基于单片机的10kV开关柜的数据采集系统

-20-第一章绪论近几年来，在高电压技术、微电子技术、超导体技术、自动控制技术等高新技术的共同驱动下，高压设备在线检测和故障排除技术得到了巨大发展。本章首先提及电力系统网络的发展及10kV柜数据采集的研究背景，然后对国内外这种技术的研究情况做了概述，提出10kV关柜数据采集的重要性。1.110kV关柜数据采集研究的背景目前我国的电力发展处于高速增长的环节，我国已经运行了首条1000kV压交流实验示范工程线路，我国的电压等级也因此提升到了新的高度，所以国家经济建设发展和社会的稳定团结与电网的安全运行息息相关。目前,我国已经成为世界上规模最大的综合电力网络,这几年,电力网络装机容量突飞猛进,累计装机容量在15年前突破50000万大关,达到了52000万KW,10年前突破60000万大关,达到62000万KW,全社会用电需求猛增,用电量为2.82万亿度,截止2010年,全社会用电量已经达到8亿度,预计到2020年,我国累计装机容量将达到12到13亿千瓦,成为地球上规模最大的电网系统。国际能源机构在2004年举行了国际大电网会议，在会上，执行主席C.Mandil提供了一些信息，表明在最近30年内全球输电配电投资将达到5万亿美元以上。而同时高压开关协会也统计了一份数据，表明我国在高压开关方面增长很多，仅2004年就比2003年增长23.42%，但是在高压开关方面，出现了很多故障，同样造成了很多损失，损失电量达到数百万千瓦，继而影响到的经济损失更是不可估量的，所以做好对开关装置的数据采集是必要的，以此能避免更多故障的发生。在电力系统中，10kV开关柜得到了十分广泛的应用[7]，主要作用有：对10kV及以下电力线路进行开通关断（2）使正在运行的设备退出运行状态，确保电气设备及维修人员的安全（3）对10kV系统电压电流参数进行测量并发出故障报警等。1.2国内外对10kV开关柜数据采集系统的研究现状1.2.1国外研究情况国外对开关柜的研究较早，到目前为止，已经出现很多这一行业的国际知名企业，如日本的高岳、德国ESKOM公司、施耐德等，这些企业起步早，技术也比较先进，目前开关柜的各方面都有了巨大进展。德国ESKOM公司的高压断路器出现了故障，该公司的MarinH.B现场进行考察，根据现场具体故障发生的类型，对故障线路前后进行研究，然后锁定故障发生的部位，测量断路器的动态电阻以及分合闸电流，解决了这个问题。美国DOBLE公司在开关柜应用方面的研究非常先进,他们目前的产品抗干扰性能比其他公司好,功能也比其他公司强大,如TR-3000型数字式断路器试验系统。主要是对微电子电路技术进行应用，微机技术的发展迅速，也被应用到产品中。国外在高压设备智能化监测技术起步早，发展迅速，在商用的好多高压开关监测设备中已经得到了应用。1.2.2国内研究情况 国内开关柜的研究起步较晚，刚开始的时候，主要是对模拟数字电路技术进行应用，也研制投产了一些产品，如集箱式断路器机械测试仪，当时的产品确实起到一些作用，但是随着，时代的发展，暴露出这些设备的问题，比如自动化程度低，测量精度低，功能单一，误差大等。经过这些年的发展，开关柜测控技术也日渐娴熟，好多企业的产品已经远销国外，走上国际舞台。近些年来，国内一些单位通过对产品进行改进，提高了测量精度、稳定性、抗干扰能力等。山西汾西重工公司的开关柜就是其中的优秀代表，它们研制出了新一代通过型式试验的低压成套开关设备GCK2低压成套开关设备，它结合了国内外各种高新技术，如传感器技术、断路器技术、固定安装式技术、抽出式技术设计，与电网具体情况相结合，达到了GB7251.1-2005《低压成套开关设备和控制设备第一部分:型式试验和部分型式试验成套设备》等标准的各项要求。