（电机与电器专业论文）分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究.pdf

同济犬学硕上学位论文 分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 a b s t r a c t w j t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m t h er e q u i r e m e n to ft h er e l i a b i l i t yi s h i g h e ra n dh i g h e r d i s t r i b u t e do n l i n et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e ms t u d i e di nt h i s p a p e rc a r l m o m m rt h et e m p e r a t u r eo nh vd e v i c ei nt h er e a l t i m ew a y , a n dc a n d i a g n o s eo rc u to f ft h ef a i l a r ec i r c u i ta u t o m a t i c a l l ys oa st oi m p l e m e n tp r o t e c t i n g f u n c t i o n i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g n o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei nd i s t r i b u t e do n l i n e t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mi s s t u d i e dm a i r a y t h i ss y s t e mi n c l u d e su p p e ru n i t ， m i d d l eu n i ta n dt h r e er e m o t et e r m i n a l u n i t s ( r t u ) m i d d l e u n i ta n dr t u c o m m u n i c a t ee a c ho t h e rw i t hi n f r a r e di no r d e rt or e s t r a i nt h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e ( e m dt h e n ，u p p e ru n i tc o m m u n i c a t e sw i t hm i d d l eu n i tb yr s - 4 8 5 ，w h i c h c a nr e a l i z et h er e m o t ed a t ac o m m u n i c a t i o n t h em i d d l eu n i tm a y d i s p l a ya n dp r o c e s s d a t ai nr e a l t i m ew a y o np ct h es o f t w a r ep r o g r a m m e db yv i s u a lc + + b u tt h es o f t w a r eo fm i d d l eu n i t a n dr t u ，w h i c ha r ea l lc o n t r o l l e db y8 9 c 5 2 ，i sr e a l i z e db ya s s e m b l yl a n g u a g e i nt h e p a p e r s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n c l u d i n g i n f r a r e dc o m m m f i c a t i o na n dr s - 4 8 5 i s i n t r o d u c e d t h ep a p e rs t u d i e dn o n l i n e a rp r o b l e mc a u s e db yt e m p e r a t u r et r a n s d u c e ra n d d i s c u s s e dt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ht h es o f t w a r e ， p i e c e w i s e l i n e a ri n t e r p o l a t i o ni sa d o p t e df o rd e c r e a s i n gt h en o n l i n e a re r r o r t h i s p a p e ra l s od i s c u s s e st h ee m i ，a n dg i v