高压断路器在线监测系统的设计.docx
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高压断路器在线监测系统的设计
第1章绪论
1.1国内和国外高压断路器在线监测发展现状
国外高压断路器在线监测的发展还是比较早也比较成熟的，在美国有50%以上电力公司能够用状态检修的技术对发电设备进行检修状态。
美国ConsolidatedElectronics,Inc.（CEI）公司生产研制的SM6系列的断路器监测器（美国专利号5,385,451）。
可以在线监测SF6气压力与温度，还能连续的，实时的计算气体的密度。
还能监测监测断路器操作电流、加热器、液体压力以及气体等的工作状况。
该监测数据可以通过现场PC机，也可以通过RS232/485接口远程通讯获得，并能保存数据长大10年之久，目前该产品已经进入中国市场。
截止1999年底，全国电力电力系统中运行的6到220KV的配电开关共273153台，比1998年增加了23261台，平均增长率为9.3%。
国内电器设备状态监测的研究有十几年的历史了，但产品量化都是近几年的事。
据统计，在1998年的时候，共有127个变电站安装了各种在线监测装置和系统，提供装置的的电位有30家，大部分都是电力研究所、科研院校、省市电力局。
目前，状态监测的产品的分布特点是监测变电站绝缘状态的多，监测其性能的少点，不过随着技术的日渐成熟，以后各个方面都能解决。
在高压气体绝缘组合开关（GIS）生产的过程中，都会考虑其断路器状态监测部分的性能问题。
比如断路器的二次回路完好性、储能的状态、分闸和合闸位置状态的监测等。
把功能都组合起来，使其具有和电站控制系统直接连接连续和自我监视的功能。
其监测项目有：
、气体压力监视、辅助回路监视、断路器储能弹簧状态监视、对电动机操动开关装置的电源监视跳闸线圈完好性监视等。
1.2高压断路器在线状态监测的意义
设备的的在线状态的监测的基础是实现电气设备状态得检修。
在线监测可以实时、准确的反映预测使用寿命以及电气设备的状态，能够给检修的决策提供充足的依据。
目前，我国的电力部门正在对运行需要的模式进行有力的发展中。
那就要求电力行业业要形成一套含有状态检修、故障检修、主动检修、和定期检修一体综合检修定的模式，来提高设备的安全性能和降低成本。
高压断路器在线状态这个监测系统用于开闭所、触头电寿命、电气绝缘性能、电厂高压断路器的机械性能、操作回路和变电站等工作状态的监测，经过分析在线监测数据以及相关数据，来分析出高压断路器此时的工作状态。
断路器在线状态监测系统可以及时了解断路器的缺陷的部位、工作状态等，来减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，能够显著提高电力系统可靠性和经济性。
1.3系统总体方案设计
现提出了一种新型基于无线通讯的高压断路器温度在线监测系统的设计方案。
这个系统由上位监控主机系统、现场工作子站和工作总站三个部分组成。
采用了分布式控制的结构。
图1-1温度监测系统总体结构
工作子站和工作总站进行无线通信是通过无线通信模块nRF401来实现的，上位机和工作总站以有线的方式通过RS-485接口进行通信。
工作子站由温控继电器、温度传感器DS18B20，和无线通讯芯片nRF401以及单片机主控芯片MSP430F149组成。
现场的工作子站当场采集温度数据后，通过温控继电器来自动控制加热器的推出以及投入。
监控主机对各机构的温度数据进行实时的监测，并能远方手动来操控加热器的退出和投入，还可以远方设定加热器的启停阀值。
为了更好适应变电站复杂的电磁环境，在硬件方面还特意加强了抗干扰方面的设计。
图1-2工作子站总图
图1-3工作总站电路图
第二章在线监测系统的硬件结构及其设计
2.1工作子站的硬件设计
工作子站电路由单片机主控芯片MSP430F149、温度测量部分DS18B20、温度继电器JUC-31F、加热器和无线通讯芯片nRF401等组成。
其工作子站的电路图见图2-1。
本文将对各个模块进行详细介绍。
图2-1工作子站电路图
2.1.1单片机—MSP430
单片机是一种集成在电路芯片上，是采用大规模集成的电路技术把存储器（RAM/ROM）、多种I/O口和中断系统、中央处理器CPU等功能集成在一片半导体硅片上并且它能构成一个小而且完善的计算机系统。
MSP430系列单片机，它是一种16位低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。
MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计和开发调试技术应用上都表现出很明显的优点。
