-20-第一章緒論近幾年來，在高電壓技術、微電子技術、超導體技術、自動控制技術等高新技術的共同驅動下，高壓設備在線檢測和故障排除技術得到了巨大發展。本章首先提及電力系統網絡的發展及10kV柜數據采集的研究背景，然后對國內外這種技術的研究情況做了概述，提出10kV關柜數據采集的重要性。1.110kV關柜數據采集研究的背景目前我國的電力發展處于高速增長的環節，我國已經運行了首條1000kV壓交流實驗示范工程線路，我國的電壓等級也因此提升到了新的高度，所以國家經濟建設發展和社會的穩定團結與電網的安全運行息息相關。目前,我國已經成為世界上規模最大的綜合電力網絡,這幾年,電力網絡裝機容量突飛猛進,累計裝機容量在15年前突破50000萬大關,達到了52000萬KW,10年前突破60000萬大關,達到62000萬KW,全社會用電需求猛增,用電量為2.82萬億度,截止2010年,全社會用電量已經達到8億度,預計到2020年,我國累計裝機容量將達到12到13億千瓦,成為地球上規模最大的電網系統。國際能源機構在2004年舉行了國際大電網會議，在會上，執行主席C.Mandil提供了一些信息，表明在最近30年內全球輸電配電投資將達到5萬億美元以上。而同時高壓開關協會也統計了一份數據，表明我國在高壓開關方面增長很多，僅2004年就比2003年增長23.42%，但是在高壓開關方面，出現了很多故障，同樣造成了很多損失，損失電量達到數百萬千瓦，繼而影響到的經濟損失更是不可估量的，所以做好對開關裝置的數據采集是必要的，以此能避免更多故障的發生。在電力系統中，10kV開關柜得到了十分廣泛的應用[7]，主要作用有：對10kV及以下電力線路進行開通關斷（2）使正在運行的設備退出運行狀態，確保電氣設備及維修人員的安全（3）對10kV系統電壓電流參數進行測量并發出故障報警等。1.2國內外對10kV開關柜數據采集系統的研究現狀1.2.1國外研究情況國外對開關柜的研究較早，到目前為止，已經出現很多這一行業的國際知名企業，如日本的高岳、德國ESKOM公司、施耐德等，這些企業起步早，技術也比較先進，目前開關柜的各方面都有了巨大進展。德國ESKOM公司的高壓斷路器出現了故障，該公司的MarinH.B現場進行考察，根據現場具體故障發生的類型，對故障線路前后進行研究，然后鎖定故障發生的部位，測量斷路器的動態電阻以及分合閘電流，解決了這個問題。美國DOBLE公司在開關柜應用方面的研究非常先進,他們目前的產品抗干擾性能比其他公司好,功能也比其他公司強大,如TR-3000型數字式斷路器試驗系統。主要是對微電子電路技術進行應用，微機技術的發展迅速，也被應用到產品中。國外在高壓設備智能化監測技術起步早，發展迅速，在商用的好多高壓開關監測設備中已經得到了應用。1.2.2國內研究情況 國內開關柜的研究起步較晚，剛開始的時候，主要是對模擬數字電路技術進行應用，也研制投產了一些產品，如集箱式斷路器機械測試儀，當時的產品確實起到一些作用，但是隨著，時代的發展，暴露出這些設備的問題，比如自動化程度低，測量精度低，功能單一，誤差大等。經過這些年的發展，開關柜測控技術也日漸嫻熟，好多企業的產品已經遠銷國外，走上國際舞臺。近些年來，國內一些單位通過對產品進行改進，提高了測量精度、穩定性、抗干擾能力等。山西汾西重工公司的開關柜就是其中的優秀代表，它們研制出了新一代通過型式試驗的低壓成套開關設備GCK2低壓成套開關設備，它結合了國內外各種高新技術，如傳感器技術、斷路器技術、固定安裝式技術、抽出式技術設計，與電網具體情況相結合，達到了GB7251.1-2005《低壓成套開關設備和控制設備第一部分:型式試驗和部分型式試驗成套設備》等標準的各項要求。