电缆温度监测和寿命评价系统设计说明书

电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书第一章绪论选题背景和意义选题背景电力电缆就是在城市地下敷设的输电电缆，是国家电网基础设施最重要的组成部分之一；随着我国城市化进程的加速，电力电缆的覆盖率和资产规模正在以空前的速度增加。以成都市为例，到目前为止：220kV电缆已有15回，总长73.75千米；110kV电缆107回，总长263千米；35kV电缆39回，总长32千米；10kV电缆399回，总长963千米。为保证庞大的网路的安全、可靠、智能地运行，人工巡检方法和常规的监测设备已经无法胜任；为满足这一显著的需求，一些新型的传感检测设备被开发并且开始应用于电力电缆的在线状态监测，包括：DTS分布光纤温度温度传感器：通过背向散射原理，可以检测到一根长达几千米到几十千米光纤的温度分布，采样点距离可达到1.0m至2.0m，最小检测周期可达10s。将该测温光纤沿电缆长度方向布置，则可以获得电缆的长度方向上的温度分布。光纤本身有石英制成，具有极佳的电磁惰性。就这些技术特征和最近几年的实践看，DTSE被证实是目前火警、电缆温度异常、电缆热负荷在线监测的最佳手段。分布式局部放电在线检测器：采用高频数据采集卡检测电缆附件的屏蔽电流高频部分或超声波信号，提供电缆绝缘状态的在线监测的基础条件。与传统的传感器不同，它们的实时输出的状态变量不是由一个或几个模拟量构成，而通常是一个长度很大的模拟量序列构成，称为大数组输出；以DTS为例，检测10千米电缆的分布温度，按照1.0m的采样空间，每次的检测输出为一个长度为10,000的浮点数组。基于这些数组输出，一些功能强大但也相当的复杂的算法被开发用于分析和透视蕴含在这些庞大数据的关键信息；如一种称为动态载流量DCR算法可根据持续输入的电缆表面分布温度（由DTS提供）和回路负荷电流，实时地计算电缆线芯温度（电缆线芯温度是电缆负荷安全状态的关键指标，其许用值为90C）和计算短时许用电流；另一种算法成为电缆载流量专家系统，可基于历史的电缆表面温度和负荷电缆信息，计算电缆中长期的安全负荷电流。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书目前现有的电力监测监控体系无法有效支持以上应用；表现在：在变电站自动化系统中，现有的通讯协议不能有效传输大数组，SCADA数据库设计不能实现对这些大数组的输入输出和存贮，现有体系在集成复杂算法方面考虑甚少，等等；另外，现有的电力监控系统和本文的电缆在线监测在功能需求上有很大的差别：前者实时监控关键电网变量，执行保护操作，要求高度可靠、快速、简洁；而后者对实时性要求不高（＜10s），处理的主要是非电状态量，其输出主要是PC机界面上丰富的信息、短消息报警等，基本上不要求输出执行。目前，北京、上海、成都、广州均在开发和建设这种电缆电缆温度监测和寿命评估系统，发现诸多问题：如是否或多大程度上将算法嵌入在检测设备上（以减轻上位机的计算负荷和复杂性）、现场设备向中心设备怎么通讯、数据库保存什么数据（原始大数组、中间数据还是计算结果）、怎么为整个系统分层、复杂算法部署在哪一层、提供怎么样的用户终端形式（一个主监测中心视图还是WEB发布）、扩展性和兼容性怎么设计、等等。归根结底是怎样解决复杂性、可靠性之间的矛盾。显然，根据电缆在线监测应用的特征，结合目前的工程实践经验，设计和开发一个有效的系统方案和理论体系已经成为当务之急的任务。研究意义智能电网的建设已列为国家电网“十二五”的核心工作任务；智能电网的的基本特征为：使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机，改善电力传送的使用的效率、可靠性和安全。一个设计良好的电缆电缆温度监测和寿命评估系统可为智能电网提供一个可以有效响应动态负荷需求、高度可靠的输配电物质环境。特别地，具有以下功效：实时的动态负荷能力，有效提高电缆资产的利用效率；可靠的在线状态监测，有效预防故障和降低运行成本。本文研究将为目前在建的和未来的电缆电缆温度监测和寿命评估系统的项目提供设计指导和行动指南，解决实际工程问题，缩短项目周期，并为相关行业（设备制造、软件系统开发、集成、服务等）提供技术路线图，创建可持续发展的态势。从技术本质上看，这些型新传感器和复杂算法的在技术快速进步的今天出现具有必然性，事实上提出了一个具有广泛意义和价值的工程问题，可以抽象为：以怎样的方法集成先进硬件和软件，以达到最佳的智能监测的目的。因此，通过本课题的研究，可以为其它大规模的智能监测（如智能电网的其它监测系统、交通监测管理、地球环境监测等物联网）提供理论参考。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书第二章电力电缆监测相关理论引言对于电力电缆的敷设，通常存在着多种敷设方式，常用的有排管敷设、直埋敷设、电缆隧道敷设、电缆沟敷设等，在这些敷设方式中，以直埋敷设的方式应用最为广泛。由于电缆大多敷设于地下，使得对电缆故障的检测和解决不能直接进行。传统的检测基本以离线方式为主，需要断电之后检测人员携带仪器进行检测。这种方式不仅需要多个检测水平较高的技术人员，消耗的人力物力较大，而且其检测过程会受到电缆敷设环境等多方面因素的影响。为了解决这种难点，近年来有着很多带电检测的新技术和方法出现。这些方法能够同归对电缆绝缘的下降情况进行判断并提前预警，实现事前预防的作用。现阶段，在线带电检测的方法常用的主要有直流分量法、直流叠加法等。监测任务介绍（1）电缆接头（表皮）温度在线监测电力电缆中间接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，长期运行造成电缆头过热烧穿绝缘层，导致火灾，影响供电造成事故。通过接触式（或者红外线温感模块）温感模块（根据用户所需监测电缆数量安装不同数量模块）的对重点部位实时在线监测，当温度异常时即刻报警，上传实时数据起到过热预警数据分析功能，及时发现并消除发热造成的隐患，避免事故发生。（2）可燃气体、有害气态在线监测针对井沟内容易产生有害气体、可燃气体（或燃气井泄漏气体串井）在线监测，对气体含量浓度进行分析评估，当井沟内有害气体、可燃气气体值超出设定安全范围值时及时发现并预警，避免重大爆炸事故或伤人事故发生（检修人员下井沟巡检）。（3）环境温湿度在线监测有效地对设备运行环境温度湿度、井沟内水位进行实时监测，上传有效数据。管理人员对井沟环境状况及时了解，方便调度管理。（4）火灾探测仪（感烟）监测在线监测电缆井沟内烟雾及火焰的产生，第一时间掌握电缆井沟内火灾发生，及时报警预防造成重大的事故。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书2.3DTS和载流量计算介绍分布式光纤温度传感技术这种技术起源于20世纪70年代，是一种新型的测温技术，由于信息是在光信号的基础上传送的，其优势主要体现于能够不受电磁干扰。从工作原理的角度来看，可以将光纤温度传感器分为传输型和功能性两种。传输型光纤温度传感器中光纤只对光信号进行传输，而功能型传感器则能够在传输光信号的同时传输温度信息和光纤感应信息。现阶段，应用较广的光纤温度传感器主要包括光纤光栅、光纤温度、光纤荧光、干涉型光纤温度传感器，其中光纤光栅温度传感器和光纤温度传感器应用最为广泛。早在1981年，英国南安普顿大学就提出了分布式光纤温度传感器。在光纤传送中，激光的反射光主要分为以下几种：拉曼散射(Ramanscatter)、瑞利散射(Rayleighscatter)以及布里渊散射(Brillouinscatter)。具体反射情况见下图2.1。此类型传感器从最初的在后向瑞利散射基础之上的液芯光纤分布式温度监控系统，逐步发展为在光时域(OTDR)拉曼散射基础之上的光纤测温系统，此外还有建立在光频域拉曼散射基础上的光纤测温系统(ROFDA)等。目前，分布式光纤温度传感器的测量距离可以达到三十千米，测量精度极高，达到了0.5℃,对于温度的分辨率可以达到0.01℃。