張政健 程龍

摘 要： 針對變電站核心部位溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在檢測傳感器技術(shù)缺陷、檢測數(shù)據(jù)未能實現(xiàn)綜合利用等問題，設(shè)計將SAW（聲表面波）技術(shù)應(yīng)用到變電站核心部位溫度監(jiān)測中。該系統(tǒng)采用基于SAW的無源無線傳感技術(shù)檢測開關(guān)柜觸頭、戶外刀閘、變壓器、GIS等核心設(shè)備的溫度信息，并研發(fā)綜合智能管理平臺，滿足前端各種不同類型的傳感器與后臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的標(biāo)準(zhǔn)化接口，進(jìn)而實現(xiàn)變電站核心部位溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和綜合利用。

關(guān)鍵詞： 變電站; 溫度監(jiān)測; 無源無線; SAW; 智能; 傳感技術(shù)

中圖分類號： TN911.23?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）09?0117?04

Abstract： The temperature monitoring system for substation core components has the defect of detection sensor technology， and its detection data can′t be utilized comprehensively. Therefore， the SAW （surface acoustic wave） technology applied to the temperature monitoring of substation core components was designed. The SAW?based passive wireless sensor detection technology is used in the system to detect the temperature information of the core equipments （such as switchgear contact， outdoor knife switches， transformer and GIS）. The comprehensive intelligent management platform was developed to meet the standardized interface from the front?end sensors with various types to background unified data platform， and realize the unified management and comprehensive utilization of temperature data of the substation core components.

Keywords： substation; temperature monitoring; passive wireless; SAW; intelligence; sensing technology

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)部門的主要控制目標(biāo)也轉(zhuǎn)變到了電力系統(tǒng)的安全及平穩(wěn)運(yùn)行。但自始至終配網(wǎng)系統(tǒng)是電網(wǎng)建設(shè)中存在的缺陷步驟，同時和用戶用電密切相關(guān)的10 kV饋線供電具有接線復(fù)雜、線路殘舊以及負(fù)荷不均衡等缺點。封閉式10 kV高壓開關(guān)柜由于載流超負(fù)荷而導(dǎo)致設(shè)備故障嚴(yán)重危及到電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。實際電力系統(tǒng)工作過程中，10 kV開關(guān)柜的溫升故障主要出現(xiàn)在電纜接頭連接點處以及開關(guān)動靜觸頭位置，所以對這些位置進(jìn)行有效監(jiān)控是預(yù)防開關(guān)柜載流溫升故障以及保障電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。因此，本文設(shè)計了SAW（聲表面波）并將其應(yīng)用到變電站核心部位溫度檢測中。

1 基于聲表面波的無源無線溫度傳感器設(shè)計

溫度采集是該溫度監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一，其關(guān)系到溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作的有效性。根據(jù)封閉式10 kV高壓開關(guān)柜的特征，開關(guān)柜中每個電氣設(shè)備銜接密集，電氣絕緣比較復(fù)雜，柜體內(nèi)部空間狹小，很難運(yùn)用敷設(shè)電源進(jìn)線的方式對其供電。同時將紐扣電池當(dāng)作電源受到使用壽命的限制，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時須要停止高壓設(shè)備才能處理，很難達(dá)到電網(wǎng)穩(wěn)定供電的需求，有源溫度采集裝置并不能勝任該工作。因此本文提出聲表面波的無源無線溫度傳感技術(shù)完成對開關(guān)柜中關(guān)鍵位置的溫度檢測。

1.1 叉指換能器（IDT）

作為聲表面波傳感器的核心部件，IDT是一種聲?電轉(zhuǎn)換器，其主要作用是在壓電晶體上激發(fā)以及檢測SAW，其結(jié)構(gòu)見圖1。主要性能參數(shù)包括：指條周期長度[M]、指條對數(shù)[N]以及聲孔徑[W]。把射頻電壓加載至IDT的兩根總線過程中因為存在逆壓電效應(yīng)現(xiàn)象，IDT把電能改變成聲能，從而導(dǎo)致指條震蕩狀況的出現(xiàn)。根據(jù)各指條激勵情況，相對而言其SAW全都很弱，但是當(dāng)IDT的周期長度等于SAW波長整數(shù)倍時，其相互疊加性能加強(qiáng)并且導(dǎo)致出現(xiàn)諧振，IDT對應(yīng)的角頻率[ω0]即聲同步頻率為：

