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所需积分：5用于测量绝缘子泄漏电流的电阻分流器设计--《电工理论与新技术学术年会论文集》2005年
用于测量绝缘子泄漏电流的电阻分流器设计
【摘要】：针对绝缘子泄漏电流测量范围大、频带宽的特点,设计了三段式电阻分流器来满足测量精度的要求。为了保证测试装置和人员的安全,设计了过压保护系统。为减小电磁干扰,对整个测量装置采用了抗干扰措施。通过实验证明,这一电阻分流器能满足精确测量绝缘子泄漏电流的需要。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM855【正文快照】：
1.引言 绝缘子泄漏电流的大小取决于所加电压、气候条件和绝缘子污秽状况三个要素,它能客观地反映绝缘子积污、直至闪络的全过程11].绝缘子的泄漏电流范围较宽(1防一IA),而对如此宽的电流信号仅使用一个电流传感器是不能满足测童精度的要求。因为一个电流传感器仅能在一定范
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【参考文献】
中国期刊全文数据库
李治,王永江,王黎明,关志成;[J];高电压技术;2002年S1期
中国硕士学位论文全文数据库
查鲲鹏;[D];中国电力科学研究院;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库
孙德明,肖梦秋,汪荣昌,戎瑞芬;[J];半导体学报;1999年03期
胡鑫,田小平;[J];北京石油化工学院学报;2005年01期
陈万堂,陈红丽;[J];传感器技术;2001年02期
蔡兵;[J];传感器技术;2004年01期
戚栋,王宁会,黄耀,谈程重;[J];电测与仪表;2002年10期
刘永生,王富荣,龙锋;[J];电力科学与工程;2004年01期
熊俊;李成榕;赵林杰;张书琦;毕永江;;[J];电网技术;2007年15期
冀捐灶,谢筑森;[J];电子技术应用;1999年05期
林嘉宇,余圣发,易波;[J];电子技术应用;2000年09期
,仇红冰;[J];电子技术应用;2003年07期
中国博士学位论文全文数据库
何洪英;[D];湖南大学;2006年
贺博;[D];西北工业大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库
张玉艳;[D];燕山大学;2002年
查鲲鹏;[D];中国电力科学研究院;2002年
刘永生;[D];西南交通大学;2004年
王文志;[D];武汉大学;2004年
李明;[D];武汉大学;2004年
冯秀丽;[D];北京化工大学;2001年
张世明;[D];合肥工业大学;2005年
杨婕;[D];南京林业大学;2005年
李建坡;[D];吉林大学;2005年
董新胜;[D];新疆大学;2005年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库
关志成,王绍武,梁曦东,王黎明,范炬;[J];高电压技术;2000年06期
安胜利,张福林;[J];华北电力技术;1998年10期
陆利忠;[J];测控技术;2000年08期
崔江流,宿志一,易辉;[J];中国电力;1999年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库
张宇;杨坚;陈智;郭志锋;;[J];江西电力;2011年03期
郭小兵;;[J];海峡科学;2011年05期
陈东波;;[J];中国电力教育;2011年18期
唐道朋;;[J];机电信息;2011年21期
汪沨;刘汉兵;;[J];传感器与微系统;2011年08期
白红伟;马志伟;朱永利;;[J];电瓷避雷器;2011年04期
周斌;;[J];宁夏电力;2010年S1期
陈凌;蒋兴良;胡琴;巢亚锋;毕茂强;;[J];高电压技术;2011年06期
王少华;刘浩军;;[J];绝缘材料;2011年03期
齐波;李成榕;耿弼博;郝震;于乐;高继新;;[J];高电压技术;2011年07期
中国重要会议论文全文数据库
张建兴;张重远;律方成;刘云鹏;;[A];电工理论与新技术学术年会论文集[C];2005年
吴光亚;张锐;;[A];中国电工技术学会第八届学术会议论文集[C];2004年
谭杰;常安碧;胡克松;刘庆想;马乔生;刘忠;;[A];中国工程物理研究院科技年报（2001）[C];2001年
张建飞;;[A];2009年云南电力技术论坛论文集（优秀论文部分）[C];2009年
易家吉;库华妹;;[A];电子玻璃技术学术论文集[C];2004年
刘磊;;[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
葛猛;陶安培;;[A];高效 清洁 安全 电力发展与和谐社会建设——吉林省电机工程学会2008年学术年会论文集[C];2008年
马仪;毛颖科;;[A];2008年云南电力技术论坛论文集[C];2008年
康解云;;[A];2007年全国机电企业工艺年会《星火机床杯》工艺创新发展绿色制造节约型工艺有奖征文科技论文集[C];2007年
吴光亚;张锐;;[A];中国电工技术学会第八届学术会议论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库
宋义;[N];中国工业报;2011年
张国光;[N];中国安全生产报;2005年
一凡;[N];中国工业报;2008年
杨丽英;[N];中国电力报;2005年
李雪林;[N];文汇报;2008年
符平;[N];红河日报;2008年
崔文富;[N];中国工业报;2003年
高荆萍;[N];中国工业报;2003年
;[N];中国机电日报;2002年
吴广生;[N];中国矿业报;2003年
中国博士学位论文全文数据库
舒立春;[D];重庆大学;2002年
丁立健;[D];华北电力大学;2001年
高有华;[D];沈阳工业大学;2004年
杨帆;[D];重庆大学;2008年
周倩;[D];重庆大学;2007年
段大鹏;[D];上海交通大学;2009年
王永强;[D];华北电力大学（河北）;2009年
王俭;[D];沈阳工业大学;2009年
吕金壮;[D];华北电力大学（北京）;2003年
戚晖;[D];天津大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库
刘建华;[D];昆明理工大学;2010年
武利会;[D];重庆大学;2003年
田玉春;[D];重庆大学;2003年
杨俊伟;[D];重庆大学;2010年
曹娟;[D];重庆大学;2003年
刘永生;[D];西南交通大学;2004年
谢述教;[D];重庆大学;2004年
史淑香;[D];西南交通大学;2006年
刘文静;[D];湖南大学;2008年
梅冰笑;[D];重庆大学;2005年
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(学位论文)important2006基于无线分组的输电线路绝缘子泄漏电流在线监测系统研究
重庆大学 硕士学位论文 基于无线分组的输电线路绝缘子泄漏电流在线监测系统研究 姓名：陈攀 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：孙才新
中文摘要摘 要随着国民经济的快速发展 后 电力系统输电线路电压等级的不断提高 污闪故障对国民经济不利的影响越来越严重 的发生过程 有效手段 范围有限 的研究 电流人们在详尽的理论分析和大量的高压实验 综合反映了污闪 测量电流发现绝缘子泄漏电流的变化与其污秽程度有着密切的关系因此泄漏电流在线监测是判断线路绝缘子污秽度及早期故障的一种 现有的绝缘子泄漏电流在线监测系统存在传感器安装不便 数据传输方法不可靠 难以对绝缘子表面污秽状况做出评判等问题针对这些问题本文对绝缘子泄漏电流在线监测系统的关键技术进行了系统深入并研制了一套基于GPRS 的绝缘子泄漏电流远程在线监测系统 经过数据采集 处理 局部的 然后将现场数据发送到监控中心主机 以此为依据将传统定期的 全面的 主动的清洗 一方面大大减少了工作量　本文所研究的绝缘子泄漏电流在线监测系统通过直接测量绝缘子表面的泄漏 达到对绝缘 被动的清 另一方面 子表面污秽状况实时监测的目的 洗改变为不定期的也在一定程度上防止绝缘子污秽闪络事故的发生 本系统采用了非接触卡钳式泄漏电流传感器 接结构的基础上即可实施安装 了传感器的性能 变化敏感的缺点 统监测电流的范围 据传输上在不改变原有绝缘子和杆塔联 提高 频带窄 对磁芯材料参数 大大的扩展了系 在数 准确同时采用了新型罗氏线圈电流传感器电路解决了传统罗氏线圈传感器精度低在信号处理上采用了可变增益程控放大电路解决了传统放大器电路对大跨度电流无法处理的问题 提高了数据传输速率采用了基于 GPRS 的远程无线数据传输率及可靠性 满足了现场所有监测数据的及时准确发送 太阳能供电系统的采用 保证了系统稳定可靠供电 和存储等功能 室大量试验表明 据传输 关键词 同时也使系统避免了从高压取电时所受到的潜在绝缘 实验 危险 此外本系统还采用了 C 单片机作为 CPU 来完成数据的采集 处理 保证了高速的数据处理和多达 9 通道的现场数据采集能力 该系统能准确 有效的对泄漏电流进行远程实时监测并完成数取得了绝缘子泄漏电流远程在线监测系统研究的阶段性成果 污秽绝缘子 泄漏电流在线监测 传感器 远程数据传输I英文摘要AbstractWith the rapid developing of national economy, the voltage class of the power system in our country is continuously increased, and the bad influence of the contamination flashover gets more and more serious. Laboratory studies and industrial experience have shown that the variation of insulators leakage current has close relationship with insulators contamination, which provides an integrated reflection of the contamination flashover, so the insulator leakage current online monitoring system is an effective method to estimate the contamination degree and initial failure of insulators. Existing insulator leakage current online monitoring system has sorts of disadvantage such as inconvenience of mounting, shortage of leakage current measurement range, fallibility of data transmission and difficulty of diagnosis of contamination condition on insulator surface. In this paper, the key technologies of insulator