美国德州仪器公司推出具有Flash型存储器和JTAG边界扫描技术的开发工具MSP-FET430X110，将国际上比较先进的JTAG技术和Flash在线编程技术融入MSP430。
这种用Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。
2.1.1.1MSP430单片机的特点
1.处理能力强
MSP430系列单位是一个16位的单片机，具有大量模拟指令、丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令，其采用了比较精简指令集（RISC）结构，；片内数据存储器和大量的寄存器都能参加多样运算。
它的这些特点保证了其处理能力的强大。
2.运算速度比较快
它能在25MHz晶体的驱动下完成40ns的指令周期。
其多功能的硬件乘法器、40ns的指令周期、16位的数据宽度相互配合，这样些算法就可以通过数字信号来处理。
3.超低功耗
MSP430在灵活而可控的运行时钟以及降低芯片的电源电压方面有其独有的特点，使其功耗比较低。
它的电源电压是采用1.8-3.6V电压能使其在1MHz运行时，RAM保持模式下最低的功耗只有0.1μA，芯片最低的电流会在165μA上下。
它的独特时钟设计系统也是其功耗比较低的主要原因。
MSP430系列其中有两个不同的时钟系统：
DCO数字振荡器、基本以及锁频环时钟系统。
因系统运行时开启的功能模块不同而采用不同的工作模式，所以使其芯片的功耗有着显著的不同。
在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。
4.中断源较多
系统在省电备用的情况下时，用中断请求把它唤醒只需要5us。
比较多的中断源而且能任意嵌套，使用时还比较灵活方便。
5.片内资源丰富
这个系列单片机的各系列都集成了比较丰富的片内和片外设备。
分别是定时器A（TimerA）、看门狗（WDT）、定时器B（TimerB）、串口0、模拟比较器A、1（USART0、1）、I2C总线直接数据存取（DMA）、10位/12位ADC、实时时钟（RTC）和USB、端口O（P0）、端口1~6（P1~P6）等不同组合的一些外围模块。
其中有的器件更拥有能实现同步、多址以及异步访问串行通信接口能方便实现多机通信等的应用；具有比较多的I/O端口，P0、P1、P2端口可以够接收下降沿的中断输入或外部上升沿；10/12位硬件A/D转换器有比较高的转换速率，可以达到200kbps，可以满足大部分数据采集的应用；和为提高数据传输的速度，而采用的DMA模块。
它的这个特点给系统的单片解决方案提供了很大的方便。
7.方便而又高效的开发环境
MSP430这种系列单片机有FLASH型、ROM型和OP型三种类型器件，本设计选用FLASH型，因器件内有JTAG调试接口，还有能电擦写FLASH的存储器，所以先下载程序至FLASH内，然后在器件内经过软件控制程序运行，由JTAG接口读片内的信息来给设计者调试使用的方法进行研制和开发。
此方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器，开发语言有汇编语言和C语言。
2.1.1.2MSP430芯片引脚及功能
图2-2MSP430芯片引脚
MSP430F149有6个8位的P口，其中P1、P2口占两个中断向量，总共可以接16个中断源，还能直接利用P口的输入输出寄存器，直接对外进行通信。
因为所有的P口都是和其他外设复用的，所以在用端口之前都要用功能选择寄存器选定所用的功能是外设还是P口，选定之后要在方向寄存器中确定是是输出还是输入。
表2-1MSP430芯片引脚功能的说明
2.1.2温控继电器
本设计采用的是JUC-31F超小型温度继电器（Airpax6700系列），JUC-31F温度继电器适用于电气设备中作控温和热过载保护等。
设计所选用的新型温控继电器，无需电机，无需通电，由形状记忆合金弹簧感温而控制其通断，其感温的温度点设计可在45℃～150℃范围内，适用温度范围广，适用于电力系统。
系统中温控继电器的功能为自动控制加热器的投入以及退出。
2.1.3加热器
1．电加热器的工作原理
电加热是将电能转换为热能的过程。
被加热介质（冷态）经进口管入分流室，使介质沿器体内壁四周流入加热室，通过各层电加热元件的缝隙,来使介质被加热升温，在汇合流进混流室，混合以后就是均匀温度了，在从出口管慢慢流出。
电加热器的混流室中安装了能测温传感器采集的温度信号传到电气控制系统中，通过温度调节仪来实现一次回路中电器元件的自动控温。
它在发热元件温度超标后，保护装置会自动的切断电源，同时控制柜还会给出声光报警的信号。
2.运行中应注意事项