配用的VHC-12型真空斷路器，為國內同類產品領先水平，具有很多優點，配裝CDY口永磁機構，穩定性高，維護工作簡單，在溫升技術方面，為了提高散熱性能，導體和觸頭結構采用鍍銀技術，進行合理設計，柜體具有自然通風以及強迫通風能力，數字化及智能化技術的應用，使開關柜結構更加簡化，提高開關柜的穩定性，使產品性能達到國際先進水平。西安交大思源智能電器有限公司則開發出基于雙CPU的中壓開關設備，里面含有10kV開關柜微機監控單元，可以在線監測平均分、合速度，儲能電機電流，線圈電壓等，具有故障記錄、濾波、通信、控制自診斷等在線監測與保護功能。本課題主要研究內容由于開關柜在電力系統網絡中的重要地位，所以開關柜的故障檢測就成為了電力系統穩定運行的必要條件，開關柜的數據采集首當其沖。開關柜發生故障的參量有很多，有絕緣問題、操作機構問題、載流回路的薄弱環節、柜內及柜間分布防護較差以及斷路器的開斷問題、避雷器的性能問題、五防聯鎖可靠性等問題。需要采集的參量較繁雜，每個參數都需要不同的方法去測量，工作量很大。為了降低工作量，本課題主要針對事故量發生比較大的參數進行數據采集，主要對電壓信號進行采集.1.4本章小結 本章開頭先對所選課題面臨的背景和研究的實際意義進行了淺析，然后就國內外關于10kV開關柜的研究現狀進行簡述，接下來對10kV開關柜的事故原因進行簡述，最后介紹本文所要做的主要工作及內容。第二章總體設計2.1開關柜功能介紹目前在國內10kV開關柜得到了廣泛使用。高壓開關柜是將負荷開關、高壓斷路器、接觸器、熔斷器、隔離開關、互感器、接地開關等用于控制、測量、調節的內部連接器件合理配置按一定的線路方案有機組合起來的配電設備，這種設備能夠將一次、二次設備給聯系起來，對電網運行提供保護控制。一般情況下，這種裝置的內部空間主要是大氣或SF6氣體，用來作為外絕緣介質。眾多的生產廠家所生產的產品種類繁雜，數量驚人，但萬變不離其宗，高壓開關柜根據它們的功能、結構主要有以下分類方法：按照開關柜的主要作用，將開關柜分為進線柜、出線柜、隔離柜、計量柜等，用來實現電力網絡進線及各支線分配饋線作用的是進、出線柜，用來實現各支路與回路的隔離作用的是隔離柜，用于實現對電網狀態進行監測的是計量柜。2.1.1開關柜的具體構成開關柜由柜體和斷路器兩部分組成，柜體由殼體、電器元件(包括絕緣件)、各種機構、二次端子及連線等組成。常見的有兩種結構形式,下面是第一種:圖2.1前高后低式開關柜另一種為等高柜,如下圖圖2.2等高式開關柜開關柜的柜體材料有：（1）冷扎鋼板或角鋼(用于焊接柜)；（2）敷鋁鋅鋼板或鍍鋅鋼板(用于組裝柜)；（3）不銹鋼板(不導磁性)；（4）鋁板(不導磁性)。柜體的功能單元：（1）主母線室，一般主母線布置按“品”字形或“1”字形兩種結構；(2)斷路器室；（3）電纜室；（4）繼電器和儀表室；（5）柜頂小母線室；（6）二次端子室。柜內電器元件：(1)柜內常用一次電器元件(主回路設備)常見的有如下設備：電流互感器簡稱CT[如：LZZBJ9-10/35]；電壓互感器簡稱PT[如:JDZ-10/35,JDZJ-10/35,JDZX-10/35]；接地開關[如:JN15-12,JN22-35]；隔離開關[如:GN19-12、GN30-12/40.5、GN24-12]；高壓斷路器[如：少油型(S)、真空型(Z)、SF6型(L)]高壓接觸器[如：JCZ3-10D/400A型]；高壓熔斷器[如：RN2-12、XRNP-12/40.5、RN1-12/40.5]；變壓器[如:SC(B)系列干變、S9系列油變]；高壓帶電顯示器[GSN-10/35Q型]；絕緣件[如:穿墻套管、觸頭盒、絕緣子、絕緣熱縮(冷縮)護套]；主母線和分支母線；高壓電抗器[如串聯型:CKSC和起動電機型:QKSG]；負荷開關[如:FRN25-12、FZN25-12]；高壓單相并聯電容器[如:BFF12-30-1][1]等等。