多功能高压线路故障监测系统的研究与设计
多功能高压线路故障监测系统的研究与设计[20191215165446]
摘要
目前，高压线路较易于发生短路故障和接地故障，如果下一级的配电网络系统发生故障，上部级电源供应系统必须在较短时间内分断以防止重大事故的发生。本多功能高压线路故障监测系统能快速查找到故障点并判断故障类型，以便在最短时间内排除故障。因此，开发和研制多功能高压线路故障监测系统对提高配网设备的安全性和可靠性有着十分重要的意义。
本系统由现场故障监测装置和监控中心组成，现场故障监测装置与监控中心之间通过无线串口方式传输数据；现场故障监测装置将高压输电线路短路接地故障监测单元和高压输电线路电缆接头温升在线监测单元集成在一起；高压输电线路短路与接地故障监测单元主要采用磁场耦合原理，利用CT获得的电流信号，根据设定的电流上限值，若超过限制即认为发生故障；高压输电线路电缆接头温升在线监测单元主要利用电缆接头绝缘套管内外温度梯度差值，通过测量外部温度间接获得电缆接头的温升，通过测量比较的三相电缆接头之间的温度差值以及它们与环境温度的差值，判断电缆接头是否温升过高。现场故障监测装置获得的数据和故障信息可以就地在装置面板上显示，也可用无线方式传输到监控中心。
经测试，本系统工作性能稳定，电流检测和温度检测的精度都能达到±1%以内，并能较准确的指示高压线路当前是否发生故障，以及发生了什么故障，并且数据和故障信息可以无线方式传输到监控中心。
综上所述，多功能高压线路故障检测系统能精确测量线路的实时电流值和电缆接头的温升，从而准确判断高压线路当前的工作状态及故障类型。所有数据和故障信息会以无线方式传送到监控中心，监控中心可以对采集到的数据进行统计、分析，并形成各种数据报表和历史曲线，根据分析结果还可以对输电线路故障点定位。
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关键字:故障监测；电流采集；温度检测；无线传输ABSTRACT
Key words:Fault Monitoring;Current collection;Temperature detection;Wireless transmission目录
摘要 II
ABSTRACT III
目录 V
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 论文主要研究内容及章节安排 1
1.2.1 论文主要研究内容 1
1.2.2 论文章节安排 2
第2章 系统总体方案设计 4
2.1 系统分析 4
2.2 方案比较 4
2.2.1 电流采集方案比较 4
2.2.2 测温方案比较 5
2.3 系统总体设计 6
2.4 本章小结 6
第3章 监测系统的硬件设计 7
3.1 电流采集模块 7
3.2 温度检测模块 8
3.3 电源模块 8
3.4 CPU模块 9
3.5 无线串口模块 10
3.6 本章小结 11
第4章 监测系统的软件设计 12
4.1 监测系统软件总体设计 12
4.2 数据采集器软件设计 13
4.2.1 电流采集模块 13
4.2.2 温度检测模块 14
4.2.3 液晶显示模块 15
4.3 无线通信接口的软件设计 16
4.4 本章小结 16
第5章 监测系统的上位机设计 17
5.1 总体设计 17
5.2 数据通信模块 18
5.3 数据管理模块 19
5.3.1 搭建主界面 19
5.3.2 搭建数据图表界面 19
5.3.3 历史数据查询界面 20
5.3.4 故障信息浏览界面 20
5.4 用户管理模块 21
5.4.1 用户登录 21
5.4.2 退出登录 22
5.4.3 修改密码 22
5.4.4 权限管理 23
5.5 本章小结 23
第6章 系统测试 24
6.1 电源模块的测试 24
6.2 数据采集模块的测试 24
6.3 上位机部分的测试 25
6.4 本章小结 28
第7章 总结与展望 29
7.1 系统总结 29
7.2 系统展望 30
致谢 31
参考文献 32
附录A 电路原理图和PCB图 35
附录B 实物图 37
附录C 系统部分程序 39
毕业设计（英文翻译） 49
本科毕业设计（论文）任务书 59
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题提出
