多功能高压线路故障监测系统的研究与设计_软件部分
多功能高压线路故障监测系统的研究与设计_软件部分[20191215171613]
摘 要
随着经济的不断快速发展，工业和生活用电的稳定性、安全性越来越被人们所重视。输电线路是电力系统不可或缺的重要组成部分。随着输电线路的电压等级的一再提高，输电线路架设的距离越来越长，输电线路出现故障的可能性增加。高压输电线路故障往往会造成企业一定的经济损失，给人民生活带来不便。因此，对用电安全性的研究愈发成为重要的研究课题。
本系统以TI公司的MSP430F149单片机为控制核心；使用温度传感器DS18B20对现场的温度进行采集；以单片机自带的12位AD采集电压，而后转化成电流值；对现场的数据通过OLED液晶进行显示，并将数据通过无线串口采用Modbus通信协议远程、无线传输给MCGS上位机，实施远程数据观测、故障监测。MCGS可将传输的数据不仅能实时显示，还可以生成报表，存盘，以供查阅。
经过测试，该系统可对输电线路进行故障检测、分析、显示和对数据进行远程传输，以及上位机的显示和对设备的远程控制。
多功能高压线路故障监测系统由于具有使用方便、过流报警，同时可远程实时在线观测数据和随时浏览历史数据，减轻了工作人员的巡线压力，对及时发现高压输电线路故障具有重要的意义。
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关键字: MSP430F149；OLED；温度传感器；
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2高压线路故障的类型和原因 1
1.2.1高压线路故障的类型 1
1.2.2高压线路故障的原因 1
1.3课题主要研究内容及章节安排 2
第二章 方案分析与论证 5
2.1系统整体分析 5
2.2各模块方案论证、比较 5
2.2.1测温模块分析与论证 5
2.2.2电流采集模块方案论证与比较 6
2.2.3无线传输模块方案论证与比较 7
2.2.4显示模块方案论证与比较 8
2.3本章小结 8
第三章 系统的硬件设计 9
3.1系统整体硬件设计 9
3.2控制模块 9
3.3温度采集模块 11
3.4电压采集模块 12
3.5电源模块 13
3.6显示模块 14
3.7本章小结 15
第四章 系统的软件设计 16
4.1系统软件整体设计 16
4.2编译环境介绍 17
4.3数据采集显示软件设计 17
4.3.1温度采集 17
4.3.2电压采集 18
4.3.3液晶显示 19
4.4串行通信设计 20
4.5 本章小结 20
第五章 高压线路故障在线监测系统的设计 21
5.1总体设计 21
5.2 MCGS上位机简介 21
5.3 MODBUS通信协议 22
5.3.1 MODBUS通信协议介绍 22
5.3.2 MODBUS发送接收 23
5.3.3 MODBUS通信程序 26
5.4设备管理窗口 27
5.5用户管理窗口 30
5.5.1故障指示器窗口 30
5.5.2数据显示窗口 31
5.6权限管理窗口 31
5.7本章小结 32
第六章 系统测试 33
6.1各模块测试 33
6.1.1电源模块测试 33
6.1.2温度和电流采集、显示模块测试 33
6.1.3上位机、下位机通信测试 34
6.2调试过程中遇到的问题及解决办法 36
6.3本章小结 36
第七章 总结与展望 37
7.1工作总结 37
7.2展望 37
致谢 39
参考文献 40
附录A电路原理图和PCB 43
附录B实物图 45
附录C程序 46
附录D外文翻译 49
附录E任务书 64
第一章 绪论
1.1研究背景和意义
改革开放之后，迎来了我国电力事业的快速发展。近年来，随着经济的腾飞，生活、工业用电的安全性、稳定性越来越成为人们研究的热门课题。由于高压输电线路往往暴露在不同的地理位置，有的在高海拔地带，有的是在低海拔地带，有的是在广袤的平原上，有的则是在崇山峻岭之间。据不完全统计，近年来，我国主要电网发生多起事故，其中大部分是由输电线路故障引起的，给工、农业生产和人民生活带来了不便。输电线路一旦发生故障，如果能快速地、准确地排除故障，就能减少不必要的损失。因此，一条运行良好的输电线路，可以保证在冬天和夏天的用电高峰时间段能够工作良好，促进城市的经济发展。
