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有關在電力系統中的電廠、變電站實現無人值守的設想很早就提出了，而單片機技術使得在線監測廣泛應用于電力系統中的各個環節，為無人值守提供了技術上支持。通過總線通信技術，使工作人員在辦公室能夠利用后臺服務程序，對在現場工作運行的電力設備進行監控、檢測、故障維護等工作。 六氟化硫(SF6)因其良好的電氣性能和穩定的化學結構被廣泛應用于高電壓、大容量、高參數電氣設備中。隨著電力系統向著大容量、高參數方向發展，SF6高壓斷路器已廣泛應用于發供電企業。SF6絕緣氣體的狀態參數正常與否，嚴重影響著斷路器的工作性能。隨著SF6高壓電器的日益增多及SF6封閉式組合電器系統的廣泛應用，如何正確開展SF6氣體密度監測的工作是一個急待解決的問題。 針對SF6斷路器的各種性能指標要求，設計以Cygnal公司的C8051F330單片機為核心的智能監控單元、GE Nova Sensor公司最新推出的輪胎壓力監測系統專用芯片NPX為傳感器芯片構成監控子機，實現對SF6絕緣氣體壓力、溫度、密度3個狀態參數的測量和計算。通過RS485總線，由PC機和多監控子機構成監控系統，利用PC機的后臺服務程序對子機狀態進行查詢、控制。 1 監控子機總體設計 監控子機的整體設計大致由四部分組成：傳感器模塊、主控制模塊、LED顯示及繼電器控制模塊和485總線傳輸模塊。由于傳感器需要封裝在SF6斷路器里面，傳感器部分和其他三部分分別設計于兩塊印刷線路板上，通過連接線進行數據傳輸。 傳感器模塊的功能由1片NPX獨立完成，其集成微處理器、壓力溫度傳感器為一體，功能強大。NPX對SF6氣體的壓強、密度進行測量、補償和校準，并量化成數字信號傳送給主控制模塊的MCU。主控制模塊在接收到NPX發送過來的數據后，對數據進行處理、分析，然后將數據輸出顯示，并根據分析結果控制繼電器狀態和狀態指示燈。同時主控制模塊通過光耦器件和MAX485相連掛在總線上，可以通過485總線傳輸模塊，利用PC機的后臺服務程序對監控子機進行查詢控制。 傳感器模塊、主控制模塊為整個系統中的核心部分，下面將詳細分析這兩個模塊的設計。 2 NPX芯片介紹 在傳感器模塊中，使用NPX芯片作為壓力、溫度傳感器。NPX一1是GE Nova Sensor公司2004年初推出的第二代TPMS(汽車輪胎壓力監視系統)壓力傳感器。其內集成有8位RISC微處理器(采用Philips公司的CPUPCH7970)、壓力傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、低噪聲放大器和12位A/D轉換器；內置RC振蕩器提供系統時鐘，無需外接晶體振蕩器。其硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度，較低的功耗。 NPX中固化了壓力傳感器的測量、補償和校準程序。每一個NPX芯片在生產時，由工廠在不同溫度點(25℃和75℃)、不同壓力點(滿量程的O％、50％、100％)和不同電池電壓點(2．3 V、3．1 V)采集12組數據，經過GE Nova Sensor專用的校準公式計算，將補償和校準參數保存在NPX的E2PROM中。在測量時，由固化的壓力補償校準程序自動對此測量的數據進行計算，獲得一個準確的測量值。 同時，NPX芯片可以工作在極端環境下，如高溫(100℃以上)、低溫(-40℃)、水汽(低溫冷凝水結冰，NPX傳感器具有獨特的抗冷凝水結冰功能)、振動沖擊等情況；同時NPX在每次壓力測量后，都會采用一段內置代碼對傳感器的健康狀況進行檢測，以保證測量結果的可信度。 NPX體現了傳統壓力傳感器與微處理器數字電路的完美結合，具有適合TPMS應用的獨特優勢，也適用于其他類型工程應用。在SF6氣體狀態監控系統的設計中NPX以其獨特、優秀的性能滿足了設計的要求。 3 主控制模塊及其與NPX的接口設計 3.1 主控制模塊 主控制模塊由Cygnal C8051F330單片機及電源控制電路構成。C8051F330是美國Cygnal公司推出的一種混合信號SoC型8位單片機，是集成度很高的混合信號系統級的芯片。具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F330是能真正獨立工作的片上系統。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。