分布式光纤温度传感技术有着极大的优势，具体体现于以下场合的应用：第一，当进行全面监测，需要设置诸多监测点时，光纤DTS有着便于安装的有点，而且其一条光纤能够取代多个点式的温度传感器。第二，在电磁干扰较大的条件下，采用光纤DTS能够读取精确的光学数据，避免电磁干扰的影响。第三,光纤DTS的安全性能较好，能够更好的应用于易燃易爆等特殊环境下。现阶段，在电力系统温度监测中，分布是光线温度传感技术已经逐步开始应用，而且对于电力电缆的动态流量计算、电缆故障、电缆接头温度监测等方面有着极其广泛的应用前景。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书探测光纤图2.1分布式光纤温度传感器基本原理探测光纤图2.1分布式光纤温度传感器基本原理电力电缆的结构通常而言，电力电缆的结构有着绝缘层、导体线芯、外护层。随着目前电力系统典雅等级的不断提高，PVS2010聚乙烯绝缘、油纸绝缘、丁基橡胶绝缘等电缆已经不能完全适应高电压，需要与电压等级提高的相应绝缘电缆结构。已经得以应用且效果较好的是交联聚乙烯绝缘电力电缆，这种电缆多为三芯和单芯，电压等级较高的电缆通常都为单芯。其结构图如下：图2.264/110KV1X630mm2图2.264/110KV1X630mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆结构图电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书1-导体；2-导体屏蔽；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽；5-半导体无纺布带；6-铝护套；7-沥青+半导体无纺布带；8-PVS2010外护层三芯电缆的每单芯结构与单芯电缆基本相同，但在线芯的外切圆中并没有填充，而且外层多加了一层铠装层，对线芯位置进行固定。其结构具体见下图2.3：图2.3三芯XLPE绝缘水底电缆结构图1-导体；2-导体屏蔽层；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽层；5-金属屏蔽；6-填料；7-包扎带；8-内护套；9-丝铠装；10-外护套本文中笔者主要对交联聚乙烯绝缘电力电缆的载流量计算问题进行了探讨。采用热路模型计算电力电缆载流量单芯XLPE电力电缆通常包括绝缘层、铝线芯、金属屏蔽层、外护层以及内衬层等部分。进行此电缆热炉模型构建时，应该重点考虑以下几点：.热力模型的热源；.热量从热源中如何散发，如何传播；.对于热量传播而言，电力电缆的组成部分能够起到什么作用；在电力电缆中，线芯是最主要的发热体，此外，电缆本身的损耗也是一种热量散发，如果电缆外部设有铠装层，还会有铠装损耗，因此，电力电缆的热力模型应该具备解释损耗、线芯、铠装损耗以及金属屏蔽损耗等热源。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书在线芯热量散发过程中，要经过所有介质损耗的部分，金属屏蔽损耗产生的热量要经过其他介质层的热量，而铠装层损耗而散发的热量则只经过外护层。由于线芯的材质是由铜、铝等热的良导体，因此，其热阻可以忽略，只对线芯的热熔进行考虑；绝缘层不仅可以储存热量，还可以对热量传播形成阻碍。因此，金属屏蔽层和内衬层也可以只考虑热阻和热容。下面对热力模型和电路中的物理量进行对比，为下文的计算分析做准备。表2-1热路模型和电路相关物理量对应表热路模型电路名称单位名称单位热流瓦/米1W/m)电汽安培（A）温度开尔文（K）L电压伏特（V）热阻开，米/拓（K*m/W）电阻欧姆（。）热客焦/(开♦米)(J/CK•m))电容法拉第（F>根据电力电缆热源的性质差异，能够将热源进行分类，主要分为两种：外部环境的恒压源和内部热源的恒流源。下面笔者采用参数法对两种热源进行建模，并采用ICE计算标准进行热炉模型计算，具体见下图3.3。图3.4电力电缆暂态热路模型在上图中，T1到T4指的分别是等效绝缘层热阻、等效内衬层热阻、等效外护层热阻以及等效外部环境热阻；分别表示这些部位的温度，以及单位长度的下导体功率、介质、金属屏蔽、铠装损耗因数；Q1到Q4分别代表以下内容：

QQQQQQC+p*Qcp=(1-p)*Q+p*Qcp=(1-p)*Q=Qj12*ln(巴)dc c1*ln(D) (D)-1DDQc,Qi,Qs,Qcp,Qj分别指的是导体、绝缘层、内衬层、铠装、外护层热容；p和P’分别表示绝缘层和外护层的热容分配比例因数；Di指的是绝缘层直径，dc指的是导体直径,De指的是电缆外径，Ds指的是外护层内径。综上所述，我们可以得知，热流与电流相对应，在模型中，热流是恒流源，但有时会发生突然的改变。温度与电压相对应，相当于模型中的恒压源。但不会发生改变。热阻与电阻相对应，对热量的传播起到阻碍作用。热容与电容相对应，能够存储热量。综合考虑，绝缘层既相当于热源，还能够储存热量，并能够对热量的传播起到阻碍作用。如果将长度一定的介质损耗分为两部分，换言之，就是绝缘层只能对一部分介质损耗热量传播阻碍，其大小为，剩余部分的介质损耗经过绝缘层，职能对外部层面造成影响。通过对热路模型的分析，可以得出，当热流增大时对各层的温度都会造成影响。如果电缆外部环境不利于散热通风，可能会引起环境温度的升高。当线芯的温度达到其运行的最高温度时，热流为环境最高温度下电缆所能承受的最大电流。当电缆温度未升高时，对电缆各层温度的计算可以忽略热容。所以，这时热容对热量的吸收和散发是平衡的。在稳态情况下，电力电缆的热路模型见下图2-5。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书图2-5电力电缆稳态热路模型结合图2-4中的电力电缆稳态温度，基于以上热路模型以及电磁学中物理量的对应，可得出电力电缆在稳态时的热流、温度以及热阻的关系式：0=。0+［彳+（1+々）*4+（1+々+%）*（<+4）*W+（0.5*T+T?+T+T）*Wd同时还可以得到电力电缆其他各层的温度表达式：0=0+［（1+九+九）*W+W］*T<0o=0+［（1+九+九）*方+W］*T0s=e+［（1+九）*W+W］*Tms 1cd22.4电缆故障在线监测方法对于运行过程中的电缆绝缘情况监测而言，在线监测是较为有效的方式。在对电缆绝缘老化的原因充分了解，结合实际环境对电缆绝缘老化的影响因素进行分析，并积极采取在线监测手段，对交联电力电缆的绝缘状况做到动态掌握，发现其中问题从而制定相应的措施解决事故问题，对于电网供电的安全性和可靠性有着极其重要的现实意义。这种在线监测方法有着以下几方面优点：第一，在对电力设备进行检测时，不会影响到电网正常运行，也不用断开电缆网络的接点和回路；第二，通常情况下，测试的接地点为电缆接头处，对于系统的运行环境和性能不会造成影响；第三，在进行长电缆检测时，可以通过增加测点来增加故障检测的准确性；而且系统不需要加设检测电缆，采用无线通信，对于电缆线路的检测长度没有限制。传统的电缆故障在线监测方法有以下几种。（1）直流叠加法这种方法的基本原理就是在变压器的母线处或中性接地点，利用电压互感器在电缆绝缘交流相电压之上叠加低压直流电源，利用高压电容对交流高压电在直流电源中的影响进行控制。通过对电缆中直流电流的绝缘电阻测试，从而达到在线检测电缆的目的。这种方法在10kv和10kv以下的中压电缆应用较为有效，但对于但却无法加载到变压器中性点直接接地的110kW220kv高压电缆上。除此之外，对于线路对地电晕放点的在线监测有着极其重要的影响。（2）直流成分法已发现，当运行中的电缆绝缘中包含水树脂时，在铜屏蔽和导体芯之间存在着小直流成分，而且这种现象是由绝缘中的水树裂化而引发的。通过对直流成分的测量，绝缘老化作为水树的检测是成立的。这种方法的基本原理就是对电缆中存在水树时的整流效应加以利用。在负半周期情况下的外施电压中，通过尖端到电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书绝缘，水树枝注入了大量负电荷，而在正半周期情况下，其正电荷注入较少，只能对一部分负电荷进行中和。在电缆的运行工频电压下，居于水树枝尖端的大量负电荷逐步转移，进行出现直流成分，但其数值相对整流作用而言较小，只有几十纳安。