leakage current online monitoring system are researched and a new type of leakage current remote online monitoring system based on GPRS is developed. The insulator leakage current online monitoring system introduced in this paper real-timely monitors the contamination condition of insulators surface by directly measuring leakage current, dada sampling, data-processing and data communication with monitoring center. With the help of the device, an active partial aperiodic cleaning method will substitute the passive traditional periodic general cleaning method in order to reduce workload and prevent the contamination flashover to a larger extent. Non-contact leakage current transducer is adopted in this system and provides a mounting way without change original insulator-tower structure. Application of new transducer adapter circuit lead to improvement of performance and solution of deficiency in precision, narrow band and sensitivity of change in magnetic core parameter of traditional rogowski coil based current transducer. Programmable variable gain amplifier adopted in the signal processing circuit largely extend the leakage current measurement range and provide a solution to amplify the large range leakage current. The GPRS communication technology is applied in the remote data transmission, which improves the data transfer rate, accurate and reliability of the system and can provide a accurately real-timely data transmission of all the field monitoring data. The solar electrical energy supply system is used in this system, which not only assure a reliable power supply to system, but also avoid the potential insulation puncture dangerous ofIII重庆大学硕士论文the method that supply the system form high voltage transmission line. Furthermore, the C is applied as the CPU to accomplish data sampling, data processing and data storage in this system, which provide a capability of high speed data-processing and 9 channel field data sampling. As a conclusion, this system is an integrated system of insulator leakage current remote online monitoring and can accomplish the data communication accurately. Stage production of the insulators leakage current online monitoring system research is achieved. Keywords: Contamination Insulator, Leakage Current Online Monitoring, Transducer, Remote Data TransmissionIV独　创　性　声　明　本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得 重庆大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文作者签名签字日期年 月日学位论文版权使用授权书　本学位论文作者完全了解 规定 论文被查阅和借阅 保存 汇编学位论文 保密 本学位论文属于 不保密 请只在上述一个括号内打 在 年解密后适用本授权书 本人授权 重庆大学 重庆大学 有关保留 使用学位论文的 允许 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印 缩印或扫描等复制手段学位论文作者签名 签字日期 年 月 日导师签名 签字日期 年 月 日1 绪论　 １　绪论　 　 １．１ 研究背景及意义　在电力系统中 的绝缘子 在大气中 绝缘子是将电位不同的导电体在机械上相互连接的部件 其 性能的优劣对整个输电系统的安全运行起着非常关键的作用 并长期工作在骤冷骤热 凤吹雨打 潮湿 尤其是在户外运行 还暴露除了应具有一定的电气绝缘性能和一定强度的机械性能之外 易出现绝缘子内部裂纹 表面破损污秽物（酸，臭氧，灰尘等） 绝缘强度降低和污闪等故障 空气污染逐年加重 污闪事 可靠等恶劣环境中污闪是由于绝缘子表面污秽层达到饱和湿润时 导致沿绝缘子表面的闪络 故涉及面广 性 力和物力 的检修 停电时间长 安全性和经济性 经济损失大绝缘子表面泄漏电流增长过大随着城乡工农业的发展严重影响电力系统运行的稳定性 造成了较大的经济损失［１］国内外传统的计划清扫绝缘子的方式 　不仅耗费大量的人 并且这种计划式而且绝大多数为停电清扫清扫并不能完全杜绝事故的发生许多年以来 暴露在空气中人们对电力系统高压输电线路绝缘子及变电站内支柱绝缘子的 由于这些绝缘子绝大多数都是 在湿润时就 那么 绝缘子 日积月累 绝缘子表面会不断积累空气中的污秽物实际运行状况一直找不到安全有效的方法来监测 会降低绝缘子的绝缘性能 在绝缘子表面潮湿的状况下 表面的局部放电强度就会增加 配电网发生故障 陷入瘫痪状况如果绝缘子表面等值附盐密度达到一定的程度 绝缘子表面的有效爬电距离就会大大降低 从而发生污秽闪络导致整条输电线路以及整个 近年来做为先行的电这将给人们的生活带来无法估计的危害后果[2] 　随着我国工农业生产的发展和人们生活水平的提高 力工业取得了迅猛的发展 着电力系统装机容量的提升 范围和对工 重大课题 　系统装机容量和输电线路电压等级都在不断提高 运行电压等级的提高 电网覆盖范围的扩大 所以 一目前省级区域网装机容量已超过 １００００ＭＷ 输电线路运行电压已达到 ７５０ｋＶ 随 方面提高了运行的可靠性和经济性 力系统运行的安全和可靠性 但是另一方面使得系统运行故障所波及的 如何提高电 管理和科研人员所关注的农业生产和人们生活造成的影响也越来越大 一直是电力系统运行据统计，在电力系统总事故数中污闪事故仅次于雷害位居第二，但是由于污 闪事故的自动重合闸成功率很低 致使其所导致的损失为雷害事故的 10 倍[4] 全 国 ６ 大电网几乎都发生过大面积污闪，造成了很大的经济损失 为了解决这个问 题，采用耐污绝缘子 复合绝缘子或半导体釉绝缘子1增加绝缘子串中绝缘子的重庆大学硕士论文数目在绝缘子表面涂憎水涂料对绝缘子进行定期清洗等各种措施在实际运行中都起到过积极作用，但对减少污闪事故的效果都不理想，原因之一是缺少关 于绝缘子表面污秽程度的全面真实的信息［８］ 国内外的大量研究表明 在湿润条 件下污秽绝缘子的泄漏电流是表征污秽程度较好的特征量 输电线路绝缘子的泄漏电流 状况 行安全性和可靠性 因此 　 以便及时采取措施避免高压电网运 是提高电力系统运行安全性和 为输变电设备外绝缘 　 准确划分污区 以便及时采取措施避免高压网运行中污闪故障的发生 在线实时监测高压 提高电力系统运 可以使电力系统管理人员把握高压网运行的绝缘研制一套基于远程 ＧＰＲＳ 无线通信的绝缘子泄漏电流在线监测系统 给出绝缘子污秽度的准确评定 具有重要的意义用于全天候监测高压电网绝缘子泄漏电流 行故障的发生 可靠性的内在需要 判定依据设计和绝缘子选型提供定量依据为确定清扫周期或者进行预知性维护给出促进电力系统由计划检修向状态检修转变１．２ 国内外研究现状及分析　近年来随着传感 通信及计算机技术的进步 与诊断方面的研究和应用很多 的国内外研究现状概括如下 从 ８０ 年代中期开始国内就对绝缘子泄漏电流进行了大量的研究 清华大学 电机系先后采用了磁带记录仪和光线示波器对绝缘子泄漏电流进行了研究 开发出了局部电导率仪和泄漏电流测量仪等仪器 缘子泄漏电流进行深入细致研究的要求 缘子泄漏电流的特征 究 现这些测量仪器和研究方法在不同的方面都存在一些不足之处 在污秽实验和试品在漏电起痕实验中的泄漏电流信号 但磁带记录仪采集的泄漏电流信号的频率范围有限 并 但在长时间的研究过程种发 不能满足对绝 国内外在绝缘子远程在线监测 现将该系统 并在一定程度上取得了较好的成果采用磁带记录仪能大量地采集绝缘子 能在一定范围内反映绝 不能反映出整个实验 它记录的数据采样率不并能在事后对采得的绝缘子泄漏电流数据进行分析和研过程中绝缘子泄漏电流变化与绝缘子污秽性能的关系 高 通常为 ５０Ｈｚ 不能反映泄漏电流变化的细节 易分析处理又需要大量保存 研究的初期起到了作用 操作很不方便长时间测量后的大量数据既不因此磁带记录仪只在对泄漏电流 但是光线示波器改变量程 而且光线光线示波器是泄漏电流研究中起到重要作用的仪器 也只能同时对一定范围内的泄漏电流信号进 对于较高频率的泄漏电流波形不能恰当的描述2它能采集绝缘子在污秽实验和试品在泄漏电流信号 的方法是变换测量振子的灵敏度 行测量 示波器的采样频率最高为 ５０Ｈｚ对泄漏电流幅值的突然大范围变化则无法测量和反映出来1 绪论和记录所以光线示波器不便于对信号进一步分析 能测量的数据量小局部电导率仪能通过测量 而且数据的分析存储绝缘子泄漏电流来反映绝缘子的污秽性能 但局部电导率仪的采样幅值范围小 采样频率低 不便 测得的数据分散性大 　 还存在着仪器可靠性和稳定性不高等问题华中科技大学人工智能实验室采用电流传感器采集高压绝缘子泄漏电流并将 其转换为频率 参数 湿度参数 数据采集单元采集本塔各串的电流传感器发送来的数据以及温度 风速参数等 每个高压杆塔上都有各自的数据单元 各数据单 然后根据监控中心的请求将采集的数据发 将数据采集单元采元都暂时存储该高压杆塔的测量数据 送到本单元的ＧＰＲＳ模块上 网络［５］数据发送单元采用ＧＰＲＳ通讯模块集的数据发送到网络上进行传送 为电流传感器 　 数据采集器 温通讯网络主要借助于本地的移动通信网和电话 塔机电源由太阳能和后备电池组成 风速侧量仪ＧＰＲＳ通讯及ＧＰＳ模块提供电源 湿度该系统完全由本地通讯服务商提供武汉水利电力大学的刘金华等采用了能源部武汉电力仪表厂生产的泄漏电流 传感器 塔机电源采用 Ｎｉ－Ｇｅ 蓄电池供电 　 太阳能电池板充电［６］数据传输方式为红外传输 然后利用手持终端在杆塔下面接收传送数据 原理框图如图 １．