中压开关柜局放在线监测装置的研究与设计（软件设计）
摘 要开关柜在当前的配电网中有着极其重要的地位。在各类型开关柜的绝缘系统中，不同部位的电场强度存在差异，某个区域的场强一旦达到其击穿场强时，该区域就会出现放电现象。但是，如果施加电压的两个导体之间放电并未击穿整个绝缘系统，那么这种现象被称为局部放电（Partial discharge,PD）。局部放电的发生会损坏设备的绝缘性能，同时也是设备绝缘完整性退化的标志。局部放电的发生一般都具有突发性，电力系统从业人员对设备的定期检修往往很难发现其是否存在局部放电的隐患。因此，对正在工作中的开关柜进行局放的在线监测及时发现绝缘隐患，保障设备绝缘性能，维护设备安全性能的有效措施。局放监测系统通过采集局放信号，将必要的参数和依据反馈给技术人员，这样可以有效提高开关柜的检修效率，避免开关柜因局部放电引起绝缘退化而导致的突发事故，提高供电质量和供电可靠性。本文以实验为基础，以自制的12V电源模拟放电，利用单片机AT89C52控制，通过AD转换，将实时电压值显示在1602液晶屏上；其次，通过无线模块，发送实时信号到计算机串口，在软件MCGS中绘出实时电压曲线，以此来实现局放模拟信号的在线监测功能。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 1
第1章 绪论 3
1.1研究背景 3
1.2研究意义 3
1.3局放在线监测技术发展现状 4
1.3.1非电检测法 4
1.3.2电检测法 4
1.4 本章小结 5
第2章 系统方案设计 6
2.1功能需求 6
2.2总体结构 6
2.3本章小结 8
第3章 系统硬件设计 9
3.1电源模块设计 9
3.1.1设计要求 9
3.1.2设计具体任务 9
3.1.3电源各部分原理详述 10
3.1.4各元件选择和参数确定 15
3.1.5直流稳压电源电路图及工作原理 17
3.1.6主要元器件清单表 18
3.2单片机最小系统设计 18
3.2.1单片机AT89C52简介 18
3.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
.2单片机AT89C52最小系统 20
3.3液晶显示模块设计 21
3.3.1接口信号说明 21
3.3.2基本操作时序和操作步骤 22
3.3.3主要技术参数 22
3.3.4 液晶模块接线图 23
3.4数模转换模块设计 23
3.4.1引脚说明 24
3.4.2时序图 24
3.4.3典型接法 25
3.5无线数据发送和接收模块 26
3.5.1 德飞莱蓝牙串口模块的简介 26
3.5.2基本测试方法 26
3.6本章小结 29
第4章 系统软件设计 30
4.1C51程序设计 30
4.1.1程序结构框图 30
4.1.2各模块功能设计 31
4.2 上位机软件设计 35
4.3本章小结 37
第5章 系统调试 38
5.1程序调试 38
5.2上位机调试 40
5.3本章小结 41
第6章 总结和展望 42
6.1总结 42
6.2展望 42
参考文献 44
附录 47
附录1 系统整体实物图 47
附录2 C51程序 48
附录3 文献翻译 55
致 谢 74
第1章 绪论
本章首先介绍一下关于开关柜局部放电在线监测的研究背景、研究意义以及发展现状。
1.1研究背景
近年以来，在国内外的电力系统中开关柜得到了广泛的应用。然而，开关柜现场试验方法的不足以及投入运行的开关柜绝缘特性的劣化而导致的电力事故数量逐年攀升，严重威胁着电力系统的安全运行，也最终影响到电网的供电质量和供电的可靠性。根据统计，引起开关柜绝缘特性劣化的因素中，由局部放电引起的劣化占到了85%。因此，如何有效发现开关柜的局部放电，并且及时检测出潜在绝缘故障已成为电力监管部门日益关心并亟待解决的问题，也是当前相关机构和科研人员研究的热点。
1.2研究意义