高压输电线路交错连接，跨越距离较远，架设地区交通不便，且工作环境极为恶劣。一旦发生故障，在短时间内很难查询故障的原因和故障地点，更难以快速解决问题。传统的采用巡线的方式是现代电力系统难以接受的。基于这样的目的，如果能够开发一套快速查询故障原因以及故障地点的实时监测系统，那么便能够确保整个电力系统的安全稳定运行，减少因输电线路故障带来的不必要的经济损失，而且能够降低因故障带来的大量工作人员的劳动强度；即使是出现突发故障，也能够快速的发现问题并及时解决。通过远程监测，输电线路的运行状况一目了然，既方便又高效，这对电力系统有很深的现实意义。
1.2高压线路故障的类型和原因
1.2.1高压线路故障的类型
高压输电线路在运行的时候由于某些意外情况的发生，往往会出现一些故障，导致输电线路工作不正常。具体主要有：
?高压输电线路短路故障
?高压输电线路接地故障
?电缆接头处发热温升
1.2.2高压线路故障的原因
⑴短路故障
人为因素，如风筝的线缠绕、钓鱼线缠绕等；自然因素，如在雷雨天气会导致雷击损坏；没有正确选择继电保护的整定值和熔断器的额定电流，以致电路该断不断；还有其他一些如输电线路布局不合理、线路本身质量问题等等。
⑵接地故障
在有些地方，因为输电线路离地、建筑物或大树较近，易发生接地故障；高压输电线在雷雨天气也易出现接地故障。
⑶电缆接头处发热温升
电缆接头连接处由于操作人员没有按照工艺要求进行连接，导致连接处温升过高，这是必须要解决的问题，如果不解决，长此以往容易导致线路、设备提前老化，严重的甚至会出现火灾等恶性事件，造成不必要的财产损失。电缆接头发热究其原因主要有：焦耳热、感应热和介质热。
焦耳热：我们知道，当电流流过导体时，导体本身的电阻会消耗一部分能量从而导致线路发热。对于交流设备而言，还需注意邻近效应和集肤效应。所谓的临近效应即为当相邻的导线流过电流时，产生可变磁场。集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，而非平均分布于整个导体的截面积中。集肤效应没有改变电流的幅值，只增加了铜损。所以邻近效应比集肤效应更为严重。但相对来看，邻近效应中的涡流产生的原因是相邻绕组层电流的可变磁场引起的，且涡流的大小随绕组层数增加而递增。
感应热：是指附近的钢铁件会在导体通电后，产生铁磁损耗（主要包括涡流和磁滞损耗），尤其是穿过闭合的钢铁件。可以采用以下两种方法来减少感应热：一是改用无磁钢、黄铜、硅铝合金等材料；二是采用非磁性间隙，即使铁磁材料不形成闭环，在间隙中填充非磁材料以减少磁通量。
介质热：是指在交变电场作用下，绝缘体产生的损耗。
1.3课题主要研究内容及章节安排
能够快速实时监测高压输电线路的短路、断路故障一直是人们研究的重点。本次研究的内容是对高压线路温度、电流的实时监测，将采集到的数据进行分析、处理，以便快速地查到故障原因。
主要实现功能如下：
⑴温度采集。采集到的温度可以作为高压线路故障监测的一条重要指标。当系统工作正常时，温度在一定合理的范围内变动；当系统出现故障时，系统内温度急剧上升，那么此时，采集到的温度即为不正常温度。
⑵电流采集。电流值大小是作为判断系统是否出现短路、断路故障最重要的依据。系统工作正常时，电流值在一定合理的范围内波动；当系统出现短路、断路故障时，电流值急剧上升为原来正常值的数倍或急剧减小为零。
⑶微控制器。微控制器对系统的数据进行采集、分析、传输、显示，且要能够在恶劣的环境下工作，要具有低功耗模式。
⑷声光报警。当系统在出现故障的时候，故障指示器要能够立即作出响应，将电源切断、控制对应的指示灯亮，并且远程监测中心的屏幕上也要作出相应的报警措施。
⑸数据处理、传输。将采集到的数据进行加工、处理是一个必不可少的环节。数据采集的正确与否、传输的实时性、传输的丢包与否将直接影响最终系统的实时监测性。如果信息处理不当或传输出现问题，会出现故障已经发生，但是相应的处理动作却迟迟没有响应。
⑹监测系统。良好的监测系统对整个系统运行的稳定性、安全性起到很好的监测效果，并能及时向工作人员报警，及时发现故障的原因和地点，以便快速解决问题；还可以对历史数据进行存盘检查以便随时查阅。