１ 所示为该产品组成示意图和(a) 图 1.1 系统组成示意图 (a) 和 系统原理框图(b) Fig.1.1 The structure diagram of the system(b)　 第二炮兵工程学院的蔡伟等研制的在线监测系统采用集流环采集泄漏电流 塔机电源采用蓄电池供电 一数据采集单元 多项统计值 太阳能电池板充电 在各输电线路的每级杆塔上安装 负责自动采样 处理并保存该杆塔上各路绝缘子串泄漏电流的 同时实现自身工作状态的维护与调整 在每条 由无人职守的 ＰＣ 机担承 的统一调度下 负责收集整条线路 基站与各采集单元间的信息传递采用接力式无 经有方式将数据传输给总环境温湿度等信息输电线路的端地址设置 １ 个基站 上所有数据采集单元的全部数据 线通信方法 基站在总站数据中心3重庆大学硕士论文站 比较总站在专家知识的支持下通过自学习算法对基站发来的数据进行分析 另外 总站还能根据采 该开发单位已有产 　　　　　预警和储存 并形成综合数据库供专业人员查询集数据的情况通过基站将修正命令传送到每个数据采集单元 品投入市场并与军队院校联合开发了复杂的无线接力通讯方式［４］山西大学的陈君诚等采用穿芯式泄漏电流传感器 塔机电源采用太阳能蓄电 池组供电 利用 ＧＳＭ 无线通讯移动网，通过 ＧＳＭ 调制解调器 建立起监控中心计算 机和远程监测终端的通讯 该系统已有数个月的试运行［７］系统采集分机原理图及传感器安装示意图如图 １．２ 所示　　 （ａ）　 （ｂ）　 图 １．２　数据采集分机原理框图(a) 和传感器安装示意图 (b) Fig.1.2 Schematic diagram of data acquisition machine and installation diagram of sensor国内生产并已运行的绝缘子在线监测系统有西安兴西公司的绝缘子在线监测 系统 该系统在各输电线路的每级杆塔上安装一数据采集单元 负责自动采样 处理并保存该杆塔上各路绝缘子串泄漏电流的多项统计值 环境温湿度等信息 同时实现自身工作状态的维护与调整 由无人职守的 ＰＣ 机担承 据中心 的统一调度下 在每条输电线路的端地址设置 １ 个基站　 负责收集整条线路上所有数据采集单元的全部数 总站在专家知识的支持下 比较 预警和储存 通过据 基站与各采集单元间的信息传递采用接力式无线通信方法 基站在总站 数 将数据传输给总站 另外［１０］自学习算法对基站发来的数据进行分析并形成综合数 在绝缘 无须据库供专业人员查询总站还能根据采集数据的情况通过基站将修正命 该系统利用泄漏电流沿面形成的原理 采用该引流器 将泄漏电流通令传送到每个数据采集单元子串铁塔侧的最后 １ 片绝缘子上方安装一开口式的引流装置卡 过双层屏蔽线引入到安装于铁塔中部的数据采集单元中 停电即可安装 不影响线路正常运行该系统数据中心从上传数据中分离出泄 温度等多个信息 绝缘子片数等参 绝缘子型号漏电流平均峰值 最大峰值 各级大信号脉冲数 环境湿度 同时从数据库中取出数据所属线路的电压等级 数 采用多变量函数分析方式 某一时刻辖区内各绝缘子污秽度的分布概况4估算绝缘子污秽状况以图表形式向用户显示以曲线形式显示某串绝缘子的积1 绪论污发展趋势 该地区盐密另外本系统还具有通过监测某一地区绝缘子积污的速度来估算 的功能 系统采用了基于无线接力模式的通信方式来 直至送到基站系统 绝缘子型号 下行命令的传 由于 绝缘子片数及空 前级数据采集单元将来自远端的上传数据经校验无误后划分污区实现数据的远程传输 保存至缓冲区中 输也是如此 气湿度 温度然后采用同样方式上传对绝缘子污秽状况与地区盐密进行判定的专家知识库技术 绝缘子污秽度 风等多个参数相关 属于多变量函数关系绝缘子泄漏电流值与电压等级如何通过测得的泄 该公司根据在东北电漏电流数据来推断绝缘子污秽状况是本系统的核心内容 力研究院所做的一系列实验 标进行综合分析 警 取得了大量有效数据 最终建立了基于平均峰值通过对这些数据的各项指 为实现故障预 分析最大峰值及峰值超过一定值的泄漏电流脉冲数这 ３ 项指标来判定绝缘子污秽状况的专家知识库 该系统引入了趋势分析技术 软件可对反映各绝缘子状态的重要参数做趋势分析 数据来推断污秽积沉的发展速度与趋势 变化的规律它由分析处理中心的分析软件来实现即根据其历史数据和当前 另外 本系统还 污区 的功并确定沿污秽绝缘表面交流电弧周期为早期预测闪络的发生提供了一个有效的手段具有通过监测某一地区绝缘子积污的速度来估算该地区盐密范围能 该系统数据采集单元的 ＭＣＵ 采用德州仪器公司最新推出的 ＭＳＰ４３０ 系列超低 功耗微控制器 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９，该芯片有多种低功耗模式 以满足不同工作条件的需 求 对于 ３Ｖ 的工作电压 其省电模式下工作电流可低至几个微安 用休眠 待机及定时开机的工作方式 　 降低整机平均功耗 元原理框图如图 １．３ 所示 系统同时采 系统的数据采集单图 1.3 系统的数据采集单元原理框图　 Ｆｉｇ．１．３　Schematic diagram of data acquisition terminal machine　5重庆大学硕士论文国外从 ８０ 年代初期就开始了对绝缘子泄漏电流的研究并取得了相应的成 果 在澳大利亚昆士兰的 ２７５ｋＶ 紧凑型输电线路上安装的泄漏电流监测系统是 目的是评价瓷绝缘子和合成绝 湿度和太 控制中 该系统 不能 该系统的特点是可同时记录温度 一套用于绝缘子泄漏电流现场研究的测量系统 缘子短期和长期的污秽运行特性 阳辐射对绝缘子泄漏电流的影响该系统通过数据采集中心采集数据 实现对绝缘子泄漏电流的测量 采样率不高 采样精度小心存储数据并与计算机进行数据通信能很好的反映绝缘子泄漏电流的特征 但由于系统是用于现场的试验研究系统 所以该系统与试验室研究用的测量系统相比 满足对绝缘子泄漏电流深入研究的要求 测系统[25] 　 并对绝缘子泄漏电流的的数在瑞典的西海岸的 Anneberg 污秽试验站建立的一套合成绝缘子泄漏电流监 该系统只监测泄漏电流的峰值和平均值 据进行有目的的选择性采集 该系统对幅值小于 1 mA 的泄漏电流每 30 分钟记录一 次 对幅值在 1 mA -5 mA 之间的泄漏电流每 10 分钟记录一次 对幅值超过 5 mA 的 泄漏电流则每 1 分钟记录一次 研究 所以采用率不高 这样的选择性的采集大大减少了数据的存储量 该系统由于是应用于现场 不能反映泄漏电流的细节 内 是现场长期在线监测下处理大量数据行之有效的方法 测量的泄漏电流特征量少巴西圣保罗高压实验室研制成功的 REG 001 和 REG 002 型绝缘子泄漏电 流监测仪是较为成功的一套现场研究系统[26] 部配有存储器 部时钟 该系统采用 Z 80A 的单片机 可以存储在一个时段内泄漏电流脉冲峰值的最大值 系统配有内并以该时钟为基准记录大量的在线数据从而可以较为清晰的了解有关 还可以与个人计算机 它不能记录特征波绝缘子泄漏电流发展的情况 有助于我们分析泄漏电流与气候积污情况的关系 该系统的面板上配有微型打印机 可以打印处理过的数据 进行串行通讯 这样可以存储大量的数据 并大大提高了该系统处理数据的能力 但作为现场研究的测量系统与实验室研究用的测量系统相比 形信号 而且测量范围较窄 不能满足对绝缘子泄漏电流进一步研究的要求瑞典皇家理工学院电机系研制和开发的泄漏电流测量系同是一套实验室研究 用的测量系统 它采用数字示波器通过 GPIB 接口与计算机相连 加上保护系统并 对电流传感器上的信号进行放大测量 泄漏电流信号仪器分析 测量和反映 时的分析和处理数据 同时通过电容分压器取得一路电压信号与 该系统对绝缘子在交流污秽实验中的泄漏电流能很好的 对长时间大量的数据处理存在困难 因此作为试验室研究并能同时对泄漏电流与施加电压的关系进行研究 但该系统不能实用的测量系统不能完全满足试验室研究的需要 国外生产并已投入国内运行的高压绝缘子在线监测系统有澳大利亚红相公 司的 LCM 高压绝缘子在线监测系统 该系统主要由绝缘连接器 主保护单元 传61 绪论感器太阳能电池 数据采集器温度湿度测量仪组成它的工作原理是将传 通过感器与绝缘连接器的一端连接于绝缘子串从上到下的第一个绝缘子的底端 通过专家诊断软件进行分析泄漏电流值 局部放电强度传感器测得的数据传送给数据采集器 数据采集器利用天线将数据发送给计算机 根据泄漏电流 局部放 电强度及气象条件得出等值附盐密度 让用户及时了解绝缘子的受污染状况[9] 该 系统采用太阳能电池供电, 通过微处理器控制现场各单元工作并采集各传感器测 量的环境温度 湿度以及风速 由用户指定购买风速传感器 后台监控总机接收 各终端机传回的现场参量并通过软件分析具体数据 分析软件采用理论曲线计算 绝缘子表面等值附盐密度 盒 以此确定污秽程度 终端机外壳采用不锈钢密封金属 用来屏蔽现场强电磁干扰 系统工作原理图如 1.4 所示　图 １．4　系统工作原理示意图　 Fig.1.4 The operating principle diagram of system纵观国内外对于绝缘子泄漏电流在线监测系统的研究情况 用于电网运行的绝缘子泄漏电流在线监测系统 缺点和不足可发现对于已经其中的几项关键技术都有明显的在泄漏电流的获取方式上 澳大利亚红相公司的 LCM 在线监测系统安装时需 要加装一片绝缘子 电流回路中 测每一串的泄漏电流 耐张串更为困难 阻断泄漏电流回路 将基于互感器的电流传感器串联进泄漏 对于双串及多串杆塔 如果希望监 对于 安装工作将更加困难 这样就破坏了已有的杆塔结构将需要安装多片隔离绝缘子如果希望监测整个双串或多串的泄漏电流 加装的隔离绝缘子 这样就必须设计生产特型绝缘子必须采用符合电力联接金具标准的绝缘子金具7重庆大学硕士论文才能满足需要对于耐张型杆塔加装一片绝缘子会改变原来的导线弧度将对诸如导线舞动等性能造成一定的影响 而且在紧凑型线路上无法实现 来采集绝缘子泄漏电流 言 的有效爬电距离 从污秽层上流过 条件下同时在操作尤其是带电操作上具有困难 此方法相对上述方法而西安兴西公司的绝缘子在线监测系统采用集流环 但表面加装集流环则降低了绝缘子 同时 由于集流环处的电场集中 泄漏电流将有一部分 对于覆冰或者雾淞送至基于互感器的电流传感器在操作上相对简便并易于实现带电操作 这在重污秽区是不提倡的更易于造成污秽积累当集流环上覆盖了较严重的污秽时 集流环就完全失去作用其截取的泄漏电流将不是完全的泄漏电流如果集流环上被冰雪覆盖 传输距离近在终端所采集数据的通信方式上 外通信的方式 和人力 终端采集到的泄漏电流数据 物力的影响 于较偏远的地方 者冰雪天气武汉水利电力大学的在线监测系统采用红需要定期由人工手持红外接收终端到杆塔下面接受 这样一种数据传输方式在很大程度上受到地理位置 荒无人烟的杆塔线路 而高压杆塔一般都是处 如果碰上大雨或 离线分析的方式不 基本上是不太现实的 