安全监测装置（精选7篇）
安全监测装置 篇1
摘要：为避免变电站运行人员、检修人员工作时无法与带电设备保持足够的安全距离而造成人员伤亡事故, 设计了一种基于单片机的安全距离监测装置, 笔者针对基于超声波原理的安全距离监测装置提出了在0.2500 cm范围内实现准确测距的方法, 该方法可对220 k V及35 k V系统的架空设备进行有效测距, 测距的稳定性和准确性达到了100%, 具有可靠性较高、实用性强、经济性强等优点。
关键词：安全距离,超声波测距,变电站安全距离监测装置
变电站是电力网的枢纽, 更是电力系统的重要组成部分。变电站是用于变换电压、接受和分配电能、控制负荷流向和调整电压的电力设施, 是联系发电厂、电网和用户的中间环节。
由于变电站起着变换电压的作用, 因此有多个不同的电压等级。对于不同电压等级的带电设备应有相对应的安全距离, 如果人体与带电设备无法保持足够的安全距离, 带电设备就会向人放电, 极有可能造成严重的后果。
《国家电网公司电力安全工作规程 (变电部分) 》规定了设备不停电时的安全距离为:10 k V及以下为0.7 m, 20 k V和35 k V为1 m, 66 k V和110 k V为1.5 m, 220 k V为3 m等。如果检修和变电运维人员在工作中能实时监测人与带电设备实际距离, 在实时距离小于安全距离时, 就能及时发出警报, 这样就会避免危险的发生。
1 超声波测距原理
声波每秒钟的震动次数称为声音的频率, 单位为Hz。在自然界中, 人们能听到的声波频率主要集中在20~20 000 Hz这样一个区间。如果声波频率大于20 000 Hz则称为超声波。超声波具有传播距离远、方向性强和能量衰减缓慢的优点, 但超声波也有很大的缺点, 例如其传播速度受介质材料、温度、湿度、压强等的影响很大。
超声波测距原理基于回声效应。超声波探头发生器不断发射40 000 Hz的超声波脉冲, 遇到障碍物后就会不断地反射回来, 接收器接收发射回来的数据后, 通过时间差来计算发射点与障碍物之间的距离。
基于单片机原理的超声波测距方法, 从超声波传感器第一次发射超声波时开始计数, 当检测到超声波的第一次回波信号后计数器停止计数, 两次的时间差与声速相乘即可得到超声波往返一次走过的距离, 计算公式为
式中:S为发射点与被测物之间的距离;v为声波在介质 (这里特指空气) 中的传输速度;t为超声波从发射开始到返回结束的总时间间隔[1]。声波在介质中的传输速率为
其中, 声音在空气中传播的速度并不是一直不变的, 它随温度的变化而变化, 这里T为绝对温度, 计算得到v0= 331.45 m/s。
由于可以精确地测出n次脉冲时间值, 所以假设单片机发出每次脉冲时间为T机, 则有t =n T机, 则测得的距离为
2 超声波测距硬件的设计
图1 为超声波测距系统结构框图。单片机MCU使用STC11F/L04, 它是整个系统的控制部分, 负责统筹各部分电路的协调工作。该系统由单片机主控电路、超声波回路、温度补偿回路、数码显示管电路以及蜂鸣器声音报警回路等组成。系统使用频率为11.059 2 MHz的晶体振荡器 (简称晶振) , 接线方式为:模块TRIG接P3.5, ECH0 接P3.7;数码管接线方式为:共阳数码管P1 接数据口, P3.2, P3.3, P3.4 接选通数码管。
选用HC-SRO4 型超声波探头, 其特点是收发采用 “一体式”结构, 发射频率为40 000 Hz超声方波。脉冲发射时会打开定时器T0 进行计时, 发射后会有1 ms的等待, 然后再打开外部中断INT0, 等待回波反射到超声波的接收探头。等待1 ms的原因是发射探头发射的超声波一般都会存在余波干扰, 有部分超声波会直接传到接收探头上, 经接收电路放大后, 系统就会把它误认为是检测到的回波信号, 发射后等待1 ms可以避免检测到余波信号, 这样可避免出现测量盲区[2]。
超声波发射与接收电路采用专业集成电路, 具有很高的灵敏度和抗干扰能力, 可以满足接收电路的要求。同时, 使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰, 减小电噪声。由于超声波的传播速度受温度、湿度、压强等各个方面的影响, 其中温度影响最为严重, 因此为了提高测量精度, 减小误差, 在试验时使用了温度补偿电路对声速进行校正, 从而消除温度对声速的影响。在该变电站安全距离监测系统中, 为了使现场工作人员能够及时准确地读出距离值, 使用了一组LED数码管, 通过数码管将距离实时地显示出来[3]。
3 超声波测距软件的设计
软件设计程序采用标准化的模块式设计, 由主控制程序、声速 (测温修正) 程序、距离计算程序、蜂鸣器报警子程序、数码管显示程序及时间计数程序等组成。超声波测距的计算程序为
如果用的晶振不是11.059 2 MHz需要修改该参数。例如:12 MHz为S= (time*1.7) /100;每次计数时间T=1/MCU, 计数器计数CLOCK STC11F/L04, 计数器计数CLOCK:晶振频率/12, 不同MCU不一样, 注意需要修改。例如:MCU如果为STC11F04E及3.3 V的单片机, 设晶振频率为11.059 2 MHz, 则计数CLOCK =1/ (11.059 2 MHz/12) =1/ (0.921 6*1 000 000) =1.095 77 μs。实际距离为声波路程的1/2, s =1/2vt =1/2*340* (TH0 +TL0) *1.095 77 =186.3* (TH0+TL0) )
if ( (S>=700) ||flag==1) // (解释:当测量结果超出测量范围时显示 “-”)
系统进行工作的主要程序为
4 实验结果
检修人员或者运行维护人员在进行工作前, 使用该装置可对不确定安全距离的导线或者设备进行测距, 在取得精确测距结果后, 可在现场采取相应的安全措施或者重新设定工作计划。经过反复试验与现场验证, 变电站安全距离监测系统可以在0.2~500 cm范围内实现准确测距, 能对220 k V, 35 k V系统的架空设备进行有效测距, 测距的稳定性和准确性达到了100%。该系统具有可靠性较高、实用性强、经济性强等优点。
5 结束语
变电站作为电力生产的主要场所, 其安全问题一直都是各个电力公司所关注的重要问题, 如何让检修人员、运维人员安全快捷地工作, 成为各电力公司亟待解决的重要问题。由于设备的故障检修始终无法脱离人工维修, 因此很难保证绝对安全。该系统以超声波测距原理为基础, 应用STC系列单片机, 能够快捷、稳定地实现对带电设备的距离测量, 同时加入实时监控报警功能, 大大增加了现场工作的实用性和可靠性。
参考文献
[1]杨基慧.倒车雷达系统的研究与设计[D].长春:吉林大学, 2012.