（1）要坚持定期的对设备及线路进行巡视检查，加强维护保养，尤其要检查触点、端子、接头等有无虚接过热现象。
（2）每年要定期进行电气参数的校对。
（3）每年校验一次测温传感器以及温度调节仪表，保证量值准确。
（4）长期停用后再启动或迁移在使用时，应严格按1、2项的内容执行。
2.2关于JTAG口的说明
MSP430系列中FLASH型器件都提供了JTAG接口，为编程以及调试带来了很大的方便。
它其实质是一块集成电路内涵的测试逻辑电路模块。
这种测试逻辑电路能实现如下功能:
测试具有JTAG口的集成电路器件、测试印制电路板板上该类器件的互联情况、可观测JTAG口器件的正常运行情况并可修改之。
JTAG口中硬件的接口包含了四个信号:
1.TMS输入的方式选择TMS来控制TAP状态机；
2.TCK输入的移位时钟TDI的数据以及TMS在时钟下降沿输出至TDO在TCK的上升沿被采样；
3.TDO输出来自指令寄存器或数据寄存器的数据，在时钟的下降沿被移出到TM；
4.TDI输入至数据寄存器DR数据或指令寄存器IR，在TCK的上升沿被采样的数据是出现在TDI输入端的;
由上述可知，平常所说的JTAG口是指IEEE1149.1标准中的TAP接口。
对具有JTAG接口的单片机MSP430来说，在应用设计上大大方便了用户,不需要相应的编程器和仿真器了。
2.3温度测量部分——DS18B20
2.3.1．DS18B20的外形和内部结构
DS18B20的外形及管脚排列如图：
图2-3DS18B20外形图
DS18B20的管脚排列如下：
1.VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）
2.DQ为数字信号输入输出端
3.GND为电池地
4.NC为空
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
非挥发的温度报警触发器TH和TL、64位的光刻ROM、配置寄存器、温度传感器。
图2-4DS18B20内部结构框图
1.64位的光刻ROM
光刻ROM中64位序列号看成是该DS18B20的地址的序列码，它在出厂前就已经被光刻好的。
其中64位光刻ROM的排列为：
前8位（28H）是产品的类型标号，48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位循环的冗余校验码。
它作用：
是让每一个DS18B20都各不一样，这样就能够达到使一根总线上挂接更多个DS18B20。
表2-264位ROM的结构
8位检验CRC
48位序列号
8位工厂代码（10H）
315HLSBMSBLSBMSBLSB
2.配置寄存器
字节的定义如下：
表2-3配置寄存器的结构
最后五位一直都是1，TM这个位出厂的时候就被设置为0，不用去改动的。
它是其测试的模式位，用来设置DS18B20使其在工作的模式或是在测试的模式。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表2-4温度分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间/ms
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.50ms
1
0
11位
375.00ms
1
1
12位
750.00ms
由表可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。
3.非挥发报警触发器TL以及TH，能经过软件写入用户的报警上下限。
4.温度传感器
DS18B20中的温度传感器能完成对其温度的测量，列如12位转化：
用其16位扩展二进制补码读数的形式提供，用0.0625℃/LSB的形式来表达，符号位为S。
表2-5温度值格式表
这12位数据是12位转化后得到的，存储于18B20两个8比特RAM内，前面5位的二进制是符号位，测的温度如果是大于0，则这5位都为0，实际温度就是将测的数值乘0.0625；如温度如果小于0，则这5位都为1，此时实际温度就是测的数值要取反在加1再乘0.0625。
比如-55℃数字输出是FC90H，+25.0625℃数字输出是0191H,+125℃数字输出是07D0H，-25.0625℃数字输出是FE6FH。
表2-6温度数据表
DS18B20完成温度转换后，与电脑设置的控制温度进行比较，当温度达到或大于设定温度时电脑就发出报警信号，同时电脑发送相应的控制命令，比如开风扇降温等。
2.3.2DS18B20的特性
DS18B20它是一种改进型的智能温度传感器。
它和之前的热敏电阻对比起来，它可以直接读出被测的温度。
其主要特性有：