开关柜是向配电网和普通用户供电的直接设备，近年来在电力系统中已有大量应用，和生产生活有着密不可分的联系，其重要性不言而喻。然而，因为开关柜发生绝缘故障造成的事故，往往会造成巨大的经济和社会的双重性损失。开关柜由于内部结构紧凑、零配件繁多，因此元件之间的绝缘距离极小。这样导致开关柜绝缘问题的发生概率大大增加，从而给设备的安全运行带了巨大的安全隐患，严重影响着供电的安全性和可靠性。
随着中国经济发展和电网规模的不断增加，保障电力系统的安全运行，既是中国经济可持续发展的需要，也是维护社会稳定、保障人民生活水平的必然要求。开关柜作为电网系统中重要的电气设备，在绝缘事故发生率居高不下的形势下，对其局放监测的研究和设计有着重要的现实意义。
1.3局放在线监测技术发展现状
局部放电的产生都会伴随着声、电、热、光等一系列的物理现象。因此，局放监测的几种方法都是以这些局放过程产生的物理量进行采集和监测。在采集到所需物理量后，再对其进行分析，提取相关特征量。以此为依据，对该开关柜内部的局放情况以及设备的绝缘状态进行评估。针对以上物理现象，对中压开关柜局部放电的在线监测技术目前大致分别两大类，分别是非电检测法和电检测法。
1.3.1非电检测法
非电检测法一般有两种类型：超声波检测法和温度检测法。
（1）开关柜内部在局放现象发生时，瞬间释放了大量能量，对周围的介质有加热效果，而其自身也作为一个热源，产生超声波信号。开关柜工作现场对局放超声波信号采集有干扰作用的噪音多为音频，频带范围为20Hz20000Hz内，而该检测法的检测频带在10Hz100MHz范围内。因此，超声波检测法可有效避开现场噪音的干扰，对局放产生的超声波信号进行采集。超声波检测法的缺点是声波在介质中传播过程中会发生衰减现象，再加上媒介间吸收、反射、衍射等物理现象的影响，都会造成该检测方法的灵敏度低，抗干扰能力较弱。
（2）温度检测法的检测对象主要是由于触头过热产生的热量，有两种测温方法，分别是红外测温和光纤传感器测温。后者测温的准确性要优于前者，但由于尺寸较大，无法在开关柜的内部进行安装。此外局放引起的温升一般较弱，针对温度变化进行检测，进而得到局放信号，往往其灵敏度很差，不能有效获取柜体内部准确的局放信号。
1.3.2电检测法
根据麦克斯韦的电磁辐射原理，局放形成的脉冲电流会产生频带丰富的电磁波向外辐射，而该电磁波的频率最高可达到GHz级。电检测法正是利用了这一原理。电检测法主要包括射频检测法、暂态对地法（Transient Earth Voltage,TEV）和超高频检测法（Ultra High Frequency,UHF）。
（1）射频检测法对电晕放电产生的电磁波进行检测，一般采用的是射频传感器。较常使用的传感器包括射频天线传感器、电容传感器和罗氏线圈电流传感器。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 1
第1章 绪论 3
1.1研究背景 3
1.2研究意义 3
1.3局放在线监测技术发展现状 4
1.3.1非电检测法 4
1.3.2电检测法 4
1.4 本章小结 5
第2章 系统方案设计 6
2.1功能需求 6
2.2总体结构 6
2.3本章小结 8
第3章 系统硬件设计 9
3.1电源模块设计 9
3.1.1设计要求 9
3.1.2设计具体任务 9
3.1.3电源各部分原理详述 10
3.1.4各元件选择和参数确定 15
3.1.5直流稳压电源电路图及工作原理 17
3.1.6主要元器件清单表 18
3.2单片机最小系统设计 18
3.2.1单片机AT89C52简介 18
3.2
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.2单片机AT89C52最小系统 20
3.3液晶显示模块设计 21
3.3.1接口信号说明 21
3.3.2基本操作时序和操作步骤 22
3.3.3主要技术参数 22
3.3.4 液晶模块接线图 23
3.4数模转换模块设计 23
3.4.1引脚说明 24
3.4.2时序图 24
3.4.3典型接法 25
3.5无线数据发送和接收模块 26
3.5.1 德飞莱蓝牙串口模块的简介 26
3.5.2基本测试方法 26
3.6本章小结 29