[2]吴琼, 封维忠, 马杰.汽车的倒车雷达系统设计与实现[J].电子技术应用, 2009 (9) :191-194.
[3]吕强.变电站带电设备安全距离监控报警系统[J].科技创业家, 2013 (5) :129.
安全监测装置 篇2
1 触断叉
1.1 分布
根据触断叉安全检测系统的特性和索道特性, 触断叉均分布使用在的沿途支架上。所有支架安装了触断叉来进行检测, 安装位置在支架轮子的挡板侧上下方。玉屏索道作为早期建成使用的循环脱挂挂抱索器索道, 站内有部分检测点也使用了触断叉, 站内主要分布使用在站口处的抱索器行走路线上, 另外还使用在驱动轮迂回轮的紧急轴承处和轮缘处。
1.2 作用
1.2.1 在支架上使用的作用:
监视索道缆绳在支架轮组上运行情况。当索道支架出现脱索情况时, 在重轮或重挡板的重力作用下, 侧板倾斜撞断触断叉, 触发安全检测系统动作, 索道立即工作停车。
1.2.2 在站内使用的作用:
(1) 监视抱索器在进出站口时抱索器的位置情况, 例如正向抱索器检测; (2) 驱动轮和迂回轮上用于监测两轮的位置情况。在云谷索道, 这些位置上已使用各种行程开关来替代触断叉。
各种位置上使用的触断叉就是用来监视被监视部件活动情况, 被监视部件都必须在规定的范围内运动, 如果超出范围就会打断触断叉, 触发检测系统。
1.3 触断叉的工作原理
图1是触断叉在支架上的接线图, 30S1、30S2、30S3、30S4为触断叉
图2左图为电源供电接线图, 右图为信号接受接线图
图1和图2整体构成一个电路回路, 电源提供24V电压, 经过支架电缆和触断叉, 继电器80K3接受电压并转换成控制信号, 主控系统通过接受信号控制索道运行。其中每个支架对应一个电路回路, 支架上的触断叉为串联连接, 出现故障时就会显示出对应的支架。触断叉具有硬、脆、导电、防锈等特性, 受到撞击后断裂, 断开电路回路。触断叉大多使用在支架上, 裸露在外, 环境潮湿, 使用环境恶劣。但不易生锈损坏, 一般震动不会被折断。触断叉的这些特性保证索道在运行时检测系统的稳定, 不易产生误动作。
2 RPD
2.1 分布及功能
RPD系统全称为Rope position detection system。将接近开关安装在轮组间对托、压索轮组上的运载索位置执行监控, 用以监测运载索与托、压索轮组间的偏移, 向安全PLC (PSS) 传送绳位位置相关信息, 使PSS根据绳位信息对安全回路做出快速反应, 限制速度或紧急停车, 保障乘客及设备安全。
RPD系统由安装于线路支架上的接近开关串联接至控制柜的PSS, 接近开关由两个感应传感器组成, 分别检测运载索的偏移 (AOC signal) 和脱索 (SRA signal) 故障。
2.2 工作原理
图3为RPD系统的接线框图, 在RPD系统安装测试完成后, PSS的程序首先对线路上的所有传感器进行初始化, 将所有传感器按照支架顺序沿上行侧入绳→上行侧出绳→下行侧入绳→下行侧出绳的次序进行地址分配, 每次开机自检时PSS从最高地址开始, 逐一输出SIN脉冲信号对所有传感器检测, 当检测到某个传感器损坏时, PSS可以根据相应地址计算出是第几号支架的第几个传感器不良, RPD系统故障信息便显示此传感器故障。在此故障未被排除之前, RPD系统将停止工作, 索道也无法正常启动。
当RPD系统正常工作以后, PSS始终以25ms的时钟周期工作, SRA信号及AOC信号分别如图4, 使用这种脉冲信号的优点是当传感器的线路发生接地或与24V电源相接时PSS也能检测出故障。SRA和AOC信号周期设为425-450ms范围内可以减少因运载索的抖动而导致的误动作, 当PSS在450ms内未检测到正确的SRA脉冲, 两个时钟周期后SRA信号未恢复, PSS立即发出紧急停车的指令。同样PSS在450ms内未检测到正确的AOC信号, 两个时钟周期后AOC信号未恢复, PSS也会发出减速到低速2的指令, 直到AOC信号正常系统才允许加速。这样通过这套绳位检测系统既能更可靠地起到防脱索保护效果, 与U形针相配合, 又可以有效减少误判故障。
3 小结
单线循环脱挂抱索器式客运索道由于其具有运量大、乘坐舒适、上下车方便、候车时间短等优点, 最近几年发展特别迅速, 但由于脱挂索道在线路上的运行速度高 (5-6m/s) , 因此对运载索线路的监控就显得尤为重要。捕索器和U形针开关能够有效地监控运载索的脱索故障, 并与站内电气连锁安全电路联接防止故障的进一步扩大, 但它在故障前期监控及事故预防方面就显得微不足道了。而RPD系统正好弥补U形针的此项不足, 它能对运载索轨迹、支架形变、托压索轮位置及轮衬形状等一系列与线路有关的装置进行有效监控, 保证运载索始终处于正确的位置。
参考文献
[1]多贝玛亚.黄山云谷索道电气说明[R]
非侵入血糖监测装置 篇3
