35kV高压配电柜柜内温度异常报警系统的设计Word文档格式.doc
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红外热像技术；
高压配电柜；
报警系统；
μC/OS-Ⅱ
中图分类号：
TP273文献标识码：
B文章编号：
1001-1390（2014）00-0000-00
TheDesignofAbnormalTemperatureAlarmSystemfor35kVHighVoltagePowerDistributionCabinet
AbnormalTemperatureAlarmSystem
LIQiang,ZHOUYu-guo
（SchoolofAutomationEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,Shandong,China）
Abstract:
Inordertoimprovepowersupplyreliabilityandstabilityofthe35kVhighvoltagepowerdistributioncabinet,andtoreducethefaultoccurrenceoffault,aninfraredthermalimagingmethodbasedonARMembeddedsystemisproposedtorealizedmonitoringandalarmaimingattheabnormaltemperatureforalarmschemeisproposedforthehighvoltagepowerdistributioncabinet,whichisinfraredthermalimagingtechnologybasedonARMembeddedsystem.ThedesignselectsAn32bitsRISCmicroprocessorS3C2440isadoptedasthemaincontroldevice,selectingandtheporableandscalableμC/OS-Ⅱoperatingsystemisusedwhichisportableandscalableasthesoftwareoperatingplatform,torealizingrealizeremoteteletransmissionofforimageinformationbyEthernet.Theproposeddesigncanimplementthealarmofabnormaltemperatureoforthehighvoltagepowerdistributioncabinetwhichisabnormaltemperature,andfindingthefaultsintime,soastoavoidingaccidents.Theschemehastheadvantagesoflowpowerconsumptionandhighreliability,andhasgoodcertainengineeringsignificanceandbroadprospectsfordevelopment.
Keywords:
embeddedmicro-processor,infraredthermalimage,highvoltagepowerdistribution
cabinet,alarmsystem,μC/OS-Ⅱ
0引言
高压配电柜是在电力系统发电、输电、配电和电能转换中起通断、控制或保护等作用的电力系统枢纽，对电力系统的正常运行起着重要的作用。
高压配电柜内的高压设备在载流过大时，经常出现温升过高。
母线触头与导线的接触处极易氧化，导致接触不良，接触电阻增大，同样会引起温度过高的现象。
长时间的温度过高，不仅会导致器件的老化或损坏，甚至造成导线间击穿等事故的发生[1]。
高压配电柜出现故障，通常会导致大面积停电等严重事故。
电力系统中大部分故障都与热有关，据此本文提出了一种基于ARM9嵌入式的高压配电柜柜内温度异常报警系统的设计方案。
利用红外热像技术，实现对高压配电柜柜内热分布图像的采集。
采集的温度图像通过以太网发送到上位机中，在上位机中与预存的标准图像进行比对。
发现采样区域温度异常，则产生声光报警。
工作人员根据报警情况，前去解决故障，避免事故的发生。
1总体设计
1.1测温方式的选择
高压配电柜柜内设备工作于高温高压的环境，对它们温度的测量存在一定的难度。
目前专门用于高压配电柜柜内温度测量的方法并不多，一种是在母线、母线触头和其他设备上涂一层可随温度变化而改变颜色的发光材料，通过观察颜色来确定设备温度的大体范围。
这种方法准确性较差，可读性较低，出现温度异常时，不能够及时发现。
另外一种方法就是利用红外热成像技术，把物体辐射红外线的强弱转化为物体温度分布图。
这种测温方法具有非接触、无损、测温范围广，并能直观呈现被测物体的温度分布情况[2]。
根据高压配电柜的工作环境以及对温度监测准确性、及时性的要求，最终选用红外热成像测温方法，作为本设计的温度监测方法。
1.2系统结构及功能的设计
在本设计中，上位机监控报警中心实现对8台35kV高压配电柜柜内异常温度的监测。
本设计主要由温度图像采集模块、图像采集控制模块和上位机监控报警模块构成。
系统总体设计结构如图1所示。
图1高压配电柜温度监测系统图