e st h er e s l r a i n i n g m e t h o d sf r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w h i c hm a k e st h es y s t e m o p e r a t en o r m a l l y t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h i st e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mc a no p e r m e r e l i a b l y ；t h es y s t e ma l s oh a sa l a r mf u n c t i o na to v e r - t e m p e r a t u r ep o i n ta n d r e a l i z e s m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gr e m o t e l y k e vw o r d s d i s t r i b u t e d ，o n l i n et e m p e r a t u r em o n i t o r i n g , i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，r s - 4 8 5 ， p i e c e w i s el i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e 2 格式： 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文“乐趣：望高墅监监监盘垫固篮嫂! 塑村宅” 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：0 建币杉 1 妒年月冲日 分散型高压电气设各温度巡吲监测技术研究 第一章绪论 1 1 前言 现代社会对电能的依赖性极高，瑚电密度越大的地区对电的依赖性越高，因 而对供电设各的可靠性提出了越来越高的要求。 高压电气设备如离开三开关柜、有载分接开关等电力设备，其系统故障主要是 由电气及机械方面引起的。电力系统中常由机械磨损、机械操作或短路时的电 动力弓1 起机械振动，使得固定连接处的螺丝松动，以及电弧对触头烧损等原因， 破坏了元件问正常的导电连接。这样减小了接触压力和接触面积，增加接触电 阻，引起温度上升，加剧接触表面的氧化，进而使接触电阻进一步上升，而产 生熔焊或火花，甚至电弧放电，秧及其周围的绝缘材料，使得电力设备出现故 障。因此，希望在这些故障发生之前就能检测到异常状况，以便采取措施，最 大限度内减少经济损失，另外还要不影响系统的正常运行。所以电力设各的在 线实时监控技术得以发展和应用。 随着状态维修概念的普及，在线监测技术获得迅速发展。高压电气设备温度 在线监测技术可在设备运行时实时监测其运行状态，实现过热报警，是避免重 大事故发生或控制故障恶化的有力手段。电气设备的在线监测技术如此重要， 以至成为国内外高电压技术工作者关注的研究热点。 在线监测技术是在输配电系统正常运行期间以及不拆卸金属封闭外壳的情 况下，周期性或连续的获得电力设备工作信息，以便及早发现异常现象，指导 人工或自动退出故障元件，防止设备的彻底损坏，抑制系统故障的发生，从而 减少停电次数，停电时间和经济损失。根据防范目标的不同，电力系统在线监 测的内容多种多样。其中，温度的在线监测技术是防范高压电气设备主回路导 电连接处的接触电阻异常增加，触头烧毁，绝缘材料过热老化和长时间电流过 负荷而引起事故的重要手段。由于输电系统负荷电流的剧增突变也会引起过热 现象，一定程度的过负荷运行和短时间内通过短路电流，是可以接受的，因为 电力系统的设计中已经考虑这些情况。但是长时间的过负荷，热量积聚，导体 电阻增大，以至温度超过最大允许温度，这将引起严重的后果。因此，监测电 气设备及母线的温度，并根据温度信息增减输电线上的负荷功率，将有助于提 高输电可靠性。1 由此可说明高压设备温度在线监测技术将有很好应用前景。 1 司济火学硕士学位论文分散型高压电飞垃备温度巡刚监洲技术研究 1 2 高压电气设备温度在线监测技术的发展 12 1发展阶段 对设备检修而言，其发展大致可分三个阶段。第一阶段是第二次世界大战 前，设备坏了爿。检修。第i 阶段，持续到7 0 年代，检修特征是实施预防性试验， 按事先规定的时间进行大修。第三阶段是以可靠性为中心的检修，并辅之以预 测性检修，也称为状态检修。检修的时间间隔是根据设备的历史运行状态和连 续监测数据，分析其变化趋势，并加以预测诊断确定的。其中，监测定义为在 线的数据收集，包括传感器、测量以及数字信号处理技术；诊断定义对所有在 线和离线数据的全面判断。 预防性试验是根据实验的结果来判断设备的运行状况，从而确定其是否可 继续投入运行。目前，我国变电站的电气设各的检测工作仍按照电气没各预 防性试验规程要求进行的。但是这种传统的试验方法与现代的电力发展在很 大程度上己不适应，主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 试验时需停电。