用戶軟件對所有外沒具有完全的控制，可以關斷任何一個或所有外設以節省功耗。 3．2 主控制模塊與NPX的接口設計 C8051F330和NPX通用I/O的工作電壓都是3．3 V，因此可直接利用I／O進行數據傳輸。設計利用3對I/O口完成C8051F330與NPX的通信。 NPX與C8051F330的通信過程如下：NPX的P11作為總同步，無數據傳輸時處于高電平，準備傳輸數據前向C8051F330的PO．7腳發送一個下降沿，觸發C8051F330外部中斷1，從而使單片機進行中斷處理程序接收NPX的數據；NPX的P14腳作為位同步，P15腳作為數據傳送端，在接收到位同步發出下降沿時，單片機從數據端讀入一位數據。 NPX每2 s采集1次數據發送給主控制模塊，溫度、壓強各8位，加上1位NPX狀態標志位，一共需要傳輸17位數據。 C8051F330與NPX通信的I/O口需要進行如下配置： C8051F330的PO．7腳接收到NPX發送的下降沿后，跳入外部中斷1的中斷子程序。在中斷子程序中，開啟定時器O計時，同時定義一個變量unsigned char bit_cntr計算讀入數據的位數。在P1．0腳接收到一個下降沿時，單片機從P1．1腳讀入1位數據，同時bit_cntr加1。當bit_cntr的值為17時，表明數據接收完畢，置標志位Data_Flag通知主程序接收到數據，關閉定時器0退出中斷子程序；若NPX在發送數據時出錯，則傳送的數據不到17位。這種情況下，定時器0將會計數到溢出，程序查詢到定時器0溢出后將清除標志位Data_Flag，同時退出中斷子程序。 4 系統數據處理 在得到NPX傳來的數據后，系統需要對其進行處理，通過接收到的溫度、壓強數據，計算、判斷出當前SF6氣體是否泄露。在實際工程應用中，一般給出標準SF6氣體在20℃時的壓強作為參考標準，因此主控制模塊必須把得到的數據轉化成20℃時壓強。一般大致有3種方法對數據進行處理： ①采用查表法。有的廠商把SF6氣體壓強和溫度的關系制成表格供用戶查閱，使用起來好像更方便一些；但是，對于沒有列入表格的溫度和壓強值要采用插入法求解。顯然，利用預定表格來決定不同溫度下的壓強，也存在一定的誤差，但在工程上還是可以滿足要求的。這種方法最大的缺點就是，需要大量的存儲空間來存儲壓強和溫度的表格數據。 ②按理想氣體處理，計算壓強溫度系數。作為參考，按理想氣體進行處理和計算，這時可使用狀態方程式PV=RT。例如，對20℃下的額定壓強為0．7 MPa(絕對壓強)的高壓SF6斷路器，有下列公式：P=O．7T／(273+20)。由于實際工程應用中，SF6為非理想氣體，故這種處理得到的結果誤差比較大。氣體額定壓強越大，理想化后得到的壓強溫度系數的誤差也就越大。 ③按經驗公式對數據進行處理。要較為準確地計算SF6氣體的狀態參數，有些經驗公式可供使用。典型的有如下Beattie-Bridgman經驗公式： P=(R×T×B-A)×C2+R×T×C (1) 式中：P為絕對壓強，bar(1Pa=10-5bar); C為密度，kg／m3； T為絕對溫度，K； A=73．882×10-5+5.132 105×lO-7×C； B=2．506 95×10-3—2．122 38×10-6×C； R=56．950 2×10-5(bar×m3／K)。 Beattie—Bridgman公式在所有的處理方式中，是最接近實際值、誤差最小的。故采用其進行數據處理。構造關于P、T、C的方程如下： f(P，R，C)=(R?T?B—A)?C2+R?T?C—P (2) 由式(1)和式(2)可以看出，在確定壓強P和溫度T后，只須通過解一個三次方程即可得到此時SF6氣體的密度C。由于其為一個三次方程，故在進行編程計算時，采用牛頓疊代法進行求解，以保證截斷誤差盡量小。計算得到SF6氣體的密度后，令T=20+273，再通過式(1)計算出當前SF6氣體在20℃時的壓強P20。(軟件實現程序略——編者注) 程序中壓強P的單位為kPa。主控制模塊根據轉換得到的當前氣體在20℃時相對應的壓強和給定的標準值，判斷當前的氣體是否發生泄漏，再根據判斷結果控制繼電器和狀態指示燈的狀態。 結語 經實際檢測，SF6氣體狀態監控系統可以高精度實現對壓強、溫度信號的采樣處理。尤其是采用了高性能的數值分析算法--牛頓疊代法，來實現高精度的密度計算，有效、穩定、可靠地保證了監測數據的準確性。 另外，在本系統中采用的NPX芯片體現了傳統壓力傳感器與微處理數字電路的完美結合。其與Cygnal MCU接口方便，具有廣泛的應用價值。 |