Fig.1Highvoltagedistributioncabinettemperaturedetectionsystemdiagram
系统为每个高压配电柜温度采集系统分配一个IP地址，通过以太网实现与上位机的图像数据传输。
带有红外探测器的ARM嵌入式平台安装于高压配电柜柜门的内侧，能够方便有效的对柜内温度图像的采集。
首先，红外探测器对高压配电柜柜内温度图像进行采集。
其次，把采集到的图像以点阵形式存储到S3C2440的SDRAM中。
再次，把采集到的图像通过以太网，实现图像采集系统与上位机之间的图像信息的传送。
最后，上位机分时接收来自8台高压配电柜的红外热分布图，依次将采集到的红外热分布图与预存正常情况下的红外热分布图在采样区域内进行区域比对。
考虑到不同时间段环境温度的差异，分时段采集多组图像，分别作为不同时段的比对样本图像。
当发现采样区域温度异常，在监控中心将发出声光报警信号，实现对8台高压配电柜的温度监测。
2硬件设计
对其中一台高压配电柜异常温度报警系统的设计，作为总体设计的子系统。
该系统主要有红外探测器、S3C2440微处理器、图像存储模块、传输模块及上位机监控报警中心等模块构成。
温度监测子系统硬件连接结构如图２所示。
图2温度监测子系统硬件结构图
Fig.2Temperaturedetectionsystemhardwarestructurechart
2.1主控器的选择
本设计选用由三星公司生产的S3C2440微处理器，作为控制的核心器件。
S3C2440微处理器采用了32位ARM920T的RISC处理器。
处理器S3C2440的工作主频为400MHz,能够充分满足本设计的需求。
2.2图像采集模块的设计
图像采集模块选用FLRI公司的TC160机芯，该器件能够实现热辐射到电信号的转换，能够将温度信号自动转换为图像信号[3]。
在控制平台上实现图像的采集、存储、传输，以便上位机进行图像的比对，进而实现温度信号报警判断。
该器件提供串行低压差分信号图像输出接口，可以方便的通过串口与微处理器S3C2440相连接。
2.3以太网接口的设计
以太网接口是以太网通信的基础，实现报文的发送和接受功能，位于TCP/IP协议栈的数据链路层。
在本系统中选用嵌入式微处理器加DM9000结构，作为以太网接口的设计。
DM9000芯片是一款高度集成、功能强大的以太网控制芯片，能够实现以太网媒体介质访问层（MAC）和物理层（PHY）的功能，包括MAC数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、超时重传、链路完整性测试等。
DM9000和S3C2440的连接如图３所示。
图3ARM9与DM9000的连接图
Fig.3TheconnectionofARM9andDM9000connectionmap
网络接口变压器的主要作用就是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止外部电路干扰或烧坏元器件，实现带电的插拔功能。
高压配电柜工作于强电磁干扰环境中，传输的数据不加保护或者屏蔽，极易出现传输信号失真或者数据包丢失现象。
数据传输过程中，采用可屏蔽网线进行数据传输[4]，可以避免此种状况的发生，提高系统的准确性和稳定性。
3软件设计
本设计选用占先式实时多任务的μC/OS-Ⅱ作为下位机的操作系统，在此平台上创建用户任务，包括红外图像的采集、红外图像的存储、封装打包任务、以太网图像传输任务等。
在上位机中主要是图像比对任务和声光报警任务，实现与标准图像在采样区域的区域比对，判断采样区域温度是否异常。
温度异常时，启动声光报警程序发出声光报警。
系统软件框架如图４所示。
图4系统软件框架图
Fig4Systemsoftwareframeworkmap
3.1用户任务创建流程
本设计以μC/OS-Ⅱ操作系统作为软件操作平台，在此基础上创建用户的各种任务[5]。
应用ADS1.2作为系统软件开发工具，实现对图像采集、图像传输等用户任务进行编辑、编译。
利用DNW和超级终端,可以实现用户任务在下位机上的调试和移植。
首先，微处理器S3C2440上电，进入BIOS功能菜单。
在DNW标题栏的USB处显示OK，表明S3C2440已经与开发主机相连接，设置USB的下载运行地址为0x30000000。
其次，利用ADS1.2打开μC/OS-Ⅱ工程文件，在主函数中分别创建红外图像采集、红外图像存储、红外图像传输等用户任务。
在μC/OS-Ⅱ操作系统上，移植TCP/IP协议栈LwIP,实现嵌入式系统与网络的连接[6]。
再次，编辑完成后，对此工程进行编译，生成新的bin文件。
最后，把生成的bin文件通过超级终端和DNW导入微处理器中，观察系统的运行，调整不足之处。
任务的创建及移植程序流程如图5所示。
图5任务创建的流程图
Fig.5Flowchartof
thetaskofcreatingcreation
3.2用户任务的设计
在下位机中，主要实现图像的采集、图像的传输等任务。
在图像采集模块中，要实现对红外探测器的驱动、控制和红外图像接受、存储等功能的实现。
在图像传输模块中，微处理器对数据封装打包后，实现DM9000对数据的接受和向以太网发送等功能[7]。
每个任务根据优先级的大小，分
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