目前，高压线路较易于发生短路故障和接地故障。在大量使用环网负荷开关的配电系统中，如果下一级的配电网络发生了接地故障或短路故障，上部级电源供应系统必须在较短时间内分断以防止重大事故的发生。故障发生后，往往需要很多的工作人员，花费很长时间才能找到故障点，这给线路、设备安全运行带来了很大隐患，这也极大地影响了电力供应的可靠性。因此，亟需一种设备能快速查找到故障点，判断故障类型，通知维修人员，以便在最短时间内排除故障。
1.1.2 研究意义
本多功能高压线路故障监测系统就是这样一种装置，巡视人员可通过本系统的报警显示迅速确定故障区间，找出故障点，判断故障类型。本系统可以标出发生故障的部分，工作人员可以根据本系统提示的故障信息迅速找到故障分支和区段，及时断开故障区段，以尽快恢复无故障区段的供电，这样可以大大提高工作效率，缩小停电范围，减少停电时间，提高供电可靠性。因此，开发和研制多功能高压线路故障监测系统对提高配网设备的安全性和可靠性有着十分重要的意义，同时具有很好的市场应用前景，必将产生很好的经济效益和社会效益。
1.2 论文主要研究内容及章节安排
1.2.1 论文主要研究内容
通过研究现有高压线路故障检测理论并结合本课题的相关要求，初步设定系统主要实现如下功能：
1.检测电流。通过电流互感器将大电流按比例缩小，再经过采样电路，将电流信号转化成电压信号，用MSP430内置的12位AD测出4路电压值，经过计算得到零序电流及A、B、C三相实时电流值。
2.温度采集。电缆接头温升是判断线路是否正常工作的重要参数，而具体方案是根据电缆头内外温度梯度的关系间接获得电缆接头的温升。
3.故障判断。对检测出的电流值及温度值进行分析计算，根据短路和接地故障判据，判断当前高压线路是否发生了故障，以及发生了什么故障。
4.获取稳定5V和3.3V直流电源。这是本课题研究的重点和创新点，由于检测电流及测温点处于高电压、强电磁干扰的恶劣环境中，稳定可靠的供电方式必不可少。同时希望成本低廉、不用频繁更换。
5.键盘设定及数据显示。监测系统在工作过程中需要完成参数（如报警值）的设定，并用OLED进行实时数据显示和当前状态显示。
6.声光报警。高压线路在运行过程中，会出现各种故障，为了及时提醒操作人员，设置声光报警模块，简单而快速。
7.后台数据的处理及上位机界面的开发。为了方便人机互动，设计一个简洁明了、操作控制方便的人机交互界面，可以和下位机相互通信，实现远程监控。
8.抗干扰。由于系统工作在较为恶劣的环境中，希望数据可靠传输、无误码、无噪声，系统工作稳定可靠，需要从软件和硬件方面同时考虑。
1.2.2 论文章节安排
本文的章节安排如下：
第一章阐述了多功能高压线路故障监测系统的研究背景和意义；具体分析了高压线短路和接地故障的原因和危害；同时分析了采用的方法，适用的范围以及各种方法的优劣和可实施性，也展望了本系统的研究意义；最后根据实际情况，确定本论文主要研究内容。
第二章是对系统总体结构的介绍：首先根据第一章的研究内容进行了系统分析，设定了大致的研究思路；其次从测温和供电方面进行了方案比较，选出了最佳方案；确定了以上内容后，给出了系统总体结构框图并对系统进行功能划分，以方便接下来的软硬件和上位机详细设计。
第三章是系统下位机硬件设计部分。分为电流采集模块、温度检测模块、电源模块、液晶显示模块、CPU模块和无线串口模块。各模块详细介绍了各自的器件选型，性能优势，并给出重点模块的原理图和PCB图。
第四章是系统下位机软件部分。其中数据采集器又包括AD转换模块、温度采集模块、数据处理模块、显示模块和存储模块。软件部分给出了详细的流程图和编程思路说明。
第五章是系统的上位机软件部分。首先介绍了MCGS组软件这一开发平台，然后给出了上位机各模块的设计过程和界面效果图。
第六章是系统测试。首先搭建了系统的测试环境，在此环境下，给出实验数据，并对测试结果进行了分析。然后总结了系统遇到的问题及解决方法。最后给出了系统的抗干扰措施，保证系统安全可靠运行。
第七章是总结与展望。首先对系统的成果、适用范围进行了总结。然后对系统今后的进一步优化给出了方向和建议。第2章 系统总体方案设计
2.1 系统分析
结合系统所要实现的功能，对重点功能模块进行分析。
1.电流采集模块：电流测量的准确性直接影响到本系统对故障类型的判断。
2.温度检测模块：由于系统对实时性要求较高，需要选择精确灵敏的温度传感器，最好接口简单，操作方便，测温范围广。