但是，某些情况下，有些系统根本不允许或无法停电。 ( 2 ) 试验周期长。预防性试验的周期一般为一年，在此期间内很容易出现故障。 ( 3 ) 试验时间集中，工作量大。预防性试验要在很短的时间内完成大量设备的 试验任务，不仅劳动强度大，而且难以对每台设备进行仔细的检测和诊断。 ( 4 ) 试验电压低，诊断的有效性值得研究。传统的预防性试验电压一般在l o k v 以下，由于试验电压低，很多一般性缺陷也不易被发现。 基于以上原因，单靠传统的预防性试验已不能满足电力飞速发展的要求。 为确保电力系统的安全运行，最大限度的降低事故率，近年来发展起来的在线 监测技术正适应了这种需要。可达到电力系统的下述要求： ( 1 ) 产品的质量问题使运行可靠性受到影响，采用在线监测技术，可在运行 中及时发现发展中的事故隐患，防患于未然。 ( 2 ) 逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备停电时间，节省试验费用。 ( 3 ) 对陈旧设备或已知有缺陷、有隐患的设备，用在线监测可随时监视其运 行状况，一旦发现问题及时退出，最大限度的利用其剩余寿命。 应用在高压电气设备的在线监测技术也得到了很大发展，经历了三个阶段： 第一阶段，带电测试阶段。始于7 0 年代左右，人们仅仅为了不停电而对电 2 i 司济大学硕士学位论文分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 新技术，实现更多形式参数( 如温度和绝缘参数等) 在线监测。这种监测系统 可以实时连续地巡回监测多种被测量点，因此，监测内容丰富、信息量大、处 理速度快，对监测结果可显示、存储、打印、远传以及极限报警，实现监测全 部自动化，代表了当今在线监测的发展方向。“1 总的来讲，主要是向智能化和远 程自动化发展，使电力设备的状态检修技术具有自诊断、运行状态可控、实时 故障报警以及能够进行远程监控等功能。 一般说来，所谓智能化包括三个方面的含义。 首先，使对象具备灵敏准确的感知功能( 知识的获取) ；其次，正确的思 维与判断功能( 知识的运用) ；再次，行之有效的执行功能( 知识的处理) 。 对于监测系统而言，其智能化主要是在现代传感器技术和电子计算机技术的 基础上实现的。如诊断技术的发展是智能化的一个体现，它与人工智能相结合 得到了更快的发展。目前，主要有两个研究方向，即建立各类专家系统以及建 立人工神经网络( a n n ) 。 知识的获取是采用精确度高、灵敏度高的温度传感器，采集温度数据。知识 的运用是诊断技术，对采集数据进行一系列数据处理，提取有用数据，再与规 定的允许值进行比较。知识的处理是根据比较结果进行相应动作，超过允许值， 就会报警发出指令，执行相关的控制动作，如控制继电器，切断故障电路等。 随着电力设备自动化水平的提高，在高压电气设备与控制室隔离较远的情 况下，实现控制现场单元的遥测、遥调、遥控、遥信的“四遥”功能1 4 o 有的 电气设备需要采用无人值守方式。 设备的远程监测诊断是计算机科学、通讯技术与故障诊断技术相结合的一 种新的设备故障诊断模式。随着机电设备朝着大型化、自动化、高速化和复杂 化方向的发展，远程监测诊断系统的研究应用正在世界范围内兴起。 机电设备监测诊断的模式经历了从单机监测诊断系统到分布式监测诊断系 统啪s ) ，又进入基于i t 1 e t 的远程监测诊断系统的发展过程。最早监测诊 断系统是针对某一机器设计的，是封闭式的系统，信息的交流与处理限于系统 内部，这种单机监测诊断系统，属于第一代的监测诊断系统。接着，对于大型 机电设备的分布式监凋诊断系统，它针对大型机电设备主机和多个辅机功能分 布和地域分布的特点，通过工业局域网把分布于各个局部现场、独立完成特定 功能的本地计算机互联起来，成为实现资源共享、协同工作、分散监测和集中 同济大学硕士学位论文分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 操作、管理、诊断的工业计算机网络系统，这是基于工业局域网的相对开放的 系统，信息的监测与处理在局域网内部进行。d m d s 系统是第二代的监测诊断 系统。现又出现1 基于 n t e r n e t 的远程故障诊断系统。远程监测诊断系统可以实 现“移动的是数据而不是人”，从而改变一旦设各发生故障，诊断人员就疲于奔 命的被动局面。最早实现监测诊断网络化的是美国西屋公司。近年来，美国南 部电力公司，i n l a n d 钢铁公司、q u a n t u m 化工公司和b e n d y 公司等发展了各自 的状态监测诊断网络。这些远程监测诊断网络系统是第三代设备监测诊断系统。 近年来，远程监测技术应用到各个领域，特别是应用到高压电气设备上， 使高压电气设备监测技术的发展迈向新台阶。尽管高压电气设备的远程故障诊 断技术在国外已取得一定的进展，但在国内还处于初始阶段，有待进一步研究。 1 2 2 发展现状 在国外，“s a f e g u a r d ”是a b b 配电公司开发的非接触式的温度监测系统， 它是在高压开关的关键部位连续测量其运行状态温度。 国内，北京安伏电子技术有限公司的n s m a r t8 光纤式温度在线传感器和 s c a n 3 0 0 0 分布式温度光纤分布系统代表了光纤式测温方法。 