配用的VHC-12型真空断路器，为国内同类产品领先水平，具有很多优点，配装CDY口永磁机构，稳定性高，维护工作简单，在温升技术方面，为了提高散热性能，导体和触头结构采用镀银技术，进行合理设计，柜体具有自然通风以及强迫通风能力，数字化及智能化技术的应用，使开关柜结构更加简化，提高开关柜的稳定性，使产品性能达到国际先进水平。西安交大思源智能电器有限公司则开发出基于双CPU的中压开关设备，里面含有10kV开关柜微机监控单元，可以在线监测平均分、合速度，储能电机电流，线圈电压等，具有故障记录、滤波、通信、控制自诊断等在线监测与保护功能。本课题主要研究内容由于开关柜在电力系统网络中的重要地位，所以开关柜的故障检测就成为了电力系统稳定运行的必要条件，开关柜的数据采集首当其冲。开关柜发生故障的参量有很多，有绝缘问题、操作机构问题、载流回路的薄弱环节、柜内及柜间分布防护较差以及断路器的开断问题、避雷器的性能问题、五防联锁可靠性等问题。需要采集的参量较繁杂，每个参数都需要不同的方法去测量，工作量很大。为了降低工作量，本课题主要针对事故量发生比较大的参数进行数据采集，主要对电压信号进行采集.1.4本章小结 本章开头先对所选课题面临的背景和研究的实际意义进行了浅析，然后就国内外关于10kV开关柜的研究现状进行简述，接下来对10kV开关柜的事故原因进行简述，最后介绍本文所要做的主要工作及内容。第二章总体设计2.1开关柜功能介绍目前在国内10kV开关柜得到了广泛使用。高压开关柜是将负荷开关、高压断路器、接触器、熔断器、隔离开关、互感器、接地开关等用于控制、测量、调节的内部连接器件合理配置按一定的线路方案有机组合起来的配电设备，这种设备能够将一次、二次设备给联系起来，对电网运行提供保护控制。一般情况下，这种装置的内部空间主要是大气或SF6气体，用来作为外绝缘介质。众多的生产厂家所生产的产品种类繁杂，数量惊人，但万变不离其宗，高压开关柜根据它们的功能、结构主要有以下分类方法：按照开关柜的主要作用，将开关柜分为进线柜、出线柜、隔离柜、计量柜等，用来实现电力网络进线及各支线分配馈线作用的是进、出线柜，用来实现各支路与回路的隔离作用的是隔离柜，用于实现对电网状态进行监测的是计量柜。2.1.1开关柜的具体构成开关柜由柜体和断路器两部分组成，柜体由壳体、电器元件(包括绝缘件)、各种机构、二次端子及连线等组成。常见的有两种结构形式,下面是第一种:图2.1前高后低式开关柜另一种为等高柜,如下图图2.2等高式开关柜开关柜的柜体材料有：（1）冷扎钢板或角钢(用于焊接柜)；（2）敷铝锌钢板或镀锌钢板(用于组装柜)；（3）不锈钢板(不导磁性)；（4）铝板(不导磁性)。柜体的功能单元：（1）主母线室，一般主母线布置按“品”字形或“1”字形两种结构；(2)断路器室；（3）电缆室；（4）继电器和仪表室；（5）柜顶小母线室；（6）二次端子室。柜内电器元件：(1)柜内常用一次电器元件(主回路设备)常见的有如下设备：电流互感器简称CT[如：LZZBJ9-10/35]；电压互感器简称PT[如:JDZ-10/35,JDZJ-10/35,JDZX-10/35]；接地开关[如:JN15-12,JN22-35]；隔离开关[如:GN19-12、GN30-12/40.5、GN24-12]；高压断路器[如：少油型(S)、真空型(Z)、SF6型(L)]高压接触器[如：JCZ3-10D/400A型]；高压熔断器[如：RN2-12、XRNP-12/40.5、RN1-12/40.5]；变压器[如:SC(B)系列干变、S9系列油变]；高压带电显示器[GSN-10/35Q型]；绝缘件[如:穿墙套管、触头盒、绝缘子、绝缘热缩(冷缩)护套]；主母线和分支母线；高压电抗器[如串联型:CKSC和起动电机型:QKSG]；负荷开关[如:FRN25-12、FZN25-12]；高压单相并联电容器[如:BFF12-30-1][1]等等。