基于SAW傳感器技術的高壓開關柜溫度采集系統設計分析

郭翠玲，高 麗

(商丘職業技術學院 機電系,河南 商丘 476000)

基于SAW傳感器技術的高壓開關柜溫度采集系統設計分析

郭翠玲，高 麗

(商丘職業技術學院 機電系,河南 商丘 476000)

根據傳統高壓開關柜溫度采集方法的不足，采用SAW傳感器技術對高壓開關柜進行無源無線溫度采集.該系統具有溫度測量、報警功能、參數設定、數據存儲等功能，對溫度進行遠程實時在線監測，是智能電網建設的重要依據.

SAW傳感器；高壓開關柜；溫度采集系統

0 引言

近年來在電廠和變電站，已發生過多起由于開關過熱而造成火災和大面積停電的事故，嚴重時甚至造成人員傷亡和重大經濟損失[1]91-94.因此，解決開關過熱問題成為杜絕此類事故發生的關鍵，而實現溫度實時在線監測，則是保證高壓設備安全運行、智能電網實現的重要依據.

傳統的溫度采集系統不僅耗費人力、物力，而且受外界環境等因素的影響，不能實現溫度的實時在線采集.本文采用表面波(SAW-Surface Acoustic Wave)傳感技術與現代通信技術相結合提供了一套無源、無線溫度測量采集方案，對高壓開關柜設備的溫度進行無源采集、無線傳遞給測溫主控端，并在PC機上實現溫度的實時在線監控，可以實現溫度預測、溫度告警、故障診斷、參數設置、檔案管理和歷史溫度查詢等一系列功能，還可向管理人員發送短消息、電子郵件等，使得高壓開關柜的溫度監測系統更加經濟、有效、實用.

1 溫度采集系統的必要性和特點

1.1 溫度監控系統的必要性

變電站的高壓設備在不斷地運行中比較容易發生局部溫度異常的狀況，溫度的過高將導致設備故障，需要及早發現并及時診斷故障點，否則就會使狀況惡化，造成設備損壞或報廢，嚴重時甚至導致重大事故的發生.根據前期研究發現，事故產生的主要原因有以下三方面[2]34-35：

1)高壓設備的相關觸點正常工作電流通常可達到4 000 A，因此比較容易發熱；

2)在長期工作運行過程中，由于高壓開關觸點以及母線連接等位置通常會老化，使得接觸電阻過大而引起發熱；

3)高壓設備內有裸露高壓，并且空間封閉、狹小的結點，無法進行人工巡查測溫.

因此，采用較為先進的技術對各結點的溫度值進行實時監測采集，是非常必要的.

1.2 傳統的溫度采集技術的特點

近幾年來，隨著技術的不斷發展，封閉式高壓開關柜中廣泛使用多種先進溫度監測設備，現有的溫度檢測方式包括測溫蠟片、光纖測溫、紅外測溫和有源無線測溫等幾種[3]20-25.

1.2.1 測溫蠟片

測溫蠟片使用方便靈活，只需將測溫片粘貼在母線和電氣設備上，便可監視設備溫度，這種測溫方式直觀，測溫片在探測點上是否熔化一目了然.但是，測溫蠟片是不可逆的，不能循環使用，而且，這種測溫方式需要人工目測，不具備實時數據記錄和精確測量的功能.

1.2.2 光纖測溫

光纖測溫是在待測設備上鋪設探測光纜，設備產生的光經過放大后，經光纖傳達至熱敏材料，反射回一個與其溫度相對應的光信號，然后再將此信號經過處理轉換，即可得到設備的實時溫度.這種測溫方式不受電磁干擾和外界環境的影響，適用于特殊危險的場合，穩定性好，誤報率低.但是安裝復雜，易折、易斷，成本高，而且，當積累灰塵后會導致光纖沿面放電，從而導致絕緣性降低，容易發生安全隱患.

1.2.3 紅外測溫

紅外測溫是將物體自身發出的紅外線轉換成電信號，由于紅外線輻射能量的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的溫度.缺點是體積較大、成本高、精度低，無法實現在線實時監測.另外紅外線易受遮擋物和環境的影響，限制了它的應用范圍.而且，存在高溫點偏差、季節性偏差、灰塵造成的偏差等.