⑺系统的抗干扰性。由于系统的工作环境较为恶劣，所以对系统硬件的可靠性和数据传输的误码率提出了更高的要求。
论文章节安排如下：
第一章绪论部分阐述了高压短路、断路故障指示器的研究背景和研究的意义，分析了出现故障常见的类型和原因。
第二章是对系统整体方案的对比及论证，通过分析比较，找出温度采集模块、电流采集模块、无线传输模块、上位机、下位机显示模块最合适的方案。
第三章是系统的下位机整体硬件设计部分。在给出整个系统框图的基础上，分别给出了微处理器控制模块、温度采集模块、电源模块、液晶显示模块原理图，主要芯片、元器件、原理图的说明。
第四章为系统的软件设计部分。由系统的整体软件控制流程图引出对温度传感器的读取、对电流的采集和液晶的数据显示的软件控制，以及RS232。
第五章为高压线路故障在线监测系统，此监测系统要能够实时接收下位机发送过来的数据，并实时显示；能够查看下位机的运行状态，并对下位机进行控制；能够实时查看数据曲线、查看历史数据；对历史数据、历史报警数据随时读取；下位机出现相应故障能够在上位机实时显示并报警。
第六章为系统的软硬件的整体测试。主要是上位机与下位机的通信是否有误码，以及通信的实时性。对测试结果进行分析，对遇到问题的记录、分析、提出解决方案。保证系统运行的可靠性。
第七章为系统的总结与展望。对系统的整体运行效果，运行环境进行了总结，然后提出对系统进一步的优化方向和建议。
第二章 方案分析与论证
2.1系统整体分析
根据任务书的要求进行仔细分析，各模块的分析如下：
微控制器模块：首先本系统要对数据进行采集、处理、发送、接收、显示以及其他控制，所以必须要有微控制器才能进行复杂控制。其次，由于微控制器的工作环境较为复杂，所以必须选用易得、价格低廉且可靠性较高的微控制器。由于要用到较多的IO口，所以微控制器的IO端口一定要足够，且要有足够的存储空间。且至少要具有定时器、RS232通信接口、外部中断捕获、较低的功耗等等功能。微控制器一定要具有相应的处理速度，传统的8位微控制器太慢，不能满足速度上的要求，所以尽量选用16位或以上的控制器。
摘 要
随着经济的不断快速发展，工业和生活用电的稳定性、安全性越来越被人们所重视。输电线路是电力系统不可或缺的重要组成部分。随着输电线路的电压等级的一再提高，输电线路架设的距离越来越长，输电线路出现故障的可能性增加。高压输电线路故障往往会造成企业一定的经济损失，给人民生活带来不便。因此，对用电安全性的研究愈发成为重要的研究课题。
本系统以TI公司的MSP430F149单片机为控制核心；使用温度传感器DS18B20对现场的温度进行采集；以单片机自带的12位AD采集电压，而后转化成电流值；对现场的数据通过OLED液晶进行显示，并将数据通过无线串口采用Modbus通信协议远程、无线传输给MCGS上位机，实施远程数据观测、故障监测。MCGS可将传输的数据不仅能实时显示，还可以生成报表，存盘，以供查阅。
经过测试，该系统可对输电线路进行故障检测、分析、显示和对数据进行远程传输，以及上位机的显示和对设备的远程控制。
多功能高压线路故障监测系统由于具有使用方便、过流报警，同时可远程实时在线观测数据和随时浏览历史数据，减轻了工作人员的巡线压力，对及时发现高压输电线路故障具有重要的意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字: MSP430F149；OLED；温度传感器；
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2高压线路故障的类型和原因 1
1.2.1高压线路故障的类型 1
1.2.2高压线路故障的原因 1
1.3课题主要研究内容及章节安排 2
第二章 方案分析与论证 5
2.1系统整体分析 5
2.2各模块方案论证、比较 5
2.2.1测温模块分析与论证 5
2.2.2电流采集模块方案论证与比较 6
2.2.3无线传输模块方案论证与比较 7
2.2.4显示模块方案论证与比较 8
2.3本章小结 8
第三章 系统的硬件设计 9
3.1系统整体硬件设计 9
3.2控制模块 9
3.3温度采集模块 11
3.4电压采集模块 12
