低压开关柜智能监控系统论文大学学位论文.docx
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低压开关柜智能监控系统论文大学学位论文
辽宁工程技术大学
本科毕业设计（论文）
教务处
2015年5月
中文题目：
低压开关柜智能监控系统
外文题目：
Intelligentmonitoringsystemforlowvoltageswitchgear
毕业设计（论文）共49页（其中：
外文文献及译文13页）图纸共1张
完成日期2015年06月答辩日期2015年06月
摘要
开关柜作为变电站的重要电气设备，担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重作用,对变电站的安全、可靠运行起着举足轻重的作用。
我国经济建设和改革开放的蓬勃发展，电力系统的应用及其安全得到广泛关注,然而对用电设备的监测与监控却种供电配电柜组，这些配电柜组的安全是用电安全的重要保障。
对配电柜的是一个长期未能解决的问题。
我国的发电厂、工矿企业等用电场所大都配备各工作状态、工作环境的监测是保障配控制装置,采用智能检测技术设计合理的开关柜温度、湿度电柜安全工作的重要手段。
本课题主要研制电力开关柜内各参数的检测与检测和状态模拟系统,实现对开关柜工作状态模拟和环境监测。
论文首先介绍了当前开关柜测温的几种方法及光纤光栅测温法的优势,基于光纤光栅温度传感技术提出了一种利用光纤光栅测量开关柜触头温度的方案。
该方案采用光纤光栅作为传感元件,利用波分复用技术实现对开关柜触头温度的在线监测。
关键词:
开关柜；在线监测；温度传感器；实时监控软件
Abstract
Astheimportantelectricalequipmentinsubstation，switchgearshouldersthedualroleofclosinganddisconnectingthepowerlineandprotectingthesystemsecurity,whichplaysanimportantroleforthesubstation’s,safeandreliableoperation.ThevigorousdevelopmentofChina'seconomicconstructionandreformandopeningup,theapplicationandtheirsecurityofthepowersystemarewidespreadconcerned,however,monitoringandcontrolofelectricalequipmentisalong-termunresolvedissue.Ourcountry'spowerplants,industrialandminingenterprisesandotherelectricityplacesmostlyequipwithavarietyofpowersupplyanddistributionLibrariesgroup,thesafetyoftheDistributionLibrariesgroupisanimportantguaranteeofthesafeuseofelectricity.Themonitoringoftheworkingstatusandtheworkenvironmentofthedistributioncabinetisanimportantmeantoprotectthesecurityofthedistributioncabinet.
Thetopicmainlydevelopsakindofdevicewhichcandetectandcontrolvariousparametersofthepowerswitchcabinet,usingintelligentdetectiontechnologytodesignthereasonableswitchcabinettemperatureandhumiditydetectionandstatussimulationsystems,sothatitcanrealizetheworkingstatussimulationandenvironmentalmonitoringoftheswitchcabinet.ThecurrentmethodsoftemperaturemonitoringofswitchgerandtheadvantagesoffiberBragggratingstemperaturemonitoringisintroducedinthispaper.ThenbasedonthefiberBragggratingssensingtechnique,wedesignasystemthatcouldmeasurethetemperatureofthecontactofswitchgear.ThedesignusesfiberBragggratingsasthesensingelementsandrealizestheon-linetemperaturemonitoringofthecontactinsideswitchgearwithWDMtechnology.