（1）、适应的电压范围比较宽，电压范围：
3.0～5.5V，寄生电源的方式下可通过数据线l来供电。
（2）、DS18B20在和微处理器一起连接的时候只用一条口线就可完成微处理器和DS18B20双向的通讯。
（3）、多点组网的功能DS18B20也是能支持，多个DS18B20能并在同一的三线上，能实现组网的多点测温。
（4）、温范围为－55℃到+125℃，在-10到+95℃的时候，精度是±0.5℃。
（5）、负压特性：
电源的极性反接时，芯片一般不会因为温度过高而烧毁，但不会在正常的工作。
（6）、能编程的分辨率可以达到9～12位，其对应可分辨的温度分别是0.25℃、0.0625℃、0.5℃和0.125℃，能实现比较高精度的温度测量。
2.3.3DS18B20的典型工作时序
（1）复位时序。
使用DS18B20时，首先需将其复位，然后才能够执行其它的命令。
复位的时侯，主机将会把数据线激发较低平同时还保持着480到960，接着释放数据线，再通过上拉电阻把数据线提高15到60。
最后再由DS18B20给出响应的信号，来把数据线激发为低电平60到240，通过这样它就完成了其复位的操作。
（2）写时序。
在主机对其写数据的时候，先把数据线激发成低电平，此时低电平应比1大。
接着通过写“1”或者写“0”来把数据线提高或持续为低。
在数据线变为低电平15到60后DS18B20将对数据线分采样和分析。
写入DS18B20数据的持续时间为60到120之间，其中两次写数据时间间隔要比1大。
（3）读时序。
主机通过DS18B20读取数据的时候，主机先向数据线发出低电平，然后释放，以使数据线再升为高电平。
DS18B20在数据线从高电平变成低电平的15内将数据送到数据线上。
主机可在15后读取数据线以获得数据。
2.3.4DS18B20的控制命令
DS18B20具有下面控制命令，如下表所示：
表2-7DS18B20的控制命令
ROM命令
RAM命令
33H
读ROM
4EH
写RAM
55H
匹配ROM
BEH
读RAM
CCH
忽略ROM
48H
拷贝RAM
F0H
查找ROM
44H
温度转化
ECH
警报查找
B8H
拷贝触发器
B4H
读供电方式
单片机向DS18B20发送这些控制指令，完成相应操作。
例如，向DS18B20发送44H指令，则DS18B20开始启动温度转换。
2.3.5温度测量原理
DS18B20测温原理如下图所示，图中给出的低温系数晶振，它振荡的频率受到温度的影响还是比较小的，送给计数器1的是用于产生固定频率脉冲信号。
高温系数晶振和低温的不同，它会随着温度变化振荡率会很明显变动，所产生的信号作为计时器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计时器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号将行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图2-5DS18B20测温的原理图
图2-6DS18B20主程序流程图
2.3.6DS18B20的应用电路
DS18B20的测温系统有很多优点。
比如：
连接方便、测温系统简单、占用口线少、测温精度高等。
其各种特性都有其不同的作用，下面就来简单介绍一些不一样应用的方式下测温的电路图：
1.DS18B20寄生电源供电方式电路图
图2-7DS18B20寄生电源供电方式
其独特寄生电源的方式有好处如下：
（1）进行比较远的距离测量温度时候，不需要本地的电源；
（2）读取ROM能在无常规电源条件下
（3）其电路比较简洁，仅用一根I/O口就能实现其测温；
2.DS18B20的外部电源供电方式
图2-8DS18B20多点测温电路原理图
外部电源供电方式的时候，DS18B20工作的电源由VDD引脚来接入，这个时候I/O线没必要强上拉，不会出现电源电流不足的问题，能保证转换精度还能在总线上理论挂接任意多个DS18B20的传感器来组成多点测温系统。
3.DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图
图2-9DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图
为了给DS18B20在动态转换中能够获得充足电流供应,拷贝至E2存储器或者温度进行转换的时侯，把I/O线拉到VCC就能提供足够电流，在给出任意涉及到启动温度转换或拷贝至E2存储器的指令后，0μS内就必须把I/O线转至强上拉的状态。
在这种强上拉的方式就能使电流供应不够的问题得到解决，所以也比较适合多点测温的应用，其不足的就是必须多占一根I/O口线来进行强上拉的切换。