n s m a r t8 光纤式温度在线传感器连续监测高压开关柜内待测点的运行状态 的温度，确定待测点的发热程度，当发生超温时，仪器发出报警指示。6 通道光 纤温度传感器安装到开关柜内带电触头上，面板表上的数字显示出每个带电触 头的温度值，并将温度值通过_ r s - 4 8 5 接口传送到到上位计算机，实现开关柜温 度的集中监测。它解决了长期以来高压柜内空间狭小的限制，通常的温度测量 方法不能使用。开关柜内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头( 因为探头 必须与被测物体保持一定的安全距离) ，n s m a r t 8 的光纤可以根据开关柜的内部 结构弯曲成不同形状，不影响原有的开关设备。 s c a n - 3 0 0 0 分布式温度光纤监测系统，也是一种采用光纤传输温度信号的 高技术传感器，由于光纤的高绝缘性能，它在高压电气设备方面有着广泛的应 用领域，如中高压电缆接头的直接运行温度测量、母线连结点的运行监测、运 行状态下高压开关柜内开关触点的温度在线监测、主变压器内部连结处及有载 分接开关的运行温度监测、避雷器等设备的温度监测。s c a n - 3 0 0 0 分布式温度 光纤监测系统，能实现高压运行部件的在线测量，开创了国内高压设备中温度 4 同济大学硕士学位论文分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 在线监测的新领域，与传统的红外热像测温相比，不仅具有测温的实时性和稳 定性。同时也有更大的经济性。 光纤式温度在线监测仪，采用光纤进行高压隔离和传输信号，不受高压和 环境的干扰，监测仪所带的光纤测温传感器能安装在待测的带电物体表面，直 接检测其温度值，从根本上解决了空间有限的高压电气设备内触点运行温度监 测的难题。但是光纤在高压隔离方面仍达不到要求，通过光纤隔离存在着沿面 放电问题。所以，仍需寻找能彻底隔离，不受电磁干扰的温度在线监测方法。 韦安博电力有限公司的x s j 一2 0 0 0 红夕 线开关柜温度在线监测系统，它基于先 进的现场总线信号传输系统。采用了通讯技术、微处理器技术和光纤数字转换 技术，并采用了强电场环境下运行的非接触式测温技术( 即红外线感温技术) ， 能够对高压、大电流载体，如：开关柜开关触点、接头等无绝缘的电气设备进 行温度监测。它克服了高压开关柜接点处高电压、强电磁场、无绝缘、感温元 件无法设置等技术难题，它能有效辨别高压开关柜中主导电回路接头过热和短 路事故隐患，对高压开关柜中导电回路接头温度进行在线监测，有效检测其温 度变化，进行早期判断，为电力设备安全运行提供有效保证。实现通讯接口标 准化，采用标准通讯接口协议r s - 4 8 5 和e t h e r n e ti e e e8 0 2 3 规范，支持i p x 及 t c p i p 协议与互连网连接。并采取隔离、耐高压措施，现场智能集线器与通讯 总线完全隔离，采取光纤隔离技术，能经受的电压冲击典型值1 5 0 0 v r i d s 分或 2 0 0 0 v r m s 秒。但该系统中采用光纤隔离，不能有效抑制电磁隔离。而且采用非 接触式红外线感温技术，虽然能够解决高压隔离以及传感器环境温度高的问题， 但它只可测量传感器直视范围内的测量点温度，使传感器的布置受到限制。”h 1 3 研究分散型温度在线监测技术的必要性 温度监测是防止高压电气设备故障发生的有效手段，它采用实时监测技术， 可防止设备彻底损坏，抑制事故的发生，减少停电次数、停电时间及经济损失。 据报道，实施状态检修可使电力系统中每年用于设备检修的费用降低2 5 - 5 0 ， 故障停电时间减少7 5 。由此可见它对供电可靠性起了很大的作用。 通过对国内外的应用于高压电气设备的温度监测技术的研究和分析，认为 还存在以下问题。首先，在传感器的选择上。目前，测温工作方式可分为非接 5 同济大学硕上学位论文 分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 触式测温和接触式测温两种形式。非接触式测温一般采用红外热像测温方法， 通过接收被测点辐射出的远红外波，根据远红外波长确定被测点的温度。这种 方法解决了高压隔离以及传感器环境温度高的问题，但它只能测量在传感器直 视范围内的被测点温度。接触式测温是把温度传感器埋设在被测点直接测量温 度，目前都采用光纤式传感器。尽管光纤式测温解决了远红外测温的缺点，也 具有很好的隔离效果，但是存在光纤沿面放电的问题，这需要很睦的沿面爬电 距离。其次，要解决高压隔离问题。目前常采用的有光纤隔离和空间隔离两种。 光纤隔离存在着沿面放电问题，有不足之处。空间隔离，信号可由光传送或无 线电传送，但是一般的光电隔离距离比较近，还需采用远距离集中监控的问题。 才能适应高压电气设备自动化的要求。 根据中国电力科学研究院对国内部分电力部门安装的在线监测系统的调 查，属于正常或比较正常的监测系统仅占3 0 ，各种高压电气设备的温度监测 仪器还存在不少问题，迫切需要研究适应高压电气设备的故障在线监铡装置。 该装置需要具有以下的特点：可用于高压电气设备；有一定的正确性、稳定 性和测量精度，可满足实际运行的需要；体积小，易于安装在空间有限的电气 设备中：价格低廉，结构简而安全可靠；采用红外光隔离，有效抑制电磁干扰； 能实现遥测和遥控的功能，不必亲犒现场。 