Keywords：
Metal-cladswitchgear；on-linemonitoring；temperaturesensor；real-timemonitoringsoftware
目录
前言1
1绪论2
1.1设计背景和意义2
1.2开关柜智能监控系统的研究3
1.3系统检测软件的设计要求4
1.4现有开关柜测温方案比较4
1.5课题主要任务6
2开关柜智能监控系统的总体设计7
2.1监控系统的硬件结构8
2.2监控系统软件功能设计10
3监控系统的硬件设计12
3.1温度传感器的选择12
3.2光纤光栅温度传感器原理13
3.3电压传感器的选择15
3.4电流传感器的选择15
3.5传感器的主要安装步骤如下:
16
3.6开关柜数据采集器16
3.6.1最小系统电路设计19
3.6.2时钟电路19
3.6.3复位电路20
3.8串口通信接口电路22
3.9键盘输出24
4监控系统的软件设计26
4.1软件系统结构26
4.2软件框架28
4.3服务器的设计28
4.4实时库的设计29
4.5报警服务器的设计29
4.6历史数据保存模块设计30
5技术与经济分析32
6结论33
致谢34
参考文献35
附录A译文36
附录B外文文献42
前言
开关柜（又称成套开关或成套配电装置）是以断路器为主的电气设备，是指生产厂家根据电气一次主接线图的要求，将有关的高低压电器（包括控制电器、保护电器、测量电器）以及母线、载流导体、绝缘子等装配在封闭的或敞开的金属柜体内，作为电力系统中接受和分配电能的装置。
它由柜体和断路器两大部分组成，具有架空进出线、电缆进出线、母线联络等功能。
柜体由壳体、电器元件（包括绝缘件）、各种机构、二次端子及连线组成。
开关柜防护要求“五防”：
防止误分误合断路器、防止带电分合隔离开关、防止带点合接开关、防止带接地分合断路器、防止误入带电间隔。
开关柜有一定的正常使用条件，如环境温度，环境湿度，海拔高度，地震烈度等。
一般情况下，环境的温度和湿度是我们必须要考虑的条件。
开关柜的环境温度要求周围空气温度不超过40℃（上限），一般地区为-5℃（下限），严寒地区可以为-15℃，环境的温度过高，金属的导电率会减低，电阻增加，表面氧化作用加剧。
过高的温度也会使得柜内的绝缘件的寿命大大缩短，绝缘强度下降。
反之，环境温度过低，在绝缘件中会产生内力，最终会导致绝缘件的破坏。
环境湿度日平均值不大于95%，月平均值不大于90%。
湿度过高会导致开关柜在作业过程中发生故障。
因此对其进行温度和湿度的检测是至关重要的。
1绪论
1.1设计背景和意义
低压开关柜智能监控系统主要用于发电厂、石油化工、冶金、纺织、高层建筑等公众场合和工业领域，在大型发电厂、石油化工等自动化程度高、需要与计算机接口的场所。
伴随着我国国民经济的不断持续发展，用电量也随之大幅度提高，电力系统的安全运行关系到我国经济的发展和人民生活的稳定。
开关柜在电力系统的运行中起到开合、控制和保护的作用，它的正常运行与否将直接影响到变电站甚至整个电力系统的正常运行状态，因此，如何保障开关柜的正常运行，对整个电力系统的安全运行将显得格外重要。
可是实际生产中，开关柜一直处于长期运行中，其上的各个触电及连接点等部位由于老化、污染易造成间隙过大或接触电阻增大，在电流通过，特别是用电高峰期，容易产生发热现象，如果不能及时发现并处理，将会任由温度升高，引发事故的产生。
随着变电站综合自动化系统的不断普及，无人值守的变电站成为变电站发展的必然趋势，为实现电力企业减员增效、提高劳动生产率、促进电网安全和稳定等方面起了积极作用。
开关柜作为变电站的极其重要电气设备,担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重作用，对变电站的安全、可靠运行起到举足轻重的作用。
现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对开关柜运行的可靠性也提出了更高的要求。
同时，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，
使得对开关柜的运行状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为了可能。
它对于保证开关柜的正常运行，减少维修的次数，提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有极其重要意义。
图1-1开关柜结构示意图
