电力电缆在线监测系统的研究与设计Word文件下载.doc
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目录
ENGINEERINGMASTERDISSERTATION 1
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章绪论 1
1.1选题背景和意义 1
1.1.1选题背景 1
1.1.2研究意义 2
1.2发展现状 2
1.3研究的主要内容 4
第二章电力电缆监测相关理论 5
2.1引言 5
2.2监测任务介绍 5
2.3DTS和载流量计算介绍 6
2.3.1分布式光纤温度传感技术 6
2.3.2电力电缆的结构 7
2.3.3采用热路模型计算电力电缆载流量 8
2.4电缆故障在线监测方法 11
2.5局放监测技术 12
2.6电力电缆仿真模型 15
2.6.1仿真建模工具和数值分析工具的选择 15
2.6.2PSCAD中频率相关模型的选择 16
2.6.3电缆系统仿真模型的建立 17
第三章系统结构设计 18
3.1基本概念和原理 18
3.2设计原则与依据 20
3.3系统设计方案 22
3.4系统功能介绍 23
3.5系统硬件设计 24
3.5.1系统的监测终端 25
3.5.2单片机的选择 25
3.5.3无线收发模块与单片机的硬件接口电路设计 28
3.5.4系统主站与上位机通信接口 29
3.6系统软件设计 30
3.6.1主程序和中断程序设计 30
3.6.2初始化程序设计 31
3.6.3ATT7022B系统复位程序 32
3.6.4SPI通信程序设计 33
3.7数据库系统 35
第四章系统核心功能实现 36
4.1系统开发工具和运行环境 36
4.2系统软件结构设计 37
4.3数据接收模块设计和实现 38
4.4数据处理模块设计和实现 40
4.4.1传感器冷端处理 40
4.4.2参数设置 41
4.4.3分度表及查询表设计 42
4.4.4数据处理 46
4.4.5数据转发 48
4.5状态显示 50
4.6数据监视 51
4.6.1主接线图数据监视 51
4.6.2曲线数据监视 52
4.7数据报表 54
4.8数据库设计 55
4.8.1表的设计 56
4.8.2数据库操作 57
4.9报警设置和响应 63
4.9.1报警设置 64
4.9.2报警响应 64
4.10事件日志用户管理 65
4.11系统配置 66
第五章系统测试与分析 68
5.1硬件系统的测试 68
5.2软件性能测试 68
第六章结论与展望 71
6.1结论 71
6.2前景展望 71
致谢 73
参考文献 74
77
第一章绪论
1.1选题背景和意义
1.1.1选题背景
电力电缆就是在城市地下敷设的输电电缆，是国家电网基础设施最重要的组成部分之一；
随着我国城市化进程的加速，电力电缆的覆盖率和资产规模正在以空前的速度增加。
以成都市为例，到目前为止：
220kV电缆已有15回，总长73.75千米；
110kV电缆107回，总长263千米；
35kV电缆39回，总长32千米；
10kV电缆399回，总长963千米。
为保证庞大的网路的安全、可靠、智能地运行，人工巡检方法和常规的监测设备已经无法胜任；
为满足这一显著的需求，一些新型的传感检测设备被开发并且开始应用于电力电缆的在线状态监测，包括：
DTS分布光纤温度温度传感器：
通过背向散射原理，可以检测到一根长达几千米到几十千米光纤的温度分布，采样点距离可达到1.0m至2.0m，最小检测周期可达10s。
将该测温光纤沿电缆长度方向布置，则可以获得电缆的长度方向上的温度分布。
光纤本身有石英制成，具有极佳的电磁惰性。
就这些技术特征和最近几年的实践看，DTS已被证实是目前火警、电缆温度异常、电缆热负荷在线监测的最佳手段。
分布式局部放电在线检测器：
采用高频数据采集卡检测电缆附件的屏蔽电流高频部分或超声波信号，提供电缆绝缘状态的在线监测的基础条件。
与传统的传感器不同，它们的实时输出的状态变量不是由一个或几个模拟量构成，而通常是一个长度很大的模拟量序列构成，称为大数组输出；