这样一种在线监测对于偏远定期派人去接收数据其数据采集更是及其困难具有远程控制和实时数据传输的功能 中心总机 限失去了泄漏电流在线监测实时性的意义 其可靠性和传输距离都具有一定局 也就是整条线路必须以无线 澳大第二炮兵学院和西安兴西的在线监测系统均采用无线接力方式将数据传送到监控 这样一种点对点的数据传输方式 终端机必须安装在无线通信信号传输距离以内通信距离为标准等距安装终端机这样无疑毫无必要的增加了使用单位的成本 将会使整条通信链路瘫痪 由于目前 GSM 网络覆同时如果线路中间某一台终端机发生通信故障利亚红相公司的在线监测系统采用 GSM 方式来传输数据盖了绝大部分地区 因而 GSM 通讯方式相比前几种通信方式而言 可靠性和稳定 性都得到了很大的保证 更具实用性 但该方式受到了现有 GSM 网络通信流量的 限制 传统的 GSM 网是针对电路交换的话音通信而设计的,主要业务在移动电话方 面 迄今为止 其传输仍然受到 9.6kbit/s 的速率限制 如果碰到 GSM 网络阻塞 移动数据传输时间令人难以接受 扩展所集成的各种图象 综上所述 影响 而且对于终端机上的大流量数据以及系统功能视频监控等数据会造成数据拥堵以及通信费用过高 同时对穿芯式传感 往往以上各系统在电流传感器安装上都对电力系统结构造成了一定的或未能将泄漏电流实时监测与数据传输良好结合起来 信噪比不高 同时器的设计均基于常规的 Rogowski 线圈自积分或外积分电路 构成的传感器无法满 足频带和增益的双重要求 为了满足低频下限的要求 需要 Rogowski 线圈具有很高的匝数 这样不仅绕制困难 还增加了屏蔽 对接配合等工艺的复杂性 同时也降低了增益 不利于对微弱泄漏电流的反映 随着电81 绪论力系统向信息化 和不足 扬长避短自动化方向发展迫切需要集远程分布式在线监测与集中式数 为此我们充分总结了已有的经验据管理和故障诊断以及故障定位于一体的系统 在线监测系统在已有的基础之上提出了基于 GPRS 的高压输电线路绝缘子　 １．３ 泄漏电流在线监测系统的总体结构方案分析对于绝缘子泄漏电流在线监测系统的系统 分 面 传感器群 数据采集分机 通讯单元 分别有数据流和控制流通过这些界面[11]从总体来看可以划分为四个部 不监控中心这四个部分之间有三个界这四个部分存在各种衍生方式同的衍生方式对应了最终系统的功能特性 统结构可以用一个右线性文法来描述 式的前提下整体研究系统的行为 从更广阔的角度来看 稳定的条件 环节的缺陷对于这样一个具有多种衍生分支的系这样可以在不考虑具体衍生方式及实现方整个绝缘子在线监测与维护系统应该将操作机构和执 对于这样一个大系统 如何判断其 都应该 如何保证这个系统不因某个系统 而导致失稳行机构乃至操作规范和执行规范都包含在内 如何避免系统在外界扰动下失稳 偶然缺陷和系统缺陷设备缺陷和人为缺陷从这个总体结构图上去考虑 在图 1.5 中监控中心与执行机构之间的冗余控制路径 就是出于对操作者偶然失职的考虑而加入的 稳定性 等 但也增加了系统的复杂度 表面污秽等 以上系统不是孤立的 和可控目标对象 有适应能力 这样的冗余控制路径提高了系统的 环境因素 如何在两者之间求得均衡是值得研究的 系统对于发自不可控目标对象的扰动应该具系统的主要外界扰动来自不可控目标对象对于来自可控目标对象的扰动应该具备有效的抑止手段9重庆大学硕士论文绝缘子泄漏 电流在线监 测系统灰色分析 专家系统 模糊聚类 ＧＰＲＳ ＧＳＭ衍生 数据 衍生监控中心冗控制操作者余 控 制指令 回馈操作规范控制流通讯单元控制流 数据流数据流路径执行机构执行规范ＧＰＳ ＳＯＣ系统 ＤＳＰ系统衍生数据采集 分机维护检修 控制流 数据流ＡＲＭ系统 非接触传感器 接触式传感器 开放传感器组数据流 衍生传感器群数据流不可控 目标对象可控 目标对象其 他 不可控 因 素其他 可控因 素在这个宏观的系统视图中 还考虑了外界环境的因素 系统的正常稳定 持其稳定的大系统 要研究的问题 的缺陷都有可能导致严重的后果不仅需要稳定可靠的绝缘子泄漏电流在线监测系统 很多电力系统事故实际上都是人为因素造成的要人的因素在整个大系统里发挥关键的作用析中如何将人为因素量化以及如何将量化后的人为因素归并入系统分析是一个需 这个总体的系统结构可以看成是一个大闭环反馈系统10气 象因 素环 境因素图 1.5 宏观视图 Fig. 1.5 Macroscopic View不仅包含了物的因素这样一个大系统的行为是复杂的在这个总体结构图里可以清楚地看到绝 缘表 面染 污材 料性能 劣化也包含了人的因素同时 要保证其中任何一个环节 同时还需 在大系统分不存在一个可以单凭设备因素来保根据监测数据而决定1 绪论对可控目标对象采取某种维护检修措施就是反馈的环节 杂性以及众多影响因素的不确定性 沌预测 两种方案 面数据对绝缘子污秽状况作出短期预测 线性预测同时由于整个系统的复 分形预测和混对污秽预测应该根据系统时实监测到的多方 和长期预测１．４ 本课题的主要研究工作　在总结分析国内外已有成果的基础上 集分机 针对现有在线监测系统的不足 作者 综合现代单片机技术和 ＧＰＲＳ 通信技术以及现代电力电子技术 开发出一套数据采 由于现有的绝缘子泄漏电流在线监测系统存在主要不足集中在泄漏电流 因而本文主要对该监测系统中的传感器 单片机 系统结构示意图如图 ５ 所 传感器和数据通信方式两方面 示 主要研究内容如下电流 传感器及数据采集系统与系统电源等硬件部分进行重点研究温度 传感器 湿度 传感器风力风向 传感器数 据 采 集 分 机GPRS 发射 模块GPRS 接收 模块监 控 中 心 总 机其它 传感器蓄电池与 太阳能电 池模块　图 1.6 输电线路绝缘子泄漏电流在线监测系统的技术方案 Fig. 1.6 Scheme of Online Monitoring System for Leakage Current of Insulator　泄漏电流传感器　 泄漏电流传感器选用最便于安装的夹钳穿芯式结构 围 10ìA 600mA 频率范围 50Hz 500kHz 的电流信号 要求传感器在实验室条 作为实验室应用 为了 件下 对峰值 10ìA 的输入电流信号 具有相当高的信噪比并能够真实反映幅值范 更好的反映泄漏电流的细节 该传感器的输出电压 　数据采集分机　 数据采集分机在单片机平台上开发 场辐射 由于分机工作在野外 同时承受强电磁 硬件设计 为此对数据采集分机的硬件与软件设计都提出了很高的要求 传感器的频率范围需要扩大到 10Hz 1MHz 同时输入电流特性曲线的线性度也应相当好11重庆大学硕士论文要求足够强的电磁兼容能力 到一丝不苟 自动复位 如有可能在器件选择和印制板设计乃至每一根导线上都要做 稳定性 当出现意外时能够与硬件配合 从而不必耗费大量的人力对 因软件设计必须强调可靠性希望能够实现远程软件升级每一个数据采集分机进行更新 器输出信号的 AD 转换 此由于数据采集分机需要完成的主要任务是对传感 同时还需能够接受 GPRS 通信数字信号初步处理以及与数据通信模块之间的通讯不仅要完成向 GPRS 通信模块方向数据传输 GPRS 通信模块 GPRS 是 GSM Phase2.1 规范实现的内容之一模块来自监控中心总机的指令并实现相应的操作 它是一种基于 GSM 的新型移动分组数据承载业务 突破了现有 GSM 数据业务最高速率仅 9.6b/s 的限制 数据 速率最高可至 170kb/s 它允许用户以端到端的分组传送模式发送和接收数据,不需 要使用电路交换模式下的任何网络资源 据的业务特性 信的基础上开发的 发送到监控中心主机 从而可以自主运营 并且最适合突发数 本系统中 GPRS 通信方式是基于 GPRS 通信模块和单片机串口通 其主要功能是将单片机采集到的监测数据以数据打包的形式 并接收来自监控中心的指令 对数据进行显示 保存整　监控中心数据接收软件　 监控中心总机汇总所有数据采集分机发回的数据 理和分析等工作 信的基础上 本文结合前端数据采集分机及 GPRS 通信系统 在 SOCKET 通实现后台总机与前端数据采集分机之间的数据无缝连接与传输 大容量蓄电池及充电控制电路构成整个系统稳定 当没有太阳的时候 由蓄电池给系统供电 可靠太阳能供电系统 利用太阳能电池板 的供电电源 充满之后保持浮充状态 当有太阳的时候利用太阳能电池板给蓄电池充电 并给系统供电 通过高效率的 DC-DC 电源模块与外围电路的设计 获得系统所需的功率适中的直流电源电路 产生的电压等级有+5V -5V +15V -15V　 １．５ 小结　通过对国内外在线监测系统研究现状分析 现代电力电子技术 　 　 根据现有绝缘子泄漏电流在线监 　 测系统所取得成果和存在的不足 作者综合现代单片机技术和 ＧＰＲＳ 通信技术以及 提出了本系统的总体方案及主要研究内容122 泄漏电流传感器的研究　 ２ 泄漏电流传感器的研究　２．１　概述　非接触的穿芯式泄漏电流传感器是根据 Rogowski 线圈的基本原理研制的 穿 芯式电流传感器在绝缘子与杆塔的若干联接金具上都具有安装位置 作是很方便的 路 如图 2.1 电力联接金具有统一的标准 　 同时也 我们首先讨论一下污秽闪络发生的机 因此本章从污秽闪 器就有了标准可依靠 这对实现工业化是非常有利的 实现带电操 这样制造穿芯式电流传感 对于某些线路如紧凑型线只能够安装穿芯式电流传感器为了使我们的在线监测系统更加准确的采集到绝缘子泄漏电流信号 为了正确分析原因和采取有效防污闪措施 理 络机理的介绍入题 了解表征绝缘子污秽程度的相关特征量是非常有必要的对穿芯式泄漏电路传感器进行了深入的仿真与实测研究传感器 两只 －Ｕ形挂环位置传感器－ Ｕ形挂环位置传感器 球头挂环位置图 2. 1 传感器的安装位置 Fig. 2.1 Mounting Position of Sensor13重庆大学硕士论文２．２　污秽闪络机理简述　常说的绝缘污秽放电是指输变电设备在工作电压下的染污外绝缘闪络 它有独特的放电机理 性诸因素有关[12] 在自然环境中 运行的绝缘子受到 SO2 及颗粒性尘埃等大气环境的影响 的情况下 洁净 气时 导增加 层被加热 流降低 导电性加强 干燥状态时接近 这时 然而 氮氧化物 工业污秽 自然盐碱 以 在天气干燥 其放电电压和 融雪等潮湿天 导致污层电 从而使泄漏电 在其表面逐渐沉积了一层污秽物 当遇有雾 露 毛毛雨以及融冰 电离 与绝缘子表面积污 这种 闪络 不是由于作用电压的升高 而是由于绝缘子表面绝缘能力降低引起的结果 表面污层湿润以及绝缘子本身耐压特这些表面带有污秽物的绝缘子保持着较高的绝缘水平 使污层中的电解质溶解绝缘子表面污秽物吸收水分 这个热量能够起两个作用 由于绝缘子的形状绝缘子的表面泄漏电流就会增加泄漏电流的增加使导电的污秽一个作用是使湿润层变干另外一个作用是由于污秽中具有正温度系数的电解质的作用使湿润层的 结构尺寸的影响以及绝缘子表面污层分布不均 其结果在电流密 棒式支柱绝缘子裙 大 电场强 例如悬式绝缘子的钢脚附近 干燥区大 使绝缘子表面各部位的电流密度不同和潮湿程度不同等因素 和芯棒交接处度比较大的部位形成了干燥带这时根据作用电压的大小表面物理过程的发展是不相同的 单位长度上的电压比较低 泄漏电流比较平滑致可以分为几个阶段[13][14] :起初 值不超过几百微安 升的伏安特性 流减小 失 阶段 能发生 为了确定绝缘子的污秽程度 行状态的特征量 表面电导率 泄漏电流 第二个阶段度不足以使空气电离产生局部放电,在这种情况下一般有效如果湿度增加或者有过电压产生使干燥区的 从而使泄漏电电场强度增大到使该区域上的空气电离并发生局部放电 同时被电弧短接的干燥区在此时放电电弧具有上 然后放电电弧消 泄漏电流通 第三个 这种局放电通道的电阻随着局部放电电弧的发展而增大 重新变得湿润恢复导电性 整个过程将不断重复下去 在这种情况下如果外界条件不变常只有几个毫安或几十个毫安 