水树枝的发展能够增加泄露电流，从而降低交流击穿电压，对电路造成劣化作用。直流电压叠加法的原理是当对运行中绝缘逐渐劣化的电缆施加低直流电压时，将产生与劣化程度相应的直流电流。由于在电缆运行中，直流成分是固有的特性，因此，这种方法适用于中、高电压等级的电力电缆监测。（3）局部放电法就局部放电而言，实行监测的主要目的就是为了采集终端头和附件等局部的放电量。通过小波理论和信号处理系统将电缆的局部放电量从干扰信号中分离出来。在水树枝引发的初始阶段，局部放电量为通常为0.1PC。电力电缆的绝缘程度是影响电力电缆局部放电量的在关键因素，当局部放电量值呈现浮动趋势时通常意味着电缆绝缘存在危机电缆安全运行的影响因素。在国内外地大多数权力机构如CIGRE、IEC等都对局部放电试验是衡量绝缘电力电缆绝缘程度的重要指标持肯定态度。由于电力电缆在在线监测室是一个包含了多种以电容机、发电机以及变压器为中心等相关电器设备的电力系统。在电力系统的构成中还包括多种波形复杂、信号较大的外界电磁干扰声和北京噪音。以电力系统包含的发电机为例，其局部的放电量通常高达几千个Pc，而且波形复杂，频域宽广。因此，从中提取电力电缆绝缘裂化信号很容易覆盖在干扰信号下。（4）低频重叠法又叫差频监测法，是在工频交流电压下叠加低频电压，观察所产生的超低频水树变化特征电流信号，但低频信号加载位置有考究，会导致测试可靠性不高；同时考虑到在输电运行现场叠加低频的操作不方便或是不允许的，所以此方法只在停电时可以使用，不适用于在线监测。2,5局放监测技术在线监测及诊断的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态作出报警，以便运行人员及时处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。采用此项技术有下列好处：1）减少维护费用电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书我国目前采用的方法是定期的停电试验、检修和维护。定期试验需安排停电计划，到期必修，没有充分考虑设备实际状态，导致不少超量维修，造成了人力及物力的大量消费；而状态监测以状态为基准，在线监测，取代了定期试验，维护费用可降低40%。2）避免故障发生定期试验不能及时发现设备内部的故障隐患，而且停电试验施加低于运行电压的试验电压，对某些反映也不够灵敏；在线监测采用更高灵敏度的传感器以采集运行中设备绝缘劣化的信息，信息量的处理和识别也依赖于有丰富软件支持的计算机网络，不仅可以把某些测试项目在线化，而且还可以引进一些新的更真实反映设备运行状态的特征量，从而实现对设备远行状态的综合诊断。3）对设备性能进行评估通过状态监测对设备运行状态进行的了解和掌握，可对设备的使用性能、运行寿命、利用程度进行评估以便调整使用，从而提高经济效益。（1）DM6000GIS在线监测技术GIS除进出线套管外没有外露的带电部分，采用SF6气体绝缘，可靠性较高，检修少，但通过发展外部诊断、在线监测可减小不必要的拆卸检修工作量，大大提高了设备的运行效率。DM6000型局放在线检测系统采用超高频检测技术、高灵敏度传感器、信号现场处理、内置专家数据库、Web后台处理软、因特网接入技术等技术进行远程实时在线监控和分析。具有极高的性价比，非常适合在无人值守变电站运行。该局部放电电缆温度监测和寿命评估系统能够长期运行，实时监测GIS在运行过程中的局部放电情况，可以及时对GIS绝缘异常状态和放电性故障做出预警，实时掌握局放的发展趋势，为GIS正常运行提供必要的指导数据，提高GIS运行的可靠性、安全性和有效性。该系统采用集成模块化设计，将信号采集单元、信号处理、A/D转换、干扰过滤、数据处理、放电量显示等集成在站端监测模块中，每个站端监测模块可独立运行，数据分别记录，通过一条数据通讯总线将多台站内监测模块（最多256台）的数据传输后台分析软件系统上统一管理分析。能通过互联网进行远程传输和实时监控，对局部放电信号的强度，密度进行实时在线分析。对局部放电倾向性的推移进行实时监控和分析，对放电程度进行评估，避免重大事故发生。系统独特的多重抗干扰设计，以确保检测的结果准确，避免误判。硬件上设计噪音过滤通道，用来过滤现场噪音，净化信号采集环境；对特定波段的杂音信号增加了带阻滤波器。软件-通过软件设置动做级别和标准密度设定，分离噪音干扰信号电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书系统设计智能分析信号，通过对信号的波形、相位特征的判别，自动区分干扰信号实现声光报警，同时系统自带大量标准数据模型，系统对现场传感器采集的信与系统内部自带的标准数据模型对比分析，大大提高检测结果的可靠性。（2）局部放电监测原理局部放电发生时，电磁波的信号根据GIS结构反复进行传播、反射、折射、迟延、衰减等现象，通过盆式绝缘子（绝缘件）放射到外界。通过GIS绝缘子泄漏的电磁波，通过高灵敏度内置型或外置型传感器，进行检测。通过传感器检测GIS内局部由放电激发的电磁波信号，对监测到的电磁波信号经由检波器、射频前置放大器和滤波等环节后，由高速数据对模块经过采样、数字信号分析以及存储等过程，由现场检测单元对其进行相关处理，结果数据以光纤为媒介传至主处理器单元；最后由主处理器单元的故障诊断系统根据从现场监测单元送来的的数据，建立故障模式数据库来诊断GIS的绝缘程度，同时整合多途径的放电指纹特征相关数据；将过去检测的局部放电测量数据存储于主处理器单元上可以随时为工作人员提供参考数据查询。GIS局放超高频检测原理如下图所示：图2-6GIS局放超高频检测原理处于正常运行状态下，系统可时时对GIS的状态进行监测，并通过故障诊断系统对其的存在状态随时跟踪判断。当GIS状态发生异常时，该系统及时同步采集故障信息、处理故障部位，完成在线的分析、计算、数据传输、报警、统计以及存储等环节。（3）DM6000GIS局部放电电缆温度监测和寿命评估系统组成组成系统由后现场传感器，前置监测仪，台监视系统三大部分组成。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书地调Web系统2RS232485、电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书地调Web系统2RS232485、TCP/IP不同的通讯规约变电站1图2-7DM6000GIS局部放电电缆温度监测和寿命评估系统组成变电站n系统采用分层分布式结构，由传感器、前置机和后台机三部分组成。传感器完成对监测设备的测量，将信息量送到前置机进行集中分析、显示以及告警，并将数据上传到后台机进行全面的监视和分析。这种结构不仅使整套系统的结构非常清晰和简洁，也使得各子系统功能完整独立，任何一个监测单元异常不会影响其它设备正常工作。采用统一的RS-485数据接口规范，大大提高了系统的兼容性和可扩展性。2.6电力电缆仿真模型仿真建模工具和数值分析工具的选择用于电力系统暂态分析的仿真工具主要有ATP(EMTP的改进版)、PSCAD/EMTDC、MA=兀AB等等。ATP(AltemativeTransientProgram)是普遍应用的电力系统电磁暂态和机电暂态仿真程序，复杂的网络和任意结构的控制系统都可以用它来仿真。经过20多年来的不断发展，ATP具有模型的可扩展性和兼容千牛.除暂态计算外还有一些重要的附加功能。主要的组件有：耦合和非耦合线性集中参数元件；频率相关的分布参数输电线路和电缆模型；变压器、避雷器等非线性元件；常规开关、时间相关开关及电压相关开关等；二极管和晶闸管等阀体；三相同步电机和通用电机等。PSCAD(PowerSystemComputerAidedDesign)功能强大、应用灵活，是业界有名的仿真工具EMTDC的用户界面。它使用户能够在一个集成的图形界面下实现电路图连接、仿真运行、结果分析及数据管理等功能，还包含了在线打印图形功能和控制、测量模块。