3.CPU 模块：控制系统需实时采集大量信号，并实时进行复杂算法的计算。因此，必须选择功能完备，稳定可靠的高速处理器。按照需求分析，主要实现AD转换、温度信号的采集和处理，键盘及液晶显示，EEPROM掉电存储及串口发送等功能。要求该控制器拥有较高的处理速度和足够的 I/O 口，由于系统处于高电压、强磁场的环境中，工作条件相对恶劣，，必须保证其功耗低、抗干扰性能强，指令执行效率高。
4.电源模块：系统需要 5V和3.3V 供电。数据采集器由7.2V电池接滤波、稳压电路供电，获得稳定的5V 和3.3V电压。
5.键盘和显示模块：显示模块需要考虑到美观性和成本，按键需要考虑到节省单片机引脚资源和可靠性。
6.声光报警模块：希望成本低廉，但报警提示明显。
7.与上位机无线通信模块：上位机和下位机的通信需要考虑到安全性和可靠性，还要能进行点对多点通信。
2.2 方案比较
2.2.1 电流采集方案比较
电流检测的方案有多种，常见的两种方案是：
1.使用霍尔传感器，将电流信号进行电磁转换，变换成直流电压信号，然后通过运放和比较器组成的处理电路输入到处理器；
2.另一种方案是：用电流互感器从高压线路上感应到实时的电流信号，该电流流经采样电阻转换成电压信号，电压值由单片机通过AD采得，该电压值除以采样电阻阻值，再乘以电流互感器匝比，即得到高压线路实时电流值。
使用霍尔传感器检测电流的线性度好，功耗小，稳定性好，测量精度相对较高，是较为理想的电流传感器，但是缺点是成本较高；而使用电流互感器感应电流，再用AD测电压同样具有很高的精度，而且成本较低，因此具有很高的性价比。因此本系统采取了第二种方案。
2.2.2 测温方案比较
目前测温方式主要分为主动式测温和被动式测温。主动式测温是直接通过在测温点放置传感器来测量温度，比如光纤测温和接点测温；红外测温仪和红外成像仪就属于被动式测温，被动接收测量点辐射出的红外波，并通过波长来确定温度。下面就列举红外测温、光纤光栅传感器测温和DS18B20测温的优缺点，如表2-1：
表2-1 几种测温方案的比较
比较内容 红外测温技术 光纤光栅传感器 DS18B20
理论依据 红外辐射 光纤光栅中心波长对温度变化的敏感性 高温度系数晶振震荡频率随温度变化
摘要
目前，高压线路较易于发生短路故障和接地故障，如果下一级的配电网络系统发生故障，上部级电源供应系统必须在较短时间内分断以防止重大事故的发生。本多功能高压线路故障监测系统能快速查找到故障点并判断故障类型，以便在最短时间内排除故障。因此，开发和研制多功能高压线路故障监测系统对提高配网设备的安全性和可靠性有着十分重要的意义。
本系统由现场故障监测装置和监控中心组成，现场故障监测装置与监控中心之间通过无线串口方式传输数据；现场故障监测装置将高压输电线路短路接地故障监测单元和高压输电线路电缆接头温升在线监测单元集成在一起；高压输电线路短路与接地故障监测单元主要采用磁场耦合原理，利用CT获得的电流信号，根据设定的电流上限值，若超过限制即认为发生故障；高压输电线路电缆接头温升在线监测单元主要利用电缆接头绝缘套管内外温度梯度差值，通过测量外部温度间接获得电缆接头的温升，通过测量比较的三相电缆接头之间的温度差值以及它们与环境温度的差值，判断电缆接头是否温升过高。现场故障监测装置获得的数据和故障信息可以就地在装置面板上显示，也可用无线方式传输到监控中心。
经测试，本系统工作性能稳定，电流检测和温度检测的精度都能达到±1%以内，并能较准确的指示高压线路当前是否发生故障，以及发生了什么故障，并且数据和故障信息可以无线方式传输到监控中心。
综上所述，多功能高压线路故障检测系统能精确测量线路的实时电流值和电缆接头的温升，从而准确判断高压线路当前的工作状态及故障类型。所有数据和故障信息会以无线方式传送到监控中心，监控中心可以对采集到的数据进行统计、分析，并形成各种数据报表和历史曲线，根据分析结果还可以对输电线路故障点定位。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:故障监测；电流采集；温度检测；无线传输ABSTRACT
Key words:Fault Monitoring;Current collection;Temperature detection;Wireless transmission目录
摘要 II
ABSTRACT III
目录 V
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出及研究意义 1