1.2.4 有源無線測溫

這種測溫方式實現了溫度的無線傳輸，但是有源無線溫度傳感器尺寸通常相對較大并且需經常更換電池，系統維護成本較高，而且，電池不適宜在高溫狀態下工作，同時電池對環境也有很大的污染.

綜上所述，以上幾種測溫方式都存在其不足，需要尋找一種相對比較好的測溫方式來取代之，以滿足新時代智能電網的要求.

2 SAW傳感器技術

2.1 SAW傳感技術的工作原理

首先將射頻信號發射至壓電材料的表面，然后將受到溫度影響的反射波再轉換成電信號，此電信號是和溫度相對應的，從而獲取溫度值.SAW傳感技術的最大優點是利用了傳感器的被動激活原理，即使非常規的高電壓、大電流運行環境下也可以實現在線溫度數據采集[4]1281-1291.此溫度采集器包括一個與傳感器有電磁連接的反射/接收器和一個接收天線，接收SAW傳感器的反饋信號.其溫度采集原理 如圖1所示.

圖1 SAW溫度采集原理圖

圖2 實際安裝圖

2.2 SAW溫度傳感器應用實例

SAW傳感器因為有非接觸、傳播速度快、無源/無線、易編碼、保密性好、抗干擾能力強、成本低等優點，而得到了廣泛的應用[5]139-142.

在高壓開關柜中，SAW傳感器測溫裝置由以下兩部分組成：一部分是SAW溫度傳感器，它被裝在開關柜內測試點上，另一部分是發射與接收天線，它能夠無線連接多個溫度傳感器讀入采集器.發射/接收天線嵌在開關柜內壁，這種安裝方式可以屏蔽外部電波干擾，讀入采集器的接收箱安裝在開關柜的外面，因而可以保證在開關柜非通電的情況下也能正常工作.讀入采集器由獨立電源供電，向開關柜內發射短射頻信號，如果射頻脈沖的頻率與溫度傳感器預設的頻率相同，傳感器就能接收到該射頻信號，返回的脈沖信號由于受到了傳感器自身溫度的影響而攜帶了傳感器的溫度信息.安裝溫度傳感器時，每個溫度傳感器之間的距離不能小于10 cm，與發射接收天線的距離應保持在40 cm～65 cm之間，如圖2所示為實際安裝圖.

3 溫度檢測系統的總體設計

3.1 系統整體架構

本系統主要采用一個開關柜安裝一組(通常6個)SAW無源無線溫度傳感器測量各觸點溫度，這組傳感器的溫度測量信息的收發和管理由一個讀入采集器統一完成. 同一區域內多個開關柜的讀入采集器之間選擇通過CAN總線網絡、485/232總線、無線自組網等進行溫監測信息的本地傳輸，由一個測控主控終端統一進行本區域內所有開關溫度監控信息的采集、存儲和管理，本開關柜溫度監測系統主要由無源無線溫度傳感器、無線溫度采集器、測控主控終端三部分構成，每個無線溫度采集器最多可采集3組(每組6個)無源無線溫度傳感器、每個測溫主控終端對接30個無線溫度采集器.

在監控系統中實現遠程在線溫度監控、分析以及預警等.本系統整體架構[6]128-130如圖3所示.

3.2 系統硬件選擇

3.2.1 溫度傳感器

本系統溫度傳感器采用成都賽康科技的WSTS-MS-SC型號的溫度傳感器，采用OOK二進制幅度調制方式，頻率范圍在428 MHz～439 MHz.它具有體積小、安裝方便靈活、使用壽命長等特點.安全性方面，具有必要的防腐、防潮、防強電場等能力.

3.2.2 溫度采集器

本系統溫度采集器選用成都賽康科技的WSR-T2，此溫度采集器具有CAN接口，用于與測溫主控端通信，一個采集器可同時輸出3個天線信號，并可同時讀入18個傳感器信號，工作溫度為：-25 ℃～125 ℃，頻率范圍在428 MHz～439 MHz.

3.2.3 測溫主控端

本系統測溫主控端采用成都賽控科技的WPTM-CTU-SC型測溫主控端，此測溫主控端采用220V交流電壓供電，通過 CAN 線與位于高壓開關室的溫度采集器連接，通過 485 總線按照指定的規約(如 103)與上位機連接，工作環境溫度為：-20℃～50℃.