PSCAD有一个事先编好的并经过测试的模型库，从简单的无源元件和控制模块到电机模型、FACTS设备、输电线路和电缆等复杂的模块电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书都包含在主模型库中，可以很方便地直接调用。当现有的模型不能满足需要时，还可以自定义特殊模块。EMTDC(ElectromagneticTransientsincludingDC)是进行电力系统电磁暂态仿真的强大工具，是PSCAD的仿真引擎。EMTDC的仿真结果以时间瞬时值的形式给出，这点与常规的相量仿真引擎不同，后者以相量的幅值和相角方式给出结果。但可以用PSCAD的内置工具将瞬时值结果转换为相量值的形式。MATLAB是强大的科学计算工具，它的语言简洁易用，内置了几十个工具箱，为不同领域的科学研究和科学计算提供了有力工具。它的电力系统模块库(PowerSystemBlockse0可以进行复杂电力系统的建模和稳态、暂念计算，同时它的小波分析工具箱(Wavelettoolbox)可以很方便地进行数掘分析处理。但MATLAB中没有合适的电力电缆模型，不能用MATLAB来仿真，因此本文只用作数据处理。由于条件限制，只能选择PSCAD/EMTDC和MATI.AB,同时又由于MATLAB6.5中没有合适的电缆模型，最终选择了PSCAD作为仿真建模工具，MATLAB6.5作为数据分析和波形处理工具。PSCAD中频率相关模型的选择PSCAD中有三类基本的输电线路和电缆模型：Pl型等值、Bergeron模型和频率相关线路模型。PI型等值线路模型只用到基波阻抗，即使使用多个PI型等值模型，也不能准确描述除基波频率外的其它频率特性，也不能描述线路的频率相关特性如集肤效应等。Bergeron模型用分布参数方式来代替PI型等值线路中的LC元件，但电阻仍然是集中参数的。它同样适用于只关心基波频率的情况。频率相关线路模型考虑到所有频率相关的参数，用模量分析技术(Modaltechniques)和相域(Phasedomain)处理技术进行求解，能准确地描述线路模型在很大频率范围内的特性。用这种方法只需要电阻、半径等导体的属性和电缆走廊的几何参数便可以建立电缆模型，内置的输电线路和电缆常数例程(TransmissionLineandCableConstantsRoutine)即可自动求出线路的参数并输出到文件。本文研究对象是较高频率的暂态行波信号，且频率的范围较大，故只能选择频率相关模型。PSCAD中的频率相关模型又有两种：FrequencyDependent(Mode)Model和FrequencyDependent(Phase)Model,前者简称Mode模型，后者电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书简称Phase模型。对于理想换位的线路，两者求出的结果是一致的。对于非换位线路，Phase模型比Mode模型更准确。电缆系统仿真模型的建立本文主要研究对象为故障暂态信息，同时要研究行波在电缆线路中的传播特性和反射特性，所以建立一个带分支电缆的系统，如图2-8所示。仿真系统模型中，电源端为S1、S2、S3端，电源设计为理想电源，起始相角为00；负荷端为L端，在负荷端和电源端均有变压器T，变压器接线均为△/¥型联接，其中性点可以设置为直接接地或不接地。用两个独立的电缆模型（电缆1和电缆2）束模拟一条电缆线路发生故障的两段，节点F为故障点，改变电缆1、2的长度，维持二者总长不变，即可实现不同故障位置的仿真分析。实际应用中较长的电力电缆都是分段的，每段之间用电缆中间接头连接，因此会产生阻抗不匹配点，但在设计施工中已考虑到这些影响，尽量使中间接头和电缆的材料阻抗特性一致，其影响在此忽略不计。在节点F设置一时间控制开关，满足在不同时刻发生故障的要求，F为一个故障模块，可以模拟不同的故障类型。在节点B采集故障暂态信息，进行处理分析。图2-8电缆系统仿真模型接线图电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书第三章系统结构设计基本概念和原理传统现场温度检测的主要方法是在被测物表面涂一层随温度变化能改变颜色来大致确定其温度范围，这种方法准确度低，可靠性差，不能进行定量测量。主要的温度仪表，如热电偶、热电阻及辐射温度计等在技术上已经成熟，但是，它们只能在传统的场合应用，尚不能满足许多领域的要求，尤其是高科技领域。国内目前在线设备温度监测应用较多的是光纤式温度传感器和红外测温传感器。光纤最早在光学行业中用于传光和传像，在70年代初生产出低损耗光纤后，在通信技术中用于长距离传递信息。由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场等）的作用而间接或直接的发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量，这就是光纤传感器的基本原理。但是光纤是石英制品，非常容易被外力损伤折断，在安装过程中会受到环境条件限制，且操作和发射波长检测方法比较复杂，在使用上有一定局限性。（1）红外测温技术红外线辐射是一种广泛存在于自然界的电磁波辐射，它的存在是针对任何常规环境下物体产生的自身原子和分子的不规则运动，以辐射除源源不断的红外能量。通常情况下，原子和分子运动的剧烈程度决定辐射能量的大小。即远足与分子运动剧烈程度高时辐射能量愈大，反之，辐射能量小。一般认为，绝度温度在零度以上的各种物体，都会因自身分子的不断运动而释放红外能量，而物体的红外辐射能量和波长分布主要受物体温度、辐射波长、环境、材料以及表面的粗糙度等因素的共同作用。红外测温传感器的制作原理就是根据物体发出的辐射能量，对物体表面温度进行分析判断。与接触式测温方法比较而言，红外测温的主要优点是安全、不用直接接触、使用寿命长、响应时间极短等特点。根据红外测温仪器的应用可以将其划分为三大类即红外测温仪（主要包括扫描式、便携式和在线式三种）、红外热电视、和红外热像仪。经试验适用于高压设备的是在线式红外测温仪。就目前的发展趋势来看，最为普及的红外测温仪是基于光学系统形成的，集合显示输出、光电探测器、信号处理器以及信号放大器中部分共同组成。光学系统通过将目标红外辐射能量聚集在观点探测器上，经过处理使之转化为电信号，而该信号经过系统的分第三章系统结构设计析换算转化为目标物的温度值，通常情况下的测量精度往往小于1度。一般情况下我们对红外测温仪的选择是根据设备价格、设备尺寸、显示和输出、环境条件、光学分辨率、测量精度、响应时间、测温范围地鞫因素综合考虑衡量的，其中测温范围是选择红外测温仪的关键指标，不同类别的测温仪都有自身特定的使用范围，不能过宽也不能过窄。正常情况下，测温范围越宽，监控温度的输出信号分辨率就越不精确，相反，测温范围越窄，测量越精确。若目标设备的尺寸大于市场的50%时，测温仪受到测量区外地影响程度就越小，结果也就越精确，一般选择单色测温仪，反之，若目标设备小于视场范围，适宜现则双色测温仪，因为其对温度的测量师很据两个独立波长袋内红外辐射能量的比值决定的，所以，当目标设备较小时，不能充满现场即使在测量的过程中存在阻挡、烟雾、和尘埃等减弱辐射能量的影响因素时，仍能确保测量的精度；由于不同设备的材料表面特性和发射率的差异性，测温仪的光谱随之也不尽相同。如对高温金属材料测量的最佳波长是红外，一般选用0.8〜1.0um,短波为宜；响应时间是反应红外测温仪对怒表温度变化的时间。响应时间通常受显示系统的时间常数、光电探测器和信号处理电路的共同影响。在测量快速加热的目标时，往往以选用快速响应红外测温仪为宜，否则由于达不到预期的新型号响应程度，影响测量的精确度，而对目标热过程或静止物体存在人惯性的状况时，对测温仪响应时间的要求就没有那么苛刻了；光学分辨率是指测温仪探头到目标距离和被测目标直径的比值，也就是视场。若受环境条件限制与目标保持一定的距离，对于小木的测量，往往选择光学分辨率高的测温仪为宜。光学分辨率测温仪的成本相对较高，对于焦距一定的测温仪，其处于光学系统的焦点是光斑的最小位置处。为了可以在接近和原理焦点的距离上测量目标的精确温度，被测目标必须大于交点处的光斑尺寸。由于变焦测温仪含有一个最小的焦点位置，根据目标距离对焦距进行适当的调节。此外对于存有易燃气体的环境时，通常选用安全型红外测温仪为宜。需要指出的是红外测温仪必须经过校准试验才能精确地显示被测目标的温度，特别注意的是，必须对仪器进行定期的检修，而且在实际使用过程中，试验人员必须通过不断的使用掌握测试经验和技巧，消除结果的误差，避免错误结果的出现。(2)红外传感器的选择目前常用红外传感器分有源和无源两种，光学分辨率也各不相同，从1：2的小视场模糊传感器到30：1的大视场精确传感器都有各自的适用情况。在变电站发电厂内安装温度监测系统，抗干扰性是一个重要指标，为提高系统安全性，在系统中都采用无源传感器。美国Exergen公司研制的符合热电偶热电关系的红外测温探头(IR-t/c),是将最新的红外技术与热电偶测温原理结合，形成一体化的产品。这是一种全新