3.5电源模块 13
3.6显示模块 14
3.7本章小结 15
第四章 系统的软件设计 16
4.1系统软件整体设计 16
4.2编译环境介绍 17
4.3数据采集显示软件设计 17
4.3.1温度采集 17
4.3.2电压采集 18
4.3.3液晶显示 19
4.4串行通信设计 20
4.5 本章小结 20
第五章 高压线路故障在线监测系统的设计 21
5.1总体设计 21
5.2 MCGS上位机简介 21
5.3 MODBUS通信协议 22
5.3.1 MODBUS通信协议介绍 22
5.3.2 MODBUS发送接收 23
5.3.3 MODBUS通信程序 26
5.4设备管理窗口 27
5.5用户管理窗口 30
5.5.1故障指示器窗口 30
5.5.2数据显示窗口 31
5.6权限管理窗口 31
5.7本章小结 32
第六章 系统测试 33
6.1各模块测试 33
6.1.1电源模块测试 33
6.1.2温度和电流采集、显示模块测试 33
6.1.3上位机、下位机通信测试 34
6.2调试过程中遇到的问题及解决办法 36
6.3本章小结 36
第七章 总结与展望 37
7.1工作总结 37
7.2展望 37
致谢 39
参考文献 40
附录A电路原理图和PCB 43
附录B实物图 45
附录C程序 46
附录D外文翻译 49
附录E任务书 64
第一章 绪论
1.1研究背景和意义
改革开放之后，迎来了我国电力事业的快速发展。近年来，随着经济的腾飞，生活、工业用电的安全性、稳定性越来越成为人们研究的热门课题。由于高压输电线路往往暴露在不同的地理位置，有的在高海拔地带，有的是在低海拔地带，有的是在广袤的平原上，有的则是在崇山峻岭之间。据不完全统计，近年来，我国主要电网发生多起事故，其中大部分是由输电线路故障引起的，给工、农业生产和人民生活带来了不便。输电线路一旦发生故障，如果能快速地、准确地排除故障，就能减少不必要的损失。因此，一条运行良好的输电线路，可以保证在冬天和夏天的用电高峰时间段能够工作良好，促进城市的经济发展。
高压输电线路交错连接，跨越距离较远，架设地区交通不便，且工作环境极为恶劣。一旦发生故障，在短时间内很难查询故障的原因和故障地点，更难以快速解决问题。传统的采用巡线的方式是现代电力系统难以接受的。基于这样的目的，如果能够开发一套快速查询故障原因以及故障地点的实时监测系统，那么便能够确保整个电力系统的安全稳定运行，减少因输电线路故障带来的不必要的经济损失，而且能够降低因故障带来的大量工作人员的劳动强度；即使是出现突发故障，也能够快速的发现问题并及时解决。通过远程监测，输电线路的运行状况一目了然，既方便又高效，这对电力系统有很深的现实意义。
1.2高压线路故障的类型和原因
1.2.1高压线路故障的类型
高压输电线路在运行的时候由于某些意外情况的发生，往往会出现一些故障，导致输电线路工作不正常。具体主要有：
?高压输电线路短路故障
?高压输电线路接地故障
?电缆接头处发热温升
1.2.2高压线路故障的原因
⑴短路故障
人为因素，如风筝的线缠绕、钓鱼线缠绕等；自然因素，如在雷雨天气会导致雷击损坏；没有正确选择继电保护的整定值和熔断器的额定电流，以致电路该断不断；还有其他一些如输电线路布局不合理、线路本身质量问题等等。
⑵接地故障
在有些地方，因为输电线路离地、建筑物或大树较近，易发生接地故障；高压输电线在雷雨天气也易出现接地故障。
⑶电缆接头处发热温升
电缆接头连接处由于操作人员没有按照工艺要求进行连接，导致连接处温升过高，这是必须要解决的问题，如果不解决，长此以往容易导致线路、设备提前老化，严重的甚至会出现火灾等恶性事件，造成不必要的财产损失。电缆接头发热究其原因主要有：焦耳热、感应热和介质热。
焦耳热：我们知道，当电流流过导体时，导体本身的电阻会消耗一部分能量从而导致线路发热。对于交流设备而言，还需注意邻近效应和集肤效应。所谓的临近效应即为当相邻的导线流过电流时，产生可变磁场。集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，而非平均分布于整个导体的截面积中。集肤效应没有改变电流的幅值，只增加了铜损。所以邻近效应比集肤效应更为严重。但相对来看，邻近效应中的涡流产生的原因是相邻绕组层电流的可变磁场引起的，且涡流的大小随绕组层数增加而递增。