1.1.1 问题提出 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 论文主要研究内容及章节安排 1
1.2.1 论文主要研究内容 1
1.2.2 论文章节安排 2
第2章 系统总体方案设计 4
2.1 系统分析 4
2.2 方案比较 4
2.2.1 电流采集方案比较 4
2.2.2 测温方案比较 5
2.3 系统总体设计 6
2.4 本章小结 6
第3章 监测系统的硬件设计 7
3.1 电流采集模块 7
3.2 温度检测模块 8
3.3 电源模块 8
3.4 CPU模块 9
3.5 无线串口模块 10
3.6 本章小结 11
第4章 监测系统的软件设计 12
4.1 监测系统软件总体设计 12
4.2 数据采集器软件设计 13
4.2.1 电流采集模块 13
4.2.2 温度检测模块 14
4.2.3 液晶显示模块 15
4.3 无线通信接口的软件设计 16
4.4 本章小结 16
第5章 监测系统的上位机设计 17
5.1 总体设计 17
5.2 数据通信模块 18
5.3 数据管理模块 19
5.3.1 搭建主界面 19
5.3.2 搭建数据图表界面 19
5.3.3 历史数据查询界面 20
5.3.4 故障信息浏览界面 20
5.4 用户管理模块 21
5.4.1 用户登录 21
5.4.2 退出登录 22
5.4.3 修改密码 22
5.4.4 权限管理 23
5.5 本章小结 23
第6章 系统测试 24
6.1 电源模块的测试 24
6.2 数据采集模块的测试 24
6.3 上位机部分的测试 25
6.4 本章小结 28
第7章 总结与展望 29
7.1 系统总结 29
7.2 系统展望 30
致谢 31
参考文献 32
附录A 电路原理图和PCB图 35
附录B 实物图 37
附录C 系统部分程序 39
毕业设计（英文翻译） 49
本科毕业设计（论文）任务书 59
第1章 绪论
1.1 问题的提出及研究意义
1.1.1 问题提出
目前，高压线路较易于发生短路故障和接地故障。在大量使用环网负荷开关的配电系统中，如果下一级的配电网络发生了接地故障或短路故障，上部级电源供应系统必须在较短时间内分断以防止重大事故的发生。故障发生后，往往需要很多的工作人员，花费很长时间才能找到故障点，这给线路、设备安全运行带来了很大隐患，这也极大地影响了电力供应的可靠性。因此，亟需一种设备能快速查找到故障点，判断故障类型，通知维修人员，以便在最短时间内排除故障。
1.1.2 研究意义
本多功能高压线路故障监测系统就是这样一种装置，巡视人员可通过本系统的报警显示迅速确定故障区间，找出故障点，判断故障类型。本系统可以标出发生故障的部分，工作人员可以根据本系统提示的故障信息迅速找到故障分支和区段，及时断开故障区段，以尽快恢复无故障区段的供电，这样可以大大提高工作效率，缩小停电范围，减少停电时间，提高供电可靠性。因此，开发和研制多功能高压线路故障监测系统对提高配网设备的安全性和可靠性有着十分重要的意义，同时具有很好的市场应用前景，必将产生很好的经济效益和社会效益。
1.2 论文主要研究内容及章节安排
1.2.1 论文主要研究内容
通过研究现有高压线路故障检测理论并结合本课题的相关要求，初步设定系统主要实现如下功能：
1.检测电流。通过电流互感器将大电流按比例缩小，再经过采样电路，将电流信号转化成电压信号，用MSP430内置的12位AD测出4路电压值，经过计算得到零序电流及A、B、C三相实时电流值。
2.温度采集。电缆接头温升是判断线路是否正常工作的重要参数，而具体方案是根据电缆头内外温度梯度的关系间接获得电缆接头的温升。
3.故障判断。对检测出的电流值及温度值进行分析计算，根据短路和接地故障判据，判断当前高压线路是否发生了故障，以及发生了什么故障。
4.获取稳定5V和3.3V直流电源。这是本课题研究的重点和创新点，由于检测电流及测温点处于高电压、强电磁干扰的恶劣环境中，稳定可靠的供电方式必不可少。同时希望成本低廉、不用频繁更换。
5.键盘设定及数据显示。监测系统在工作过程中需要完成参数（如报警值）的设定，并用OLED进行实时数据显示和当前状态显示。
6.声光报警。高压线路在运行过程中，会出现各种故障，为了及时提醒操作人员，设置声光报警模块，简单而快速。