式中：[VSAW]表示SAW在基片上的傳遞速度;[k]表示IDT的工作模式，一般情況下[k=1]。在聲速保持不變的情況下，IDT的工作頻率會隨著指條間距縮減而增加，但是其引發(fā)的SAW強(qiáng)度和換能器指條對數(shù)的平方之間具有正比關(guān)系，也就是說指條對數(shù)數(shù)量越大，其引發(fā)的SAW也就越強(qiáng)。為了獲得較強(qiáng)的SAW，通常指條數(shù)大于200。

1.2 反射柵

SAW反射柵是執(zhí)行SAW諧振的主要元件，其僅能依靠反射元陣列來組建SAW反射鏡，SAW反射柵陣分成兩個，即反射溝槽以及反射金屬條帶，溝槽反射陣機(jī)能相對于金屬來說比較好，然而金屬反射柵陣相對來說比較容易完成。

SAW傳達(dá)到柵陣時，每次遭遇一根反射條均有一些被反射出來，一般情況下，這些反射波均可以通過相互疊加的方式消除掉，但是也有例外發(fā)生，若反射波相位相等時，其疊加將會產(chǎn)生更強(qiáng)的反射波，即為布拉格反射，其相位匹配應(yīng)滿足的前提是：

1.3 諧振型SAW溫度傳感器

SAW傳感器包括單端口與雙端口兩種結(jié)構(gòu)，雙端口結(jié)構(gòu)包括輸入/輸出換能器IDT，分別實現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換以及聲電轉(zhuǎn)換。單端口結(jié)構(gòu)僅具備1個IDT，它既能夠用作輸入換能器也能夠當(dāng)輸出換能器來用。本文選擇單端口結(jié)構(gòu)見圖2。

如果SAW傳感器壓電基片的表面溫度出現(xiàn)改變時，其傳播速度[VSAW]及發(fā)射柵間距[L]也將隨之變化，從而導(dǎo)致諧振頻率出現(xiàn)不同，根據(jù)諧振頻率的改變就能夠獲得被測溫度信息，經(jīng)過檢測頻率的改變量就能夠完成對溫度參數(shù)的檢測，其頻率溫度特性的方程為：

1.4 天線設(shè)計

本文設(shè)計的天線運(yùn)行公用波段為429～436 MHz，設(shè)計出兩種天線，即在某方向上有定向性增益較高的螺旋臂偶極子天線以及在法向方向是全向的小螺旋天線。偶極子天線是經(jīng)過同軸電纜以及信號采集器（Reader）獲得連接的，其用途是放射查詢脈沖以及獲取攜帶溫度信息的反饋脈沖，而小螺旋天線是與SAW傳感器連接起來，其用途是獲取查詢脈沖，同時反饋SAW諧振信號至發(fā)射天線。

理論上天線總長度是34 cm，針對工程是不能接受的，因此在該方案中運(yùn)用螺旋狀鍍銀的金屬絲取代偶極子天線的兩臂，這樣做不僅能夠獲得比較短的橫向長度，而且還能保證其有用長度達(dá)到34 cm，其最大輻射方向增益能夠達(dá)到2.8 dB。法向的小螺旋天線在法向上為全方向輻射，然而其增益非常弱。通過悉心設(shè)計使得偶極子天線的阻抗大約為50 Ω，與同軸傳輸線相配合，小螺旋天線和傳感頭的阻抗相配合，這樣能夠獲得最好的通信結(jié)果。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 信號檢測設(shè)計