A-断路器室；B-母线室；C-电缆室；D-仪表室；1-母线；2-静触头盒；3-断路器；4-接地开关；5-电流互感器；6-电容分压器；7-避雷器
Fig.1-1Thefabricschematicoftheswitchgearpanel
A-Circuitbreakerroom;B-Busbarroom;C-Cableroom;D-Instrumentroom;1-bus-bar;2-Staticcontactbox;3-Circuitbreaker;4-Earthingswitch;5-Currenttransformer;6-Capacitorvoltagedivider;7-Arrester
1.2开关柜智能监控系统的研究
由于我国的开关柜绝大多数采取封闭式结构,散热条件比较差,并且长期处在高电压、大电流、强磁场的环境之下，开关柜内就会温度升高，使触头的接触电阻增大。
当温度过高，使接触电阻超过国家标准规定的接触电阻值，就会加速触头表而氧化，而氧化又会进一步使导致接触电阻上升，并促使触头发热，温度上升，形成恶性的循环。
当触头的温度超过一定范围，就会导致其内部材料的机械强度下降，接触电阻增大，同时过热会引起绝缘材料的老化，其绝缘强度也会下降，甚至损坏。
若不及时采取措施，就很可能引发事故。
在以前的开关柜过热故障检测中，采用人工巡检，不仅费时、费力，而且不容易及时发现事故。
开关柜智能监控系统不仅克服了开关柜内的高温、高压、强磁场环境下温度不易监测的难题，而且通过监控软件实时显示开关柜内测点的当前电压、电流、工作温度并做出报警处理，节省了大量人力、物力，提高了事故预判的准确性、实时性。
1.3系统检测软件的设计要求
低压开关柜智能监控系统是基于分布式温度测量、电流电压测量、数据采集与传输、显示及报警等部分组成的计算机实时在线监测系统。
此系统采用分布式、可组网、隔离性能良好的高精度温度传感器,对变电站中低压开关柜内的母线、断路器与隔离开关触点、互感器（包括电缆接头）等这些易产生异常温升的部件实现在线温度测量与监控。
利用温度采集单元采集多路温度信号并通过RS232或RS485总线上传到监控主机，主机采用巡检式（查询式）工作方法,逐一巡检每个测量点的温度,并可统计、打印、报警，设定工作温度范围，显示每个开关柜内测量点的温度及历史数据。
系统软件需要实现多种报警方式，当发生报警时，主监控计算机能自动弹出报警窗口，显示出报警时间、报警测点名称和安装部位，同时发出声、光报警并可以打印报警记录,提醒运行人员检查。
所有的报警信息都被记录数据库中,以备查阅。
系统能提供完善的分析功能，包括超温分析、温升趋势分析、相间温差分析,并能做出报警、对比、历史记录统计与分析等处理，保障工作人员在开关柜发生事故之前做出及时处理。
测控软件可以建立开关柜设备数据库，帮助工作人员监测和分析开关柜内各项数据。
1.4现有开关柜测温方案比较
目前常用的温度监测方法有下列几种:
1.热敏电阻式测温系统:
热敏电阻具有体积小、温度响应快、产品成熟、成本低等优点，可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大，传感器不具备自检功能,需要经常校验，因此不常采用。
2.红外探头测温系统：
红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。
红外测温仪器主要有3种类型：
红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）。
非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列,可以在线监测。
但由于系统稳定性不高，体积较大，受安装空间限制，外加受环境影响严重，误报较多，也不常采用。
3.示温蜡片测温：
采用“示温蜡片”存在一些问题，一是：
在粘贴时普遍采用清漆将“示温蜡片”粘贴在电气设备需要测试的部位，这样粘贴牢固后，待测点温度达到“示温蜡片”相同温度时，不能脱落下来，只有温度超过很大程度才会脱落下来，这样很容易给操作人员造成误导，判断不及时。
二是：
“示温蜡片”只能靠熔化现象表示发生了过热，现象不直观也不易发现。
三是：
电气设备的负荷是随用户需求量变化的，接点温度也是随之变化的，当被监视的电气设备接点发生了不同程度的过热，使用“示温蜡片”不能随之不同程度熔化或脱落下来。
4.使用示温记录标签：
“示温记录标签”是以胶粘贴固定的,只要在测温范围内发生了过热，就可以继续保留在贴片接点部位。
