聲表面波技術在變電站溫度檢測系統中的應用設計

張政健 程龍

摘 要： 針對變電站核心部位溫度監測系統存在檢測傳感器技術缺陷、檢測數據未能實現綜合利用等問題，設計將SAW（聲表面波）技術應用到變電站核心部位溫度監測中。該系統采用基于SAW的無源無線傳感技術檢測開關柜觸頭、戶外刀閘、變壓器、GIS等核心設備的溫度信息，并研發綜合智能管理平臺，滿足前端各種不同類型的傳感器與后臺統一數據平臺的標準化接口，進而實現變電站核心部位溫度數據的統一管理和綜合利用。

關鍵詞： 變電站; 溫度監測; 無源無線; SAW; 智能; 傳感技術

中圖分類號： TN911.23?34 文獻標識碼： 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

隨著國民經濟的不斷進步，電網運行維護部門的主要控制目標也轉變到了電力系統的安全及平穩運行。但自始至終配網系統是電網建設中存在的缺陷步驟，同時和用戶用電密切相關的10 kV饋線供電具有接線復雜、線路殘舊以及負荷不均衡等缺點。封閉式10 kV高壓開關柜由于載流超負荷而導致設備故障嚴重危及到電網系統的正常運轉。實際電力系統工作過程中，10 kV開關柜的溫升故障主要出現在電纜接頭連接點處以及開關動靜觸頭位置，所以對這些位置進行有效監控是預防開關柜載流溫升故障以及保障電力系統正常穩定運轉的關鍵。因此，本文設計了SAW（聲表面波）并將其應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計

溫度采集是該溫度監控系統的重要組成部分之一，其關系到溫度監控系統工作的有效性。根據封閉式10 kV高壓開關柜的特征，開關柜中每個電氣設備銜接密集，電氣絕緣比較復雜，柜體內部空間狹小，很難運用敷設電源進線的方式對其供電。同時將紐扣電池當作電源受到使用壽命的限制，當設備發生故障時須要停止高壓設備才能處理，很難達到電網穩定供電的需求，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完成對開關柜中關鍵位置的溫度檢測。

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?電轉換器，其主要作用是在壓電晶體上激發以及檢測SAW，其結構見圖1。主要性能參數包括：指條周期長度[M]、指條對數[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現象，IDT把電能改變成聲能，從而導致指條震蕩狀況的出現。根據各指條激勵情況，相對而言其SAW全都很弱，但是當IDT的周期長度等于SAW波長整數倍時，其相互疊加性能加強并且導致出現諧振，IDT對應的角頻率[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，但是其引發的SAW強度和換能器指條對數的平方之間具有正比關系，也就是說指條對數數量越大，其引發的SAW也就越強。為了獲得較強的SAW，通常指條數大于200。

1.2 反射柵

SAW反射柵是執行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，但是也有例外發生，若反射波相位相等時，其疊加將會產生更強的反射波，即為布拉格反射，其相位匹配應滿足的前提是：

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構，雙端口結構包括輸入/輸出換能器IDT，分別實現電聲轉換以及聲電轉換。單端口結構僅具備1個IDT，它既能夠用作輸入換能器也能夠當輸出換能器來用。本文選擇單端口結構見圖2。

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

1.4 天線設計

本文設計的天線運行公用波段為429～436 MHz，設計出兩種天線，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到34 cm，其最大輻射方向增益能夠達到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果。

2 檢測系統設計

2.1 硬件設計

2.1.1 信號檢測設計

該檢測系統主要由無線收發、收發控制以及信號處理等模塊構成，其中，無線收發模塊由無線發射及接收通路構成。無線發射通路產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轉換等任務，同時把獲得的信息輸送至信號處理模塊;收發控制模塊經過對激勵信號產生、功率放大、收發隔離開關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，然后依據頻率與溫度的關系運算得到溫度參數，隨后傳輸至上位機軟件顯示，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發出一個頻率，由VCO+PLL產生這個頻率的正弦脈沖信號，然后經過數字衰減器Att以及功率放大器PA完成對發出信號的強度控制;此信號作為激勵信號經過天線傳輸出去，SAW諧振器在激勵信號作用下進行振蕩。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及數字可調增益放大器VGA完成對信號的適當放大，隨后經過RF Detector把信號強度變換為電壓信號輸出去，運用MCU自帶的ADC完成采集工作，得到響應信號的強度，經過發射強度相同、頻率不同的信號搜尋其中反射信號最強的頻率點，運用諧振頻率與溫度的線性關系運算出此時的溫度，然后經過串口把溫度、頻率以及信號強度等信息傳送到后臺。

MCU選用C8051F020單片機，C8051F020具有多個能夠運用程序控制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，可將數字量轉化為電壓量形成連續變化的波;另外其還包含基于JTAG接口的在線系統調試功能，片內的調試電路經過該接口可提供高速、方便的在線系統調試。

2.1.2 開關設計

當激勵信號的頻率等于SAW的諧振頻率時，SAW響應信號的能量達到最高，若運用穩定的正弦信號激勵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遠高于響應信號，從而導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。

為實現這個目的，可以運用可控單刀雙擲開關，能夠在很大程度上符合系統共用一根天線完成收發的切換及控制的要求。單刀雙擲開關要具備很高的隔離度及非常小的損耗，因此在關斷情況下選取開關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，其原理見圖4。

2.2 溫度檢測系統軟件設計

組態王軟件擁有強大的兼容性，可以滿足控制要求，因此本文選擇組態王作為上位機監控軟件，主要實現溫度數據的可視化以及參數設置。把溫度數據經過主從查詢的形式進行讀取，然后存入數據庫內，其監控界面見圖5。

監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據等功能。其中，測點位置區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點溫度數據構成一組溫度曲線。用戶可以經過選取位置參數完成對各個測點的曲線查看。實時曲線顯示區中橫縱坐標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，依據溫度的改變實時進行動態變化并在界面中完整顯示溫度曲線;溫度數據顯示區完成對實時溫度值、測點名稱及其曲線的顯示工作，右上是報警指示燈，如果有溫度報警數據傳輸時，指示燈將由綠色變成紅色進行報警。溫度值依照設定好的采集時間間隔完成更新，確保其實時性。增加復選框功能，用戶能夠按照實際要求完成對溫度數據及曲線的選擇性查看，同時為用戶實現溫度對比提供了方便;實時報警列表展現報警生成的位置、傳感器號、報警類型及發生時間等，同時用列表的方式顯示報警數據，直觀展現報警的詳細信息。

3 溫度監測系統的應用分析

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

根據圖6和圖7可知，該溫度檢測系統和紅外測溫結果總體上很接近，3月份及4月份溫度測量結果相差最高分別是2.72 ℃及2.69 ℃。從總體角度來看，該溫度檢測系統檢測溫度數據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月份的供電負荷及無功補償均比3月份有顯著增加，所以檢測設備發熱比較大，該溫度檢測系統獲得的溫度數據也比紅外測溫顯著提高，由此能夠得知使用聲表面波技術比紅外測溫方式能更為精確地監控設備實時溫度。

4 結 語

通過幾個月的試運行，對現場檢測數據進行對比分析，能夠得知該系統檢測到的數據比較穩定，同時可以很好地響應10 kV開關柜中設備的實際工作情況，基本達到預期的設計目標。將聲表面波技術應用于溫度監測系統的方法是行之有效的，該系統不僅增強了變電站值班運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了運行部門對設備的風險管控能力。

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