7.后台数据的处理及上位机界面的开发。为了方便人机互动，设计一个简洁明了、操作控制方便的人机交互界面，可以和下位机相互通信，实现远程监控。
8.抗干扰。由于系统工作在较为恶劣的环境中，希望数据可靠传输、无误码、无噪声，系统工作稳定可靠，需要从软件和硬件方面同时考虑。
1.2.2 论文章节安排
本文的章节安排如下：
第一章阐述了多功能高压线路故障监测系统的研究背景和意义；具体分析了高压线短路和接地故障的原因和危害；同时分析了采用的方法，适用的范围以及各种方法的优劣和可实施性，也展望了本系统的研究意义；最后根据实际情况，确定本论文主要研究内容。
第二章是对系统总体结构的介绍：首先根据第一章的研究内容进行了系统分析，设定了大致的研究思路；其次从测温和供电方面进行了方案比较，选出了最佳方案；确定了以上内容后，给出了系统总体结构框图并对系统进行功能划分，以方便接下来的软硬件和上位机详细设计。
第三章是系统下位机硬件设计部分。分为电流采集模块、温度检测模块、电源模块、液晶显示模块、CPU模块和无线串口模块。各模块详细介绍了各自的器件选型，性能优势，并给出重点模块的原理图和PCB图。
第四章是系统下位机软件部分。其中数据采集器又包括AD转换模块、温度采集模块、数据处理模块、显示模块和存储模块。软件部分给出了详细的流程图和编程思路说明。
第五章是系统的上位机软件部分。首先介绍了MCGS组软件这一开发平台，然后给出了上位机各模块的设计过程和界面效果图。
第六章是系统测试。首先搭建了系统的测试环境，在此环境下，给出实验数据，并对测试结果进行了分析。然后总结了系统遇到的问题及解决方法。最后给出了系统的抗干扰措施，保证系统安全可靠运行。
第七章是总结与展望。首先对系统的成果、适用范围进行了总结。然后对系统今后的进一步优化给出了方向和建议。第2章 系统总体方案设计
2.1 系统分析
结合系统所要实现的功能，对重点功能模块进行分析。
1.电流采集模块：电流测量的准确性直接影响到本系统对故障类型的判断。
2.温度检测模块：由于系统对实时性要求较高，需要选择精确灵敏的温度传感器，最好接口简单，操作方便，测温范围广。
3.CPU 模块：控制系统需实时采集大量信号，并实时进行复杂算法的计算。因此，必须选择功能完备，稳定可靠的高速处理器。按照需求分析，主要实现AD转换、温度信号的采集和处理，键盘及液晶显示，EEPROM掉电存储及串口发送等功能。要求该控制器拥有较高的处理速度和足够的 I/O 口，由于系统处于高电压、强磁场的环境中，工作条件相对恶劣，，必须保证其功耗低、抗干扰性能强，指令执行效率高。
4.电源模块：系统需要 5V和3.3V 供电。数据采集器由7.2V电池接滤波、稳压电路供电，获得稳定的5V 和3.3V电压。
5.键盘和显示模块：显示模块需要考虑到美观性和成本，按键需要考虑到节省单片机引脚资源和可靠性。
6.声光报警模块：希望成本低廉，但报警提示明显。
7.与上位机无线通信模块：上位机和下位机的通信需要考虑到安全性和可靠性，还要能进行点对多点通信。
2.2 方案比较
2.2.1 电流采集方案比较
电流检测的方案有多种，常见的两种方案是：
1.使用霍尔传感器，将电流信号进行电磁转换，变换成直流电压信号，然后通过运放和比较器组成的处理电路输入到处理器；
2.另一种方案是：用电流互感器从高压线路上感应到实时的电流信号，该电流流经采样电阻转换成电压信号，电压值由单片机通过AD采得，该电压值除以采样电阻阻值，再乘以电流互感器匝比，即得到高压线路实时电流值。
使用霍尔传感器检测电流的线性度好，功耗小，稳定性好，测量精度相对较高，是较为理想的电流传感器，但是缺点是成本较高；而使用电流互感器感应电流，再用AD测电压同样具有很高的精度，而且成本较低，因此具有很高的性价比。因此本系统采取了第二种方案。
2.2.2 测温方案比较
目前测温方式主要分为主动式测温和被动式测温。主动式测温是直接通过在测温点放置传感器来测量温度，比如光纤测温和接点测温；红外测温仪和红外成像仪就属于被动式测温，被动接收测量点辐射出的红外波，并通过波长来确定温度。下面就列举红外测温、光纤光栅传感器测温和DS18B20测温的优缺点，如表2-1：
表2-1 几种测温方案的比较
比较内容 红外测温技术 光纤光栅传感器 DS18B20
理论依据 红外辐射 光纤光栅中心波长对温度变化的敏感性 高温度系数晶振震荡频率随温度变化
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