3.3 系統上位機軟件設計

高壓開關柜溫度監測系統的主要功能包括各種溫度傳感器設備的溫度監測、各項溫度參數的設置、溫度信息的遠程獲取、綜合查詢分析以及溫度預測告警等.

本系統上位機軟件采用Microsoft Access軟件建立關聯數據庫.分別設計用戶管理數據庫表、監測點數據表、正常數據管理數據表和報警數據管理數據表等.監控系統主界面采用Visual studio 2008設計.其監控系統界面如圖4所示.

圖3 系統總體架構圖

圖4 監控系統主界面

根據上位機接收到的溫度信息，經過處理，用戶可以查詢任一節點的溫度值、走勢圖、歷史信息.

4 系統具體功能

4.1 檔案管理

建立各級開關柜溫度監測及網絡之間的管理，對各級設備溫度的檔案進行管理.

4.2 參數設置

對指定開關柜或某一具體傳感器的參數遠程下發，設置與測溫主控終端的值.

4.3 溫度告警方式

在計算機桌面上彈出告警界面，并發出警示聲音，同時也可以發送告警短信到相關運行管理人員的手機上.

4.4 溫度監控

對指定開關柜或一個具體的測量點進行實時的遠程溫度監控.

4.5 歷史溫度查詢

提供某一指定開關柜歷史時間段的多種查詢條件，對查詢結果以表格、溫度曲線等方式展現出來.

4.6 故障診斷

采用開關柜實時監測溫度與負荷參考設定值對照，若差值超出預設參考值，表示溫度異常情況，從而進行故障排除.

4.7 溫度預測

將歷史溫度數據按照既定的預測算法提供未來幾分鐘的溫度預測，然后將預測值與預警值進行比較，如超出預警設定值則發送溫度告警信息.

4.8 統計報表

系統按開關柜型號進行排序，并進行溫度異常情況統計，然后自動生成各類統計報表，報表格式與Excel兼容.

4.9 數據發布

將各類統計報表、關鍵技術指標等在系統門戶發布，同時也可以郵件形式發送給相關的管理人員.

5 結語

本文在實踐的基礎上，不斷研究、探索高壓設備溫度變化的特點，對SAW傳感技術進行了研究和分析，并在此基礎上設計了一種基于SAW傳感技術的高壓開關柜溫度監測系統，本系統可以對高壓開關柜進行實時在線溫度監測，不僅提高了高壓開關柜溫度監測的準確性、可靠性，而且可以進行溫度實時監控、溫度預測告警、檔案管理、統計報表和數據發布等功能，從而避免了高壓設備因熱故障而引起的一系列問題，確保了電力設備的平穩、正常運行.

[1] 張 艷，田 競，葉逢春,等.基于紅外傳感器的高壓開關柜溫度實時監測網絡的研制[J].高壓電器，2005,41(2).

[2] 吳紹華,周宏輝.基于無源無線傳感技術的高壓設備溫度監測系統分析[J].機電信息.2012(6).

[3] 宋 杲,崔景春,袁大陸.2004年高壓開關設備運行統計分析[J].電力設備，2006,7(2).

[4] REINDL L，SCHOLL G，OSTERTAG T，et al. Theory and Application of Passive SAW Radio Transponders As Sensors[J].IEEE Transaction on Ultrasonics，Ferroeletrics，and Frequency Control，1998.

[5] 楊淵華，肖亞功，刁振國.SAW傳感器[J].中國科技信息，2012，85(10).

[6] 將遠東.基于無源無線傳感技術的高壓開關柜溫度在線監測[J].南方電網技術，2011,5(2).

[責任編輯 迎客松]

High Voltage Switchgear Temperature Acquisition System Based on SAW Sensor Technology Analysis

GUO Cuiling， Wang Hua

(ElectricalandMechanicalEngineeringDepartment,ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

Based on the shortcomings of the traditional method of temperature measurement of high voltage switchgear, the paper uses SAW sensor technology to take passive wireless temperature measurement for high voltage switchgear. The system, which has temperature measurement, alarm function, parameter setting, data storage and other functions that can take real-time remote temperature online monitoring, is an important basis for smart grid construction.

SAW sensor; High Voltage Switchgear; temperature acquisition

2015-08-10

郭翠玲(1980-)，女，河南商丘人，商丘職業技術學院機電工程系講師，碩士研究生，主要從事電子信息研究。

1671-8127(2015)05-0063-04

TM591

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