基于電磁波取能的GIS 聲學指紋傳感系統

王 崢，綦 銳，劉宗杰，龐振江，李 鵬

（1.北京智芯微電子科技有限公司北京 100192；2.國網山東省電力公司濟寧供電公司，山東濟寧 272000；3.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

氣體絕緣開關設備是當今輸電網絡中一種應用廣泛的電氣設備。與傳統的敞開式設備相比較，GIS 具有結構緊湊、可靠性高、安全性強等眾多優點，但由于其采用全封閉結構，一旦發生故障，影響范圍大并且難以準確定位及快速搶修，將會帶來嚴重的經濟損失，因此對GIS 設備進行狀態監測十分必要[1]。在2019 年第五屆開關設備應用發展與運維檢修技術交流會上，就總結出近5 年330 千伏及以上新投斷路器故障占總數的56%，GIS 設備初期故障占比達到80%；開關設備領域仍然存在諸多問題沒有解決的技術問題，缺乏有效的在線監測技術手段[2]。

該文提出的是一種有效的GIS 設備監測方案及系統。針對電力檢測設備無源無線的要求，在工程設計上引入了電磁波取能、UHF RFID 和藍牙通信技術，這樣可以很好地解決能量獲取、低功耗喚醒和數據通信問題。在GIS 設備監測技術上，振動法作為一種常規的狀態監測與故障診斷方法，已經在電力設備狀態監測中得到應用；振動作為電力設備GIS的一項固有屬性，既能反映機械故障引起的低頻振動，也能反映絕緣故障引起的高頻振動[3-7]。文中在這幾項技術組合的基礎上闡述原理、方案及系統實現的效果。

1 原理與設計

該文提出的基于無線電磁波取能的供電方案，可以讓能量密度較大的風險設備遠離GIS 設備并且給聲學指紋傳感器供電。傳感系統電路中只保留微小的電量，這樣可以確保相關設備足夠安全，而且也能長時間穩定工作。振動信息由設備監測到的數據進行統計分析處理后，可得到一些特殊的譜圖，例如三維譜圖或二維譜圖，通過分析譜圖或將譜圖和已知的標準圖形作對比，從而判斷設備的（絕緣）狀態，稱為“指紋診斷”[8]。

1.1 總體方案

結合上述提出的兩個研究方向以及無線通信技術，文中提出圖1 所示的總體方案。

圖1 總體方案圖

如圖1 所示，系統定義成四大塊：GIS 聲學指紋傳感器、電磁波取能及低功耗處理電路、UHF 無線供能器和GIS 聲學指紋數據采集設備。GIS 傳感器安裝在GIS 斷路器操動機構上，在GIS 設備沒有動作時處于極低功耗狀態；當有GIS 機構動作時才會被喚醒并采集相應的振動數據。電磁波取能及低功耗處理電路有兩部分功能：1）電磁波取能，實現UHF 電磁波轉換成系統需要的3.3 V 電量供給；2）低功耗處理電路，它平時處于低功耗狀態，當有外部UHF RFID 信號喚醒后，進行數據處理及協調通信狀態。UHF 無線供能器要實現的功能就是產生UHF 信號，通過放大后向發射天線提供足夠強的UHF 功率信號；UHF 功率信號通過天線向外輻射能量，實現無線能量發射。GIS 聲學指紋數據采集設備包含有UHF RFID 和2.4G 藍牙通信模塊的智能終端設備，它可以是手持機或是電腦，用它來采集傳感器數據以及進行后續數據處理。

1.2 GIS聲學指紋傳感器

如上所述，GIS 聲學指紋傳感器需要具有超低功耗功能，然而單一器件的超低功耗振動傳感器帶寬往往滿足不了系統指標需求。為了設計出符合系統帶寬和功耗要求的傳感器，首先對傳感器的振動頻率進行研究，然后提出設計思路和實現方案。

1.2.1 傳感參數分析

GIS 正常運行時的振動主要由電磁力與磁致伸縮引起[9-10]。正常情況下，磁致GIS 設備伸縮加速度可以式（1）表示[3]：

其中，導電桿電流i0=I0cos(ωt)，ω為工頻角頻率，εs為薄殼的飽和磁致伸縮率，u0為真空磁導率，R為GIS 圓柱殼外徑，Bs為飽和磁感應強度。根據上述分析，在理想情況下，在電磁力及磁致伸縮效應的穩定作用下，GIS 外殼將以2 倍工頻為基頻發生持續穩定振動。根據推導和實測可得出，GIS 機械裝置的加速度約為1 000 m/s2，即100 g 加速度量級[3]。

GIS故障包括機械故障及絕緣故障，機械狀態的改變引起的振動往往是低頻異常振動，集中在1 000 Hz以下；但是局部放電引起的振動頻率都在2 kHz 以上，與機械故障引起振動的頻率特征有著顯著差異[3]，因此較高帶寬的振動信號監測GIS 運行狀態能夠兼顧機械故障與絕緣故障。