“示温记录标签”表面涂一层随温度变化而改变颜色的发光材料，通过观察其颜色变化来大致确定温度范围，这种方法准确度低、可读性差，不能进行定量测量，因此也不能满足现在系统监测的需要。
5.光纤光栅测温法：
光纤传感技术兴起于20世纪70年代，在而后的几十年里日新月异，成为传感领域最有发展一前景的一门技术。
光纤传感器的核心通常是光纤本身或光路中的光功能元件，其主要功能是与被测对象相互作用而产生反映被测量大小的光信息并通过一个或多个光纤引线和信号调节装置，以传输包含被测量信息的光信号并完成测量。
与传统的机电传感器相比，光纤传感器具有许多优点：
首先，光纤传感器具有完全无源的结构和稳定的化学性能，因而免疫电磁干扰和化学腐蚀，其次，由于在形状和尺寸设计方面具有很好的灵活性，光纤传感器容易适应安装环境的需要；再次，光纤传感器可以方便的实现准分布式监测;最后,光纤传感器,具有远超其他类型传感器的测量灵敏度，容易实现高精度测量。
因此，光纤传感器自问世以来一直受到人们的关注。
光纤光栅是20世纪九十年代发展起来的一种新型全光纤无源器件,与光纤完全兼容,它除了具有光纤本质安全、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、耐高压、使用寿命长的特点外，还具有以下优点：
（l）稳定性好，灵敏度高。
光纤光栅是一种波长调制型器件，其性能不受光源光
功率的影响。
（2）通用性好。
光纤光栅传感器可以实现对温度、应变、浓度、折射率、磁场、
电场、电流、电压、速度、加速度等多种参数的测量。
（3）复用性强。
光纤光栅传感器可以采用波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、空分复用（SDM）等多种复用方式实现准分布式测量。
（4）适应性强。
光纤光栅制作方便，可以大规模低成本的生产，且结构较小，非
常适合用于一些要求传感探头尺寸较小的场合。
光纤光栅传感器可以在开关柜内高电压、大电流、强磁场的环境下实现对触头的高精度、高稳定性的测量，且易于构成分布式测温系统对所有触头进行实时在线式监测。
因此本系统将采用光纤光栅测温法。
1.5课题主要任务
本课题主要研究内容是设计一套低压开关柜智能监控系统，具备以下功能：
1、电压、电流、工作温度、柜内环境温度的在线监测功能；2、无线通信功能；3、远程控制功能；4、完备的电压保护、电流保护、温度保护功能。
第二章是系统的总体设计，分别从硬件和软件上大致讨论设计的总体步骤；第三章详细分析了系统的硬件，对于单片机、温度传感器、电流传感器、电压传感器进行了选择；第四章对系统软件进行了分析，将软件分成3个层次细化的做出了分析；第五章是技术与经济分析，讨论了本设计在实际中的可行性。
2开关柜智能监控系统的总体设计
本课题所选的低压开关柜型号为GGD系列。
GGD型交流低压开关柜可广泛的应用在发电厂、变电所、厂矿企业等电力用户，在交流50HZ，额定工作电压380V，额定电流3150A的配电系统，作为动力、照明及配电设备的电能转换、分配和控制中使用。
GGD型开关柜的使用条件：
1.周围空气温度不高于+40℃,不低于-5℃。
24h内的平均温度不得高于+35℃；
2.户内安装使用，使用地点的海拔不得超过2000M；
3.周围空气相对湿度在最高温度为+40℃时不超过50%,在较低温度时允许有较大的相对湿度,（例如+20℃时为90%）应考虑到由于温度的变化可能会偶然产生凝露的影响；
4.设备安装时与垂直面的倾斜度不超过5%；
5.设备应安装在无剧烈震动的地方,以及不足使电器元件受到腐蚀的场所;用户有特殊要求时可与制造厂协商解决。
GGD型开关柜的基本技术参数：
型号
额定电压
（V）
额定电流
（KA）
额定短路开断电流（KA）
额定短时耐受电流（1S）（KA）
额定峰值耐受电流
（KA）
GGD1
380
A1000
B600（630）
C400
15
15
30
GGD2
380
A1500（1600）
B1000
C
30
30
63
GGD3
380
A3150
B2500
C2000
50
50
105
表2-1GGD型开关柜的基本技术参数
Tab.2-1BasictechnicalparametersoftypeGGDswitchgear
本课题将选用的是GGD1型低压开关柜。
本设计方案中，低压开关柜温度监测系统以微型计算机作为监测核心，结合高精度的温度传感器、数据采集变换器及可靠的通讯技术，构成功能强大、操作简便、工作安全可靠的在线温度监测系统。
