基于無源無線傳感技術(shù)的在線測溫系統(tǒng)研究

王磊 岳綱毅 王軍亭

摘 要：無源無線傳感技術(shù)在當(dāng)前電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著積極作用，其能夠準(zhǔn)確檢測出相關(guān)設(shè)備的實際溫度，為科學(xué)處理電力設(shè)備運行中的故障問題提供信息支持。本文主要從無源無線測溫技術(shù)在變電站開關(guān)柜中的作用分析入手，重點介紹了無源無線測溫裝置的原理和設(shè)計路徑，為全面保證變電設(shè)備的穩(wěn)定運行，提升電網(wǎng)系統(tǒng)運行的整體穩(wěn)定性提供借鑒和參考。

一、概述

變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)等重要的設(shè)備，在長期運行過程中，開關(guān)觸頭和母線連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度無法監(jiān)測，由此最終導(dǎo)致事故發(fā)生。

目前大部分地區(qū)對開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備觸點的監(jiān)測依然采用人工定期現(xiàn)場測量，不能實時監(jiān)測設(shè)備的溫度狀態(tài)，存在極大的安全隱患;另外還有地區(qū)采用有源無線的方式對設(shè)備觸點進行測量，這種方式在一定程度上解決了定期監(jiān)測帶來的盲目性，但由于該類傳感器需要電池供電，而電池在高溫環(huán)境下及電池饋電狀態(tài)下極易發(fā)生誤報警，大大影響監(jiān)測精度，使得該種監(jiān)測方式的可靠性大大降低。本文研究聲表面波傳感技術(shù)，將無源無線測溫技術(shù)集成應(yīng)用實現(xiàn)電力設(shè)備溫度的實時監(jiān)測，設(shè)計出適用于高壓開關(guān)柜特別是手車柜的溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

二、基于聲表面波的無源無線傳感技術(shù)

（1）SAW技術(shù)

聲表面波器件的核心部件是叉指換能器（IDT），IDT是一種在壓電晶體上激發(fā)和檢測聲表面波SAW的聲-電轉(zhuǎn)換器，IDT是用半導(dǎo)體平面工藝將金屬鋁沉積在壓電基片上，然后用光刻技術(shù)將金屬薄膜刻成特定的尺寸及形狀。

聲反射柵是實現(xiàn)SAW諧振器的關(guān)鍵器件，SAW只能基于反射元陣列來構(gòu)成SAW反射鏡，SAW反射柵陣有反射溝槽和反射金屬條帶兩種，其中溝槽反射陣性能更好，但金屬反射柵陣最易實現(xiàn)。

當(dāng)SAW諧振器的壓電基片表面的溫度發(fā)生變化時，SAW的傳播速度VSAW和發(fā)射柵的間距（L）發(fā)生改變，從而引起諧振器的諧振頻率發(fā)生變化，從諧振頻率的變化即可反映出被測溫度信息，通過測量頻率的變化量，便可實現(xiàn)對溫度參數(shù)的監(jiān)測。工程中，SAW諧振器的諧振頻率隨溫度的變化關(guān)系一般用多項式表達，下式即為頻率溫度特性的一般方程：

式中，T是被測溫度，T0是參考溫度，f0為參考溫度處的諧振頻率，a0，b0，c0分別是參考溫度T0時的一階、二階和三階頻率溫度系數(shù)。

這些系數(shù)與所選擇的晶體材料及其切割方向有關(guān)，壓電晶體采用不同的材料和不同的切向，其溫度系數(shù)不同，機電耦合系數(shù)和介質(zhì)損耗也不同。典型的SAW襯底材料有鈮酸鋰（LiNbO3）、石英（SiO2）和LiTaO3等。同時，在襯底上鍍壓電薄膜，可以很好的調(diào)節(jié)壓電晶體的性能參數(shù)。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)自身的需求綜合考慮，采用合適的襯底壓電晶體材料和鍍膜材料。本系統(tǒng)采用了石英襯底的壓電基片鍍上壓電薄膜，使頻率溫度系數(shù)中的高階系數(shù)b0，c0相比于一階系數(shù)a0可以忽略，即頻率溫度曲線呈線性關(guān)系，測溫計算更簡便，測溫精度更高，可達0.1℃。