电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书概念的温度传感器，它可以将测得的热辐射能转换成K,E及T型热电偶热电势输出，即可与目前普遍采用的热电偶输出信导设计的显示，调节仪表相连接。根据本系统要求，选用Exergen公司的IRt/c.03型红外传感器及超小型□IRt/c红外传感器，其技术特点是：IRt/c.03uIRt/c测温范围：IRt/c.03uIRt/c测温范围：-45〜290℃环境温度：一18〜70℃温度分辨率：0.1℃精度：±2℃距离系数：3：1输出信号：K型热电偶电源：无需外接电源波长范围6.5--14Hm输出阻抗4-8Kohms测温范围：-18〜524℃环境温度：-2〜100℃温度分辨率：0.1℃精度：±2℃距离系数：1：2输出信号：K型热电偶电源：无需外接电源波长范围5--14Hm输出阻抗20-60Kohms设计原则与依据（1）设计原则在对整个系统进行方案设计时遵循：“技术先进，实用可靠，扩展性好，有利管理，投资合理”的原则。1）先进性系统的规划一定要兼顾眼前和未来的应用需求，要用长远的眼光，以保证规划的科学性、先进性，保证所选用的硬件设备和软件系统的实用性和先进性，并具有较长的生命周期和先进水平。通过系统的二次开发和整体集成，使建成后的系统在国内居于领先水平，并在系统实际运行过程中，建立科学化、现代化管理的运行机制。2）稳定性和可靠性无论从系统从结构上、产品性能上、设备的选型上还是到具体的实施方案，都要考虑到系统的稳定性和可靠性，并且在系统集成过程中对硬件设备安装、操作系统应用、网络连接、数据库设计将尽可能完善的做出故障检测、诊断及处理策略，以保证系统的稳定性和可靠性，确保系统正常、稳定、可靠、连续地运行。3）开放性系统设计应充分系统的开放性，除了保证系统内部之间的有机协调和开放性之外，应留有面向外部系统的标准接口，以实现与其它子系统之间的数据交换，保证系统的不断扩展。第三章系统结构设计系统设备选型遵循有关国际标准、国家标准和行业标准，使系统具有高度的开放性和技术上的兼容性，系统间应具有良好的互联、互操作能力。4）可操作性界面友好，充分考虑操作人员的特点，使数据处理工作简单、方便、快捷，业务流程清晰，符合常规业务处理习惯。系统数据维护方便，备份及数据恢复快速简单。5）可扩展性系统设计不但要保证目前系统容量的要求，也要考虑今后系统的发展，便于向更新技术的升级与衔接。要留有足够的扩充余量，考虑到今后业务的发展，系统在设计时必须考虑扩展性需求。本方案设计的系统可扩展性体现在以下几个方面：数据的可扩展性：随着系统功能的增加，原有数据和新增数据可以无缝融合，无需对原有数据结构作重大修改。功能的可扩展性：未来系统增加的功能可以和原有功能紧密结合，无需对现有系统结构重新设计。性能的可扩展性：当系统负载增加时，可通过对系统现有设备增加硬件数量或升级系统以提高系统的性能，无需更换现有设备。系统结构易于扩充，以适应今后可能出现的较大任务负载。系统设备及软件向下兼容，以保护系统的原始投资。6）易维护性具有强有力的系统管理手段，可方便地对系统资源进行集中配置与调整。系统应支持集中、统一的管理视图和图形化管理界面，能够实时监视设备的工作状况。系统各部分均采用模块化结构，各自具有相应的软硬件自检、故障诊断和安全保护措施，并有利于用户从事简单的现场维护。7）安全性和规范性系统设计应充分考虑信息资源的共享，考虑信息的保护和隔离，对不同的应用和不同的环境，采取相应的措施对系统和数据进行保护。系统建成后，除提供详尽的用户手册和操作手册外，在技术上提供先进的、可靠的、全面的安全保密方案和应急措施，从人机界面设计、应用软件参数变更、系统设备自动检测、拒绝非授权访问、系统恢复能力等方面，确保系统万无一失。设计的规范性主要体现在系统的接口规范、数据规范、服务规范和操作的规范性，这些规范可对前期建设系统的数据结构、发布方式提供一个统一的规范，为未来的业务模块留有转换接口和软件。（2）设计依据电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书本设计方案除了有关用户需求及规范外，还遵循或参考以下规范和标准：IEEE—国际电气与电子工程师协会IEC—国际电工委员会ISO—国家标准化组织ANSI—美国国家标准委员会ITU—国际电信联盟电报电话咨询委员会EIA—电气工业协会标准UL一美国保险商试验标准NFPA—美国国家防火协会标准ASCII—美国信息交换标准码OSI一开放系统互联《火力发电厂与变电所设计防火规范》(GB50229-96)《电力设备典型消防规程》(DL5027-93)《安全防范工程程序与要求》(GA/T75-94)《工业企业通信设计规范》(GBJ42-81)《工业电视系统工程设计规范》(GBJ115-87)《民用闭路电气设计规范》(GB50198)《电业安全工作规程》(GA/T75-94)《工业企业调度电话和会议电话工程设计规范》 (CECS36:91)《计算机软件开发规范》(GB856688)《电业安全工作规程》(DL408-91)《电力建设安全工作规程》(DL5009-1997)系统设计方案在本文中，系统设计采用“上位机-单片机-无线传输模块-温度传感器”组成多点测温，实时监控电力电缆的温度变化，以确保电缆的安全、可靠运行。主要内容如下：(1)根据电力电缆实际情况需要来布置的测温点。(2)测温采用专用的数字温度传感器巡回检测其温度，进行集中管理。选用温湿度传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单，环境温度补偿容易的器件。(3)由于测温点多，地点分散，所以测得的温度数据应通过无线中继站来实现传送。

第三章系统结构设计（4）对于地面上下的通讯介质采用屏蔽双绞线，传输采用串口RS-485,以提高传输可靠性，增加传输距离。（5）上位机采用PC机，WindowsXP操作系统，负责数据处理、分析、存储及用户管理。（6）上位机软件用VB编写，数据库采用ACCESS。下位机采用C语言编写。系统功能介绍电缆温度监测和寿命评估系统是由采集器接收红外传感器测得的温度信号（电压毫伏值输出），采集器将所有监测数据通过串口服务器模拟的串口上传到工控机。工控机上安装有软件系统，由前置机程序接收采集到的数据进行处理，之后将处理得到的数据转发至主控制程序及远方调度中心。主控制程序负责将传送过来的数据进行处理，以数据、波形及现场接线示意图的形式显示在屏幕上供工作人员观察，同时负责对符合要求的数据进行报警提示，并将相关数据存储至系统数据库。图3-1电缆温度监测和寿命评估系统功能结构图功能结构图如图3-1所示，电缆温度监测和寿命评估系统所实现的各项功能由以前置机程序和主控制程序组成的核心部分协同实现，对用户操作及时做出反应，在屏幕上向用户反馈显示。后台通过文件存储系统对监测数据进行存储，系电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书统IO接口负责接收采集数据，并与远端通信设备和打印机等外设进行通信。通信配置、数据查看及用户管理等功能为用户操作功能。实时数据采集、处理数据存储等功能为系统后台完成功能。系统硬件设计系统采用分布式主从监控方式，从体为星型网，各前端构成星型网的外围节点，采用半双工通信工作方式。每个节点都有自己的专用地址，可对其进行选择性和组群通信。