(2）柜内二次元件：常见的有如下设备:继电器；电度表；熔断器；空气开关；转换开关；按钮；信号灯；微机综合保护装置等等。2.1.2几种具体型号的开关柜：WDZ-5200系列保护测控装置 图2.3WDZ-5200系列保护测控装置该装置集保护、测量、计量、控制、通讯于一体，同时支持发电厂电气自动化所需要的各种高级应用功能，组态化功能设计，其功能、性能和技术指标处于国内领先水平[5]。装置配有240X128大屏幕汉字液晶显示，直观的界面菜单，详细的信息显示，便于操作和调试。装置支持软件对时和硬件对时功能。硬件对时支持秒脉冲对时模式和IRIG-B码对时模式，装置自动识别硬件对时模式，对时误差≤1ms。对时接口均采用485差分电平输入。XQB1系列起重机保护开关柜图2.4XQB1系列起重机保护开关柜X是结构形式,代表箱式,Q是工业应用代号,代表起重机,B是控制对象,代表保护,1是设计序号[9]。2.2总体设计方案本文主要采用微型计算机数据采集系统对电压信号进行数据模拟采集。本设计主要要实现的功能对两个电压信号进行数据采集，使用滑动变阻器来调节电压信号的大小，然后将两个电压信号送入AD转换芯片，再经过单片机，接到LCD显示器上，完成电压数据的采集。本文主要做的是用AD芯片进行电压测量，包括模拟信号部分、AD转换部分、单片机部分,数据显示部分。模拟信号部分：利用滑动变阻器来模拟电压信号的变化，反映开关柜内电压变化的情况。AD转换部分：将描述自然现象和生产过程的模拟量转换为便于计算机存储和计算的数字量。单片机部分：采用AT89C51单片机进行控制，比较经济实用。显示部分：采用LCD显示器，来显示采集到的电压大小。系统硬件原理图如下：显示模块单片机AD转换显示模块单片机AD转换模拟信号输入图2.5系统硬件原理图2.3本章小结 本章主要介绍了开关柜的内部构造及结构形式，各部位的功能，并具体的展示了几种开关柜的产品，最后介绍本文所采集的参量，然后提出总体设计方案。第三章系统硬件构成及原理简介3.1Proteus仿真软件介绍Proteus是一款由英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件，它是目前同类型软件中功能最为强大的软件之一，受到广大电子爱好者的青睐，在各个领域得到了广泛应用。Proteus的功能很全面，不仅可以进行原理布线，PCB板绘制，还能进行电路仿真，可以对目前市场上主流的单片机进行仿真，在原理图上进行编程，修改，利用显示器件输出结果，验证猜想，构建了一个良好的电子开发环境。Proteus具有丰富的电子元器件库，有超过27000种元器件，可以满足各种不同的仿真需求，同时它具有自动布线功能,可以很方便的对线路进行连接,使线路简洁明了。Proteus提供了许多实验室不具备的电子元器件，使电子设计更加灵活，替代了传统的单片机实验教学功能，培养了学生的实践能力、创新能力，调动了学生动手积极性，相信以后会得到越来越广泛的应用。3.2器件介绍3.2.1单片机本文所采用的单片机是AT89C51，该单片机是由美国ATMEL公司生产的，具有非常卓越的性能，功能十分强大，在电子设计领域得到了广泛应用，该型单片机有个非常突出的特点是它的内部含有可以反复擦写的Flash只读存储器，这种存储器顾名思义，可以进行反复擦除读取，反复擦写次数大于1000次，能够多次利用，可以有效的节约成本，满足电子实验的需求，因而被广泛使用[11]。该单片机由于独特的内部结构，不仅能够实现常规的编程，也能够进行在线的编程，它的内部含有3个16位的可编程定时计数器，可以实现计数功能。AT89C51具有40个功能引脚，其中32个为外部I/O口，进行输入输出字符作用。下面是AT89C51的功能引脚图图3.1AT89C51引脚图3.2.2AD转换器AD器件选用ADC0808,该型号AD转换芯片与ADC0809在功能方面基本一样，ADC0809是很常用的一款8位的模数转换芯片。