如果湿度和电压继续增大 部放电被称为局部闪络绝缘子在这种情况下运行是没有危险的 局部放电电弧将具有下降的伏安特性 泄漏电流大约为几百毫安在这种情况下污闪就很可定量的划分污秽水平需要表征污秽绝缘子运 如等值附盐密度 污秽 天人们在大量的研究后提出了很多参数 闪络场强等其中泄漏电流是由瞬时实际爬电比距气和污秽程度决定的动态指标 同泄漏电流相比以上几种特征量在表征污秽绝缘子运行状况方面 闪络场强是用闪络电压除以整为个绝也都有各自的不足之处142 泄漏电流传感器的研究缘子串的长度 波的最高电压 设备造价高 都很有限 的足够信息 态得到闪络梯度来作为特征量 而且比较麻烦 很难采用其中的闪络电压是指闪络前一个周 但测量这个参数所用的 污液电闪络场强虽然能很好的表示出污闪特性另外还有用污秽的日沉降密度 适于在线检测导率和盐浓度这些特征量来表征绝缘子的污湿特征 由于泄漏电流相对容易测量 因此但这些参数所能说明的程度 它包含绝缘子运行状态本系统中采用测量泄漏电流来估计系统污秽绝缘子的运行状 气温所处的范围一般都在一8.0'C-4.8 之间 剩下的 单纯此外在发生的所有污闪事故中 此时最容易出现引起污闪的雾露和毛毛雨等气象条件而超出此温度范围很少有污闪发生;同时污闪发生时的相对湿度大都在80%以上 占总次数的80 缘子的泄漏电流与它所处的温湿度环境有很大的关系 果及分析可知 离开温 湿度数据[15]20%的污闪发生在相对湿度40%-80%之间 湿度很小的时候污闪很少发生 因此绝 的电流数据是很难对绝缘子发生污闪的危险性进行分析判断的 环境温度和湿度也是引起污闪的重要参考数据　从以上统计结必需在检测电流的同时对这两个参考量进行测量从以上污秽闪络机理分析中可知 由于高压输电线路污秽绝缘子泄漏电流变化 范围从几 ?A 到几百 mA 因此还要求传感器有较大的动态范围 同时绝缘子局部放 电脉冲信号包含的频谱很宽 因此要求传感器具有较宽的频带 从几 Hz 几兆 Hz 良好的瞬态响应和线性度 此外为使在线监测系统安装方便 我们采用钳式穿芯结 构 但传感器磁芯气隙的存在使得现已实际应用的穿芯电流传感器基本上难以达到 上述的性能要求[3] 因此本章针对实际技术难题 通过传感器电子电路的选择 满足了实际工程需要 使 带气隙的钳式穿芯电流传感器具备了上述优良性能　 ２．３　普通Ｒｏｇｏｗｓｋｉ电流传感器电路模型　Rogowski 线圈分为空心 Rogowski 线圈和有磁芯 Rogowski 线圈两种 缘子泄漏电流测量中主要运用有磁芯 Rogowski 线圈 指有磁芯 Rogowski 线圈 Rogowski 线圈电路的等效电路模型有等效变压器模型和互感电压源模型 率远远大于空气的磁导率 并认为 Rogowski 线圈的原方与副方为紧耦合 现 首先证明两种模型的等效性 在本章的讨论中 均假定 Rogowski 线圈磁芯的磁导 由于空 心 Rogowski 线圈主要用于大电流测量[22] 用来测量微弱电流非常困难 因而在绝 以下的 Rogowski 线圈均是15重庆大学硕士论文理想变压器1:NI (s) i ZsLMZ( s )(a)sLs sMI (s ) Z (s )(b) a 等效变压器模型 b 互感电压源模型图 2.2 Rogowski 线圈电路的两种等效电路模型 Fig. 2.2 Two Equivalent Circuit Model of Rogowski Coil (a) Equivalent Transformer Model (b) Mutually Inductive Voltage Source Model如图 2.2 所示 从图 2.2Rogowski 线圈电路的等效电路有两种等效形式 单匝线圈 的自感 LS 为副方 N 匝线圈图中 LM 为 的自感 现在Rogowski 线圈的原方 对图 2.2a 出发进行等价性证明 a 进行诺顿 戴维宁变换 得到图 2.3 的等效电路理想变压器1:N sL sLM I ( s)MZ (s )图 2.3 诺顿戴维宁变换后的等效电路Fig. 2.3 Norton- Davey Transform Lead to This Equivalent Circuit对图 2.3 的等效电路向理想变压器副方归并得到图 2.4(a)的等效电路162 泄漏电流传感器的研究sN L M2sLSsLM NI (s)Z (s)sMI (s)Z (s )(a)图 2.4 向变压器副方归并后的等效电路(b)Fig. 2.5 Merging First Side into Second Side Lead to This Equivalent Circuit图 2.4 2.4 ba 为归并后的等效电路 的等效电路 从图 2.4 b 而图 2.4 b b考虑到 LS = N 2 LM 以及 M = NLM 恰好就是 2.2 b于是得到图因而证明了两种等效电路是等价的的等效电路也可以逆推出变压器等效电路 得到图 2.5 的等效电路将图 2.4的等效电路转换到时域LSMdi(t )/dtZ图 2.5 时域等效电路 Fig. 2.5 Equivalent Circuit in Time Domain图 2.5 的等效电路有直观的物理模型比较容易理解 也便于进行电路的分析推 导 是很多文献都采用的等效电路 但是考虑到本章将要介绍的改进型 Rogowski 因此在这里采用变压器模型 线圈电路采用变压器模型更容易直观地分析其优点 进行 Rogowski 线圈自积分电路的分析 如下图所示 普通穿芯式电流传感器的结构如图 2.6(a)所示 气隙可以等效为 磁芯磁导率的降低,不影响幅频特性的理论分析 图 2.6(b)是电流传感器等效电路图[3][17]17重庆大学硕士论文(a)传感器结构 Fig.2.6b 传感器等效电路 图2.6 电流传感器的结构和等效电路 structure and equivalent circuit of current sensor在图1中 M为线圈的互感LS 为线圈的自感 CS 为线圈的等效杂散电容为线圈的等效电阻 R为线圈的积分电阻(与电感 LS 组成积分电路) 可以列出电路方程为[25] u i (t ) = M u i (t ) = Ls i (t ) = C S 由 LS C S 对 2 3 di 1 (t ) dt di (t ) + RS i (t ) + u 0 (t ) dt du 0 (t ) u 0 (t ) + d (t ) R 可以得到感产生的电势 u 0 (t ) 为线圈积分电阻上产生的电压 根据图2.6(b)所示的等效电路ui (t ) 为是由互RS(2.1) (2.2) (2.3)两式消除 i (t )2 du 0 (t ) ? L + ? RS C S + S 2 dt R ?? du 0 (t ) ? RS ? + ?1 + ? ?u 0 (t ) = ui (t ) R ? ? dt ? 并化简 得到(2.4)14两式做拉氏变换L ? ? R ? ? LS C S s 2 + ? RS CS + S ? s + ?1 + S ?U 0 ( s ) = MsI 1 (s ) R? ? R? ? 在零初始条件下 G (s ) = U 0 (s ) = I 1 (s ) 传感器电路的传递函数为 Ms L ? R ? LS C s s + ? R s C s + s ? s + s + 1 R? R ?2(2.5)(2.6)所以 G( jw) =在正弦稳态信号作用下有 (2.7)U 0 (s ) jwM = 2 I 1 (s ) ? RL S C s w + jw(RR s C s + Ls ) + R s + R由式(2.7)可以得到电流传感器的幅频特性为182 泄漏电流传感器的研究G( jw) =MR 1 ? 1 Ls + RR s Cs ? 2 2 ?1 ? ? Ls RC s Ls + RR s C s ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 + ? w ? L + RR C ? ? ?w? R + R ? ? ? ? ? s s s ? s ? ? ? ? ? N 2h b ln 2π a(2.8)电流传感器的自感和互感分别为 Ls = ? ? M = ?? (2.9) (2.10) N 为副边线圈的匝数 h为线圈高度 b为线圈外径 aNh b ln 2π a 式中 ? 为相对磁导率 分别为 上限截止频率 fh =为线圈内径 其中 Ls && RRs C s由式(2.8)可以得到传感器的上下限截止频率和带宽Ls + RR s C s 1 ≈ 2πLs RC s 2πRC s(2.11)下限截止频率f1 =R + Rs R + Rs ≈ 2π ? (Ls + RR s C s ) 2πLs 1 ? Ls + RR s C s R + Rs ? ? ? ? ? 2π ? Ls RC s L s + RRs C s ? ?(2.12)工作频带宽度B = f h ? f1 =(2.13)传感器要获得较大的带宽 f h 应尽量的大 而 f 1 应尽可能小 由式(2.11) (2.12) 可知 应使 Ls 尽可能大 R尽可能小 由式 2.9L s 增大可见 线圈电感 Ls 与线圈磁芯的磁导率? 线圈高度 线圈内外半径的长度及线圈的匝数有关 线圈匝数N增加 电流传感器的频带变宽 但响应灵敏度将下降[16][23][24] 在磁芯材料和线 R 圈尺寸确定以后 传感器的频带宽度和灵敏度将主要决定于积分电阻和线圈匝数 由式(2.11) (2.12) (2.13)可见积分电阻 R决定着传感器的低频下限和高频上限 越小 下限截止频率越低 同时上限截止频率越高 即工作频带越宽 电阻减小将会使传感器的输出电压下降 有足够的灵敏度 很难被准确测量 但是积分所以既要保证传感器又要保证较宽的频带对于传统方法来说是很难实现的 人们做了很多努力 文献[18][19][20]在为解决 Rogowski 线圈自积分电路无法满足通带增益和通带宽度双重要求以及 励磁电感对传感器的相位特性和精度的影响 入讨论 改进方法 这方面取得了很好的进展 尤其是文献[3]提出了性能非常好的解决方法并进行了深 本文在借鉴文献[3]的基础上研究了对基于 Rogowski 线圈的电流传感器的19重庆大学硕士论文２．４　改进型电流传感器电路模型　由以上分析可知 作频带[3]在传感器磁芯材料和线圈尺寸确定后为了得到较宽的工 如图 2.8必须降低积分电阻同时还要保证积分电阻上输出的电压信号足够大文献 中的方法是 所示不接入自积分电阻 R 而是接入一个 I- V 变换电路图2.7 改进型电流传感器电路图 Fig .2.7 circuit of improved current sensor该电路中运放电路组成 IV转换电路而去掉了自积分电阻传感器等效电路如图2.8所示其中I V转换电路等效为电流控电压源图2.8改进型电流传感器等效电路图Fig .2.8 equivalent circuit of improved current sensor 由图2.8 G( jw) = 图2.6 MR f Ls + Rin Rs Cs ? 12 ?1 ? ? ? ? Ls + Rin Rs Cs ? ? ? ? Ls RinCs ? ? ?1 + ? w ? L + R R C ? ? ?w? R + R ? ? ? ? ? ? s in s s in s ? ? ? ? ? ? 