在系统设计中，充分考虑系统的可操作性、可靠性、美观性等，使系统能够应用于实践并加以推广。
开关柜智能控制及运行模拟装置符合国家电力行业“五防”的要求设计研发，可以根据要求实现一次回路的电压、电流、温度等显示功能，配合相关操作控制回路及各类防误操作电磁锁，系统采用智能检测技术设计合理的开关柜温度和状态模拟系统，实现对开关柜工作状态模拟和环境监测，单片机是开关柜智能控制装置的核心，由它完成对监控对象的选择、状态灯控制、模拟信号的输入、数码显示、信号输出电路设计以及与上位机数据通信等任务，而监控中心通过对开关柜节点传送的数据进行处理和分析，在监控中心还原开关柜的运作情况，并对开关柜的运行环境进行监测与监控，对于出现异常的开关柜进行合理的安全处置。
系统能够根据开关柜的状态进行动态应急处置，从而达到保护用电系统安全的作用，取得了良好的经济效益，达到了预期目标。
2.1监控系统的硬件结构
整个监控系统的硬件由电流传感器、电压传感器、温度传感器、信号传输线缆（光纤或者无线通信）、数据采集变换器、RS-485总线、RS-485/RS-232转换器以及监控中心构成。
低压开关柜的特点是电缆连接头和母线连接头较多，当安装或检修时工作人员因疏忽而没有安装或少装了紧固螺丝,或者是由于触头脏污时，会导致连接头的接触电阻增大,当有大电流通过时就会产生高温，如果不能及时发现，将会造成故障甚至事故。
因此，对于低压开关柜的电压、电流、温度监测，主要是对其电缆连接头以及母线连接头进行监测。
在监控系统中，传感器通常紧贴需要监测的母线排、开关触点等安装。
要求传感器测温精度不小于1度。
在开关柜设置一个数据采集模块，实现对开关柜内电流、电压、温度监测数据的采集，并将数据传送到监测中心。
数据采集模块可安装在开关柜面板，并需要外部提供24V直流电源供电。
在温度采集模块和监测中心之间采用RS-485电缆进行通讯连接，以保证信号可靠的传输，RS-485通信在1200m内可以保证可靠的通信质量,因此监测计算机与最远的开关柜间距离应小于1200m。
监测计算机一般采用工控机，而工控机只带有RS-232接口，故RS-485总线末端需要用RS485/RS232转换器进行信号转化，方便系统软件的数据采集。
监控中心是由工业控制计算机构成，保证对系统进行实时监测。
监控中心通过系统软件对接收到的温度信号进行适当的处理，完成显示、报警等功能。
图2.1系统硬件框图
Fig.2-1Systemhardwareblockdiagram
2.2监控系统软件功能设计
软件开发使用MicrsoftVISua1C++6.0的基础类库MFC，MFC作为大型的工程编程语言，已经大量的应用于实践当中。
它提供了大量预先编写好的类及支持代码，极大程度减少了工程开发所需的时间，提高了工作效率。
系统软件由在线监控和实时分析两个主要部分组成。
软件具有在线采集、监控、分析现场温度的功能，这些分析包括超温分析、温升趋势分析和相间温差分析，并能做出报警、预报警（包括温升预报警，三相相间温差预报警等）、报警日志记录等处理。
可以在数据库中保留历史数据，作查看与分析使用。
本文设计的软件由多个模块组成，各个模块之间的通信通过共享内存来实现。
实时数据库负责机器内各应用程序的实时数据交换。
程序模块与数据库的通信通过ODBC技术完成。
本系统包括数据处理服务器、接受和发送数据的通信模块。
进行数据库配置的数据库配置模块、历史数据查看的历史应用模块和报警模块。
对于企业应用于安全性领域的系统软件，不仅需要应对各种突发性情况，还要考虑到用户的可操作性，最重要的是软件在运行中的稳定性与可靠性。
温度监控系统软件是个多任务操作软件，例如通过RS-232串行总线实现对监控网络硬件设备的控制与通信，实时数据的存储，以曲线形式实时显示测试数据，历史数据的查询、曲线显示以及操作记录等。
为了在完成这些任务的同时，主控制界面能够实时的处理用户的输入，始终保持工作状态,一种比较好的方法就是采用多线程的编程模式。
3监控系统的硬件设计
整个监控系统的硬件由电流传感器、电压传感器、温度传感器、信号传输线缆（光纤或者无线通信）、数据采集变换器、RS-485总线、RS-485/RS-232转换器以及监控中心构成。
3.1温度传感器的选择
考虑到光纤光栅温度传感器在开关柜内的应用环境，传感器的设计制作主要从以下五个方面确定:
（l）选择高性能的光纤光栅传感器。
主要考虑光栅传感器的测温范围、反射率、有无次峰等方面
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