而ADC0808是0809的简化版，主要的不同点是0808的转换输出out0~7与常用的输出端高低位是相反的，即0809的最低位是out0，0808的最低位是out7.ADC0808在实际中不常用，实际中常用的是0809，而0808最常用的是在protues仿真里面，因为0809是没有模型库，无法仿真的。ADC0808具有28个功能引脚，采用双列直插式封装，结构图如下图所示： 图3.2ADC0809引脚图3.3电路设计模块3.3.1模拟电压信号输入模块图3.3模拟电压信号输入模块这个模块主要是通过调节滑动变阻器的大小,来改变滑动变阻器两端的电压,以此来模拟开关柜内分合闸线圈电压,分合闸线圈的电压是直流电压,大概有几伏,所以用滑动变阻器来模拟的电压能够满足设计的需求[3]。3.3.2AD转换模块图3.4AD转换模块这个模块主要是利用了AD转换芯片，该芯片的作用是将描述自然现象和生产过程中的模拟量转换为可以被单片机读取的数字量，该模块模拟了开关柜内的模数转换装置把模拟电压信号转换为数字电压信号的过程[2]。3.3.3单片机模块图3.5单片机模块单片机模块是整个系统的控制模块，通过对AD模块的设置，完成对数据采集过程及数据采集方式的控制，读取ADC0808寄存器的数据，完成数据的传输，再经过输出口，将数据传给显示模块，实现数据采集的功能。3.3.4数据显示模块显示模块主要是接受单片机送出的数字信号，然后直观的显示出来，该模块模拟了开关柜上的显示单元，实时反映开关柜内的各种电压信号，采用LCD液晶显示器，液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等很多其它显示器不能比的优点，可以直接与8位微处理器接口连接，结构简单，使用方便[4]。图3.6数码显示模块第四章软件程序介绍4.1编程软件介绍编程软件采用Keilc51,该软件是美国ARM公司之一的KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。目前在国内有很多ARM的授权代理商，这些机构提供对该软件的销售、技术支持、售后服务等一系列的服务。如果你购买了正版软件，代理商会为你提供全套的技术服务，从产品的发送到产品的安装以及后期出现的问题，代理商全权解决，真正避免了消费者在这些问题上浪费时间。该软件功能强大，通过一个集成的开发平台，将C语言编译、宏汇编、连接器、仿真调试器等一个完整的开发方案组合在一起。该软件支持8051微控制器系统结构，适合不同学习段的人[6]。Keilc51是十分智能的开发工具，能够根据自身的需求，从设备数据库中选择合适的设备，同时其中还有大量的例程，进行参考，帮助你快速入门，其中还分成3个不同的汇编器套件，方便解决不同问题时使用，比如A51套件，可以用来编写汇编语言，或者已经有了仿真器的时候使用，没有仿真器的时候可以考虑使用PK51套件，这个套件还可以在需要使用不同的8051微控制器时使用[10]。该软件比较容易学，上手难度不高，它主要解决嵌入式软件开发商所面临的复杂的问题，对硬件的要求也不高，支持各种系统的电脑，如window7、vista等，是软件编程初学者的首选，因此本文采用这种简单方便的软件来进行本课题的程序设计。Keilc51是一个非常普及的开发工具，能够实现各种各样的复杂的功能，日常生活中互联网电视网络的设置、电风扇风速的设置、冰箱温度的调节，都可以用这个软件来进行编程，广泛服务于各个领域，为人们的生活带来了很多便利，愈来愈多的人都开始学习这个软件的使用。