基于LM3S9B96的SF6气体微水密度在线监测系统

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(1.浙江开关厂有限公司，浙江 衢洲 324000；2.浙江昆仑园林工程有限公司,浙江 衢州 324000)

基于LM3S9B96的SF6气体微水密度在线监测系统

陈绪杰1，冯颖姣1，王振2

(1.浙江开关厂有限公司，浙江 衢洲 324000；2.浙江昆仑园林工程有限公司,浙江 衢州 324000)

介绍了高压电器设备广泛使用的SF6气体的微水含量和密度在线监测方法，详细阐述了通过测量SF6气体的温度和压力数字求解SF6气体密度的过程。采用归一化的方法消除温度和压力对SF6气体水分含量值的影响，使得判断微水含量是否超标更加准确直观。给出了基于高性能的嵌入式处理器LM3S9B96在线监测系统的硬件框图和部分软件实现。

SF6气体；微水含量；在线监测;LM3S9B96

1 引言

文中选用基于ARM Cortex-M3的32位MCU LM3S9B96，该芯片集成了在线监测系统所需要的CAN通讯接口，高速采样模块以及100M工业以太网通讯模块，借助于网络控制系统可实现SF6气体微水含量、密度信息的同步采集，传输及控制命令的执行，基于以太网的可靠连接，解决了由于硬件接口差异或通信规约不同而导致的难于联网的问题。

2 SF6气体密度在线监测方法

高压设备气室中充有SF6气体后，判定其是否已满足绝缘要求，常用SF6气体密度来衡量。而直接监测密度是比较难实现的，通常会转化为对压力的监测。但SF6气体的压力会随温度发生变化。因此，为了准确反映压力变化是由于漏气还是温度改变引起的，需要通过温度补偿的修正方法，无论外界温度如何化，始终可计算对应20℃的标准压力。SF6气体密度在线监测系统需要采集温度、和压力两个特征量，并对两个特征量进行处理，因此该子系统主要由温度、压力传感器和LM3S9B90、PC机等组成。对于气体压力、温度、以及密度之间关系，目前最常见的SF6气态方程如下所示[2]：

P=0.57×10-4ρt(1+B)-ρ2A

(1)

式中，P为压力(MPa)；t为温度(K)；ρ为密度(kg/m3)；系数A、B分别为：

A=0.75×10-4(1-0.727×10-3ρ)

(2)

B=2.51×10-3ρ(1-0.84×10-3ρ)

2011年9月17日，纽约爆发了“占领华尔街”的抗议浪潮，10月15日席卷全球80多个国家和地区，950多个城市相继爆发抗议银行大公司贪婪和财政紧缩政策的示威游行。抗议者的主要口号是“99%vs1%”，意指1%的金融寡头掠夺了其余99%的美国人的财富，他们指责美国政府将本应该用于社会保障的纳税人的钱去救助面临破产的华尔街，此次抗议表明民众对美国政府的失望和不满已经积累到了一定的地步。

(3)

将(2)、(3)式代入方程(1)式，将密度单位改为(kg/L3),通过整理可得到关于ρ的三次方程：

(54.525-0.12103722×t)ρ3+(0.14307×t-75)ρ2+(0.057×t)ρ-P=0

(4)

Mκ+1=-

(5)

将上式转化为定点计算算法，可大大加快单片机处理数据速度，经过迭代可得出M值，从而可计算出当前SF6气体密度ρ。

3 SF6气体微水含量在线监测方法

SF6气体微水含量在线监测需要采集湿度、温度和压力3个特征量，并对这3个特征量进行预处理，传送、存储、判断和显示等。只需在上述密度在线监测系统加一个湿度传感器。SF6气体微水含量的检测属于低湿度测量范畴，本系统采用的是Humirel公司生产的低相对湿度变送器HM1520。该变送器能长期处于低湿环境下工作、反应时间快、精度比较高。可直接测量SF6气体相对湿度RH。通常工业现场采用20℃时的SF6气体实时含水量作参考标准[4]，本系统采用归一化修正公式对所测量的相对湿度值进行修正，以便于与参考值进行比较。

(1)基于HM1520的相对湿度计算：

RH=(0.195×Vout)/Vs-38.5

(6)

Vout(mV)即AD采样得到的值，Vs为5V。

(2)实时湿度计算：

(7)

(3)20℃湿度修正计算：

采用湿度修正公式[3]:

(8)

式中：H2为20℃的微水体积比(μL/L)；H1为实时微水含量值；P1为SF6气体实时测量气压值；P2为换算到20℃时的SF6气体气压值；P1s为实时测量温度下的饱和水气压；P2s为20℃饱和水气值。采用上述修正公式，将(7)式代入(8)式可得到如下公式：

(9)

P20°C由式(1)计算，20℃和23℃饱和水气压分别为2385.54Pa、2810.06Pa，大气压取101.3kPa，将已知量代入(9)式可计算出20℃湿度。