1 2式(2.8)可得改进后传感器幅频特性为(2.14)式中 R f 为运放反馈电阻Rin 为运放输入电阻理想情况下为0由式(14)可以得到改进后传感器的上下限截止频率分别为202 泄漏电流传感器的研究上限截止频率 fh = L s + Rin Rs C s 1 ≈ 2πLs RC s 2πRin Cs Rin + Rs R + Rs ≈ in 2π ? (L s + Rin Rs Cs ) 2πLs (2.15)下限截止频率 f1 = (2.16) 改进型传感器的通带增益为 (2.17) 2.15 (2.16) (2.17)即是图 2.7 电路的特性方程 对于运放构成的一个由图 2.7 可知 I-V 变换电路以后 G= Rf N 式典型 I-V 变换电路 通带增益并不因为极小的 Rin 而减小 而是由 I-V 变换电路的 R f 和 Rogowski 线圈的匝数确定 同时不影响传感器幅频特性[26][27] 由于运放构成的 I-V 电路 电流- 电压转换电路 输入阻抗 Rin 极小 由式(14) 式(15)可见传感器 的低频得到很大延伸 同时极小的 Rin 与穿芯线圈的等效杂散电容 Cs 相并联 削 弱了励磁电感 LM 和分布电容 CS 的分流作用 使得 Cs 的旁路作用大大降低 于是 传感器的高频也得到很大的延伸[28] 放输入阻抗相比拟 限 度[32][33][34]穿芯线圈的自感 Ls 只有在频率很低时才与运这就使得传感器不要求过多的匝数就可以保证较小的低频下 同时使得传感器外屏蔽非常容易 极小的 Rin 还使 使得从我们大量的试验中可知线圈匝数取 100 匝左右既可保证较高的灵敏 这就降低了对磁芯的要求又可保证较宽的通频带得磁芯磁性性能下降对传感器的影响大大降低 传感器的造价大大降低 降低同时传感器在户外长期使用的性能随时间的变化也大大所以用造价低廉的铁氧体磁芯也可以获得很好的效果 在本文中将把 Rogowski 线圈常规电路称为普通穿芯式电流传感器 或简称穿 把加装了 I-V 变换电路的 Rogowski 线圈电路称为改进型穿芯式电流 或简称改进型穿芯传感器芯传感器 传感器２．５　普通穿芯式传感器与改进型穿芯式传感器的幅频特性仿真　作者利用图2.2(a) 图2.7所示电路模型分别对穿芯式电流传感器改进前和改进 后的幅频特性 原边1匝 的 Rf 进行了saber小信号交流仿真 在图2.7中 I-V变换电路中 R f 为1k 传感器线圈匝数设置为 C 为1000 pF 输 副边95匝 R p 为50欧姆出负载为1k的电阻 在图2.2(a)中 仿真结果对比如图2.9所示自积分电阻R等于改进型穿芯式电流传感器中21重庆大学硕士论文(a)(b) a 传统穿芯式传感器 b 改进型穿芯式传感器图 2.9 频谱响应仿真结果 (a) Traditional Axis-passing Sensor (b) Improved Axis-passing Sensor Fig. 2.9 Simulation of Frequency Response图2.9 a 是传统穿芯式传感器的仿真结果 可以看出 通带较窄而且通带的 相位特性不好 相位特性不好的原因是低频时励磁电感的分流作用和高频时分布 且低频下限小于10Hz 高频上限到10MHz也没有 且在相当宽的频带内相位差都接近 同时分布电容的分流作用也几乎 电容的分流作用 从图2.9 b 改进型穿芯式传感器的仿真结果可以看出 改进型 穿芯式传感器的频带大大延伸 明显的衰减 于零 消失殆尽 相位特性也得到了很大的改善 从而极大地提高了精度[29][30]说明此时磁芯中几乎没有励磁电流通过　222 泄漏电流传感器的研究２．６　改进型穿芯式传感器的性能测试及方法　测试用电路如图 2.10 所示 高了灵敏度 于是增加了直流工作点伺服电路 在改进型穿芯式传感器基础上增加了放大级 使得静态输出有相当程度的漂移 这对 本 自动地对工作点实施调整使之接近于零 提 由于运放输入失调电流的存在于抑制野外环境下工作的运放的参数漂移引起的工作点失调具有重大的意义 文将图 2.7 的电路称为传感器适配电路或调理电路 也将图 2.7 的整体称为改进型穿芯式电流传感器同时在不引起误解的情况下Ａｎ ａ ｌｏｇ Ａ Ｄ 　　Ｏ ＰＡ３ ７ Ｄ ２２ ２Ｉ－Ｖ变换电路电压放大级直流工作点伺服图 2.10 测试用电路 Fig. 2.10 Testing Circuit测试用电流传感器采用 π 形铁氧体磁芯( ?12000) 截面为方形 传感器为 95匝 其他参数设置与以上仿真参数一致 函数发生器采用 Tektronix 公司的 CFG280, 示波器用 Tektronix 公司的 TDS320B 带宽为 300M 为了测试传感器的高频和低 频特性以及传感器的灵敏度 在实验室条件下 分别对脉冲信号 30Hz 低频方波 信号 微电流正弦信号进行了测量 在传感器的频谱响应中 用 10Hz 正弦信号到 1M 的高频正弦信号进行了测试 在以下所有测量波形中 Ch1 通道波形为输入电 压波形 此电压产生穿芯电流 Ch2 通道波形为输出电压波形２．６．１　频谱响应　由于电压型运算放大器增益带宽积的限制 必须降低放大级增益 即灵敏度23Ａ ｎａ ｌｏ ｇ ＡＤ　 　Ｏ ＰＡ ３７ Ｄ ２２ ２Ａｎ ａ ｌｏｇ Ａ Ｄ 　　Ｏ ＰＡ３ ７ Ｄ ２２ ２重庆大学硕士论文以保证这一级的带宽在输入电流 500 ?A 与 30mA 下进行了进行了频率特性的测试 图 2.11 测试结果表明在频率范围 10Hz~200kHz 范围内输出电压幅值保持不 变 具有很好的频带响应 对于频率 500kHz 以上的输入信号 由于特定运放本身 零极点分布的情况使得输出电压上升 大带宽的运放 高 低 同样也可以一定程度的补偿 采取补偿后得到减弱 在后来采用了高速 只不过这个频率更 同样存在在某个频率后的输出电压上升现象 在实际应用中当我们在测量小电流的时候 而测量大电流 也有很好的电流主要为微弱泄漏电流 的时候 测量效果所需可变增益运放的放大倍数较大 通带频率相对较 刚好可以很好的测量 高速大带宽可变增益运放的放但是此时泄漏电流所含频率成分不高电流主要为泄漏电流与脉冲电流的叠加 由此可见大倍数很小才能满足运放输出不饱和 很好的一致性所以这个时候通带频率很高实际的绝缘子泄漏电流与运放在通带频率和放大增益上有图 2.11 实测频谱曲线进行了归一化Fig. 2.11 Measured Frequency Spectrum (Normalized)２．６．２　脉冲与方波响应　脉冲响应测试 脉冲信号测量共做两组 由 8V 的方波电压 由方波发生器产生 与 1k 电阻 及 0.1uF 电容串连 则电阻上的电压波形即为双向脉冲波形 即穿芯电流为双向脉 冲电流 对应的输入电流幅值为 8mA 方波重复频率分别为 50Hz 和 210Hz 得到 波形图 2.12 所示 如图 2.12 可见传感器对这样的尖峰脉冲有很好的响应 100 倍 方波响应测试 方波重复频率为 30Hz 图 2.13 为测得的方波响应24测试中放大级增益为由于 I-V 电路的使用 使2 泄漏电流传感器的研究得传感器的高频特性得到极大改善 感器电路用于监测局部电弧起弧由波形可见方波上升沿无畸变这说明本传熄灭及重燃时高频脉冲泄漏电流是可行的ab a 　 输入电流频率 50Hz b 输入电流频率 210Hz图 2.12 脉冲响应 (a) Input Current frequency 50Hz (b) Input Current frequency 210Hz Fig. 2.12 Pulse Response25重庆大学硕士论文图 2.13 方波响应 Fig. 2.13 Square Wave Response２．６．３　微弱信号下的信噪比　对 5ìA 的输入信号进行了测试 输入正弦波电压幅值为 1.13v/2 串连电阻为 204k 由 4 个 51k 的电阻串联获得 则穿芯电流为 2.5ìA 传感器匝数为 95 匝 甚至有可能使 从而达到了对 传感器 R f 为 1k 传感器后级放大倍数为 100 倍 由于电路的灵敏度很高 而穿芯 电流信号又非常微弱 采用了金属外壳屏蔽 干扰信号有效的屏蔽 的信噪比 空间杂散的干扰信号极易对测量产生影响 为了达到较好的测量效果 同时传感器信号输出采用了同轴电缆传输 测试波形见图 2.14 对于 2.5ìA 的微弱信号 本传感器已经具备了非常良好 传感器输出信号被淹没[21] 作者在测试中间对传感器从图 2.18 可以看出同时也反映出了较好的灵敏度和精确性262 泄漏电流传感器的研究图 2.14 2.5ìA 信号测试 Fig. 2.14 Test under 2.5ìA Input２．６．４　幅频特性测试结果分析　频谱响应测试中 当 I-V 电路及后续变增益运放的放大倍数过大时 由于受到 运放芯片增益带宽积的影响 高频信号会被衰减 变窄 使用中 需要 为克服此现象 原因是放大级在高增益下频带 同时在实际 可在以后的试验中采用电流反馈型放大器[48]由于绝缘子泄漏电流所含频率成分及所需的放大倍数和变增益运放在通 使得传感器很好得满足了测量所需带宽的 因此测量结果在幅 在如 同时在传 但从理论上分析 在微弱信号测试中还是无法避免外界杂散信号的干扰 距离最终的成品还有一段距离 存在误差是必然的带频率和放大增益上有很好的互补性 值上还存在一定的偏差 此微小电流的测量中且误差也在允许的范围内感器中采用低噪声的运放芯片是非常重要的　 ２．７ 气隙对普通穿芯式传感器和改进穿芯式传感器幅频特性的影 响　泄漏电流传感器采用卡钳式结构安装在绝缘子金具上 必然会存在气隙 磁阻呈倍数增加 由于气隙磁阻比磁芯磁阻大的多 同时也导致传感器励磁电流的增大［４５］［４６］［５０］传感器磁芯结合处就气隙的存在使得传感器的总 从而造成传感器的相位差 　和通频带都造成了巨大的影响所以本节就普通穿芯式电流传感器与改进型穿芯式传感器气隙影响作出了 Ｓａｂｅｒ 小信号交流仿真与实际测试研究27重庆大学硕士论文２ ． ７ ． １ 气隙影响的仿真对比　我们选取了几个典型的气隙长度值 流仿真 结果如图 ２．１５ 图 ２．１６ 所示 利用图 2.2(a) 图 2.7 所示电路模型分别 　 对穿芯式电流传感器改进前和改进后气隙对幅频特性的影响进行了 saber 小信号交(a) 0.1mm(b) 0.05mm(c) 0.01mm 图 2.15 Fig.2.15(d) 0mm 改进前不同气隙下的幅频特性Original amp-frequency character at different air-gap　图 2.16改进后不同气隙下的幅频特性Fig.2.16 Advanced amp-frequency character under different ari-gap由图 2.15 位差都接近零 度图 2.16 的仿真波形与表 2.1 的数据可见 同时频带也得到显著延伸改进型钳式电流传感器 且在相当宽的频带内相 具有非常高的精的低频特性得到极大的改善这也说明此时磁芯中几乎没有励磁电流通过改进前后低频下限与气隙长度关系的仿真结果见表 2.1 所示282 泄漏电流传感器的研究表 2.1 Tab.2.1改进前后不同气隙下传感器的低频下限Original and advanced low limit frequency under different ari-gap 气隙 mm 0 0.01 0.05 0.1 改进前低频 3.6