(2）柜內二次元件：常見的有如下設備:繼電器；電度表；熔斷器；空氣開關；轉換開關；按鈕；信號燈；微機綜合保護裝置等等。2.1.2幾種具體型號的開關柜：WDZ-5200系列保護測控裝置 圖2.3WDZ-5200系列保護測控裝置該裝置集保護、測量、計量、控制、通訊于一體，同時支持發電廠電氣自動化所需要的各種高級應用功能，組態化功能設計，其功能、性能和技術指標處于國內領先水平[5]。裝置配有240X128大屏幕漢字液晶顯示，直觀的界面菜單，詳細的信息顯示，便于操作和調試。裝置支持軟件對時和硬件對時功能。硬件對時支持秒脈沖對時模式和IRIG-B碼對時模式，裝置自動識別硬件對時模式，對時誤差≤1ms。對時接口均采用485差分電平輸入。XQB1系列起重機保護開關柜圖2.4XQB1系列起重機保護開關柜X是結構形式,代表箱式,Q是工業應用代號,代表起重機,B是控制對象,代表保護,1是設計序號[9]。2.2總體設計方案本文主要采用微型計算機數據采集系統對電壓信號進行數據模擬采集。本設計主要要實現的功能對兩個電壓信號進行數據采集，使用滑動變阻器來調節電壓信號的大小，然后將兩個電壓信號送入AD轉換芯片，再經過單片機，接到LCD顯示器上，完成電壓數據的采集。本文主要做的是用AD芯片進行電壓測量，包括模擬信號部分、AD轉換部分、單片機部分,數據顯示部分。模擬信號部分：利用滑動變阻器來模擬電壓信號的變化，反映開關柜內電壓變化的情況。AD轉換部分：將描述自然現象和生產過程的模擬量轉換為便于計算機存儲和計算的數字量。單片機部分：采用AT89C51單片機進行控制，比較經濟實用。顯示部分：采用LCD顯示器，來顯示采集到的電壓大小。系統硬件原理圖如下：顯示模塊單片機AD轉換顯示模塊單片機AD轉換模擬信號輸入圖2.5系統硬件原理圖2.3本章小結 本章主要介紹了開關柜的內部構造及結構形式，各部位的功能，并具體的展示了幾種開關柜的產品，最后介紹本文所采集的參量，然后提出總體設計方案。第三章系統硬件構成及原理簡介3.1Proteus仿真軟件介紹Proteus是一款由英國LabCenterElectronics公司出版的EDA工具軟件，它是目前同類型軟件中功能最為強大的軟件之一，受到廣大電子愛好者的青睞，在各個領域得到了廣泛應用。Proteus的功能很全面，不僅可以進行原理布線，PCB板繪制，還能進行電路仿真，可以對目前市場上主流的單片機進行仿真，在原理圖上進行編程，修改，利用顯示器件輸出結果，驗證猜想，構建了一個良好的電子開發環境。Proteus具有豐富的電子元器件庫，有超過27000種元器件，可以滿足各種不同的仿真需求，同時它具有自動布線功能,可以很方便的對線路進行連接,使線路簡潔明了。Proteus提供了許多實驗室不具備的電子元器件，使電子設計更加靈活，替代了傳統的單片機實驗教學功能，培養了學生的實踐能力、創新能力，調動了學生動手積極性，相信以后會得到越來越廣泛的應用。3.2器件介紹3.2.1單片機本文所采用的單片機是AT89C51，該單片機是由美國ATMEL公司生產的，具有非常卓越的性能，功能十分強大，在電子設計領域得到了廣泛應用，該型單片機有個非常突出的特點是它的內部含有可以反復擦寫的Flash只讀存儲器，這種存儲器顧名思義，可以進行反復擦除讀取，反復擦寫次數大于1000次，能夠多次利用，可以有效的節約成本，滿足電子實驗的需求，因而被廣泛使用[11]。該單片機由于獨特的內部結構，不僅能夠實現常規的編程，也能夠進行在線的編程，它的內部含有3個16位的可編程定時計數器，可以實現計數功能。