4 基于LM3S9B96在线监测系统硬件框图

系统硬件框图如图1所示，主要由温度、湿度、压力传感器，嵌入式微处理器、告警、显示以及PC机等组成。由于SF6断路器状态监测要实时、准确地处理大量数据，这就对单片机性能有较高要求、本系统选用TI的嵌入32位的 ARM CortexTM-M3处理器内核的单片机LM3S9B96，自带高速12位A/D转换模块。单片机将采样的数据进行计算和修正处理，并与标准值比较判断是否进行告警和闭锁等操作。并通过液晶LCD显示当前SF6气体的温度、密度、20℃压力以及微水含量等。分时将历史数据和历时记录通过SNMP网络或RS485总线传送到PC机后台，一台PC机可同时与多个在线监测系统通信。

图1 在线监测系统框

(1)传感器模块：在线监测系统传感器部分除了前面介绍的湿度传感器还需要温度和压力的传感器，温度测量采用集成温度传感器 AD590MH，美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，M档精度最高，非线性误差为±0.3℃，满足本系统设计要求。考虑到被监测SF6开关设备的绝对压力一般不超过 8 个大气压，故选择测量范围为 0～1MPa 的扩散硅压力变送器。

(2)数据采集模块：TI公司LM3S9B90单片机拥有丰富的片内资源有效地简化了设计的复杂性。集成256K单周期Flash存储器，96KB SRAM，可支持IEEE1588 PTP的集成MAC和PHY的10/100以太网，2个12位 ADC模数转换器模块，每个 ADC 模块都包含 4 个可编程的序列发生器，无需控制器干预即可自动完成对多个模拟输入源的采样。运行速度可达80M，保证了采样和数据的快速处理。

(3)与PC机通讯模块：由于LM3S9B90单片机集成了以太网接口，本系统采用SNMP(Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议)与PC机通讯，并预留RS485通讯接口可备用。 开发相应的SNMP底层协议，在线监测数据可通过Internet远程登录访问。

4 LM3S9B96软件设计

系统软件主要包括SF6气体密度、微水含量计算和修正程序、LM3S9B96初始化、主程序以及与PC机通信的SNMP协议的实现等。主程序流程图，如图2所示。

图2 主程序流程图

SF6气体密度计算流程图如图3所示。

图3 SF6气体密度计算流程图

5 结语

SF6气体微水密度在线监测系统对高压电器设备的SF6气体实现实时温度、压力、相对湿度(RH)的在线监测。通过20℃时的压力值和气体密度值可直接判断气体泄漏状态，结合SF6气体20℃时的水分体积比和相对湿度判断微水含量是否超标。对监控量显示，不仅可以通过单片机与PC机现场显示，还可以通过Internet远端查询。在实验过程中，该系统工作可靠，精度满足设计要求，节约了对高压电器设备定期离线检测所投入的物力和人力，同时也延长了设备的使用寿命。

[1] 袁峰，徐洪，李振博.采用露点法的SF6微水含量变送器[J].高压电器，2010，46(12):93-94.

[2] 胡雨龙.SF6气体中微水含量模拟在线监测初探[J].高电压技术，2002，28(4):30-32.

[3] 汤义勤.GIS微水在线监测系统的应用与研究[D].浙江：浙江大学，2011.

[4] 李艳秋.GIS微水含量在线监测系统的研究[D].上海：上海交通大学，2006.

[5] 宋锦刚.基于TMS320F281 2的SF6气体参数在线监测系统[J].电工技术，2008，(12)：57-59.

[6] 简宏丰.智能变电站SF6气体密度及微水状态在线监测应用研究[J].北京电力高等专科学校学报，2011，28(12):230.

[7] 吕镇庭.基于露点的SF6室内微水在线监测仪的设计[J].电子测量技术,2010，8(33):96-97.

TheOn-lineMonitoringSystemoftheSF6GasMoistureContentandDensityBasedonLM3S9B96

CHENXu-jie1,FENGYing-jiao1,WANGZhen2

(1.Zhejiang Switchgear Factory Co.,Ltd,Quzhou 324000,China;2.Zhejiang KunLun Gardens Engineering Co.,Ltd.,Quzhou 324000,China)

Introduction was made to an on-line monitoring method for the density and moisture content of SF6gas which is widely used in high-voltage electrical equipment.By measuring the temperature and pressure,the digital solving SF6gas density process is analyzed in detail.It eliminates the effect of temperature and pressure to the moisture content value through renormalization,which makes the moisture content alarm judgement explicitly.the relevant hardware diagram and partial software implementations is also discussed in detail ,which is based on higher-performance embedded processor LM3S9B96.

SF6gas;moisture content;on-line monitoring;density

1004-289X(2017)03-0074-04

TM76

B

2017-01-19

陈绪杰(1981-)，女，工程师，主要从事高压电器工作。