以DTS为例，检测10千米电缆的分布温度，按照1.0m的采样空间，每次的检测输出为一个长度为10,000的浮点数组。
基于这些数组输出，一些功能强大但也相当的复杂的算法被开发用于分析和透视蕴含在这些庞大数据的关键信息；
如一种称为动态载流量DCR算法可根据持续输入的电缆表面分布温度（由DTS提供）和回路负荷电流，实时地计算电缆线芯温度（电缆线芯温度是电缆负荷安全状态的关键指标，其许用值为90C）和计算短时许用电流；
另一种算法成为电缆载流量专家系统，可基于历史的电缆表面温度和负荷电缆信息，计算电缆中长期的安全负荷电流。
目前现有的电力监测监控体系无法有效支持以上应用；
表现在：
在变电站自动化系统中，现有的通讯协议不能有效传输大数组，SCADA数据库设计不能实现对这些大数组的输入输出和存贮，现有体系在集成复杂算法方面考虑甚少，等等；
另外，现有的电力监控系统和本文的电缆在线监测在功能需求上有很大的差别：
前者实时监控关键电网变量，执行保护操作，要求高度可靠、快速、简洁；
而后者对实时性要求不高（<
10s），处理的主要是非电状态量，其输出主要是PC机界面上丰富的信息、短消息报警等，基本上不要求输出执行。
目前，北京、上海、成都、广州均在开发和建设这种电缆在线监测系统，发现诸多问题：
如是否或多大程度上将算法嵌入在检测设备上（以减轻上位机的计算负荷和复杂性）、现场设备向中心设备怎么通讯、数据库保存什么数据（原始大数组、中间数据还是计算结果）、怎么为整个系统分层、复杂算法部署在哪一层、提供怎么样的用户终端形式（一个主监测中心视图还是WEB发布）、扩展性和兼容性怎么设计、等等。
归根结底是怎样解决复杂性、可靠性之间的矛盾。
显然，根据电缆在线监测应用的特征，结合目前的工程实践经验，设计和开发一个有效的系统方案和理论体系已经成为当务之急的任务。
1.1.2研究意义
智能电网的建设已列为国家电网“十二五”的核心工作任务；
智能电网的的基本特征为：
使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机，改善电力传送的使用的效率、可靠性和安全。
一个设计良好的电缆在线监测系统可为智能电网提供一个可以有效响应动态负荷需求、高度可靠的输配电物质环境。
特别地，具有以下功效：
实时的动态负荷能力，有效提高电缆资产的利用效率；
可靠的在线状态监测，有效预防故障和降低运行成本。
本文研究将为目前在建的和未来的电缆在线监测系统的项目提供设计指导和行动指南，解决实际工程问题，缩短项目周期，并为相关行业（设备制造、软件系统开发、集成、服务等）提供技术路线图，创建可持续发展的态势。
从技术本质上看，这些型新传感器和复杂算法的在技术快速进步的今天出现具有必然性，事实上提出了一个具有广泛意义和价值的工程问题，可以抽象为：
以怎样的方法集成先进硬件和软件，以达到最佳的智能监测的目的。
因此，通过本课题的研究，可以为其它大规模的智能监测（如智能电网的其它监测系统、交通监测管理、地球环境监测等物联网）提供理论参考。
1.2发展现状
在国外，对于电力电缆监测的研究起源较早，大约在上世纪七十年代，很多发达国家就逐步开始建立电力电缆检测系统工作的试点，而且随着监测终端的发展，其功能也有逐步的简单通信的单一方式逐步转变为现阶段智能化、多样化的通信方式。
现阶段，很多西方发达国家已经开始致力于通过配电监测设备对电力系统电能质量监控研究。
在加拿大的PowerMeasurementLtd．公司，已经开发出了高级的电力综合监控设备，其功能全面包括测量、采集、通信以及控制等，并通过性能极高的DSP芯片对数字信号进行处理，极大的增强了微机继电保护的功能。
然而，国外的产品普遍存在着操作复杂的困难，在技术的实现上与我国存在着极大差异，加之成本极其高昂，与我国目前的配电网需求不相适应。
在上世纪九十年代，我国逐步开始对电力电缆监测系统的研究，相对于发达国家来看，研究时间上存在着极大的滞后性。