AT89C51具有40個功能引腳，其中32個為外部I/O口，進行輸入輸出字符作用。下面是AT89C51的功能引腳圖圖3.1AT89C51引腳圖3.2.2AD轉換器AD器件選用ADC0808,該型號AD轉換芯片與ADC0809在功能方面基本一樣，ADC0809是很常用的一款8位的模數轉換芯片。而ADC0808是0809的簡化版，主要的不同點是0808的轉換輸出out0~7與常用的輸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在實際中不常用，實際中常用的是0809，而0808最常用的是在protues仿真里面，因為0809是沒有模型庫，無法仿真的。ADC0808具有28個功能引腳，采用雙列直插式封裝，結構圖如下圖所示： 圖3.2ADC0809引腳圖3.3電路設計模塊3.3.1模擬電壓信號輸入模塊圖3.3模擬電壓信號輸入模塊這個模塊主要是通過調節滑動變阻器的大小,來改變滑動變阻器兩端的電壓,以此來模擬開關柜內分合閘線圈電壓,分合閘線圈的電壓是直流電壓,大概有幾伏,所以用滑動變阻器來模擬的電壓能夠滿足設計的需求[3]。3.3.2AD轉換模塊圖3.4AD轉換模塊這個模塊主要是利用了AD轉換芯片，該芯片的作用是將描述自然現象和生產過程中的模擬量轉換為可以被單片機讀取的數字量，該模塊模擬了開關柜內的模數轉換裝置把模擬電壓信號轉換為數字電壓信號的過程[2]。3.3.3單片機模塊圖3.5單片機模塊單片機模塊是整個系統的控制模塊，通過對AD模塊的設置，完成對數據采集過程及數據采集方式的控制，讀取ADC0808寄存器的數據，完成數據的傳輸，再經過輸出口，將數據傳給顯示模塊，實現數據采集的功能。3.3.4數據顯示模塊顯示模塊主要是接受單片機送出的數字信號，然后直觀的顯示出來，該模塊模擬了開關柜上的顯示單元，實時反映開關柜內的各種電壓信號，采用LCD液晶顯示器，液晶顯示器具有功耗低、體積小、重量輕、超薄等很多其它顯示器不能比的優點，可以直接與8位微處理器接口連接，結構簡單，使用方便[4]。圖3.6數碼顯示模塊第四章軟件程序介紹4.1編程軟件介紹編程軟件采用Keilc51,該軟件是美國ARM公司之一的KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。目前在國內有很多ARM的授權代理商，這些機構提供對該軟件的銷售、技術支持、售后服務等一系列的服務。如果你購買了正版軟件，代理商會為你提供全套的技術服務，從產品的發送到產品的安裝以及后期出現的問題，代理商全權解決，真正避免了消費者在這些問題上浪費時間。該軟件功能強大，通過一個集成的開發平臺，將C語言編譯、宏匯編、連接器、仿真調試器等一個完整的開發方案組合在一起。該軟件支持8051微控制器系統結構，適合不同學習段的人[6]。Keilc51是十分智能的開發工具，能夠根據自身的需求，從設備數據庫中選擇合適的設備，同時其中還有大量的例程，進行參考，幫助你快速入門，其中還分成3個不同的匯編器套件，方便解決不同問題時使用，比如A51套件，可以用來編寫匯編語言，或者已經有了仿真器的時候使用，沒有仿真器的時候可以考慮使用PK51套件，這個套件還可以在需要使用不同的8051微控制器時使用[10]。該軟件比較容易學，上手難度不高，它主要解決嵌入式軟件開發商所面臨的復雜的問題，對硬件的要求也不高，支持各種系統的電腦，如window7、vista等，是軟件編程初學者的首選，因此本文采用這種簡單方便的軟件來進行本課題的程序設計。