1 4 本论文研究要点和主要内容 鉴于以上分析，需要研究一套应用于高压电气设备在线温度监测装置，实 现高压隔离，并能够实现远程通信功能。所以本论文需要从软件和硬件两方面 着手，相互配合，并使传感器具有能可靠测温、解决高电压隔离以及实现远程 监控等问题，以满足电力部门要求。 本论文耍解决的主要问题如下：实现多机可靠通信，同时必须考虑高压环 境下的电磁干扰问题；实现远距离监控：使系统具有超温和报警功能。具体内 容见以后章节。 6 同济大学硕士学位论文 分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 参考文献 郭文元，高良玉，雷颖高压在线温度监测器的研制高电压技术1 9 9 7 ， 2 3 ( 2 ) ，p 2 2 张元林，王文胜徐大可变电站电气设备在线监测综述高压电器 2 0 0 1 ，3 7 ( 5 ) ，p 3 1 邹积岩，王毅开关智能化的概念与相关的理论问题高压电器2 0 0 0 ( 6 ) ，p 4 3 王楠，律方成等应用w e b 技术远程监控变电站在线监测系统高电压 技术，2 0 0 2 ，2 8 ( 9 ) ，p 2 9 徐东晟，许一声高压开关柜触头温度在线监测的研究高压仪器，2 0 0 1 ( 1 ) 。p 5 4 7 】 】 l 】 1 l 2 3 4 5 n 乜 “ h 同济大学硕士学位论文 分散型高压电气设备温度巡刚监测技术研究 第二章分散型高压电气设备温度巡回监测系统基本原理 2 1 系统基本原理 本系统分为三部分，上位机，下位机以及中间机，其原理图如图2 1 所示。 1 #2 # 3 # 图2 1 系统原理图 本系统中有三台下位机，分别为i ”，2 ”，3 ”，处于从机地位，以a t 8 9 c 5 2 单片机为控制中心。温度传感器采集高压电气设备导电回路处的温度信息，送入 有源低通滤波电路，由a d 模数转换成数字量，经过滤波及一系列数据预处理， 然后由红外载波调制及发射接收等电路完成信息的传送。中间机也以8 9 c 5 2 为 控制中心，通过红外载波调制及发射接收电路进行信号解码与校验，接收下位机 发送过来的数据，然后进行数据处理，实现温度显示、超温报警及保护等功能。 再把数据送到上位机，实现远距离监测。其功能模块框图如图2 2 所示。 由于下位机工作在高温以及强电磁场环境下，所以需要解决高压下供电问 题，此处采用同电位的独立电源供电。位于下位机的独立电源通过套在母排上 的线圈吸收母线周围的磁场能量，为下位机的电路提供能量。 要实现高压设各在线监测，关于高压隔离问题急需解决。本系统采用空间 隔离方法，下位机与中间机之间采用红外光线进行信号传送，它具有隔离彻底、 结构简单、抗电磁干扰能力、工作可靠等特点，具体内容在第三章中介绍。 心济大学硕士学位论文分散型高压电气设各温度巡回监测技术研究 图2 , 2 系统结构框图 中间机与上位机之间通过r s 一4 8 5 总线通信。中间机的t t l 电平信号经过 g l a x 4 8 7 芯片转换，变成符合r s 4 8 5 标准的差动信号。上位机采用p c 机，其r s 一2 3 2 信号经过r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 的转换器4 8 5 a ，也转变成r s 一4 8 5 标准的差动信号，然 后二者通过双绞线相连，完成数据传输。 9 爿济火学硕士学位论文分散型高压电气璇备温度巡斟虢测技术研究 2 2 超温报警、手动复位以及保护装置介绍 超温报警、手动复位以及保护装置电路集中在一个控制盒内，可以方便接收 故障报警信号以及控制继电器，实现继电保护功能，还可以实现手动复位功能。 控制盒内的电路图见图2 3 。 f u s e i 触碧k 斗 1 拇 _一广 复位按钮 i 。a d z 四 i b e l l f t0 r z 缸子开关 l 11 1 3 4 1 ，5 一接开关电源乙6 一分别接继电器常开触点 3 一接v c c ( + 5 v ) 垂接7 4 1 s 0 2 的3 管脚 图2 3 控制盒内电路图 控制盒内包括四部分电路，电源开关、继电保护电路、报警电路以及手动复 位电路。虚线框内电路表示带指示灯的电源开关，其输出端1 和5 分别接至开 关电源的输入端。2 和6 分别接继电器的常开触点，其连接图见图2 4 。“1 接5 5 ：广o 。峙 图2 4继电器连接图 1 0 2 6 同济大学硕t 学位论文分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 超温时，继电器的常开触点闭合，其中一个常开触点控制蜂鸣器，使其超 温报警，另一个常开触点可接大功率继电器，切断故障电路，实现自动保护功 能。如果程序跑飞，看门狗不能起作用时，就需要手动强迫复位，所以要加一 个手动复位按钮。 本章参考文献 【1 】王天曦，李鸿儒电子技术工艺基础清华大学出版社，2 0 0 0 2 1 李朝青单片机原理及接口技术北京航空航天大学出版社，1 9 9 4 t 3 1 李华m c s 5 1 系列单片机实用接口技术北京航空航天大学出版社，1 9 9 6 1 4 1 李现勇v i s u a lc 抖串口通信技术与工程实践人民邮电出版社，2 0 0 2 向济大学硕士学位沦文分散型高压电气设善温度巡嘲监测技术研究 第三章下位机与中间机的通信 为抑制数字电路中的电磁干扰和实现高压卜的可靠隔离，采用红外光来传 输信号，使得模拟信号电路和数字信号电路分离开。