生物电阻是生物组织或机体对外部弱电流的反应, 体现了活生物体的电特性。研究显示, 血液中的血糖含量会影响血管电阻, 当血糖水平发生变化时, 血管的生物电阻也会随之改变。根据这一现象, 以色列BIG公司开发出一种非侵入式血糖监测装置, 通过测量生物电阻的变化来监测患者的血糖。该监测装置的外形酷似一只手表, 患者戴上后, 它能通过皮肤向手臂发送弱电流, 并测量皮下血管的反应, 分析对比血管生物电阻的变化, 即可了解血糖状况。
目前市场上的血糖监测设备大多是侵入式的, 不可持续地监测, 只能获得血糖水平和相关生理过程的部分信息, 患者难以凭借这些信息采取预防措施。该监测装置具有非侵入、能主动、持续、数字化等特点, 可实现“全天候”监测, 为糖尿病防治提供了新的手段。
温度监测与报警装置设计 篇4
设计的该项“温度监测与超限报警装置”能满足绝大多数冷库的改造, 以符合法规认证的要求。
同时该装置也适用于-10~80℃温度范围内实验室、冷库、冷柜、机房、老化房、建筑材料等环境的温度监测与超限报警。
1 项目需求与关键性能指标
供电方式:交流220V供电, 装置供电与冷库供电需独立
温度监测范围:-10~50℃ (≤精确度1℃)
温度采样时间间隔不大于1min
温度传感器:热电阻或铂电阻
温度显示:装置可显示温度值
温度记录方式:温度实时记录, 并通过RS232端口实现远程PC监测
报警条件:超过预设温度上下限时报警
报警方式:声光报警
外部接口:可接驳消防控制系统或者多点报警
带报警延迟功能
可同时监测3~6台设备或温度点
便于现场安装固定
2 设计思路与方案选型
2.1 设计思路 (如图1所示)
(1) 选用模块化温控仪, 需具备三种功能:温度值显示;温度上下限设置;超限报警控制
(2) 温度传感器将采集到的温度信号传送给温控仪, 温控仪实现当前温度值数字显示
(3) 温控仪与PC连接, 实现温度值的适时监测显示
(4) 温控仪当检测到温度值操作设定上下限值时, 给出“报警控制信号”
(5) 报警控制器接收到“报警控制信号”后, 控制声光报警器报警
(6) 通过外部端口, 可实现多个温控仪输入和多个远程报警器
2.2 设计方案与温控仪的选型
2.2.1 设计方案一
设计说明:
1) 温控仪选用“OMRON E5C2系列工业温控表” (见附件一)
2) 每一个设备 (温控点) 使用一套温控装置, 可以直观显示当前温度值
3) 一台电脑监测多台温控仪 (需采用RS-485接口) , 利用labview自编软件, 在一个窗口监测多个温控点
4) 当任一套温控装置温度超标时, 现场装置声光报警, 同时通过“报警控制集线器”控制保安岗亭的声光报警器进行报警提醒。
2.2.2 设计方案二
设计说明:
1) 选用的“泽大ZDR-31b智能温度记录仪”温控仪需具备可同时监测3路温度传感器 (见附件二)
2) 通过一台电脑监测6路温度传感器, 或者两台电脑分别监测3路传感器, 借用购买的仪器配套软件实现温度适时监测
3) 当任一套温控装置温度超标时, 通过报警控制集线器控制现场和保安岗亭的声光报警器同时进行报警提醒。
2.2.3 设计方案对比与方案确定 (如下表1)
1) 设计方案一:
优点:现场温度查看、温度报警区域识别更直观, 自行开发软件可更加人性化
缺点:硬件成本高, 人力投入工作量大
2) 设计方案二:
优点:硬件成本低, 人力投入工作量小
缺点:温度超限报警后, 需查看温控表确认报警区域
3) 在满足设计需求的基础上, 从易于实现和成本角度, 最终选择“设计方案二”。
3 详细设计报告
3.1 设计原理 (如图4所示)
3.2 温度控制仪参数说明
型号:ZDR-31B
生产厂商:杭州泽大仪器有限公司
技术参数:
测量范围:温度:-40~100℃
测量精度:温度:±0.2~0.5℃
记录容量:7420~30900组
记录间隔:2s~24h连续可调
通讯接口:RS-232
功能说明:
(1) 全程跟踪记录温度数据, 记录时间长 (15min记录一次数据, 可记录长达3个多月甚至更长的时间) 。
(2) 整机功耗小, 使用锂电池供电 (也可采用外接电源供电) , 电池寿命可达一年以上。
(3) 记录实验室、冷库、冷柜、机房、建筑材料等环境中的温度参数的变化, 可以随时记录下载, 下载的数据可以做成WORD或EXCEL文档, 方便研究或上级单位的检查。
(4) 软件有中英文两种版本, 可任意选择, 英文版具有国际通用性。
(5) 软件功能强大, 显示整个过程的最大小值及平均值, 数据查看方便。
(6) 可另配数据拼接软件, 将每次下载的数据曲线连接成完整的曲线。
(7) 记录时间间隔从2s~24h任意设置。
(8) 体积小, 操作简单, 性能可靠 (适应恶劣环境, 失电时不丢失数据) 。
(9) 可由自己设定温度的上下限;超限, 报警器自动报警 (报警器可放在办公室或值班室) 。
接口定义:
(1) 串行输出端口接口定义
输出接口:DB9公头
(2) 报警器输出端口接口定义 (参照下图所示)
温度记录仪内部CPU控制信号通过一个mos管驱动输出, 需要外部提供电源。电源输入端串接一个二极管作为电源保护。Vin电压取值公式如下:
Vout=Vin-VD (VD≈0.5V)
根据自带的报警器推荐control output (Vout) 信号在3.2V左右, 故选用3.7V电源输入。
3.3 报警控制集线器的设计
3.3.1 报警控制集线器设计要求
1) 提供3.7V电压输出, 电流>100m A
2) 可提供2路及以上“温度控制仪”报警控制信号接口
3) 可输出2路及以上报警开关控制信号 (控制电压AC220V, 电流500m A)
4) 具有自检功能
3.3.2 报警控制集线器原理图设计
1) 电源原理设计说明
LM317器件性能参数:
(1) 输入电压12~30V
(2) 输出电流超过1.5A
(3) 输出电压在1.2V和37V之间可调
典型应用与器件取值:
根据IC资料, 得到:
取:Vss=3.7V, R1=220Ω时,
算得:R2≈431Ω
故:R2取500Ω~2KΩ可调电位器均可
电路说明:
CB1和CB2是两个跳线帽, 用于电路调试, 检修使用。
C1和C2用作电源高频滤波, 减少网电源干扰。
2) 输入电路原理设计说明
ULN2003器件性能参数:
输入电压:Vin (ON) 2.8~24V (满足温度记录仪control output输入电压3.2V的需求)
Vin (OFF) 0~0.7V
输出电压=VCC:0~50V
电路说明:
R3、R4为下拉电阻, 在J2空置情况下, 保证U3 (ULN2003) 输入端处于低点位 (≈0V)
S1、S2为报警自检开关, 在开关闭合状态下, 模拟报警控制信号输入。
3) 输出控制电路原理设计说明
Omron G3R-202PN-DC12继电器参数说明:
额定电压:DC12V (DC9.6~14.4V)
绝缘方式:光电三端双向可控硅开关
适用负载:2A AC110~240V*2
电路说明:
D1、D3反向并联在继电器线圈两端, 用于提高继电器关断速度
R5、R6为D2、D4发光二极管限流电阻, 通常取300Ω左右, 电流在40m A左右。
ID= (VCC-VD) /R
4) 报警控制集线器PCB设计
Rule Followed By Router (布板规则)
Clearance Constraint (间隙) :40mil
Width Constraint (线宽) :40mil
因为J4端口控制的是AC220V电压, 继电器到J4端需要独立布线, 并且用热熔胶覆盖。
5) 报警控制集线器调试方案与测试结果
4 装置统调方案与测试结果
4.1 装配接线图
4.2 物料清单 (略)
4.3 装置统调方案与测试结果
5 总结
我的工作是设备维修与管理, 设备改造需要掌握扎实的电子、工控、机械等多方面的专业知识, 而尤其是电子技术的应用将有效地降低设备改造成本, “温度测量与报警装置”的设计有效地将电子技术和工控技术相结合应用, 为医院创造了效益, 深受临床科室的好评, 使我的工作更具专业性。
摘要：冷库应配有自动监测、调控、显示、记录温度状况和自动报警的设备。设计的该项“温度监测与超限报警装置”能满足绝大多数冷库的改造, 以符合法规认证的要求。同时该装置也适用于-1080℃温度范围内实验室、冷库、冷柜、机房、老化房、建筑材料等环境的温度监测与超限报警。
新型电力谐波监测装置的研制 篇5
在现代电力系统中, 大型的发电厂往往远离负荷中心, 发电厂发出的电能、一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心, 然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能作用的网络就称为配电网络。
配电网相对于输电网来说, 其电压等级低, 供电范围小, 但与用户直接相连.是供电部门对用户服务的窗口, 因而决定了配电网运行有如下特点和基本要求。
1) 随着铁路电气化和用户电子设备的大量使用, 配电网运行中有大量的谐波源、相电压不平衡、电压闪变污染等, 因而要求准确测量与计算配电网中的谐波分布, 采取效措施抑制配电网运行中的谐波危害;
2) 随着用户对供电可靠性和电压质量指标要求的提高, 仍靠人工操作已无法适应.要求现代配电网运行不断提高自动化、智能化水平;
3) 由于“电能”作为商品将进入市场竞争, 要求各电力公司能降低配电网运行的线损和年运行费用, 提高运行的经济性, 从而降低配电成本, 同时.积极协助用户优化用电计划、节约用电。推行战略节电和战略负荷开拓等积极措施, 进一步提高对用户的服务质量。
2 本文的研究目的和意义
电力系统波形畸变并不是一个新的问题, 国内外己经研制成功的各种谐波测量分析使用的仪器性能和测试目的大致分为三类:一是用于谐波日常监测工作的监测仪或报警仪, 该类仪器测试功能简单, 但是精度不高;二是专门测试谐波用的高性能谐波分析仪和频谱分析仪;三是用于谐波和其他电能质量综合测量的分析仪。上述谐波监测仪器分析原理大多基于快速傅立叶变换, 工作过程大致为:被测信号经采样/保持、AD转换、计算机傅立叶计算输出结果。但同时, 现有的谐波监测产品也存在以下问题:
1) 处理功能相对较弱, 可扩展存储空间比较小, 运算速度较慢, 难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理, 不能完全满足电力系统谐波监测实时性的要求;
2) 功能较单一, 或是仅仅有采集、分析数据, 不具备远程通讯功能;或是具备采集、传输数据, 但自身无法实现数据的处理分析能力。而当今对谐波监测要求趋势是多样化, 多功能方向发展, 因此, 对具有集采集、分析、处理、远程传输功能于一体的这样的监测系统的需求就显得尤为必要;
3) 对于器件的选型, 不能完全做到性能和价格上的最优, 虽然有的产品直接引进了国外的技术模块, 功能强, 可是价格较高, 可维护性不强, 且不完全适合我国市场。此类产品如果保证了监测数据的准确和及时性, 则价格将会十分昂贵;但同样的, 低廉的产品也是以牺牲了产品性能为代价的;
4) 有的产品无通讯和控制输出功能, 不满足电力系统网络化、自动化的发展方向。
3 本文所做的工作
基于工程实践, 故主要侧重点在系统的各部分功能实现上, 将从监测系统的硬件设计、软件设计、算法等角度进行研究, 并且以数据采集、监测为重点。主要完成下面的工作:
1) 对近几年国内外相关研究工作和科研文献进行了大量的查阅, 总结已有的谐波监测系统的优点, 并指出存在的不足;
2) 设计了监测系统的硬件和软件部分, 硬件部分包括信号采集、信号计量、信号分析、通讯等功能单元。软件实现功能包括电压、电流、相序、频率、功率等的计量, 数据通讯, 重点实现谐波的各次分析和谐波功率, 电能的计算。并针对现场环境中的干扰, 提出了软硬件抗干扰措施, 使系统更好的满足实时信号准确处理的要求。
3.1 谐波监测系统的设计
数据采集部分安装在配电变压器现场, 主要用于采集低压配电线路的各种信息;数据分析电路包括计量芯片和单片机, 电能计量芯片ATT7022B可直接测量:电压、电流的有效值、功率因数等参数, C8051F020则实现谐波分析和谐波电能计量功能;数据通讯部分将实现数据的远程传输。
监测系统的硬件设计原则围绕其功能进行, 同时要求遵循以下准则:
1) 合理增强软件功能
系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定, 提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量, 有利于监测和控制的实时性。相反, 提高软件功能的比例可以降低硬件的造价, 提高灵活性和适应性, 但相应速度要下降, 软件设计费用和所需的存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下, 系统功能尽可能用软件来实现。
2) 简化设计
硬件设计时尽可能选用集成电路, 这样有利于提高系统的集成度, 减少元器件之间的连线、接点和封装数目, 从而大大提高系统工作的可靠性。
3) 模块化设计
硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块, 尽可能选用模块化结构的典型电路。
4) 防干扰设计
测控单元工作现场环境比较恶劣, 在硬件设计时必须具体分析可能的干扰来源, 并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰, 以增强自身工作的稳定性。
3.2 谐波监测系统的性能指标
本系统对三相交流电压、电流能实现对现场电压电流数据的同步采样, 并能通过FFT数字信号处理分析得到基波和谐波的各参数值, 还要实现数据的远程通讯。本系统主要性能指标为:
1) 同步采集电网三相电压、电流信号;
2) 6路被测电网信号基本电力参数的实时计量, 包括:电流有效值、电压有效值、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、电压相位、电流相位;
3) 6路被测电网信号参数的实时分析, 基波和各次谐波分量的分解, 采用FFT变换完成包括:各次谐波幅值和相位的判定、第n (n=3, 5, 7, 11, ……21) 次谐波电压 (或电流) 含有量和含有率测量、谐波功率方向的判定;
4) 6路被测电网信号能量计算, 包括:基波电能计算、谐波总电能计算、各次谐波电能计算;
5) 具备远程通讯功能, 通过单片机C8051F020与RS232串口的连接与控制, 实现远程实时数据GPRS通讯。
3.3 谐波监测系统的构成及工作原理