Keilc51是一個非常普及的開發工具，能夠實現各種各樣的復雜的功能，日常生活中互聯網電視網絡的設置、電風扇風速的設置、冰箱溫度的調節，都可以用這個軟件來進行編程，廣泛服務于各個領域，為人們的生活帶來了很多便利，愈來愈多的人都開始學習這個軟件的使用。4.2程序流程圖本課題的程序就是使用keilc51來編寫的，程序流程圖如下圖所示：圖4.1程序流程圖第五章仿真5.1 仿真軟件介紹仿真軟件采用上面提及的proteus,Proteus是一款由英國LabCenterElectronics公司出版的EDA工具軟件，它是目前同類型軟件中功能最為強大的軟件之一，受到廣大電子愛好者的青睞，在各個領域得到了廣泛應用。Proteus的功能很全面，不僅可以進行原理布線，PCB板繪制，還能進行電路仿真，可以對目前市場上主流的單片機進行仿真，在原理圖上進行編程，修改，利用顯示器件輸出結果，驗證猜想，構建了一個良好的電子開發環境。Proteus具有豐富的電子元器件庫，有超過27000種元器件，可以滿足各種不同的仿真需求，同時它具有自動布線功能,可以很方便的對線路進行連接,使線路簡潔明了。Proteus提供了許多實驗室不具備的電子元器件，使電子設計更加靈活，替代了傳統的單片機實驗教學功能，培養了學生的實踐能力、創新能力，調動了學生動手積極性，相信以后會得到越來越廣泛的應用。5.2數據采集功能的仿真5.2.1模擬輸入信號圖5.1模擬電壓模塊如圖所示,通過調節滑動變阻器的電阻,將電壓信號設置成2.5V,用來模擬開關柜分合閘電壓為2.5V,只要后面顯示模塊能夠將數值顯示出來,就證明實現了電壓信號的數據采集。5.2.2數據顯示部分圖5.2數據顯示模塊這一部分是數據顯示的結果，前面模擬信號部分輸入的是2.5v，而這部分數據采集的結果是254，在改變滑動變阻器的阻值時,顯示模塊的值也隨之成比例變化,證明實現了數據采集的功能。5.3程序與電路的不足之處(1)程序中的顯示函數，放在while（）中，不夠好。若延時時間長了，顯示會出現閃動。(2)仿真中，用定時器0產生50kHZ的頻率，用定時1驅動顯示函數，如果兩個定時器同時工作，行不通，發現其中一個定時器無法工作。(3)數碼管能正常顯示，但是和測量電壓數不吻合。程序中，未加轉換函數。第六章結論與展望目前，國內外并沒有很成熟的技術去進行10kV開關柜在線數據采集的研究，許多公司只是對其中的一些參量進行了數據采集，像ABB，西門子等公司，只是對斷路器的一些參數的進行了在線采集，成套的開關柜的在線數據采集技術還完善，只有某些裝置在開關柜里面進行了運用。目前國內對開關柜的監測主要是公司和高校的合作，根據現場具體情況，針對某個發電站里的幾臺開關設備，根據設備出現的具體故障，進行針對性的監測，根據現場具體運行情況及經濟條件進行在線采集裝置的設計和研究。經過這次設計，主要學會了如何在AT89C51單片機中使用AD0808芯片，同時更加近一步了解到數據采集通道的選擇、數據的讀取與分配以及數據采集方式的選擇是如何進行的。與其他AD器件相比，具有優異的性價比。通過這次畢業設計，對開關柜的結構有了更多的了解，明白了開關柜的內部組成，以及開關柜的運行原理，而開關柜的數據采集是對開關柜運行情況的反映，通過采集的數據，與標準值進行對比，可以看出開關柜各個部位是否有故障發生，避免安全事故的發生。這次畢業設計使我明白實踐是檢驗真理的唯一標準，只有自己親自動手去做，才能夠發現問題所在，通過實踐，了解到自己所不具有的能力，促進自己繼續去努力學習，彌補自己的不足，提高自己的能力，以便將來面對不同的困難。參考文獻[1]王存玉.低壓電容柜的設計方案[J].《房地產導刊：中》，2014.[2]王超.基于單片機的搖桿信號無線傳輸程序設計[J].《機械工程及自動化》，2015.[3]毛馨凱.基于ATega128單片機的電力系統交流采樣技術的實現[J].