該檢測系統(tǒng)主要由無線收發(fā)、收發(fā)控制以及信號處理等模塊構(gòu)成，其中，無線收發(fā)模塊由無線發(fā)射及接收通路構(gòu)成。無線發(fā)射通路產(chǎn)生并傳送間歇正弦脈沖激勵信號，其接收通路則完成傳感器反射回來的信號的濾波、放大及A/D轉(zhuǎn)換等任務(wù)，同時把獲得的信息輸送至信號處理模塊;收發(fā)控制模塊經(jīng)過對激勵信號產(chǎn)生、功率放大、收發(fā)隔離開關(guān)及帶通濾波等元件的控制完成對時間的請求;信號處理模塊獲取采集信號的諧振頻率信息，然后依據(jù)頻率與溫度的關(guān)系運(yùn)算得到溫度參數(shù)，隨后傳輸至上位機(jī)軟件顯示，其硬件模塊見圖3。

信號檢測采用一個單刀雙擲開關(guān)SPDT把全部測量過程分成信號激勵及信號接收兩個部分。SPDT置于1端時，微控單元MCU向VCO+PLL發(fā)出一個頻率，由VCO+PLL產(chǎn)生這個頻率的正弦脈沖信號，然后經(jīng)過數(shù)字衰減器Att以及功率放大器PA完成對發(fā)出信號的強(qiáng)度控制;此信號作為激勵信號經(jīng)過天線傳輸出去，SAW諧振器在激勵信號作用下進(jìn)行振蕩。激勵周期完成以后，[SPDT]在TTL電平的控制下置于2端，然后開始接收傳感器輸出的信息，接收模塊選擇低噪聲放大器LNA及數(shù)字可調(diào)增益放大器VGA完成對信號的適當(dāng)放大，隨后經(jīng)過RF Detector把信號強(qiáng)度變換為電壓信號輸出去，運(yùn)用MCU自帶的ADC完成采集工作，得到響應(yīng)信號的強(qiáng)度，經(jīng)過發(fā)射強(qiáng)度相同、頻率不同的信號搜尋其中反射信號最強(qiáng)的頻率點，運(yùn)用諧振頻率與溫度的線性關(guān)系運(yùn)算出此時的溫度，然后經(jīng)過串口把溫度、頻率以及信號強(qiáng)度等信息傳送到后臺。

MCU選用C8051F020單片機(jī)，C8051F020具有多個能夠運(yùn)用程序控制0～25 MHz的時鐘源;具有兩個ADC：一個為8路12位逐次逼近型，內(nèi)有可編程增益放大器PGA用于放大輸入的信號，提高A/D的轉(zhuǎn)換精度;另一個為8路8位，同時還具有2個12位的DAC，可將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓量形成連續(xù)變化的波;另外其還包含基于JTAG接口的在線系統(tǒng)調(diào)試功能，片內(nèi)的調(diào)試電路經(jīng)過該接口可提供高速、方便的在線系統(tǒng)調(diào)試。

2.1.2 開關(guān)設(shè)計

當(dāng)激勵信號的頻率等于SAW的諧振頻率時，SAW響應(yīng)信號的能量達(dá)到最高，若運(yùn)用穩(wěn)定的正弦信號激勵SAW諧振器，其自身的頻率幾乎完全靠近諧振頻率，然而由于傳感信號在輸送的過程中衰耗很大以及激勵信號的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于響應(yīng)信號，從而導(dǎo)致從激勵信號中辨別出激勵信號變得很困難。所以為了能夠得到回波信號，要在很大程度上抑制激勵信號對傳感信號的干擾，要滿足激勵信號的傳送以及傳感信號的接收在時間上不一致。

為實現(xiàn)這個目的，可以運(yùn)用可控單刀雙擲開關(guān)，能夠在很大程度上符合系統(tǒng)共用一根天線完成收發(fā)的切換及控制的要求。單刀雙擲開關(guān)要具備很高的隔離度及非常小的損耗，因此在關(guān)斷情況下選取開關(guān)最主要的是要考慮其對射頻信號隔離度的高低，本文選取以PIN二極管作為主要元件的單刀雙擲開關(guān)，其原理見圖4。