下限(Hz) 改进后低频 下限(Hz) 7.8 16.9 53.9 100.3从表 2.1 小图 2.15图 2.16 可知气隙的影响仅仅是对低频下限的影响这可以从式 2.16 推出 因为气隙的影响等效于降低了线圈自感 LS 气隙越大 LS 越 从而低频下限上升 仿真的结果正说明了这一点２ ． ７ ． ２ 气隙影响的实测　 　　 气隙影响测试采用如图 2.10 所示的测试电路 用一对 ? 形铁氧体磁芯对接构成磁芯 直接对接时认为无气隙 在对接处添加一片非导磁介质 可以认为其 I-V 变换电路中 R f 为 1k 传感器匝数 相对磁导率为 1 作为有气隙的情形 为了提高灵敏度 在穿芯钳式电流传感器 基础上增加了放大级 放大倍数为 100 为 100 作者选取了几个不同的气隙长度进行了实测 不同气隙下电流传感器的 幅频相频特性实测数据如图 2.17 所示(a)0.005mm 时幅频特性Ｐｈａｓｅ（ｄｅｇ）６０．０ ４０．０２０．０ ０．０ ２０．０(b)0.005mm 时相频特性(c)0.0206mm 时幅频特性Ｐｈａｓｅ（ｄｅｇ）０．０６０．０ ４０．０２０．０２０．０(d)0.0206mm 时相频特性29重庆大学硕士论文Ｐｈａｓｅ（ｄｅｇ）６０．０ ４０．０２０．０ ０．０ ２０．０(e)0.0362mm 时幅频特性Ｐｈａｓｅ（ｄｅｇ）(f)0.0362mm 时相频特性６０．０ ４０．０２０．０ ０．０ ２０．０(g)0.0518mm 时幅频特性(h)0.0518mm 时相频特性图 ２．１７　　改进后传感器实测幅频相频特性　 Ｆｉｇ．２．１７　　Ａｄｖａｎｃｅｄ　amp-frequency character tested由图 2.17 可见 幅频相频特性 下限上升改进前后传感器实测幅频特性数据与仿真结果基本一致 随着气隙长度的增加由于 I-V 电路的作用 使得改进后传感器低频特性随气隙的变化很小 保证了良好的 实测幅频相频特性图也表明 传感器低频 同时低频时的相位差也增大 而高频特性几乎不变　 ２ ． ８ 　 小结　传统穿芯式传感器电路的不足有 1 较大 2 频带较窄 尤其低频不易做低 不仅工艺复杂 的参数变化敏感 氧体材料 也使得分布电容增大 由于励磁电流的存在使得测量误差 为了保证低频需要很大的线圈匝数 3 传感器性能随材料 尤其对于铁使得高频上限下降由于磁性材料性能随时间变化有相当程度的劣化有可能导致户外长期使用的传感器测量性能下降 本章的改进型传感器在很大程度上解决了这些问题 提出了改进型穿芯式电流传感器的电路模型 即在传统穿芯式电流传感器 的基础上增加了 I-V 变换电路 I-V 变换电路使传感器的低频下限得到很大延伸 另外 传感器穿芯线圈的自感只有在频率很 同时其极小的输入阻抗大大削弱了传感器励磁电感和分布电容的旁路作用 使传 感器的高频上限也得到很大的延伸 低时才与 I-V 电路输入阻抗相比拟 这就使得传感器不要求过多的匝数就可以保证 较小的低频下限 也减小的线圈分布电容对高频上限的限制 增加传感器通频带302 泄漏电流传感器的研究同时使得传感器外屏蔽非常容易 气隙的存在使传统穿芯式电流传感器的磁阻大大增加 低频下限截止频率 呈倍数提升 同时也增大了线圈励磁电流 从而导致较大的相位差 改进型穿芯 式传感器并不能消除气隙的影响 但是改进型钳式穿芯电流传感器运放电路极小 因而较小的气隙对低频下限一定的输入阻抗抵消了气隙磁阻对低频下限的提升 以上的抬升仍然没有使低频下限截止频率脱离可用的范围 但当气隙比较大 0.05 mm 改进型穿芯传感器的低频下限也将不能满足要求 对穿芯式传感器磁芯材料的要求是高导磁率和对温度 时间的稳定性 非 晶合金与纳米晶合金是理想的材料 降低 由于改进型穿芯式传感器对磁芯的要求大大 实验和仿真 但是铁氧体磁 可以加工出啮合面光洁度非常 理论上讲用易得到的铁氧体磁芯材料也可以获得很好的效果 同时磁性性能不变 这是铁氧体材料的一个优势也都验证了这一点 由于铁氧体磁芯制造的特点 高的开口磁环性性能随使用时间的增加会有少许降低 改进型传感器电路保证了这样的少许降 低不会对最终性能造成实际影响 因而 本文的研究主要采用铁氧体材料313 前端机硬件电路设计３　前端机硬件电路设计　 　３．１　概述　前端机是监测系统的核心部分 底层软件开发息息相关 出模块 GPRS 通讯模块 在本系统中 前端机结构及硬件电路设计的好坏直接关系 同时也跟前端机的 程控 前端机主要由传感器电子电路模块 到泄漏电流信号处理的正确性以及整个监测系统的成功与否增益放大电路模块 信号处理模块 AD转换保持模块 串口通信模块 DA转换输 自动复位模块 太阳能供电系统模块等主要部件组成 由于传感器 前端机是一个以C芯片为核心的系统装置 其工作原理如下 泄漏电 流传感器的电流信号经过传感器电子电路模块的变换得到电压信号 电流信号幅值跨度很大 从几十 ?A 到几百mA 所以基于一般固定增益型的运放是无法将电流信号放大到合适的范围之内的 如果增益过高 则运方输出饱和 无法得到放大波形 如果增益过低 则 ?A 级的电流信号根本无法被检测到[37] 为 了解决这个问题 作者运用了可控增益运放 根据信号幅值大小时实变换增益 然后运放输出 此信号被送入到单片机 单片 从而将几十 ?A 到几百mA之间的所有信号都能够很好的放大出来 信号通过信号调理电路得到一个适合单片机采集的信号 进行AD转换 得到泄漏电流的峰值 有效值等数据 得到我们所需的高频脉冲信号并进行计数同时该系统还运用滤波电路 然后通过无线通信网络传 该系统的该数据可以作为污秽判据之一机计算得到的数据通过UART串口传输到GPRS 模块中 装置的缺点 而只需要网线输到变电站的监控主机上 GPRS 通信手段的利用也去掉了在接收端需要安装接收 更方便了用户的使用同时也降低了成本 电源由太阳能提供 首先是太阳能电池板通过充电控制电路对蓄电池进行充电然后由蓄电池给系统提供电源 由系统的电源电路得到系统所需的各等级的电压 监测系统前端机的结构组成图如图3.1所示　 ３．２　Ｃ８０５１Ｆ０２０最小系统设计　３．２．１　ＣＰＵ简介　C是完全集成的混合信号级芯片 器内核 CIP 51与MCS 51指令集完全兼容 CIP 和编译器进行软件开发[36] 使用Cygnal的专利CIP 51微控制 包括3个 可以使用标准的803/805的汇编器51内核具有标准8052的所有外设部件16位的计数器/定时器 一个全双工UART 256B内部 RAM空间 128B特殊功能寄33重庆大学硕士论文存器 器 口SFR 地址空间及8个8位的I/O 端口 可编程增益放大器2F020中的外设和功能部件包括模拟多 电压比较器 PCA 电压基准 定时器 温度传感 数字I/O 端路选择器ADCDACSMBus/ I CSPI 可编程计数器/定时器阵列图3.1 前端机结构框图 Fig.3.1 the structural diagram of terminal machine电源监视器 CIP 而对于CIP看门狗定时器WDT 和时钟振荡器等具有内置的FLASH程序存储器和256B的内部RAM 51采用流水线结构 与标准的8051相比 指令速度有很大的提高 在一 51内核 70 的指令的执行时间为 1个或2个系统时钟周期 只有4条 个标准的8051中 除MUL各DIV以外的所有指令都需要12个和24个系统时钟周期 指令的执行时间大于4个系统时钟周期 CIP-51具有最大系统时钟频率25M 此时其峰值速度达到25MIPS 图3.2给出 了几种8位微处理器内核工作在最大系统时钟频率时峰值速度的比较关系343 前端机硬件电路设计图3.2 MCU峰值执行速度比较 Fig.3.2 The peak speed value comparison of MCUC与标准8051相比 性的改进 提高了整体性能在CPU内核的内部和外部还作出了几项关键 标准8051只有7个 允许大量的 却有更高更方便使用 中断驱动的系统需要较少的MCU干预扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源 模拟和数字外设中断微控制器 的执行效率 钟丢失检测器 在设计多任务实时系统时这些增加的中断源时非常有用的 一个软件强制复位 CNVSTRMCU可有多达7个复位源 一个片内VDD监视器 一个看门狗定时器 一个时 一个由比较器0提供的电压检测器 /RST引脚是双向的 引脚及/RST引脚 由用户软件禁止 需要 可接受外部复位或将内部产生的上电复位 每个复位源都可以 如有信号输出到/RST引脚除了VDD 监视器和复位输入引脚以外更加保证了系统的稳定性和可靠性 在复位后被默认为系统时钟 节电 外部晶振源运行 这种时钟切换功能在低功耗系统 当需要时MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器 时钟源可以在运行是切换到外部振荡器 它允许MCU从一个低频率 中是非常有用的再周期性地切换到高速的内部晶振 C 具有标准的 8052 的程序和数据存储空间配置 其 次 还提供 64KB 空 间 的 外 部 数 据 存 储 器 接 口 作为非易失性数据存储器使用 包括 256B的数据 RAM 同时还具有位于片内的外部数据存储器空间的4096B的RAM块 XRAM 在一个连续的存储空间内 其中有128B的扇区可以 CKB的可在系统编程的FLASH存储器组织３．２．２　最小系统设计　C单片机本身具有非常丰富的片内资源358个8位的数字I/O 引脚片重庆大学硕士论文内具有9通道及100Ksps的12位ADC 2个12位的电压型 DAC 以及定时器 可编程 计数器/定时器阵列 PCA 全双工的UART等等丰富的片内资源使得单片机的 甚至无需配置过多的外围接口芯片 本采集系 控制信号输出以及模拟信号输入非常简单 统的最小系统如图3.3所示 基础时钟模块的外部振荡器工作在低耗模式 率 为了系统运行的稳定性 /RST引脚的外部复位电路 CPU电源采用数字 和电解电容并联的方式 进行程序下载 上电复位信号输出到/RST引脚 除了引入了丰富的软件复位外 /RST引脚是双向的[39]而只要将丰富的端口引脚在电路板上连接出来就可满足本系统要求[38]外接22. 1184MHz晶体振荡器作为ADC0的时钟源 用于精确的控制采样频率 定时器的延时及串口通信的波特 还在电路上增加了可接受外部复位或将内部产生的模拟分开供电电源连接接地点的旁路电容采用担电容减少了噪声的影响 其各管脚定义如下:图3.3中的JTAG接口 是为了实现侵入式在系统调试而留的端口 用户通过它 实现CPU仿真调试功能 TD0:测试数据输出 流从这个引脚输出 TD1::测试数据输入 TCK:测试口时钟 TMS:测试模式选择 的方向 通过它可以将由命令或数据转换成的串行位流输入测试 提供测试逻辑单元用来交换数据的同步时钟 与TCK配合控制测试访问口状态机的状态 决定数据流 逻辑单元的控制/命令寄存器或边界扫描寄存器 由标示寄存器或引脚状态捕捉寄存器移位出来的串行位363 前端机硬件电路设计图3.3 最小系统设计电路图 Fig.3.3 The min-system circuit of C　　 ３．３　ＧＰＲＳ通信电路设计　前端机处理得到的泄漏电流大小 有效值 环境温度 湿度等现场数据都是 通过单片机的串口与GPRS 通信模块实现时实数据传输 然后通过该模块传送到监 控中心的 本系统利用中国移动通信的GPRS 网络作为通信媒介 利用它不但可以 将数据以短消息的形式发送到监控中心 形式通过Internet网络传输到后台监控中心 而且还可以发送电子邮件或者数据包的 　３．３．１　ＧＰＲＳ通信技术及网络结构　GPRS 技术是第二代移动通信技术 动分组数据业务 GSM技术 向第三代移动通信技术 3G 的过渡技术 它是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的 是一种基于GSM的移 面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接[40]37重庆大学硕士论文GPRS 是一项无线高速数据通信新技术它以分组交换技术为基础用户通过GPRS 可以在移动状态下使用各种高速数据业务 给移动用户提供高速无线IP和X.25服务包括收发E-mail 进行Internet浏 每个用户可同览等 GPRS 是一种新的 GSM数据业务 在移动用户和数据网络之间提供一种连接 GPRS 采用分组交换技术 时占用多个无线信道 同一无线信道又可以由多个用户共享 资源被有效的利用 GPRS 技术的理论最大通信速率可达171.2Kbps 这样速度几乎能让无线上网达到公 网ISDN Integrated Services Digital Network 综合服务数字网 的效果 实现 随 身 携带 互联网 利用GPRS 网络 数据实现分组发送和接收23用户永远在线且按流量计费 ? ?