1.2.2 低功耗處理

從有代表性的MEMS 加速度傳感器參數對比中，不難發現大部分的低功耗器件帶寬都在10 kHz以下。在傳感加速度范圍和帶寬上較符合需求的器件有ADXL1004，但是它的功耗在1 mA 左右，而且是模擬信號輸出。結合器件各自的特點，該文提出了一種雙MEMS 系統方案，其中一個MEMS 作為低功耗輔助器件，工作流程如圖2 所示。

如圖2 所示，輔助MEMS 長時間處于低功耗監控狀態，當它監測到一定強度的振動信號后，會輸出中斷信號喚醒正在睡眠的MCU；當MCU 被喚醒之后，它會發起一系列流程，實現主MEMS 的振動信號采集；完成主信號采集后輔助MEMS 繼續監控振動情況，MCU 重新進入睡眠。

1.2.3 傳感器硬件設計

圖2 傳感器工作流程

在上述分析的基礎上，傳感器的硬件架構設計如圖3 所示。鑒于傳感器小體積這一需求，在主控選型上傾向于集成ADC 的芯片，結合ADC 采樣精度、速率指標，選擇ADUCM355 這顆MCU 比較符合實際應用，同時這款MCU 的SAM 大小是64 kB，方便采樣數據緩沖。主傳感器ADXL1004 的功耗需求在1 mA 左右，采用MCU GPIO 直接供電即可實現程控通斷電功能，使得電路非常簡潔。由于ADXL1004的輸出電壓范圍是0～VDD，它超出了ADUCM355 ADC 的0.2～2.1 V 動態，因此需要采用電阻分壓的方式，把ADXL1004 的輸出電壓范圍調節到合適的動態范圍。輔助MEMS 采用LIS2DH，它在工作的時候功耗可以低至2 μA，它的INT1 作為中斷輸出給MCU 用作喚醒信號。輔助MEMS 和Flash 芯片GD25Q40B 共用SPI 總線接入到MCU，實現各自的功能。傳感器向外部引出SWD 程序下載口和UART 通信接口（P0.10 和P0.11）。

1.3 電磁波取能及低功耗處理電路

接下來討論可以驅動GIS 聲學指紋傳感器的主控模塊：電磁波取能及低功耗處理電路，這個模塊通過UHF 電磁波取得電能，負責給自身及GIS 傳感器供電，并且實現低功耗時序控制和通信管理。接下來從獲取能量、電路架構和控制時序這三點進行論述。

圖3 傳感器硬件架構

1.3.1 電磁波取能

UHF 電磁波取能是該研究的一項重點內容，由于分布參數對天線各項指標影響比較復雜，以下將會從理論和實測兩個方面相向推導計算出各參數指標。首先對電磁波能量傳輸給出如下定義：

其中，ηt是天線的發射效率，ηr是天線的接收效率，假設發送和接收是同一款天線，它們存在ηt=ηr關系，ηc是自由空間的傳輸效率。式（3）給出了接收點單位面積接收功率S0的計算方法：

式（3）中，Gt是發送天線的增益，Pt是發射天線的輸出功率，d為收發天線之間的距離。接收天線有效面積與天線增益G關系如下[6]：

Gr是接收天線的增益結，Ar是接收天線的有效面積，λ是能量信號的波長。結合式（3）和式（4），可以得出：

在7 dBi 圓極化天線(Gt=Gr≈5)、922 MHz 工作頻率，1 m 距離的環境下，從式（5）中可以計算出ηc≈1.68%。表1 給出了實驗室在此情況下實測的數據。

結合理論和1 m 距離的實測數據，不難得出發送和接收天線的轉換效率ηt=ηr≈78.3%。同時系統在此天線環境相距3 m 的情況下，電路有將近1 mW的功率供UHF 取能芯片使用。

表1 天線收發效率實測數據

1.3.2 取能及處理電路設計

從功能需求和模塊功能劃分角度出發，設計出UHF 電磁取能和低功耗處理電路架構，如圖4 所示。

圖4 取能處理電路架構

從圖4 可知，電磁波取能及低功耗處理電路主要包括以下部分：ANT1 是UHF 天線，它負責電磁波能量的接收和UHF 通信，其中電磁波能量頻段為840～845 MHz，UHF 通信頻段是920～925 MHz；UHF IC（ROCKY100）是電磁波整流取能芯片，這部分電路的輸入需要引入840 MHz 頻段的帶通濾波器；DC/DC（MP3120）是低功耗升降壓電路，它可以實現寬電壓0.9～5 V 的輸入并且穩定3.3 V 電壓輸出，實現整個系統的供電，為了保證系統的突發供電能力，它的輸出會并聯一個大的法拉電容C1；UHF IC（UCODE IIC）是UHF 通信芯片，它的天線輸入需要加入920 MHz 頻段的帶通濾波器，它平時處于極低功耗狀態，UHF 通信可以喚醒它并且指定輸出中斷信號來喚醒MCU，這個芯片同時可以是UHF 的PHY 芯片實現MCU 的UHF 通信；MCU&BT（nRF52810）是帶有藍牙功能的MCU 芯片，它可以實現低功能時序處理及藍牙通信，這部分電路也帶有自己的2.4G 藍牙天線ANT2。