（2）天線設(shè)計

天線是無線通信系統(tǒng)中不可缺少的部件，是聯(lián)系發(fā)射裝置和接收裝置的重要工具，其基本功能為接收和輻射電磁波。本系統(tǒng)工作于429-436MHz公用波段，國家規(guī)定該波段的信號發(fā)射功率不得超過10mW，接收機的靈敏度到達一定程度后就很難提升，高靈敏度的接收機成本也非常大。設(shè)計高性能天線可以很明顯的改善無線傳感系統(tǒng)的性能，天線最重要的參量是定向性D和增益G。本系統(tǒng)依據(jù)實際工程應(yīng)用的需求和特點，開發(fā)出了兩種天線：在某方向上有定向性增益較高的螺旋臂偶極子天線;在法向方向為全向的小螺旋天線。其中偶極子天線通過同軸電纜與信號采集器（Reader）相連，起發(fā)射查詢脈沖和接收攜帶溫度信號的反饋脈沖的作用;法向的小螺旋天線與SAW傳感器連接，一起接收查詢脈沖，并將SAW諧振信號反饋給發(fā)射天線的作用。實驗表明，在室外，本無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定工作距離可達3m;在開關(guān)柜內(nèi)，信號更強，保持在穩(wěn)定的無線傳感狀態(tài)。

三、無源無線在線測溫系統(tǒng)設(shè)計

（1）無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)采用4層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從底層往上包括：①傳感芯片與數(shù)據(jù)采集器;②總線網(wǎng)關(guān);③監(jiān)控中心;④主站。

●傳感器與數(shù)據(jù)采集器：最底層是分布放置的溫度傳感器，傳感器和待測點直接接觸，例如放置在開關(guān)柜母排上;數(shù)據(jù)采集器天線放置在傳感芯片3米范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)采集器給傳感器發(fā)送問詢信號，溫度監(jiān)測結(jié)果返回到數(shù)據(jù)采集器，從而完成溫度數(shù)據(jù)采集。

●總線網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)通常以一個監(jiān)控房間為單元，采用一個網(wǎng)關(guān)接8個數(shù)據(jù)采集器的方式。數(shù)據(jù)采集器通過485協(xié)議和網(wǎng)關(guān)連接，從而在網(wǎng)關(guān)完成多數(shù)據(jù)采集器的溫度信息匯集。

●監(jiān)控中心：針對同一區(qū)域、不同監(jiān)控房間的數(shù)據(jù)，在監(jiān)控中心進行匯集;計算機上按照溫度監(jiān)控客戶端軟件，該軟件對總線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進行匯總分析，同時向上級主站上傳數(shù)據(jù)。

●跨區(qū)主站：針對不同監(jiān)控中心實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)收集、分析等。在主站安裝溫度監(jiān)控服務(wù)器端軟件，針對監(jiān)控中心上傳數(shù)據(jù)進行建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和分析平臺，該平臺可以通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程管理。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)功能

無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括各溫度傳感器設(shè)備、溫度監(jiān)測各項參數(shù)設(shè)置、溫度信息的遠程獲取、綜合查詢分析以及溫度預(yù)測告警等。根據(jù)實際情況，這些應(yīng)用功能可以作為電力自動化系統(tǒng)的一個功能模塊存在（將溫度信息通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口接入電力自動化系統(tǒng)），也可以單獨作為一套電力設(shè)備溫度監(jiān)測的主站系統(tǒng)。

四、結(jié)束語

變電站的高壓開關(guān)柜無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在運行的過程中，傳感器在其中扮演著較為重要的角色，主要采用了聲表面波技術(shù)，可在無電能支持環(huán)境中正常運行，采用了射頻無線方法與信號天線進行有效的通信，在此過程中進行高低壓電路分離運行。無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在運行期間，具有停電時間短、安裝便捷等優(yōu)勢，不用更換電池與檢修。此外，將該系統(tǒng)安裝于高壓開關(guān)柜中，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵點溫度實時在線監(jiān)測，若溫度出現(xiàn)異常時，能夠提前報警，這在較大程度上能夠提升電力系統(tǒng)運行期間的安全性。

參考文獻

[1] 仝猛，孟凡鐘，耿潔宇，等.環(huán)網(wǎng)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 現(xiàn)代制造，2017（27）：101-103.

作者簡介：王磊，1990年10月，河南永城，本科，工程師，四川大學(xué)，國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司。

岳綱毅，1989年6月，男，河南鄭州，碩士，工程師，華北電力大學(xué)，國網(wǎng)河南省電力公司信息通訊公司。

王軍亭，1965年7月，男，河南中牟，鄭州大學(xué)，電力調(diào)度高級技師，國網(wǎng)河南省電力公司開封供電公司。