通过专用网络向节点发送命令，并接受来自节点的信息，然后对信息进行处理、转发及显示。节点自身完成循环采集其下各子节点的信号，并等待接收来自主控的指令。一旦接受到指令，对其分析后根据指令内容进行信息上传。图3-2硬件结构框架硬件结构设计如图3-2所示，采用分层式结构分为前端设备层、传输网络层和中心站级层：前端设备层一一主要包括红外传感器和采集器，主要完成原始数据的采集和数据上传工作；第三章系统结构设计传输网络层一一主要由串口服务器和网络链路组成，串口服务器完成网络接口的转换，如果上位机不止一台，还要对网络进行扩容，加装集线器或者交换机；中心站级层一一为系统核心部分，主要包括温度监控主站和其他需要监测温度的工作站或者PC工控机，它的功能主要是完成数据转换、处理、记录、画面显示、报警分析、打印等功能，同时负责与其他系统的连接通信，如使用多种链路方法上传数据到集控站和远方调度中心。系统的监测终端根据温度采集硬件的要求，所设计的监测终端结构如图3-3所示：监测终端主要由微控单元、短距离无线通信单元、温度传感单元、电源管理单元。(1)数据处理和控制单元：控制数据采集的时间及对采集到的数据进行编码处理和存储；对数据的无线传输进行控制，完成通信协议的执行。(2)数据采集单元：主要负责电缆外护套表面温度的采集和数字量化以及对应采集时间的时期数据的提供。(3)数据存储单元：主要是将采集到的数据以合理的方式进行存储，为数据处理提供支持。(4)数据传输单元：通过无线的方式与上位机进行通信，检测唤醒信号、发送数据和检错重发等。图3-3监测终端单片机的选择(1)MSP430系列单片机的特点电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书MSP430系列单片机具有以下一些优点满足系统要求：1）低电压、超低功耗。工作在1.8-3.6V,1MHZ的时钟频率下运行，耗电电流在O.1u4400uA之间，这个和不同的工作模式有关。根据具体的处理情况可以将CPU处于低功耗模式，通过中断唤醒CPU进入工作状态，从而实现系统的低功耗要求。2）强大的处理能力。MSP430系列单片机位16位的RSIC（reducedinstructionsetcomputing）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的指令、大量的寄存器以及片内的数据存储器都可参加多种运算，使得该系列单片机采用C语言开发仍能有很高的效率，提高设备采集数据的效率。3）系统工作稳定。上电复位，先由DCO振荡器启动CPU,保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的时间起振及稳定时间。通过软件来设置系统的时钟率。4）丰富的外设资源。MSP430系列单片机提供了不同的外设资源，丰富的端口是单片机具有丰富的接口功能，并且某些端口还具有中断功能，进一步丰富了中断资源有利于多任务操作，节省了大量的接口电路，在硬件设计时可节约空间、成本使得工作设备更简洁，实用。5）方便高效的开发环境MSP-FET430P140为MSP430FX系列的全面集成开发环境，片内仿真逻辑允许三个断点全速运行，单步执行和读取所有外部设备。该FET是一种完整的集成开发环境。包括源代码级调试器、仿真器、汇编/连结器、调试接口等。第三章系统结构设计=4F6.3/A3P66阳P67,A7VKEF*XINNCUTTOJ：¥。时F-VREMMiREAPIaTACLKPl.l.-TADP1.2-TA1piy?A2H若含1/3黑JdxNIE.LM【CLLoAlKLS21XD133^/-<:崔NV/ZMycl3><P”网CLKF5J.UCLKIP5.E53用IP5.1^1MOIP5.口■STIP&7诋IKP4.6P4.5F4.4P43p4.廿n茹M.l/TBiP4.&T0OP1A-SMCLKX〕口M1<L=，Cd>mwoNdEvud5SDUtSLdror■，RE=rx乏<卓口XInw23'7;7777QC2EE1=£:嘴s^s空部XTDmGQEg.EdEVJJIVDWEE占@E，W，.，"FL2--PIEE图3-4MSP430单片机管脚示意图(2)MSP430F149单片机的外围电路:1)复位电路如下：VCC2)电源电路图3-5复位电路电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书DVse5图3-6电源电路无线收发模块与单片机的硬件接口电路设计(1)无线通信模块的硬件设计1)PTR8000模块简介PTR8000(如图3-7所示)是讯通公司推出的中短距离无线收发模块，内核为挪威Nordic公司生产的射频芯片nRF905，该模块具有430/868/915MHz多频道多频段供用户选用；内置环行天线、体积小、性能稳定且不受外界影响，对电源不敏感；最大发射功率+lOdBm,采用高抗干扰GFSK调制、可跳频；内置完整的通信协议和CRC；最大传输距离将近200米。因此，根据前面的论述，可知该模块具有很强的抗干扰能力、稳定性和可靠性口〃。PTRS000的工作模式PTR8000共有4种工作模式，模式以及接收模式，它们由TRX即掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、发射CE,TXEN与PWR三个管脚控制，如表3-1所示。表3-1PTR8000的工作模式PWRTRXCETXEN工作模式0—掉电和SPI编程模式10—待机和SPI编程模式1;10接受模式11发射模式PTR8000的SPI接口和状态输出

第三章系统结构设计SPI接口由SCK,MISO,MOSI和CSN组成。单片机既可以在配置模式下通过它配置PTRS000的工作参数，也可以在发射（或接收）模式下写入（或读取）数据。状态输出接口主要提供载波检测输出CD、地址匹配输出AM以及数据就绪输出DR。其中CD用于在RX模式下检测相同频率的载波，DR则是判断数据是否顺利收发的重要标志。在RX模式中，地址匹配（AM）和数据准备就绪（DR）信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微控制器即可通过SPI读取接收的数据；在TX模式中，数据准备就绪（DR）信号通知MCU数据传输己经完成。（2）射频芯片与单片机连接电路的设计在实际应用中，单个的芯片制作会影响制板的质量，所以选用通信模块PTR8000OPTR8000内置芯片就是nRF905,实际就是把nRF905的外围电路制作成一个方便使用的模块。MSP430系列和PTR8000一起构成了一个完整的ISM频段内无线通信的解决方案。PTR8000的工作方式根据实际需要设定，在设计中PTR8000的配置是将串行的控制字写入单片机中，电路启动时，由MSP430F149通过串行口完成对PTR8000的设置。PTR8000与单片机连接电路如图3-7所示：模式控制SPI接口状毒情珏TRX_CE模式控制SPI接口状毒情珏TRX_CEP2.1TXENPWRP23. CSNJSCKfJJ皿so jMOSIM1CDF1.5PL6Pl.7DRAM图3-8PTR8000与单片机连接电路简图系统主站与上位机通信接口在设计通信接口时，必须根据需要选择接口。考虑传输介质、电平转换和通信控制芯片等问题，以保证通信的可靠性、通信速度、通信距离和抗干扰能力。MSP430F149有两个USART模块，与nRF905的接口电路是通过其中一个USART模块的SPI模式完成的：与上位机（即监控主机）通信则是利用另一个USART模块的UART模式和RS-485接口实现。上位机自带的是RS-232串口，为了使用RS-485电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书接口，需要进行RS-232与RS—485的电平转换，也可以直接在监控主机中加装一块RS-485串口卡。本系统采用加装RS-485串口卡的方法。由于MSP430串口输出是丁底电平，而RS-485串口卡是RS-485电平，因此两者之间需要进行电平转换，MAX485芯片可以完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。