《中國科技博覽》，2009.[4]林士偉,于軍.液晶顯示器與單片機接口的設計[J].《吉林化工學院學報》，2005.[5]徐偉生.電力系統繼電保護一體化探討[J].《建材與裝飾：上旬》,2009.[6]鐘其明.淺談單片機的學習[J].《科學咨詢：下旬》,2012.[7]王雋.中壓開關柜絕緣方式和絕緣標準的探討[J].《電力標準化與技術經濟》,2008[8]趙泓揚.基于FPGA的數據采集系統的設計[J].《常州工學院學報》,2009.[9]林瓏.結合實例談高壓開關柜的選擇[J].《消費電子》,2014.[10]周建春.基于單片機和PC串口通信的溫度采集系統設計[D].蘇州：蘇州大學，2010.[11]王新彤.基于光纖光柵的開關柜溫度在線監測系統的開發及應用[D].保定：華北電力大學，2010.[12]孔令志.基于mcupic16f877數據采集系統（終端部分）[D].太原：太原理工大學，2003.[13]王立成.初探UR4-12/T4000-50型開關柜的研發[J].《科技資訊》,2009[14]唐莉莉.淺談中壓開關柜設計中的相關問題[J].《三角洲》,2014[15]閔玉萍.基于單片機的印刷品色彩檢測系統[J].《可編程控制器與工廠自動化(PLCFA)》,2013致謝附錄1仿真圖圖7.1總體電路仿真圖附錄2程序/*Protues仿真中共陰極數碼管工作原理，位選通時，本位為0，其他位為1，后同置1.共陽極數碼管工作原理，位選通時，本位為1，其他位為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;//建立共陰極顯示碼unsignedcharcodeDispTable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//共陽極//unsignedcharcodeDispTable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voidDelay(intTime_ms);//延時voidDisplay(unsignedintData);//顯示voidTimer0(); //定時器中斷服務voidmain(){ unsignedintVal; TMOD=0X12; //定時器1方式1；定時器T0方式2 EA=1; TH0=0XF6; //產生50khz頻率 TL0=0XF6; ET0=1; TR0=1; //開始計時 P3=0XFF; //關顯示 while(1) { if(!P35)SLC=1; //選擇模擬通道1 elseSLC=0; //選擇模擬通道0 START=0;START=1;START=0; //啟動AD轉換。啟動信號 while(!EOC); //等待轉換結束 OE=1; Val=P1; //讀取 OE=0; Delay(2); Display(Val); //顯示結果 } }//定時器T0中斷，為AD0808工作提供一個頻率為50KHZ的時鐘信號voidTimer0()interrupt1 { TH0=0XF6; //時間常數 TL0=0XF6; CLOCK=!CLOCK; }////延時程序voidDelay(intTime_ms){ inti; unsignedcharj; for(i=0;i<Time_ms;i++) { for(j=0;j<120;j++); }}//共陰極數碼管驅動程序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 千位位置在數碼管左起第一個 P0=(DispTable[DisD