从TV/TA (电压互感器/电流互感器) 上采集的六路电网信号经电压传感器和磁平衡电流传感器转换为低电压、小电流信号, 该传感器具有精度高、线性度好、响应快及过载能力强等特点, 可以最小失真转换原始信号。数据采集及前置单元:对传感器变送来的信号进行预处理, 主要是针对不同电压等级的芯片进行放大。信号分别送入C8051020和计量芯片ATT7022B进行数据处理。计量芯片的功能主要测量的是信号的电压、电流和谐波功率等数值, C8051020则是用于谐波分析, 包括谐波的次数, 谐波电压含量, 谐波电压的总谐波畸变率。且单片机也负责对GPRS数据传输的程序控制。当计量芯片和单片机之间的通过SPI接口进行数据交换后, 再通过RS-232串口连接到GPRS无线模块, 将数据打包, 通过GPRS空中接口接入到GPRS网络或Internet网络后, 送达数据监控中心。
4 结论
随着社会的不断的发展, 各种不同的用电负荷越来越多的接入电网中运行, 其中不乏大量的非线性负荷设备, 因为它们的存在, 谐波的危害也日益成为人们关注的问题。本文首先阐述了谐波的测量和分析对于电网质量分析的意义, 在介绍了国内外电力谐波监测发展现状后, 指出了现今谐波监测所采用的部分技术及其各自的优劣点, 综合考虑后选用了一种集AD转换器、多路开关、SPI通讯接口等为一体的新型单片机C8051F020和多计量功能计量芯片ATT7022B设计了一种集谐波测量、分析和远程通讯为一体的多功能谐波监测系统。通过研究工作, 主要取得了如下的成果:
1) 参与总体方案的设计、制定。工作包括从整个系统的器件选型到硬件、软件的设计、开发;
2) 系统用高精度、高集成、扩展性强的器件设计了信号采集、分析和通讯等硬件电路, 并加入了抗干扰措施。硬件电路结构简单, 稳定性强, 精度高, 扩展性强;
3) 设计了信号采集、分析和通讯等单元的软件功能实现。能实现对谐波达21次的实时在线监测分析。同时, 整个编程过程采用了模块化结构的设计理念, 使得软件的使用和调试方便快捷, 便于今后功能的扩展;
4) 本系统设计采用了低电压 (3.3V) 的设计方案, 绝大部分功能模块采用了低电压、低功耗的芯片, 降低了系统的功耗, 以满足低功耗的设计要求;
5) 使用C和汇编语言对AD采样、FFT计算、SPI通讯、GPRS通讯等模块进行了程序编写, 为今后的开发工作提供了良好的基础。
摘要：随着社会技术和经济的发展, 电网谐波的问题日益严重, 对电网和电力设备造成严重危害。由于电能质量要求的提高, 相应的谐波监测的重要性也显得尤为突出。所以, 研制一种集测量分析和通讯于一体的新型电力谐波监测系统, 具有极高的社会和经济效益。本文研究了国内外电力谐波监测系统的发展现状, 在总结其发展成果的基础上, 根据工程实际的要求, 提出了监测系统的设计方案。开发一种具有可编程、自动化测量、智能分析、数字通讯等功能为一体的谐波监测装置。它使测量过程及数据分析处理实现自动化, 减少人为失误。该系统能够实时监测配电网系统中的三相电压、电流、频率、功率、功率因数、谐波、谐波畸变率 (THD) 等基本电量参数, 并能通过单片机实时分析出各次谐波功率、电能和判定谐波源, 监测配电网系统的运行状态。
关键词：电网谐波,监测,单片机
参考文献
[1]全茜, 郑雪峰.基于GPRS的电力线路监控系统[J].计算机与现代化, 2005, 7:84-86, 89.
[2]张静.电力系统谐波分析与电能计量[D].沈阳工业大学硕士论文, 2006.
[3]张有顺, 冯井岗.电能计量基础[M].2版.北京:中国计量出版社, 2002.
[4]贺毅.高精度数字化测量算法在电力系统交流电参量测量中的应用[D].成都:西南交通大学, 2003.
[5]秦文华, 赵建平, 尹慧, 王其涛.电力载波抄表中电能数据的采集与存储[J].电子技术, 2006, 10:39-42.
电能计量装置在线监测技术研究 篇6
在电力系统中,电能计量装置是不可或缺的重要组成部分之一,其主要由多功 能电能表 和电能量 采集终端 组成。近年来,微电子技术的不断发展和完善,使得数模转换技术和集 成电路技术日益完善,这进一步加快了多功能电能表向智能化方向发展。同时,通信技术和单片机的应用,使电能表 的远程测量变为可能。电能量采集终端又被称为集中器,其与电能表是在线监测系统的主要组成部分。从目前的总体情况上看,集中器技术已经十分成熟,它能够对与之相连接的电能表进行数据抄读和存储,并将采集 到的电能 量数据传 送给计量 系统的前置机。
随着国民经济的快速发展,电力需求也 随之持续 增加,对电网建设提出了更高的要求。在此形势下,电网一次二次设备数量大幅度增加,电网覆盖面积逐步增大,供电量迅猛增长,直接导致电网计量设备规模与计量管理人员数量不匹配,增加了计量管理人员的工作量。与此同时,随着用电客户经济意识的逐渐增强,用电客户对电网计量装置的准确性要求也在日益提高。所以,电力企业必须加快计量管理信息化建设,彻底改变传统依靠人工抄表的守旧管理模式,积极推行电能计量装置在线监测技术,实现对电能计量的实时监控,提高电能计量的 准确性,减轻计量管理人员的工作量,提升计量管理信息化水平,从而推动电力管理步入市场化、规范化的运营道路,促进电力企业持续发展。
2电能计量装置在线监测系统的设计实现
2.1系统构成
