通道的溫度測 量。帶背光的 LCD 顯示屏能夠同時顯示 6個通道的溫度數值，并具有溫度報警和溫度測點故障指示等功能。 2)運行狀態指示 當 Nsmart 光纖溫度監測儀運行時，可以通過儀表的 LCD 顯示屏了解當前的運行情況。在儀表 LCD 顯示屏上，有一個運行狀態指示 (run)，該指示在顯示屏的右上角。運行狀態指示是一個可以旋轉的狀態棒，每測到一個通道的溫度值時，該狀態棒即旋轉 450。 3)報警功能 Nsmart 光纖溫度監測儀具有多種報警功能，每個光纖測溫通道都可以設置獨立的定溫報警值和溫升報警值，報警值可以通過 RS-485 通訊接口下載。當發生超溫報警時，報警狀態在 LCD液晶屏上指示，一個繼電器型的報警輸出，可以控制外部設備動作或用于報警指示。 4) RS-485網絡接口 Nsmart 光纖溫度監測儀具有一個 RS-485 接口，該接口用于與上位計算機的通信，接口可以支持 64個 Nsmart 光纖溫度監測儀聯網運行，使用網絡驅動器可以增加聯網的光纖溫度測量儀的數量，整個網絡最多可連接 254臺光纖溫度測量儀。 光纖溫度監測儀采用可插拔接線端子，方便儀表的電氣連接。這是一個8 位端子，可以帶電插拔，它包括電源供電、通訊接口和報警輸出，其功能定義如表 3-1所示 ： 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 14 頁 表 3-1 Nsmart光纖式溫度監測儀接線端子功能定義 端子號 名稱 功能說明 1 NC state 報警輸出的無源接點，常閉接點 2 Com. 報警輸出的公共端子 3 No state 報警輸出的無源接點，常開接點 4 No used 未使用 5 Rs485( ) Rs485 通訊接口正端子（ ） 6 RS485(+) Rs485 通訊接口正端子（ +） 7 Power( ) 直流供電電源正端子（ ） 8 Power(+) 直流供電電源正端子（ +） 3.1.2 Nsmart 接口通信 協議 Nsmart 光纖溫度在線監測儀作為光纖溫度傳感器的接入設備，通過RS-485 網絡接口與上位機進行數據傳輸。 Nsmart 在線監測儀設備的 RS-485通信接口采用標準異步串行通信方式，格式由 1 個起始位， 8 個數據位和 1個停止位組成，無校驗位。位格式如圖 3-3所示。 012 3 4 56710起 始 位八 位 數 據 位 停 止 位 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 15 頁 每個 Nsmart 設備都具有一個唯一的設備地址號，這個設備地址號用于主機與設備通訊時使用，它可以由用戶自己設定。每個設備地址由一個字節組成，這表明設備地址的整個分布空間為 256個地址 可供使用，但對于 Nsmart又有不同的限制，其設備地址分配表如圖 3-4 圖 3-4 Nsmart 設備地址空間分布 為使 Nsmart 設備能與主機通信，它們應該設定相同的通信速率，即波特率。這樣運行在主機上的軟件才能采集到 Nsmart 設備中的溫度數據。Nsmart 設備 RS-485 通訊接口的波特率可以由用戶設定，其波特率可以選擇為以下四種 :1200bps,2400bps, 4800bps, 9600bpso Nsmart 設備 RS-485 通訊接口初始波特率為 2400bps。 多臺 Nsmart 設備通過 RS-485接口 構成總線網絡，網絡采用主從通信方式， Nsmart 設備作為網絡中的從設備工作，主設備 (可以為上位機 )發出命令幀，與其相匹配的 Nsmart 設備會響應該命令幀，并發出響應幀。響應幀是由網絡中的 Nsmart設備響應主設備的命令幀的數據時，用于傳輸 Nsmart設備測量到的溫度數據。每個響應幀由 41個字節構成，結構如下圖 3-5所示。 儀表恢復后的默認地址廣播地址nsmart 可用地址00 H01 HFEHFFH 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 16 頁 1 2 3 - 6 7 - 1 0 1 1 - 1 4 1 5 - 1 8 1 9 - 2 2 2 3 - 2 6 2 7 - 3 2 3 3 - 3 6 3 7 - 4 08 位 C R C 校 驗設 備 配 置 數 據設 備 運 行 溫 度光 纖 傳 感 器 狀 態 計 數 值6 號 光 纖 通 道 溫 度5 號 光 纖 通 道 溫 度4 號 光 纖 通 道 溫 度3 號 光 纖 通 道 溫 度2 號 光 纖 通 道 溫 度1 號 光 纖 通 道 溫 度設 備 地 址 號 ： 發 出 響 應 幀 的 n s m a r t 8 地 址響 應 幀 開 始 標 志 ： 該 字 節 恒 為 0 A A H4 1圖 3-5 命令幀結構 Nsmart 光纖式溫度監測儀已經通過中國電力科學研究院高壓所的測試實驗，能夠滿足高溫、高壓和強磁場環境下 的溫度監測功能。實驗結果如表3-2所示 : 氣象條件 b=100.2kPa,ta=25.5 ,tw=210 電壓等級 KV 光纖長度 mm 規定電壓 KV 校正值KV 試驗電壓 KV 耐受時間 min 實驗結果 6 100 25 25 25 1 通過 10 125 35 35 35 1 通過 35 250 85 86 86 1 通過 66 500 140 141 141 1 通過 110 850 200 202 202 1 通過 220 2000 360 362 362 1 通過 500 4500 680 683 683 1 通過 表 3-2光纖式溫度在線監測儀工頻耐受電壓試驗結果 中國礦業大學 09 屆本科生畢業設計（論文 ） 第 17 頁 3.2 單總線數字式溫度傳感器電路設計 3.2.1 單總線數字式溫度計 對于低壓開關柜的過熱故障檢測我們采用單總線數字式溫度傳感器，數據傳輸采用紅外線傳輸方式，以實現高、低壓側的電隔離。由 DALLS公司生產的 DS1820 溫度傳感器就是常用的一種單總線 1W 工 RE 數字溫度傳感器，可以廣泛用于工業、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統和大型設備中。 1) DS1820溫度傳感器 DS1820數字溫 度計提供 9位溫度讀數，指示器件的溫度。信息經過單線接口送入 DS1820 或從 DS1820 送出，因此從中央處理器到 DS1820 僅需連接一條線 (地線也需要連接 )。讀寫和完成溫度變換所需的電源可以由數據線本身提供，而不需要外部電源。每一個 DS1820 都有唯一的系列號 (silicon serial number)，因此多個 DS1820 可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應用范圍包括 HVAC 環境控制，建筑物、設備或機械內的溫度檢測，以及過程監視和控制中的溫度檢測。其主要特性有 : 獨特的單總線接口方式 :DS1820 與總線連接時，只需 1 個接口引腳即可實現雙向通信 ;多點 Multidrop能力使分布式溫度檢測應用得以簡化 ; 在使用中不需要任何外部元件可以用正常供電，也可以使用 IO 寄生供電方式工作，電壓范圍 :+3.0V +5.5V.測量范圍從 -55 至 +125 ，增量值為 0.5 ，等效的華氏溫度范圍是 -67 0F至 2570 F，增量值為 0.9 0 F;以9 位數字 的 方式讀出溫度 ; 在 1 秒 (典型值 )內把溫度變換為數字 ;用戶可以自設定 EE