第4章 系统软件设计 30
4.1C51程序设计 30
4.1.1程序结构框图 30
4.1.2各模块功能设计 31
4.2 上位机软件设计 35
4.3本章小结 37
第5章 系统调试 38
5.1程序调试 38
5.2上位机调试 40
5.3本章小结 41
第6章 总结和展望 42
6.1总结 42
6.2展望 42
参考文献 44
附录 47
附录1 系统整体实物图 47
附录2 C51程序 48
附录3 文献翻译 55
致 谢 74
第1章 绪论
本章首先介绍一下关于开关柜局部放电在线监测的研究背景、研究意义以及发展现状。
1.1研究背景
近年以来，在国内外的电力系统中开关柜得到了广泛的应用。然而，开关柜现场试验方法的不足以及投入运行的开关柜绝缘特性的劣化而导致的电力事故数量逐年攀升，严重威胁着电力系统的安全运行，也最终影响到电网的供电质量和供电的可靠性。根据统计，引起开关柜绝缘特性劣化的因素中，由局部放电引起的劣化占到了85%。因此，如何有效发现开关柜的局部放电，并且及时检测出潜在绝缘故障已成为电力监管部门日益关心并亟待解决的问题，也是当前相关机构和科研人员研究的热点。
1.2研究意义
开关柜是向配电网和普通用户供电的直接设备，近年来在电力系统中已有大量应用，和生产生活有着密不可分的联系，其重要性不言而喻。然而，因为开关柜发生绝缘故障造成的事故，往往会造成巨大的经济和社会的双重性损失。开关柜由于内部结构紧凑、零配件繁多，因此元件之间的绝缘距离极小。这样导致开关柜绝缘问题的发生概率大大增加，从而给设备的安全运行带了巨大的安全隐患，严重影响着供电的安全性和可靠性。
随着中国经济发展和电网规模的不断增加，保障电力系统的安全运行，既是中国经济可持续发展的需要，也是维护社会稳定、保障人民生活水平的必然要求。开关柜作为电网系统中重要的电气设备，在绝缘事故发生率居高不下的形势下，对其局放监测的研究和设计有着重要的现实意义。
1.3局放在线监测技术发展现状
局部放电的产生都会伴随着声、电、热、光等一系列的物理现象。因此，局放监测的几种方法都是以这些局放过程产生的物理量进行采集和监测。在采集到所需物理量后，再对其进行分析，提取相关特征量。以此为依据，对该开关柜内部的局放情况以及设备的绝缘状态进行评估。针对以上物理现象，对中压开关柜局部放电的在线监测技术目前大致分别两大类，分别是非电检测法和电检测法。
1.3.1非电检测法
非电检测法一般有两种类型：超声波检测法和温度检测法。
（1）开关柜内部在局放现象发生时，瞬间释放了大量能量，对周围的介质有加热效果，而其自身也作为一个热源，产生超声波信号。开关柜工作现场对局放超声波信号采集有干扰作用的噪音多为音频，频带范围为20Hz20000Hz内，而该检测法的检测频带在10Hz100MHz范围内。因此，超声波检测法可有效避开现场噪音的干扰，对局放产生的超声波信号进行采集。超声波检测法的缺点是声波在介质中传播过程中会发生衰减现象，再加上媒介间吸收、反射、衍射等物理现象的影响，都会造成该检测方法的灵敏度低，抗干扰能力较弱。
（2）温度检测法的检测对象主要是由于触头过热产生的热量，有两种测温方法，分别是红外测温和光纤传感器测温。后者测温的准确性要优于前者，但由于尺寸较大，无法在开关柜的内部进行安装。此外局放引起的温升一般较弱，针对温度变化进行检测，进而得到局放信号，往往其灵敏度很差，不能有效获取柜体内部准确的局放信号。
1.3.2电检测法
根据麦克斯韦的电磁辐射原理，局放形成的脉冲电流会产生频带丰富的电磁波向外辐射，而该电磁波的频率最高可达到GHz级。电检测法正是利用了这一原理。电检测法主要包括射频检测法、暂态对地法（Transient Earth Voltage,TEV）和超高频检测法（Ultra High Frequency,UHF）。
（1）射频检测法对电晕放电产生的电磁波进行检测，一般采用的是射频传感器。较常使用的传感器包括射频天线传感器、电容传感器和罗氏线圈电流传感器。
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