2.2 溫度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

組態(tài)王軟件擁有強(qiáng)大的兼容性，可以滿足控制要求，因此本文選擇組態(tài)王作為上位機(jī)監(jiān)控軟件，主要實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的可視化以及參數(shù)設(shè)置。把溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過主從查詢的形式進(jìn)行讀取，然后存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)，其監(jiān)控界面見圖5。

監(jiān)控界面具有顯示測點位置、實時曲線、實時報警列表以及溫度數(shù)據(jù)等功能。其中，測點位置區(qū)主要完成測溫點位置、釆集器地址、天線號及采集時間間隔等的記錄工作，測點位置從采集器開始劃分。采集器包含3條采集天線，每條天線所采集的6點溫度數(shù)據(jù)構(gòu)成一組溫度曲線。用戶可以經(jīng)過選取位置參數(shù)完成對各個測點的曲線查看。實時曲線顯示區(qū)中橫縱坐標(biāo)分別表示實時時間及溫度值，從右往左依照制定的采集時間間隔刷新曲線，依據(jù)溫度的改變實時進(jìn)行動態(tài)變化并在界面中完整顯示溫度曲線;溫度數(shù)據(jù)顯示區(qū)完成對實時溫度值、測點名稱及其曲線的顯示工作，右上是報警指示燈，如果有溫度報警數(shù)據(jù)傳輸時，指示燈將由綠色變成紅色進(jìn)行報警。溫度值依照設(shè)定好的采集時間間隔完成更新，確保其實時性。增加復(fù)選框功能，用戶能夠按照實際要求完成對溫度數(shù)據(jù)及曲線的選擇性查看，同時為用戶實現(xiàn)溫度對比提供了方便;實時報警列表展現(xiàn)報警生成的位置、傳感器號、報警類型及發(fā)生時間等，同時用列表的方式顯示報警數(shù)據(jù)，直觀展現(xiàn)報警的詳細(xì)信息。

3 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

為測試本溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，選取某地三座變電站中10 kV高壓開關(guān)柜進(jìn)行無源無線溫度檢測系統(tǒng)的安裝和測試，并利用技術(shù)成熟的紅外測溫作業(yè)手段進(jìn)行應(yīng)用效果的比較分析。結(jié)合變電站的月度巡視測溫工作，對安裝在兩座變電站共30個測溫地點的開關(guān)柜的電纜接線處采用紅外測溫方式，同時記錄主控室監(jiān)控主機(jī)上顯示的溫度監(jiān)測系統(tǒng)得到的溫度數(shù)據(jù)，得到2016年3月和4月的數(shù)據(jù)記錄如圖6，圖7所示。

根據(jù)圖6和圖7可知，該溫度檢測系統(tǒng)和紅外測溫結(jié)果總體上很接近，3月份及4月份溫度測量結(jié)果相差最高分別是2.72 ℃及2.69 ℃。從總體角度來看，該溫度檢測系統(tǒng)檢測溫度數(shù)據(jù)大多比紅外測溫得到的溫度高，三座變電站的10 kV饋線以及電容器在4月份的供電負(fù)荷及無功補(bǔ)償均比3月份有顯著增加，所以檢測設(shè)備發(fā)熱比較大，該溫度檢測系統(tǒng)獲得的溫度數(shù)據(jù)也比紅外測溫顯著提高，由此能夠得知使用聲表面波技術(shù)比紅外測溫方式能更為精確地監(jiān)控設(shè)備實時溫度。

4 結(jié) 語

通過幾個月的試運(yùn)行，對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，能夠得知該系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，同時可以很好地響應(yīng)10 kV開關(guān)柜中設(shè)備的實際工作情況，基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。將聲表面波技術(shù)應(yīng)用于溫度監(jiān)測系統(tǒng)的方法是行之有效的，該系統(tǒng)不僅增強(qiáng)了變電站值班運(yùn)行人員的巡檢自動化水平，而且其供給的告警功能還在很大程度上增強(qiáng)了運(yùn)行部門對設(shè)備的風(fēng)險管控能力。

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