系统软件设计软件模块的主要功能是接收、处理并保存来自采集器的数据。处理得到的数据以数据报表、实时曲线及现场接线图示例等方式显示给用户，并可控制打印数据报表。对符合条件的情况发出报警提示。安装程序的工作站或工控pc机应该专机专用，并放置与厂站监控室内。软件部分安装模块化结构设计，由前置机、主控程序、系统配置程序、现场图形设计程序、数据库等部分组成，保证了系统现场配置安装和日常监测过程的分离。同时各个部分分开便于系统的更新升级。软件部分的设计，更注重从用户角度出发，不但使用户界面更为友好，操作过程也变得更为简单。而且充分考虑了系统在使用过程中的变化因素，能根据应用的实际，提供更多的灵活性，更突显出新系统对在线温度检测需求功能量身定做的特点。主程序和中断程序设计主程序主要是完成一些初始化工作，并定期向监控计算机发送信息。在主程序中，每隔一定时间就向监控计算机发一次信息，以便监控计算机对电网的参数有所了解，如果遇到异常情况，如是窃电等情况，终端自动向监控中心发报警信息。初始化主要是对STC89C51内部功能模块的工作方式、参数和中断的设置，以及对ATT7022B的参数精度修正。ATT7022B必须经过参数精度修正后才能保证采集结果达到系统的精度要求。完成初始化后，主程序通过查询如下几个在相应中断程序中置位的标志位状态来启动相应子程序。每次子程序执行完毕，都应将其触发标志位复位，以免由于没有复位而引起表模块的误操作。主程序流程图如图3-9所示。第三章系统结构设计NN红位ATT7022RConinidiid?ficck£unijli数据传送命令校表命参数聚集aTT7022B初始叱执行校表NN红位ATT7022RConinidiid?ficck£unijli数据传送命令校表命参数聚集aTT7022B初始叱执行校表表模块初始化图3-9主程序流程图首先，主程序根据ATT7022B异常标志位Fatt(flagofATT7022Babnormal)判断ATT7022B是否掉电或异常复位，如果Fatt置位，则将ATT7022B复位，并重新写入精度修正参数。ATT7022B提供一个SIG信号与STC89C51的外部中断O(/INTO)连接，/INT0采用下降沿触发。当ATT7022B正常运行时，SIG为高电平；当人丁丁70228上电复位或产生异常原因重新启动时，SIG立即变为低电平，此时产生/INTO,置位用于触发ATT7022B复位程序的标志位Fatt。然后，主程序根据定时采集标志位Fc(flagofcollect)判断是否更新STC89C51内部RAM中存储的ATT7022B采集数据，如果Fc置位，则更新采集数据。系统使用STC89C5l的定时器0定时参数采集时间，间隔为ls。当定时器产生溢出中断时，置位定时采集标志位Fc,由该位触发STC89C51读取新的ATT7022B采集数据。最后，主程序根据命令有效标志Fcmd(flagofcommand)判断串口是否接收到有效命令(无效时，Fcmd=0),该命令是数据传送命令(Fcmd=5)还是校表控制命令(Fcmd=6),并执行相应的操作。命令有效标志Fcmd是串口中断程序根据接收命令的情况而赋值的。串口发送程序采用查询方式工作，不需要申请中断。初始化程序设计电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书初始化程序主要是完成对STC89C51内部功能模块的工作方式、参数和中断的设置，以及ATT7022B的参数精度修正。STC89C51的内部功能模块设置主要包括串口通讯和SPI通讯两个方面的初始化。串口初始化程序设置定时器l工作在工作模式2,用于串口通讯，通信波特率为4800bit/s；设置定时器0工作在工作模式1,用于采集数据定时，定时时间100ms。SPI初始化将STC89C51的SPI设置为主机工作模式，传输速率约为7.2KB/s。.上电前ATT7022B的修正参数存储在STC89C51内部F1ash中，上电后IAP初始化程序先判断STC89C51内部Flash中用于存储ATT7022B精度修正参数的当前扇区是哪一个，然后ATT7022B的初始化程序将修正参数写入到ATT7022B的相应寄存器中。初始化流程图见图3-10所示。ATT7022B系统复位程序当ATT7022B运行过程中出现上电或者异常复位时，需要对ATT7022B进行硬件复位。ATT7022B的复位过程为：RESET信号保持大于20us的低电平，ATT7022B进入复位状态，此时SIG输出为高电平；当RESET信号变为高电平时，ATT7022B开始从复位状态进入讵常工作状态，大约经过500口$左右，SIG信号变为低电平,此时ATT7022B才完全进入正常工作状态。人丁丁70228进入正常工作状态后，需重新写入精度修iF参数，以保证采集数据的精确可靠性。ATT7022B的复位流程如图3-11所示。第三章系统结构设计写入精度修［E参战结束!图3-11ATT7022B复位程序流程图SPI通信程序设计ATT7022B与微处理器之间的数据传输是由STCl2C5412向SPI接口的DIN端送入8位命令字启动的。命令分为读取命令和写入命令两类，通过命令字的最高位来区分，若最高位为1，则命令为写命令，若最高位为0，则为读命令。命令字的低7位用来指示需要读取或者写入的A”7022B内部寄存器地址。rcrcSCLKDINfe™iDINfe™iiIDOLT121LIC?E!7DOLT图3-12SPI读操作时序电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书CSCommandDataSCLKDINCSCommandDataSCLKDIN图3-13SPI写操作时序当命令为写命令时，需要接着在其后的24个SCLK周期内，持续从DIN端串行送入需要写入八打70228内部寄存器的24位数据。当命令为读命令时，ATT7022B将根据读命令进行寻址，然后在其后的24个连续的SCLK周期内从DOUT引脚上串行输出相应寄存器内容。数据传输总是高字节在前，低字节在后。ATT7022B的内部寄存器分为计量参数寄存器和校表参数寄存器两部分，计量参数寄存器为只读寄存器，校表参数寄存器可读可写，这两类寄存器的地址有重叠。如果是写操作，ATT7022B将默认为是对校表参数寄存器的操作：如果是读操作，上电复位后ATT7022B默认读出计量参数寄存器的参数，因此如果要读取校表寄存器中参数，需要先写入特殊的8+24bit命令完成寄存器的切换。ATT7022B提供一些特殊的命令字以配合软件校表之用，SPI写特殊命令字的操作过程与SPI写操作时序时基本一致。SPI写特殊命令字时序图如图3-14所示。CSCommand>4 'DataSCLKJUUU1MCSCommand>4 'DataSCLKJUUU1MDIK胴刑3印耐图3-14SPI写特殊命令操作时序为了避免读寄存器时，反复切换读操作默认的当前寄存器，采用状态标志位Reg—state表示当前的读操作寄存器。如果Reg—state为l，则表示当前读操作默认的是计量参数寄存器；反之，当前读操作默认的是校准参数寄存器。第三章系统结构设计Regtype表示需要读取的寄存器类型，1为计量参数寄存器，0为校准参数寄存器。SPI通讯程序流程图如图3-15所示。图3-15SPI通讯流程图数据库系统数据管理技术的发展经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个阶段；人工管理数据不仅要规定数据的逻辑结构，还要设计物理结构，数据不共享，且数据不具有独立性。文件系统管理数据可以长期保存，把数据组织能相互独立的数据文件，可以进行增加、删除、修改等操作。文件系统实现了记录内的结构性，但整体无结构。数据库系统实现整体数据的结构化，为用处理了具体的细节，向用户提供非过程化的数据库语言（SQL语言），对数据的管理完全由数据库管理系统来实现。数据库是整套系统的基础，所有的监控信息、系统配置以及各监测点数据都要保存在数据库中。主控制程序也需要经常对数据库进行读写操作，因此数据库的性能直接影响到系统的性能表现。