大大降低了服务成本GPRS 网络技术的特点主要体现在 线资源的利用GPRS 采用分组交换技术 能够高效传输数据和信令 优化了对网络资源和无 定义了新的 GPRS 无线信道 且分配方式灵活 每个 TDMA 帧可分配 1 到 8 个 无线接口时隙 时隙能为活动用户所共享 且向上链路和向下链路的分配是独 立的? 支持中 高速率数据传输 它可提供 9.05 用户而言 ? GPRS 网络接入速度快 据通信协议的应用 到多点服务171.2Kbps 的数据传输速率 对单个 它支持基于标准数提供了与现有数据网的无缝连接 X.25 网互联互通 如远程信息处理可以和 IP 网支持特定的点到点和点 GPRS 也允许短消息业以实现一些特殊应用务(SMS)经 GPRS 无线信道传输 ? GPRS 的安全功能同现有的 GSM 安全功能一样 身份认证和加密功能由 SGSN 来执行 其中密码设置程序的算法 密钥和标准与目前 GSM 中的一样 不过 GPRS 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的 可通过 SIM 访问 GPRS 业务 的蜂窝 GPRS 移动设备 (ME)不管这个 SIM 是否具备 GPRS 功能? 蜂窝选择可由移动台 MS 自动进行 或者基站系统指示移动台选择某一特定 移动台在重选择另一个蜂窝或蜂窝组(即一个路由区)时会通知网络 它使用的方法是封装和隧道 ? 用户数据在 MS 和外部数据网络之间透明地传输技术 数据包用特定的 GPRS 协议信息打包并在 MS 和 GGSN 之间传输 这种 透明的传输方法缩减了 GPRS PLMN 对外部数据协议解释的需求 而且易于在 将来引入新的互通协议 效且可靠 ? GPRS 可以实现基于数据流量 费方式更加合理 业务类型及服务质量等级(QoS)的计费功能 计 用户使用更加方便38用户数据能够压缩并有重传协议保护数据传输高3 前端机硬件电路设计GPRS 网络是在现有的GSM网络中增加了GGSN Gateway GPRS Supporting Node GPRS 网关支持节点 和SGSN Serving GPRS Support Node GPRS 服务支 持节点 两个节点来实现的 原有的GSM系统中的绝大部件都不需要做硬件改动 只需进行软件升级 GPRS 采用与 GSM相同的频段 频带宽度 突发结构 无线调 制标准 调频规则以及相同的TDMA Time Division Multiple Access 时分多址 只是GPRS 网络的功能更加强 帧结构 可以这样说 GPRS 网络只是 GSM网络的一个升级 它是向下兼容的 在 GSM网络中具有的功能 大 更加丰富罢了 在GPRS 网络中同样存在 下面的图3.4是GPRS 的网络结构图GMSC(IP 网关交换机)MSC/VLR Gs MS Um BSS Gb SGSN GrHLR EIR Gf Gn Gc GGSN Gp Gi 数据网数据和信令接口 信令接口 图 3.4 Fig .3.4 SGSN GPRS 的网络结构 GGSNStructure of GPRS network从 GPRS 的网络结构可以看出 GPRS 系统主要由 MS(Mobile Station 移动台) BSS(Base Station System 基 站 子 系 统) MSC/VLR(Mobile-Service Switching Center/Visitor Location Register 移动业务交换中心 /拜 访 位 置 寄 存 器) HLR(Home Location Register 归属位置 各部分的作用是SGSN(Serving GPRS Support Node GPRS 服务支持节点 ) GGSN(Gateway GPRS Supporting Node GPRS 网关支持节点) 寄存器) EIR(Equipment Identificatio n Register 设备识别寄存器) GMSC(Gateway Mobile Switching Center 移动交换中心网关)等几部分组成 MS 移 动 台 它是接入移动通信系统的电信业务设备 它是由移动设备(ME 它由基站收发信台(BTS Base Transceiver Station)和基 一个 BSS 的无线设Mobile Equipment)和用户身份模块(SIM Subscriber Identification Module)组成 BSS 基 站 子 系 统 口符合 GSM 08 系列建议 备可以覆盖一个或多个小区 MSC/VLR 站台控制器(BSC Base Station Controller)组成 它与移动业务交换中心(MSC)的接 负责在一定区域内和移动台通信 一个 BSS 可以包含一个或多个基站 MSC 的主要功能是协调移 动 业 务 交 换 中 心 /拜 访 位 置 寄 存 器39重庆大学硕士论文去 GSM 系统或来自 GSM 系统的呼叫它主要由交换机及支持呼叫所需的几个数据库组成 它还是 GSM 网和公共交换电话网 PSTN(Public Switched Telephone Network)之间的接口 并且完成由 MSC 负责区域移动用户所有的交换和信令功能 VLR 包含所有当前在服务 MSC 中的移动用户的有关数据 这些数据包括 当前已 激活的特定 临时用户识别号(TMSI,Temporary Mobile Subscriber Identity) 和移动台 在网络中的准确位置 以完成 用户鉴权 位置区域识别号 MSC 在处理入网出网呼叫时需要查询 c. 用户登记 d.移动台去话 e. 固定网就通过关口 VLR 中的有关信息 一个 VLR 可以负责一个或若干个 MSC 区域 通过 VLR 可 a.用户数据的存储 b.用户数据的检索 f.提供移动用户漫游号 (MSRN Mobile Subscriber Roaming Number)g.VLR 的恢复为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由MSC(GMSC Gateway MSC) 由该 GMSC 查询有关的归属位置寄存器 HLR 并 建立至移动台当前所属的 MSC 的呼叫路由 SGSN GPRS 服务支持节点 它是为移动台 它是 GPRS 骨干网与无线接入网之间的接口 在激活 GPRS 业务时 SGSN 建立起一个 MS 提供业务的节点移动性管理环境 包含关于这个移动台 MS 的移动性和安全性方面的信息 SGSN 的功能包括 a.将分组交换到正确的 BSS 建立数据到相应 GGSN 的路由 b.对移 动台的加密 认证 移动性管理和逻辑链路管理 c.提供到 HLR 等数据库的连接 支持计费数据收集和话务管理 SGSN 的工作过程是这样的 接入外部数据网络的 节点 对于外部网络 它是一个子网路由器 GGSN 接收 MS 发送的数据 选路到 相应的外部网络 道 节点 或接收外部子网的数据 根据其地址选择 GPRS 网内的传输通 传给相应的 SGSN GGSN GPRS 网关支持节点 数据网接入 入点 它是外部数据网与 GPRS 核心网之间的网关 Packet Data Protocol)地址被分组 并根据该信息 GGSN 通过配置一个分组数据协议 (PDP它存储属于这个节点的 GPRS 业务用户的路由信息将分组数据单元(PDU Packet Data Unit)利用隧道技术发送到 MS 的当前的业务接 即 SGSN GGSN 可以经 Gc 接口从 HLR 查询该移动用户当前的地址信息 GGSN 主要是起网关作用 它可以和多种不同的数据网络连接 如 ISDN LAN 等 GGSN 可以把 GSM 网中的 GPRS 分组数据包进行协议转换 从而可以把这些分组 数据包传送到远端的 TCP/IP 或 X.25 网络 用户进行鉴权和移动性管理 或反向工作 HLR 进行路由选择 收 BSS 透明传送来的 MS 数据 归属位置寄存器 GGSN 的工作过程是这样的 对 MS 接 建立 MS 到 GGSN 的传输通道进行协议转换后通过 GPRS 骨干网传送给 GGSN 它是用于移动用户管理的数据库 从逻辑上讲并进行计费和业务统计每个移动网有一个 HLR HLR 所存储的用户信息分为两类 一类是一些永久性的403 前端机硬件电路设计信息 数等例如用户类别业务限制电信业务承载业务补充业务用户的国际移动用户识别码(IMSI International Services Subscriber Identify)以及用户的保密参 另一类是有关用户当前位置的临时性信息 a. 用户数据的存储 d.用户鉴权 设备识别寄存器 监视 例如移动用户漫游号 (MSRN 它主要完 c. 提供移动用户漫游号 EIR 实现 Mobile Subscriber Roaming Number)等 成的功能有 MSRN EIR e.用户登记 闭锁等功能 用于建立至移动台的呼叫路由 f.移动台去话 g.HLR 的恢复b. 用户数据的检索它是存储有关移动台设备参数的数据库 以防止非法移动台使用对移动设备的识别 公共陆地移动网 实体GMSC 移 动 台 交 换 中 心 网 关它是不同 PLMN Public Land Mobile Network网络之间以及 PLMN 网络与其它网络之间实现互联互通的接口３．３．２ 通信电路模块 ＥＴＰＲｏ２２１ Ai 及接口　随着GPRS 模块的出现 TCP/IP的支持 就是说 GPRS 产品在数据传输领域的应用日益广泛 但普 通的GPRS 模块在使用时有些局限性 它没有内嵌TCP/IP 协议栈 需要用户提供 有时甚至超过了应用本身的工作量 它内嵌了TCP/IP 协议栈 并简化了需要在使用GPRS 模块的上位机统中嵌入 TCP/IP 对于普通的MCU 系统这是一个复杂而繁琐的工作 对于本课题来说 要 作者选用了倚天科技的ETPro系列产品基于提供一种简便实用的GPRS 通讯解决方案更加切合实际需 同时又屏蔽了MC35i 的复杂接口接口设计 它完全兼容MC35i的所有AT命令集 方式和接口协议栈取而代之的是通用的RS-232 接口或者RS-485 接口或TTL 电平接口 使用简单的AT+i 命令交互界面 并且提供了更方便的电源接口 现场单 元使用的通信模块是ETPRo221 Ai 它不但可以接收和发送短消息 而且还可以实 现与Internet网络的互联 实现电子邮件等功能[41] 当电话振铃 6 声时 它的主要特点如下 系统自动复位 ? 采用单一的 5V 电源供电 ? 增加电话远程复位功能 实现与 Internet 的互联 ? 高度集成 GPRS 和 TCP/IP 技术 ? 支持多种 TCP/IP 协议 机对产品进行参数设定 跳功能 保持链路畅通 设计时可以连接标 将互连网和无线网络有机的结合起来 DNS PPP 等. 可用 IE 浏览器和手 TCP UDP 软件升级 ?GSM 天线采用标准 SMA 天线接口 可以直接连接棒状天线或辫状吸顶天线?基于 WEB SERVER WAP 和短信息的远程维护功能 远程复位?支持 ALWAYS ONLINE 永远在线 模式 断线重拨和基于 PING 模式的心 ?提供标准的 RS232 电平 RS485 电平 语音和电源接口41重庆大学硕士论文准的串口线 ? 提供透明传输和非透明传输两种}