系统采用的是目前最为流行的分层结构设计,整个系统共分为以下3层:(1)现场数据采集层。按一次设备对应分布式配置多功能电能表,将其安装在开关柜回路内,或集中安 装在电能表测控屏内,用于实时采集数据,并将数据通过通信 接口传输到电能采集终端。各个计量点的电能量信息均是 采集终端的采集对象,在信息采集完成后由电能量采集终端综合管理各项数据。同时,电能量采集终端还要负责传输、转发、执行主站下达的命令,使主站具备远 程维护功 能。(2)通信网络 层。该层是主站层与现场数据采集层的连接层,主要负责上下两层之间的通信连接、数据采集、数据转化、数据传输、协 议转换和命令交换,确保大量实时数据能够在汇集后高速传输,提高主站层获取监测信息的全 面性、准确性 和及时性。(3)主站层。该层主要由网络系 统、WEB应用服务 器、采集服务 器、数据服务器、外围辅助设备等部分构成,是电能计量在线监测系 统的信息收集与控制中心,既可通过GRS、PSTN、CDMA、以太网等远程通信信道采集和控制现场终端的信息,也可以对大量数据进行综合处理。
2.2系统的主要设备
(1)多功能电能表。其工作原理如图1所示。
由图1可知,被测电压u和电流i经计量用的电压和电流互感器转换后,会被送到乘法器M,并由M负责完成对电压与电流的瞬时值相乘,随后输出与一段时间内的平均功率成正比的U0(直流电压),在通过U/f转换器之后,U0便会被转换为脉冲频率f0(与平均功率成正比),然后将该频率进行分频处理后,计数器便会对一定时间内的频率进行计数,最终显示出 相应的电能量。
1)安装位置及技术指标。通常情况下,发电厂和变电站内涉及诸多计量点,如网损、线损、关口等,为了确保在 线监测功能的实现,上述位置处都需要安装电能表,其基础技术指标 应当符合表1中的要求。2)主要功能。发电厂和变电站内安装的多功能电表应当具备以下功能:失压和失流记录、电能计量、费率设置、结算时间、电量冻结、脉冲输出、通信接口、液晶显示和安全防护。如果是关口计量点的电能表,应当能够设置4个费率,即尖、峰、平、谷,费率时间可以进行分 段,每个时间 段与一种费率相对应。安全防护功能可以采取三级密码管理,具体如下:Ⅰ级,是指超级用户拥有更改用户名与口令的权限,以及设置所有功能的权限,可授予二级用户使用权限;Ⅱ级,是指设置用户,由超级用户授权分配用户名和初始口令,设置所有 授权功能,包括电能表抄读;Ⅲ级,是指校时密码,用于校对 表内时钟,每天使用1次,每次最多只能调整10 min。电能表出厂后必须立即采取有效的防护措施,避免软硬件校正电能表的误差,也就是说,电能表一 旦出厂不 可对其误 差进行再 次调整。为了确保电能表的安全使用,当连续5次输入密码错误时,电能表将自动锁定,时间为24h,在此期间,无法对电能表进行任何操作。
(2)集中器。在系统中,集中器主要负责电能信息的采集、数据传输与管理、转发 及下发控 制命令。其应 当具备如 下功能:1)精度。电能量采集终端的高精度数据采集工作需要通过RS-485接口完成,并对带时标的电量数据进行储存。可根据在线监测需求设置信 息采集周 期,保证数据 采集的准 确性达到100%,而后再向主站传送信息。2)存储。电能量采集终端的数据存储容量要超过64 MB,并且拥有独立的数据参数备份单元,备份单元的容量要超过256 MB。备份单元可采用SD卡,一旦电能量采集终端出现故障,可以到现场插拔SD卡以获取相关数据,将数据导 入系统。3)采集信息。及 时采集窗 口电量、分时电量、事件记录、遥测量、遥信量数据等,按照预设的时间起点将指定内容传送到主站;也可传递失压记录、瞬时量、电压合格率、电能表时钟时间等数字量或模拟量。4)数据传输。至少要有一路RS485总线既可用于抄表,又可作为数据上传通道。同时,还应支持 多种通信 方式,如语音拨 号、TCP/IP网络等。
2.3通信方式
系统需要实现与变电站和发电厂的通信,具体如下:(1)与变电站的通信。1)通信方式。电能计量系统以电力调度自动化系统为基础,对变电站采用专线Modem方式进行通信。2)专线Modem通信。调制解调器可根据不同的应用场合,使用不同的手段传送模拟信号,传输介质可以选用射频无线 电、光纤或电话线等。3)技术要求。专线Modem方式不需要经过话音交换网络进行通信,而只需有标准四线接口就能够提供可靠的通信通道。专线Modem方式不允许在同一时间内并行多个数据,但是随着电能数据量的增加,这种点对点的通讯方 式必然会造成数据堵塞,所以必须对这种通信方式进行优化。(2)与发电厂的通信。由于国内的各大发电厂普遍采用电力 载波作为通信方式,其二四线通道分别被调度电话和自动化 占用,无法为系统提供通信通道,因而可采用拨号Modem的方法来解决通信问题。
3结语
总而言之,随着我国智能电网规模的 不断扩大,对电能计量提出了更高的要求,加大对电能计量装置在线监测技术的研究力度尤为必要。本文设计了电能计量装置在线监测系统,该系统已在某变电站中获得了应用,系统运行至今并未出现故障问题,稳定性较好,其应用不但防止了因电能表误差和窃 电行为引起的纠纷,同时也为电力企业带来了巨大的经济效 益,因此该系统具有一定的推广使用价值。