同时考虑到系统主要进行简单的数据存储和查询，为了使用户更方便的安装以及备份数据，在系统中采用Access数据库系统。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书第四章系统核心功能实现系统开发工具和运行环境本系统在Windows操作系统下开发运行。因为C#在C语言基础上扩充了面向对象程序的特征，保持了高运行效率和与C语言的可兼容性。C#支持面向对象的程序设计方法，特别适合于中型和大型的软件开发项目，从开发时间、费用到软件的重用性、可扩充性、可维护性和可靠性等方面，C#均具有很大的优越性。同时，C#又是C语言的一个超集，这就使得许多C代码不经修改就可被C#编译通过。C#还对类内部数据结构进行了封装，并提供了对继承关系和多态性及函数重载的支持。VS2010基于C，C#语言，主要由是.NET组成，是与系统联系非常紧密的编程工具，它兼有高级，和低级语言的双重性，功能强大，灵活，执行效率高，几乎可说VS2010在Windows平台无所不能。最大缺点是开发效率不高。VS2010主要是针对Windows系统，适合一些系统级的开发，可以方便实现一些底层的调用。VS2010执行效率高，当对系统性能要求很高的时候，可用VS2010开发。VS2010可以开发优秀的基于通信的程序，在多线程、网络通信、分布应用方面，VS2010#有不可比拟的优势。VS2010可以开发灵活高效的数据库操作程序，极大的方便的在项目开发中数据库操作的设计实现。VS2010在图像处理方面功能强大，其面向对象的、可视化的快速应用程序开发环境配合集成在IDE中的视觉开发工具，让程序设计者能够在Windows环境快速开发出相关桌面应用程序。VS2010也适合开发高效灵活的文件操作程序，可以用最少的手工代码实现高效的窗口应用程序。VS2010提供了所有开发时需要的测试、调试和应用配置工具，包括设计和调试工具栏，.NET控件，大规模可重用组件及编程向导等，这些工具极大的简化了应用程序原型设计并缩短了开发时间。AppWizard称为应用程序向导，是帮助我们生成应用程序框架源代码的一种特殊的向导。它允许我们作一系列的选择，并在此基础上自动生成VS2010源程序代码，这些代码构成了一个应用程序的框架。由于AppWizard生成的框架已经是一个完整的可以运行的程序，我们只需要在这个基础上进行修改并添加新的功能，从而在很大程度上减轻了编程的工作量。因此，多数用VS2010开发的软件都是从AppWizard生成的程序框架开始编写的。

电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书综合以上特点，VS2010在界面设计、Windows编程、数据库编程和网络编程等方面都具有其他一些软件开发工具无法比拟的独到之处，因此，在本系统中使用其作为开发工具。系统软件结构设计如图4-1所示，系统主机的软件主要包括前置机程序，系统主控制程序，数据参数配置，数据库及接线图配置程序几个部分，前置机向采集器发送命令，接收采集器上传的数据信息，通过查询表格文件并计算监测得到探测点温度；然后前置机负责将处理后的数据发送给系统主控制程序，如有需要还将通过电力线（电力modem）或以太网向远端信息网或调度中心上传数据。图4-1系统软件结构图图4-1系统软件结构图系统主控制程序将接收到的数据进行二次处理，以温度曲线、温度报表及在接线图上直接显示等方式向用户显示个监测点温度，主控制程序还包括报警、事件、用户、系统日志等管理功能。数据参数配置和接线图配置程序负责根据现场情况设计数据库参数，配置接线图对应监测点等参数设计。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书系统各个模块虽然都是独立的程序，但它们在设计和实现已经联机运行的时候都是不可分的整体。前置机程序开始运行时需要从配置文件读取各相关参数，并按照现场情况对参数进行设置。然后开始接收串口数据，对数据处理时还需要查询表格中的预置参数，进行计算得出结果。电力系统内部习惯使用AutoCAD等工具绘制接线图，所以接线图配置程序可以调用专业制图工具制作的一次接线图，既符合用户习惯，也简化了程序。数据库模块是系统的核心部分，和接线图配置程序、系统参数配置程序以及主控制程序都紧密联系，接受其它模块设置的参数，同时允许其它模块读取已设置的参数。主控制程序对其它模块的依赖性最大，既需要接收前置机上传的监测数据，也需要读取存储在数据库中的接线图、报警设置、用户和事件日志、历史数据等参数。数据接收模块设计和实现接收系统采集的数据主要由前置机程序负责，从发送命令数据到接收采集数据，整个通信过程分为以下几个步骤：1）前置机发送数据请求命令，命令通过串口服务器发送到采集器；2）采集器判断命令是否是发至本机的命令，如果不是，继续监听下一个数据包；3）采集器开始接收各个通道的监测数据，同时启动阻塞机制，防止连续接收命令造成冲突；4）前置机在指定时间间隔内，如果接收采集器回传数据，则开始处理，如果没有收到数据，则产生一个数据超时错误，对于连续产生超时错误超过规定次数的，认为系统采集器出现异常，将提醒用户注意。5）前置机接收到的数据，可能是有效数据，也可能是受损数据，开始对数据包进行分析处理。数据转发时序图如图4-2所示，由于与采集器的通信采用半双工通信机制，需要使用异步方式通信，保证同一时间只有接收或发送数据。前置机每隔1000毫秒发送一次数据请求命令，按照初始化地址将命令发送到对应采集器，采集器在所有通道都工作的情况下采集完整数据需要20msX40=800ms,所以可以保证接收完整数据。如果超过15s没有应答将产生应答超时错误。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书图4-2数据转发时序图前置机发送的数据请求命令格式如图4-3所示:图4-3命令帧格式如发送如下16进制命令字符：23303130313136444c0d，（1）界定符：23为界定符，规定每个命令必须以界定符开始，23（#）。（2）地址：紧跟界定符的两位指定采集起始地址，3031表示从01端口开始。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书(3)起始地址：指定采集器上传数据的起始地址，3031表示从01端口开始上传。(4)结束地址：指定采集器上传数据的结束地址，3136表示发送到16端口结束。(5)校验核：命令字符串校验核计算如下：校验核=23H+30H+31H+30H+31H+31H+36H=(1)4CH截取后两位，用二位40H-4FH的ascll码表示为40H,4CH。(6)结束符：每个命令必须用回车符(？)0DH结束。采集器响应数据请求命令后回传数据格式如图4-4所示：=土0=土00125(b)通道数据格式%)接收数据格式图4-4上传传数据格式例如上传数据如下所示：二+05.247=+00.121=+00.102=+00.112=+00.096=+00.085=+00.119=+00.125二十00.131=+00.000=+00.000=+00.000=+00.00=+00.000=+00.000=+00.000=+25.265以二区分各通道数据，土表示正负电压值，通道数据由两位正数和3为小数组成。00.000表示该通道没有接传感器，如该通道接有传感器而显示00.000表示通道异常。最后一组数为环境温度。数据处理模块设计和实现传感器冷端处理前置机程序对上传的监测数据进行处理，将电压毫伏值通过查表计算得到监测点温度值。如前所述，红外传感器为模拟k型电偶输出，电动势和温度在小范电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书围内呈单值、线性关系；稳定性较好，响应时间较快，测温范围广。在实际应用中，温度为T的一侧是被测温度侧，又称工作端或热端；T0的一侧是参考温度侧，又称参考端或冷端。而其输出电压值实际为工作端被测点温度电压值和传感器参考端温度电压值的差。理论上，参考端的温度必须保存恒定，在分度表中或分度检定时，冷端温度都保持在0℃;