感应热：是指附近的钢铁件会在导体通电后，产生铁磁损耗（主要包括涡流和磁滞损耗），尤其是穿过闭合的钢铁件。可以采用以下两种方法来减少感应热：一是改用无磁钢、黄铜、硅铝合金等材料；二是采用非磁性间隙，即使铁磁材料不形成闭环，在间隙中填充非磁材料以减少磁通量。
介质热：是指在交变电场作用下，绝缘体产生的损耗。
1.3课题主要研究内容及章节安排
能够快速实时监测高压输电线路的短路、断路故障一直是人们研究的重点。本次研究的内容是对高压线路温度、电流的实时监测，将采集到的数据进行分析、处理，以便快速地查到故障原因。
主要实现功能如下：
⑴温度采集。采集到的温度可以作为高压线路故障监测的一条重要指标。当系统工作正常时，温度在一定合理的范围内变动；当系统出现故障时，系统内温度急剧上升，那么此时，采集到的温度即为不正常温度。
⑵电流采集。电流值大小是作为判断系统是否出现短路、断路故障最重要的依据。系统工作正常时，电流值在一定合理的范围内波动；当系统出现短路、断路故障时，电流值急剧上升为原来正常值的数倍或急剧减小为零。
⑶微控制器。微控制器对系统的数据进行采集、分析、传输、显示，且要能够在恶劣的环境下工作，要具有低功耗模式。
⑷声光报警。当系统在出现故障的时候，故障指示器要能够立即作出响应，将电源切断、控制对应的指示灯亮，并且远程监测中心的屏幕上也要作出相应的报警措施。
⑸数据处理、传输。将采集到的数据进行加工、处理是一个必不可少的环节。数据采集的正确与否、传输的实时性、传输的丢包与否将直接影响最终系统的实时监测性。如果信息处理不当或传输出现问题，会出现故障已经发生，但是相应的处理动作却迟迟没有响应。
⑹监测系统。良好的监测系统对整个系统运行的稳定性、安全性起到很好的监测效果，并能及时向工作人员报警，及时发现故障的原因和地点，以便快速解决问题；还可以对历史数据进行存盘检查以便随时查阅。
⑺系统的抗干扰性。由于系统的工作环境较为恶劣，所以对系统硬件的可靠性和数据传输的误码率提出了更高的要求。
论文章节安排如下：
第一章绪论部分阐述了高压短路、断路故障指示器的研究背景和研究的意义，分析了出现故障常见的类型和原因。
第二章是对系统整体方案的对比及论证，通过分析比较，找出温度采集模块、电流采集模块、无线传输模块、上位机、下位机显示模块最合适的方案。
第三章是系统的下位机整体硬件设计部分。在给出整个系统框图的基础上，分别给出了微处理器控制模块、温度采集模块、电源模块、液晶显示模块原理图，主要芯片、元器件、原理图的说明。
第四章为系统的软件设计部分。由系统的整体软件控制流程图引出对温度传感器的读取、对电流的采集和液晶的数据显示的软件控制，以及RS232。
第五章为高压线路故障在线监测系统，此监测系统要能够实时接收下位机发送过来的数据，并实时显示；能够查看下位机的运行状态，并对下位机进行控制；能够实时查看数据曲线、查看历史数据；对历史数据、历史报警数据随时读取；下位机出现相应故障能够在上位机实时显示并报警。
第六章为系统的软硬件的整体测试。主要是上位机与下位机的通信是否有误码，以及通信的实时性。对测试结果进行分析，对遇到问题的记录、分析、提出解决方案。保证系统运行的可靠性。
第七章为系统的总结与展望。对系统的整体运行效果，运行环境进行了总结，然后提出对系统进一步的优化方向和建议。
第二章 方案分析与论证
2.1系统整体分析
根据任务书的要求进行仔细分析，各模块的分析如下：
微控制器模块：首先本系统要对数据进行采集、处理、发送、接收、显示以及其他控制，所以必须要有微控制器才能进行复杂控制。其次，由于微控制器的工作环境较为复杂，所以必须选用易得、价格低廉且可靠性较高的微控制器。由于要用到较多的IO口，所以微控制器的IO端口一定要足够，且要有足够的存储空间。且至少要具有定时器、RS232通信接口、外部中断捕获、较低的功耗等等功能。微控制器一定要具有相应的处理速度，传统的8位微控制器太慢，不能满足速度上的要求，所以尽量选用16位或以上的控制器。
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