不过随着近年来科学技术、计算机通信技术以及电力产业的快速发展和广泛应用，我国很多研究单位和生产商逐步开始对不同类型的配电监测终端的研究开发，以全面适应配电网综合自动化的进程。
从配电终端硬件设计方面来看，从最初的CPU单结构逐步到多结构，经过不断的发展创新，直到到目前的CPU+DSP+EPLD技术。
考虑到配电终端硬件设计的可靠性、谐波检测的分析需求以及故障检测的实时性，在硬件设计中，数字信号处理器的采样高速化、数据处理技术、数据处理的冗余设计等逐步成为应用较为广泛的技术。
现阶段，基本的终端硬件设计类型有四种。
由于需求十分迫切，电缆在线监测系统和先进传感器和先进算法在最近十年处于并行开发阶段；
日本住友公司和韩国LS公司均始于2003年开发了这类系统，其特征是首次将DTS和DCR动态载流量算法和传统的监测任务（环流、井水位、门禁）集成在一个系统中，并启动了对局放监测的集成研发。
2008年，北京电力实现了一个城市规模的集中监测系统，覆盖了北京城区200多公里隧道内的主要电缆，并包括了对井盖的监控，同时提供了GIS功能。
另外、德国NKT电缆公司在欧洲，加拿大CYME公司在北美实现了仅包括了DTS和DCR的监测系统。
这些系统达到了其基本的功能，但至少存在以下问题之一：
（1）检测层和监测层划分不清，造成设备和通讯接口的复杂性提高；
通讯协议具有特殊性和例外，提高了设备供应商和集成商的实施成本、维护成本，同时也降低了可靠性和和扩展性；
一个显著的例子是，一家DTS供应商需要为每个电力公司的项目提供不同的机型或适配器；
（2）监测层和数据管理层划分不清，数据的可用性较差；
先进算法通常有两个层次：
实时监测计算（如DCR实时电缆导体温度和短时应急负荷计算）和基于数据挖掘的非在线计算（如用于分析未来中长期安全负荷的载流量专家系统）；
显然前者应部署在监测层，后者在数据管理层或以上）；
（3）数据库结构设计缺乏灵活性，无法有效输入输出和保存先进状态变量和监测计算的变量；
在这一点上，未能借鉴SCADA数据库的动态表特性。
这问题的产生主要是由于这些系统在开发时，先进传感器及相关算法尚未成熟或被系统性地分析，造成系统结构设计欠妥。
目前，基于DTS的先进算法的研发基本上揭示了其主要结构和功能框架，局放的在线监测算法尚在研发的中间过程中。
目前，在对以上系统的持续改善和新建项目的开发过程中，表现出以下发展趋势为：
（1）借鉴目前变电站自动化系统和SCADA的相关经验，划分各功能层，为传统状态变量和先进状态变量建立一致的数据输入、输出、存贮方案；
（2）完整地考察先进应用算法，以结合到结构设计中；
（3）采用简单有效的WEB应用提供有效的终端输出。
1.3研究的主要内容
第一章为绪论，笔者首先对电力电缆监测系统的研究意义和本文选题背景进行了分析，并充分结合国内外此课题的研究现状进行综述，其次对本文研究内容进行了简单的介绍。
第二章为电力电缆监测相关理论，首先阐述了本系统的监测任务，对DTS和载流量进行了分析计算，对分布式光纤温度传感技术进行了介绍，分析了电力电缆的结构，采用热路模型对电力电缆载流量进行了详细计算，分析了电缆故障在线监测方法、局放监测技术，建立了电力电缆仿真模型。
第三章为系统结构设计，首先介绍了系统设计原则和依据，对系统功能进行了介绍，对系统硬件、软件进行了详细设计，最后设计分析了数据库系统。
第四章为系统核心功能的实现，首先分析了系统开发工具和运行环境，对系统软件结构进行设计，对数据接收模块进行设计和实现，对数据处理模块进行设计和实现，对系统状态显示进行了分析，实现了对数据的监视，实现了数据报表以及数据库的设计，实现了报警设置和响应，实现事件日志用户管理以及系统配置的设计。
第五章为系统测试与分析，分别对硬件系统和软件性能进行了测试。
第二章电力电缆监测相关理论
2.1引言
对于电力电缆的敷设，通常存在着多种敷设方式，常用的有排管敷设、直埋敷设、电缆隧道敷设、电缆沟敷设等，在这些敷设方式中，以直埋敷设的方式应用最为广泛。
由于电缆大多敷设于地下，使得对电缆故障的检测和解决不能直接进行。
传统的检测基本以离线方式为主，需要断电之后检测人员携带仪器进行检测。