4.2程序流程图本课题的程序就是使用keilc51来编写的，程序流程图如下图所示：图4.1程序流程图第五章仿真5.1 仿真软件介绍仿真软件采用上面提及的proteus,Proteus是一款由英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件，它是目前同类型软件中功能最为强大的软件之一，受到广大电子爱好者的青睐，在各个领域得到了广泛应用。Proteus的功能很全面，不仅可以进行原理布线，PCB板绘制，还能进行电路仿真，可以对目前市场上主流的单片机进行仿真，在原理图上进行编程，修改，利用显示器件输出结果，验证猜想，构建了一个良好的电子开发环境。Proteus具有丰富的电子元器件库，有超过27000种元器件，可以满足各种不同的仿真需求，同时它具有自动布线功能,可以很方便的对线路进行连接,使线路简洁明了。Proteus提供了许多实验室不具备的电子元器件，使电子设计更加灵活，替代了传统的单片机实验教学功能，培养了学生的实践能力、创新能力，调动了学生动手积极性，相信以后会得到越来越广泛的应用。5.2数据采集功能的仿真5.2.1模拟输入信号图5.1模拟电压模块如图所示,通过调节滑动变阻器的电阻,将电压信号设置成2.5V,用来模拟开关柜分合闸电压为2.5V,只要后面显示模块能够将数值显示出来,就证明实现了电压信号的数据采集。5.2.2数据显示部分图5.2数据显示模块这一部分是数据显示的结果，前面模拟信号部分输入的是2.5v，而这部分数据采集的结果是254，在改变滑动变阻器的阻值时,显示模块的值也随之成比例变化,证明实现了数据采集的功能。5.3程序与电路的不足之处(1)程序中的显示函数，放在while（）中，不够好。若延时时间长了，显示会出现闪动。(2)仿真中，用定时器0产生50kHZ的频率，用定时1驱动显示函数，如果两个定时器同时工作，行不通，发现其中一个定时器无法工作。(3)数码管能正常显示，但是和测量电压数不吻合。程序中，未加转换函数。第六章结论与展望目前，国内外并没有很成熟的技术去进行10kV开关柜在线数据采集的研究，许多公司只是对其中的一些参量进行了数据采集，像ABB，西门子等公司，只是对断路器的一些参数的进行了在线采集，成套的开关柜的在线数据采集技术还完善，只有某些装置在开关柜里面进行了运用。目前国内对开关柜的监测主要是公司和高校的合作，根据现场具体情况，针对某个发电站里的几台开关设备，根据设备出现的具体故障，进行针对性的监测，根据现场具体运行情况及经济条件进行在线采集装置的设计和研究。经过这次设计，主要学会了如何在AT89C51单片机中使用AD0808芯片，同时更加近一步了解到数据采集通道的选择、数据的读取与分配以及数据采集方式的选择是如何进行的。与其他AD器件相比，具有优异的性价比。通过这次毕业设计，对开关柜的结构有了更多的了解，明白了开关柜的内部组成，以及开关柜的运行原理，而开关柜的数据采集是对开关柜运行情况的反映，通过采集的数据，与标准值进行对比，可以看出开关柜各个部位是否有故障发生，避免安全事故的发生。这次毕业设计使我明白实践是检验真理的唯一标准，只有自己亲自动手去做，才能够发现问题所在，通过实践，了解到自己所不具有的能力，促进自己继续去努力学习，弥补自己的不足，提高自己的能力，以便将来面对不同的困难。参考文献[1]王存玉.低压电容柜的设计方案[J].《房地产导刊：中》，2014.[2]王超.基于单片机的摇杆信号无线传输程序设计[J].《机械工程及自动化》，2015.[3]毛馨凯.基于ATega128单片机的电力系统交流采样技术的实现[J].《中国科技博览》，2009.[4]林士伟,于军.液晶显示器与单片机接口的设计[J].《吉林化工学院学报》，2005.[5]徐伟生.电力系统继电保护一体化探讨[J].《建材与装饰：上旬》,2009.[6]钟其明.浅谈单片机的学习[J].《科学咨询：下旬》,2012.[7]王隽.中压开关柜绝缘方式和绝缘标准的探讨[J].《电力标准化与技术经济》,2008[8]赵泓扬.