下位机中单片机8 9 c 5 2 串 行口t x d 端发出的信号用3 7 9 k h z 的载波信号调制，通过红外发光二极管发射。 经空间传播的红外信号由红外接收模块接收、选频放大、解调后，输入到中间 机中单片机8 9 c 5 2 的r x d 端。红外光通信遵循i r d a 通信协议。 3 1 红外通信简介 3 1 1 ir d a 红外通信及其通信协议 i r d a 数据通信按发送速率分为三大类：s i r ，m i r 和f i r 。串行红外( s i r ) 速率覆盖了r s - 2 3 2 端口通常所支持的速率。m i r 指o 5 7 6 m b s 和1 1 5 2 m b s 的 速率。高速红外( f i r ) 通常用于指4 m b , s 的速率，有是也用于高于s i r 的所有 速率。 在i r d a 中，物理层、链路接入协议( i r l a p ) 和链路管理协议( i r l m p ) 是 必需的三个协议层。除此之外，还有一些适用于应用模式的可选层。图31 示出 i r d a 的不同协议层构建图。 在基本的i r d a 应用模式中，设备分为主设备和从设备。主设备探测它的可 视范围，寻找从设备。然后从那些响应它的设备中选择一个，试图建立连接。 在建立连接的过程中，两个设备彼此协调，按照它们的最高通信能力确定最后 的通信速率。也可以在设计时设定一波特率，通信双方在此波特率下进行通信。 i r d a 数据通信工作在半双工模式，因为发射时，接收器会被它自己的光芒 所屏蔽。通信的两个设备通过快速转向链路来模拟全双工通信，由主设备负责 控制链路的时序。 i r d a 协议按层安排，应用程序的数据逐层下传，最终阻光脉冲的形式发出。 i r l a p 和i r l m p 是协议层中物理层之外所需的两个软件层。在物理层上的第一 层是链路接入协议( i r l a p ) 它是h d l c ( 高级链路数据控制) 协议的改编， 以适应红外传输的要求。i r l a p 层的功能是进行链路初试化、设备地址寻找和解 决冲突、启动连接、数据交换、断开连接和链路关闭。 1 2 同济大学硕士学位论文 分教型高压电气设备温度巡回监测技术研究 k l a p 指定红外数据包的帧和字节结构，以及红外通信的错误检测方法。 i r l a p 之上的一层是链路管理协议，即i r l m p ，它管理i r l a p 所提供的链路层连 接中的链路功能和应用程序。它评估设各上的服务，并管理如数据速率、b o f 的数量( 帧的开始) 、及连接换向时间等参数的协调，以及数据的纠错传输。 i r d a 物理层协议提出了对工作距离、工作角度( 视角) 光功率、数据速率和 不同品牌设备互联抗干扰能力的建议。n 1 物理层协议设计保证了o l m ，0 。1 5 。轴线偏离角的无错通信。其中包 括调制、视角、光功率、数据速率和噪声去除的规范，以保证不同类型设备间 的物理互联性。协议也考虑了周围光照或鼠噪声源存在，和参与取通信设备 间的干扰。 协议要求合理选择发射器的光强度和接收器的灵敏度，以保证链路能在o 1 m 距离内工作。数据速率小于4 m b t s 时使用r z i ( 归零反转) 调制，最大脉冲 宽度是位周期的3 1 1 6 ；而4 m b s 数据速率用4 p p m ( 脉冲位置) 调制。图3 2 给出 i r d a 物理层的方框图。r z i ( 反相归零) 调制需要的编码解码器集成在i o 芯片 中，也可作为一个独立元件。4 p p m 调制时两个数据位组合在一起，组成一个 5 0 0 n s 的“数据码元组”。将这一码元组分为四个1 2 5n s 的时隙，根据码元组的 同济亢学硕士学位论文分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 数据字 数据字 i r z i 调制( 3 1 6 编码) 卜 i 删调制 h i 解调( 3 1 6 编码) _ 一 、 i 4 p p m 粥, j 卜 圈3 2i r d a 物理层方框图 状态，在不同的时隙放置单脉冲。解调器在对输入位流的相位锁定后，就能根 据脉冲在5 0 0n s 周期中的位置来解出数据。旺1 3 2 红外通信部分的硬件设计 红外通信部分是由载波发生电路、红外信号调制发射电路、红外接收模块及 其外围电路组成。 3 2 1 载波发生电路 本研究中选用中心频率为3 i 9 k i - k 的红外接收器，所以红外发射器的载波 频率也是3 7 9 k h z 。实验表明，当载波频率的误差大于i k h z 时，传输数据会出 现误差，所以载波频率及载波波形的质量对于红外数据通信有很大的影响。该 部分的电路分为两部分，即波形发生电路和整形电路。 载波发生电路图如图3 t 3 所示。 图3 3载波发生电路 波形发生电路采用频率可调的r c 环形门电路振荡器来产生载波。由三个非 门构成负反馈环，引起自激振荡，通过r c 延时环节获得较低的可调的载波频率。 1 4 尉济大学硕士学位论文分敞型高压电气设备温度巡回监测技术研究 该电路中，虚线框中的s f - 7 4 l s 0 4 ，可调电阻p 1 以及电容c 1 构成充放电回路， 从而达到延时的目的。