这种方式不仅需要多个检测水平较高的技术人员，消耗的人力物力较大，而且其检测过程会受到电缆敷设环境等多方面因素的影响。
为了解决这种难点，近年来有着很多带电检测的新技术和方法出现。
这些方法能够同归对电缆绝缘的下降情况进行判断并提前预警，实现事前预防的作用。
现阶段，在线带电检测的方法常用的主要有直流分量法、直流叠加法等。
2.2监测任务介绍
（1）电缆接头（表皮）温度在线监测
电力电缆中间接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，长期运行造成电缆头过热烧穿绝缘层，导致火灾，影响供电造成事故。
通过接触式（或者红外线温感模块）温感模块（根据用户所需监测电缆数量安装不同数量模块）的对重点部位实时在线监测，当温度异常时即刻报警，上传实时数据起到过热预警数据分析功能，及时发现并消除发热造成的隐患，避免事故发生。
（2）可燃气体、有害气态在线监测
针对井沟内容易产生有害气体、可燃气体（或燃气井泄漏气体串井）在线监测，对气体含量浓度进行分析评估，当井沟内有害气体、可燃气气体值超出设定安全范围值时及时发现并预警，避免重大爆炸事故或伤人事故发生（检修人员下井沟巡检）。
（3）环境温湿度在线监测
有效地对设备运行环境温度湿度、井沟内水位进行实时监测，上传有效数据。
管理人员对井沟环境状况及时了解，方便调度管理。
（4）火灾探测仪（感烟）监测
在线监测电缆井沟内烟雾及火焰的产生，第一时间掌握电缆井沟内火灾发生，及时报警预防造成重大的事故。
2.3DTS和载流量计算介绍
2.3.1分布式光纤温度传感技术
这种技术起源于20世纪70年代，是一种新型的测温技术，由于信息是在光信号的基础上传送的，其优势主要体现于能够不受电磁干扰。
从工作原理的角度来看，可以将光纤温度传感器分为传输型和功能性两种。
传输型光纤温度传感器中光纤只对光信号进行传输，而功能型传感器则能够在传输光信号的同时传输温度信息和光纤感应信息。
现阶段，应用较广的光纤温度传感器主要包括光纤光栅、光纤温度、光纤荧光、干涉型光纤温度传感器，其中光纤光栅温度传感器和光纤温度传感器应用最为广泛。
早在1981年，英国南安普顿大学就提出了分布式光纤温度传感器。
在光纤传送中，激光的反射光主要分为以下几种：
拉曼散射（Ramanscatter）、瑞利散射（Rayleighscatter）以及布里渊散射（Brillouinscatter）。
具体反射情况见下图2.1。
此类型传感器从最初的在后向瑞利散射基础之上的液芯光纤分布式温度监控系统，逐步发展为在光时域（OTDR）拉曼散射基础之上的光纤测温系统，此外还有建立在光频域拉曼散射基础上的光纤测温系统（ROFDA）等。
目前，分布式光纤温度传感器的测量距离可以达到三十千米，测量精度极高，达到了O．5℃，对于温度的分辨率可以达到0．01℃。
分布式光纤温度传感技术有着极大的优势，具体体现于以下场合的应用：
第一，当进行全面监测，需要设置诸多监测点时，光纤DTS有着便于安装的有点，而且其一条光纤能够取代多个点式的温度传感器。
第二，在电磁干扰较大的条件下，采用光纤DTS能够读取精确的光学数据，避免电磁干扰的影响。
第三，光纤DTS的安全性能较好，能够更好的应用于易燃易爆等特殊环境下。
现阶段，在电力系统温度监测中，分布是光线温度传感技术已经逐步开始应用，而且对于电力电缆的动态流量计算、电缆故障、电缆接头温度监测等方面有着极其广泛的应用前景。
图2.1分布式光纤温度传感器基本原理
2.3.2电力电缆的结构
通常而言，电力电缆的结构有着绝缘层、导体线芯、外护层。
随着目前电力系统典雅等级的不断提高，PVC聚乙烯绝缘、油纸绝缘、丁基橡胶绝缘等电缆已经不能完全适应高电压，需要与电压等级提高的相应绝缘电缆结构。
已经得以应用且效果较好的是交联聚乙烯绝缘电力电缆，这种电缆多为三芯和单芯，电压等级较高的电缆通常都为单芯。
其结构图如下：
图2.2
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