基于FPGA的数据采集系统的设计[J].《常州工学院学报》,2009.[9]林珑.结合实例谈高压开关柜的选择[J].《消费电子》,2014.[10]周建春.基于单片机和PC串口通信的温度采集系统设计[D].苏州：苏州大学，2010.[11]王新彤.基于光纤光栅的开关柜温度在线监测系统的开发及应用[D].保定：华北电力大学，2010.[12]孔令志.基于mcupic16f877数据采集系统（终端部分）[D].太原：太原理工大学，2003.[13]王立成.初探UR4-12/T4000-50型开关柜的研发[J].《科技资讯》,2009[14]唐莉莉.浅谈中压开关柜设计中的相关问题[J].《三角洲》,2014[15]闵玉萍.基于单片机的印刷品色彩检测系统[J].《可编程控制器与工厂自动化(PLCFA)》,2013致谢附录1仿真图图7.1总体电路仿真图附录2程序/*Protues仿真中共阴极数码管工作原理，位选通时，本位为0，其他位为1，后同置1.共阳极数码管工作原理，位选通时，本位为1，其他位为0，后同置0.*/#include<reg51.h>sbitCLOCK=P2^4;sbitSTART=P2^5;sbitEOC=P2^6;sbitOE=P2^7;sbitS1=P2^0;sbitS2=P2^1;sbitS3=P2^2;sbitS4=P2^3;sbitSLC=P3^0;sbitP35=P3^5;//建立共阴极显示码unsignedcharcodeDispTable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//共阳极//unsignedcharcodeDispTable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voidDelay(intTime_ms);//延时voidDisplay(unsignedintData);//显示voidTimer0(); //定时器中断服务voidmain(){ unsignedintVal; TMOD=0X12; //定时器1方式1；定时器T0方式2 EA=1; TH0=0XF6; //产生50khz频率 TL0=0XF6; ET0=1; TR0=1; //开始计时 P3=0XFF; //关显示 while(1) { if(!P35)SLC=1; //选择模拟通道1 elseSLC=0; //选择模拟通道0 START=0;START=1;START=0; //启动AD转换。启动信号 while(!EOC); //等待转换结束 OE=1; Val=P1; //读取 OE=0; Delay(2); Display(Val); //显示结果 } }//定时器T0中断，为AD0808工作提供一个频率为50KHZ的时钟信号voidTimer0()interrupt1 { TH0=0XF6; //时间常数 TL0=0XF6; CLOCK=!CLOCK; }////延时程序voidDelay(intTime_ms){ inti; unsignedcharj; for(i=0;i<Time_ms;i++) { for(j=0;j<120;j++); }}//共阴极数码管驱动程序voidDisplay(unsignedintData) //0~65535{unsignedcharDisData1,DisData2,DisData3,DisData4; DisData1=Data/1000; //1000 DisData2=(Data%1000)/100;//100 DisData3=(Data%100)/10; //10 DisData4=(Data%100)%10; //1 //qian 千位位置在数码管左起第一个 P0=(DispTable[DisD