2.3.7使用DS18B20过程中应注意的事项
虽然DS18B20具有连接方便，测温系统比较简单，占用口线较少，测温精度又较高等的优点，但应用的时候还是要注意下面几个问题：
（1）比较小的硬件开销需相对来说较复杂软件来给它补偿，因为微处理器和DS18B20间它们是用串行数据进行传送，所以，在对DS18B20读写编程的时候，要严格保证读写的顺序，不然会不能读到测温的结果。
（2）当在单总线上挂的DS18B20过了8个时，需要处理微处理器总线驱动的问题。
（3）连接DS18B20总线电缆的长度是有限制的。
使用DS18B20来进行设计较长距离的测温系统时得充分考虑到总线分布阻抗以及电容匹配的问题。
（4）在测温程序的设计中，向DS18B20给出转换温度的命令后，程序总得等待至DS18B20返回的信号，一旦有一个DS18B20断线或者接触不好，程序读取该DS18B20的时候，将无返回的信号，此时程序会进死循环的状态。
2.4液晶显示部分
1．LM12864FBC液晶的介绍
LM12864FBC模块为128×64点阵液晶显示的模块,它里面自带2个HD61202U液晶的驱动控制,分别控制着显示屏的右区和左区。
任何一个驱动的模块都有64×64显示的存储器,存储数据当作为显示内容驱动的信号;8位的并行数据接口,能和计算机相连接;模块整个有20多个外接的引脚,分数控制引脚，据引脚,电源引脚三种。
对显示存储器的内容显示就是显示的实现,相应位为1,该点阵亮,相应位为0,这个点阵没有显示。
存储器的读取是从头到尾的,但屏幕上显示位置是能设置的。
2.芯片与系统的连接
显示模块与单片机的连接方式有两种，本设计选用间接控制方式，即以单片机的并行接口与模块相连。
系统通过对Ｉ/Ｏ接口的操作,来控制显示模块。
P4口用来连液晶控制,P4.1、P4.0控制CSBCSA片选的信号线,P4.2控制D/I寄存器选择信号线,P4.3控制R/W读写信号线，P4.4控制E使能信号线。
CPU通过对P4口的操作,实现了对液晶模块的状态寄存器的操作。
以CPU的P3口作为数据端口,与液晶模块的8位数据线相连。
图2-10MSP430与液晶模块的连接电路图
2.5工作总站的设计
2.5.1工作总站的电路
高压断路器在线监测系统由现场工作子站、工作总站和上位机三部分组成。
工作总站由单片机主控芯片MSP430F149和无线通讯芯片nRF401组成，其电路如下：
图2-11工作总站的电路图
2.5.2RS-485串行总线
针对RS－232的不足所以就研制出了一些新的串行通讯接口标准，其中RS－485就是一种。
RS－485是多点通讯标准，它利用平衡的双绞线来作传输线的。
其进行传输是采用了差分信号；它最大能连接32个收发器以及驱动器，最大的传输距离能达1.2km；接收器的最小灵敏度能达到±200mV；它最大的传输速率能达到2.5Mb/s。
可见，RS－485协议正是对多点通讯、高灵敏度、远距离制定的标准。
利用RS－485协议进行串行通讯，可以保证快速、稳定远距离地传输数据。
RS-485的特点有：
（1）RS-485的电气特性：
逻辑“1”以两线间的电压差为+（2―6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2―6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外在总线上RS-232-C接口只允许连接1个收发器，就是其单站能力。
在总线上RS-485接口是能连接多至128个收发器的，即拥有多站的能力。
2.5.3MAX485
图2-12AX485引脚与结构图
MAX485是一种RS－485接口的芯片，利用此芯片可以很方便地实现PC机与单片机之间的串行通讯。
MAX485采用的是电源+5V工作，额定的电流是300μA，采用的是半双工的通讯方式，其功能是把TTL电平转为RS－485电平。
它的引脚结构上图所示，图中我们能看出MAX485芯片结构以及引脚都很简单,它内部只有一个接收器以及驱动器。
DI与RO端分别是驱动器输入端与接收器输出端，和单片机相连接的时候只要分别和单片机的TXD与RXD相连就行；A端和B端：
接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。
第三章无线通信模块设计
3.1无线通信的优点
数据传输可以简单的氛围有线和无线两大类方式。
明线，电缆，光纤属于有线，而无线主要有卫星，微波，短波，散射等等。
与有线通信相比，无线通信技术具有以下四个显著优点：
1．成本廉价
挖电
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