当u i 2 发生跳变时，由于电容两端电压不能突变，u i 3 必然 产生与u 。2 相等的负跳变，使电容从一个较负的起始值开始充电，这就加长了u 。3 到达门限电压的时间，相当于加长了u i 2 到u i 3 的传输时间，图3 4 给出图33 电 路的工作波形图。通过调节电容c 。的值，可以达到粗调频率的目的，调节可调 电阻p 。的大小，可达到微调频率的目的。”1 另外，为了防止u i 3 产生负跳变时流过g 3 的输入端的电流过大，还要在g 3 的输入端串接保护电阻r 。由于本设计中采用的是t t l 门电路，所阻还要注意 p l 和r l 的阻值不宜过大，否则由于g 3 内部电阻的分压作用会使输入管脚5 的 电平始终高于它的门限电平值u t h 以上，从而使整个电路进入稳态，无法正常 工作。试验表明p 1 取5 k q 时，r 1 的值最好不要超过1 2 k q 。 嘶日l 1 l u 丑 嗡e ： u o h u t m u i , h 图3 4载波发生电路波形图 在该电路中，r c 环节产生的延时时间远大于s f - 本身的传输延迟时间，所 以在计算振荡周期时，可只考虑r c 电路的影响。作为近似估算，图3 3 电路的 振荡周期可由下式计算： t m 2 2 r c ( 此处r 指p l 的接入电阻，c 是指c l 的电容值) ( 3 1 ) 1 。2 2 r c ( 3 2 ) 本电路中，p 1 取阻值为5 k q 的电位器，c l 选用0 0 1 uf 的电容，所以随着 p l 的变化，由式( 3 2 ) 得，f 可取大于9 k _ h z 的任何值。 同济大学硕士学位论文分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 3 22 波形整形电路 波形发生电路输出的波形不够平整，占空比也随着p l 取值的变化而变化， 当输出3 79 k h z 时，占空比接近于l ：6 ，这样的输出波形远不能达到红外通信要 求，必须对波形进行整形。其整形电路如图3 5 所示。先用两个非门将波形整平 再用分频器改善占空比。此处分频器采用7 4 l s l 6 3 ，接成二分频。调节可变电 阻p l ，可获得输出频率3 7 9 k h z 的方波，占空比大约为1 ：3 ，符合红外通信要求。 单片机8 9 c 5 2 串口t x d 端发出的信号，经过3 7 9 k h z 的载波信号调制，经 过红外发光= 极管发射出去，由于接收器内部带通滤波器和检波环节，可以抑 制其它频率的红外干扰信号，从而提高了红外线传输的抗干扰能力。而且采用 3 7 9 k h z 的载波频率，增加了码的占空比，达到了降低电源功耗的目的。“1 7 4 i 皇1 6 3 3 器器 军 p 2q 2 p 3q 3 了 c e p t c 4争 g e t 9 c u ( p e l鼹 v c c + 5 v 图3 5 波形整形电路 3 2 3 红外信号调制发射电路 设备监测的数据经8 9 c 5 2 的串行i z lt x d 发出，然后经过3 7 9 k i - i z 的载波信 号调制，由红外发光二极管发射出去。该部分的电路如图3 6 所示。 8 9 c 5 2 m 3 8 k h z 图3 6调制发射电路 1 6 同济大学硕士学位论文分散型高压电气设各温度巡回监测技术研究 要在红外接收端接收到正确的信号，最关键的就是要解决信息逻辑关系的配 台问题。光具有叠加效应，当几路光信号相遇时。会产生叠加，所以为了避免 光线叠加，必须保证任何时刻只有一路有效信号，而且不会被其它信号淹没。 该系统中数据传输线路必须处于半双工的工作状态，即任何时刻只允许一个单 片机发出信号。而且单片机串行输出口是以高电平表示空闲状态，所以不能以 有3 7 9 k h z 的红外光表示逻辑1 ，否则发送信号中的逻辑0 ( 即红外发光二极管 不发光时) 就会被淹没在逻辑1 表示的空阕信号中。所以加一或非门进行调制， 使无3 7 9 k h z 的红外光信号表示逻辑l ，有3 7 9 k h z 的红外光信号表示逻辑0 ， 从而保证了任意时刻最多一路光信号到达接收器，防止了信号的叠加干扰。调 制的波形图如3 、7 所示。 1l 0l 00 f x 9 信号 载波输出信弓 厂 n 厂 图3 7调制波形图 单片机串行口t x d 为高电平时，或非门7 4 l s 0 2 的输出端输出低电平，三 极管截止，红外发射二极管不发送信号；当t x d 输出低电平时，或非门7 4 l s 0 2 的输出端输出高电平，三极管工作在放大状态，驱动红外发光二极管发射信号。 由于本系统涉及到多机通信，所以要加强红外通信能力，这需要从红外发光二 极管的发射角的范围以及合适的发射功率两方面来的选择考虑。本文采用的红 外二极管的发射角半角n = 2 0 。，所以采用两个发光二极管并联的形式，可以 加大了红外通信的范围。另一方面，就是要红外通信距离达到一定要求。发光 二极管是在正向电流下工作的，困此发光强度随着正向电流的增加而增加。所 以需要选取合适的电阻r 2 和r 3 ，在规定的极限正向电流内，达到最佳正向电流， 使输出光功率( 发光强度) 满足需要。 