摘要：阐述了电能计量装置及在线监测的必要性,在此基础上对电能计量装置在线监测系统的设计实现进行了论述,期望能够对提高电能计量的准确性有所帮助。
激光三维位移监测装置的研究 篇7
我国幅员辽阔,地形地貌复杂多样,是地质灾害多发的国家,每年滑坡、崩塌、泥石流等各种地质灾害给我国造成严重的经济损失和大量的人员伤亡。开展地质灾害监测能提前获取灾害信息,做到提前预防预警,可以有效避免人员伤亡和经济损失。在地质灾害监测中位移是非常重要的参数,国内外都将位移和变形监测放在首位。位移在在滑坡监测中作为一种直观量,能有效判断滑坡变化的速度,尽快采取有效措施,避免危害的发生。常规位移传感器主要测得位移在直线上的变化情况,实际滑坡变形时位移往往是非直线的,这就对传感器提出了更高的要求。基于机器视觉和激光技术的相对位移测量装置有效克服了位移非直线变形的弊病,利用激光成像技术实现了相对位置变形的确定,可以测量灾害体在三维空间上的位移变化量,相对只能实现二维测量的激光监测手段而言前进了一大步。采用激光成像技术来监测变形体之间的位移变化,可以实现非接触测量,且测量精度高。
1 装置组成
激光三维位移测量装置由发射模块和接收模块两部分组成,发射模块主要为带有两个有一定夹角的点激光发射管,在测量时发射两条激光线。接收模块由一块白色PVC板和摄像镜头组成,用来实现反射后激光光线的接收和对比,以确定位移变化量。两个模块的控制装置采用低功耗的MSP430单片机控制,并采用TI的CC1100无线电芯片通讯,选用ST的LIS331芯片测量姿态。
本装置采用右手笛卡尔坐标系,以接收模块的PVC板中心为坐标系原点,向上为Y轴正向,指向发射模块为Z轴正向,如图1所示。
发射模块和接收模块分别安装于需要监测的两个点上,如图2所示。本装置能测量两个模块安装点的相对位移的变化,测量发射模块的两条激光线在接收模块上的图像,并和系统标定数据进行比较,可以计算出当前时刻与系统初装时位移的变化关系。以笛卡尔坐标系为例,能测量出当前时刻与初始安装时刻的X、Y、Z三个坐标轴方向的偏移量。
图2激光位移监测结构图(参见下页)
ST的LIS331是三轴数字的MEMS加速度计,具有超低的功耗。能够以最高400Hz的速率进行加速度测量。当模块的安装点发生滑坡或其他运动时,安装在此地的模块就测量到三轴的加速度值发生了变化,及时做出警示。
2 测试原理
2.1 姿态测量
在发射模块和接收模块都安装有ST的LIS331,是三轴数字的MEMS加速度计,在安装完成后测量当前模块的安装姿态并记录下来。当模块垂直向上放置时,X轴向的值为0,Y轴为g(一个重力加速度),Z轴为0。如果模块绕X轴转动正角度则X轴值还是0,Y轴值为g*cot(),Z轴值为g*tan()。当前测量值与初安装时值比较就可得出模块的姿态变化量。
2.2 位移的测量
在姿态测量的基础上首先去除由于姿态变化带来的位移变化量。如图3所示为接收模块初始安装时摄像机所成的像,发射模块射出的两条激光线在接收模块的PVC上呈现两个圆点S0和S1。当发射模块与接收模块没有发生相对位移变化时,PVC上的两个激光点的位置也没有位移变化。当前测量图像如图4所示时,PVC上的两个激光点与初始安装时发生了位移变化。已知发生模块两个激光管的初始安装所成的角度A,初始安装时PVC上两个激光点在X轴上距离为0,在Y轴距离D0,当前时刻S0和S1的距离为D1,S0点在X轴上偏移D3,在Y轴上偏移D2。所以可以得出发射模块和接收模块的相对位移量变化为:X向偏移=D3,Y向偏移=D2,Z向偏移=D0/tan(A)-D1/tan(A)。
图4当前时刻PVC成像(参见右栏)
2.3 数据处理
发射模块和接收模块采用TI的MSP430单片机并通过TI的CC1100无线电芯片以433MHz通讯。系统安装时两个模块进行系统时钟的同步,可根据监测周期的需求定时地同时启动两个模块的系统。在发射模块发生两条激光线时,测量模块进行图像采集。发射模块在每个周期进行时钟的同步,修正系统的累积误差。并发送自己的姿态数据给接收模块。接收模块根据接收到的数据和本模块姿态数据完成姿态的测量。根据摄像头的采集图像和初始安装时的数据计算出两个模块的相对位移数据。
3 结语
本装置具有测量安装点的姿态变化和两个测量点的相对位移量的功能。结构简单、测量可靠、系统的功耗低,可以根据现场情况采用市电供电,也可以用太阳能电池板供电。能用于山体滑坡、地质裂缝等地质灾害的监测与预警。
由于激光具有高方向性、高单色性和高亮度的特点,激光式位移监测装置可实现无接触测量。它的优点是速度快、精度高、量程大、抗光/电干扰能力强等。同时传感器的测量不受被测物的材料、质地、形状、反射率的限制。并且由于激光的光点很小,可以有效监测小面积被测面。随着半导体激光器和CCD等图像探测用电子芯片的发展,激光式位移传感器在性能会不断改进。
参考文献
[1]赵雪梅,张青,史云.激光位移监测系统研制工程地球物理学报[J].2007,4(6):545-548.