图3 6 中，流经红外发光二极管的电流i f ，其大小等于三极管9 0 1 3 的集电 极电流i c ，它与基极电流的关系如下： 涮济大学硕士学位论文分散型高压电气设备温度巡回监删技术研究 i f 一1 c 一0 i b ( 3 3 ) i ： (34)b e c - u b c r 由试验可知，当r 2 和r 3 分别取值i k q 9 8 k q 时，红外通信的效果最好。 当电阻是9 8 kq 时，根据公式( 3 4 ) 计算可得，i b 的大小为0 4 3 m a ，而且9 0 1 3 的放大倍数在1 5 0 左右，所以根据式( 3 3 ) 可求得 i f - - - - i c - - - - bi b = 1 5 0 0 4 3 m a = 6 4 5 m a( 3 5 ) 此值在红外发光二极管允许的正向工作电流范围内，可以正常工作。 此处需要注意的是当电阻取i k q 时，可以算得 i f = k = 1 5 0 4 3 m h = 6 4 5 m a( 3 6 ) 该值完全超出了发光二极管正向工作电流的最大允许值，但是由于是工作 在3 7 9 ( h z 的频率下，而且占空比为l ：3 时，能量并不大，所以，红外发光二 极管在此电流下可以正常工作。 3 2 4 红外接收电路 该系统采用具有大视角、光机技术结合的一体化遥控接收头k s m - 9 0 3 i m 作 为红外线接收器，它不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出，能 与t t l 电平兼容信号的所有工作，其体积和普通的望封三极管大小一样。实际 电路中，需要在v c c 端接一个4 7 q 的电阻和一个4 7 1 1f 的电容组成去耦电路， 以抑制电源不稳造成的干扰。5 1 该部分的基本电路如图3 8 所示。 5口sff-90311volt驴接：89c52赋 图38红外接收电路 k s m - 9 0 3 l m 的接收中心频率为3 7 9 k h z ，红外线接收和放大集成一体化，带 有黑色环氧聚光透镜，消除了可见光的干扰。内含高速p i n 光电二极管、选频 放大器和解调器。需要5 v 电压，具有低功耗的特点。 l g 同济大学硕士学位论文 分散型高压电气设备温度巡回监测技术研究 其电路原理图见图3 9 。 图3 9k s m - 9 0 3 1 2 v l 原理框图 k s m 一9 0 3 l m 电气参数见表3 1 。1 表3 1k s m 一9 0 3 l m 电气参数t a = 2 5 1 2 ，v c c = 5 o v 参数 符号条件虽小值典型值最大值单位 ( p a r a m e t e r ) ( s y m b 0 1 ) ( c o n d i t i o n )m i n t y p m a x ( u n i t ) 电压v c c4 55 o5 5 v 消耗电流 i c c 输入信号= 01 22 5 m a 峰值波长 p 9 4 0 b p f 中心频率 f o 3 7 9k h z 到达范围 l2 5 0 l u x0 。1 5 3 0 。1 2 当红外线发光二极管发出的信号经空间传送到k s m - 9 0 3 l m 时，其内部的红外 线接收管将其转换为电信号，该信号经过选频放大、解调后由v o u t 脚输出与t t l 电平兼容的电信号，该信号可以直接送到8 9 c 5 2 的r x d 端。 3 3 中间机与下位机的多机通讯技术 3 3 1 多机通讯原理 本系统采用串行总线型主从分布式多机通信系统，即一台主机，多台从机， 从机要服从主机的调度与支配。 在多机通信时，为了防止信号叠加，任一时刻只允许有一个单片机发出有 1 9 同济大学硕士学位论文 分数型高压电气醍各温度巡回监测技术研究 效信号，所以系统中单片机只能在半双工方式下工作。图31 0 是多机通信的主 从式半双工结构图。 图3 1 0 串行总线型主从式半双工 上图中，一台主机和多台从机连接，主机的r x d 端与所有从机的t x d 端相 连，主机的t x d 端与所有从机的r x d 端相连，主机发出的信息可被各从机接收， 而各从机发送的信息只能由主机接收。其中图3 1 0 中，主机与个从机之间的连 接线路可表示有线连接和无线连接。本系统中，红外光通信采用无线连接的方 式，实现主从式多机通信，要处理好信道共享的问题。三个从机与主机通信时， 共用同一个通信信道，保证任何时刻三个从机中只有一台从机向主机发送信息。 其次，主从式多机通信的条件是保证通讯接口具有较强识别能力，可通过 控制单片机8 9 c 5 2 的串行口控制寄存器s c o n 中控制位s m 2 来实现多机通信功 能。本系统采用串口方式3 进行多机通信，发送和接收的每一帧信息都是11 位， 包括一个起始位0 ，8 个数据位，1 个附加第九位和一个停止位“1 ”。每一帧 的数据格式如图3 1 l 。 飞苎蚊正哑d 匹互d 正x 匠西互硒 卜一l ，黼一 图3 1 1串行口方式3 的帧格式 其中附加的第9 数据位是可编程位，通过对s c o n 的t b 8 赋值1 或0 ，以 区别发送的是地址帧还是数据帧( 规定地址帧的第9 位为1 ，数据帧的第9 位为 o ) 。若从机的控制位s m 2 - - - - 1 ，则当接收的是地址帧时，数据装入s b u f ，并置 r j = l 向c p u 发出中断请求；若接收的是数据帧，则不产生中断标志，信息将无 效。若s m 2 -