由于電磁波取能和低功耗處理電路的體積和安裝位置都有一定的要求，它和GIS 設備需要監測點的位置也不一致，因此它會和GIS 振動傳感器分開，如圖1 和圖4 所示，它們之間采用一根電源數據線連接。

1.3.3 處理電路時序

為了讓電磁取能和低功耗處理電路以及GIS 振動傳感器有電源，系統需要UHF 無線供能器一直發送30 dBm、840 MHz 的能量信號，該設備可通過一體化UHF 讀寫器設置之后即可實現，因此該文不再過多敘述UHF 無線供能器。在取能處理電路和GIS 傳感器都正常供電且處于低功耗休眠的情況下，圖5給出了如何通過數據采集設備實現取能處理電路的喚醒和數據采集。

圖5 GIS指紋傳感系統工作流程

如圖5 所示，左半部分是帶有UHF、藍牙模塊的終端或PC 需要實現的流程，右半部分是取能及處理電路的流程，UHF 模塊在這里起到了喚醒和藍牙配對信息交付的作用，藍牙是傳感數據傳遞的途徑。其中讀振動傳感器數據這個流程需要通過GIS 振動傳感器配合，它們之間是通過UART 進行通信的，UART 通信可以觸發GIS 傳感器退出睡眠進入數據傳輸狀態。

至此，一種基于電磁波取能的GIS 操動機構的聲學指紋無源傳感器原理與設計完成論述。

2 實現與測試

在原理與方案設計的基礎上，對所述系統進行了實現，如圖6 所示，即為圖1 方案的實驗室測試場景圖。在室驗室環境下，UHF 無線供能器一直處于上電狀態，它發射出來的電磁波通過自身的天線把能量輻射到1.5 m 距離處的電磁波取能及低功耗處理電路模塊上；電磁波取能及低功耗處理電路接收到無線能量后，會把射頻能量轉換成直流電壓儲存到法拉電容，供自身及GIS 聲學指紋傳感器使用。當電磁波取能完成啟動后，低功耗處理電路和GIS聲學傳感器也隨之啟動，快速初始化后立即進入低功耗，等待GIS 設備振動或外部UHF 手持機信號喚醒執行相關操作。

圖6 GIS指紋傳感系統實驗室測試場景

在圖6 場景中，實測手持機可以按圖5 所設計的工作流程實現GIS 設備的數據獲取。經過實測，GIS指紋傳感系統實現了表2 所示的關鍵指標。

表2 GIS聲學指紋傳感系統實測參數

在表2 參數測試中，由于無線供能器采用的法拉電容存在一定的漏電情況（約40 μA），因此啟動時間會比理想中的時間要長一些，算上漏電流帶來的影響，實測的啟動時間是正常的。GIS 傳感器的采集范圍是采用ADC 有效采集電壓范圍推導出來的結果，真實數據需要進一步實測。

為了證明設計的GIS 聲學指紋傳感器能真實有效地采集原始振動數據，并且初步評估其數據的性能指標，把本次設計傳感器和傳統的采集系統數據做了對比測試，圖7 是GIS 設備機械裝置的傳感器安裝圖。

圖7 GIS傳感器對比測試安裝圖

如圖7 所示，采用該文論述方案并實現的新傳感器和傳統的老式傳感器安裝在GIS 設備裝置的同一機械位置上，新傳感器是在睡眠模式下通過機械振動喚醒采集數據，老傳感器是使用數據采集卡監測數據。它們在同一次機械動作情況下得到的數據，如圖8 所示，然后進行FFT 分析，得到圖9 所示的頻譜圖。

圖8 GIS傳感器實測波形對比圖

圖9 GIS傳感器FFT對比圖

圖8 的上圖是新設計的傳感器在一次GIS 設備機械動作時采集到的振動數據時域波形，圖8 下圖是用作對比的傳統傳感器采集的數據時域波形，從波形現象來看雖然新傳感器采集數據的開啟時間會比振動來得遲一些，但是大幅度的振動情況都已經采集到了（GIS 機械動作之前的其他設備的預處理振動動作可喚醒新傳感器）；雖然新傳感器的存儲采樣點數有限，不過它基本上覆蓋了整個有效振動時間。圖9 上圖是本次設計的新傳感器采集數據FFT波形，圖9 下圖是傳統的舊傳感器采集數據的FFT 波形，通過對比不難看出由于新傳感器采用的加速度傳感器帶寬更寬，它有更高的頻率細節可以體現出來。因為新的傳感器功耗低、帶寬更高，動態范圍更大，更能收集出GIS 機械振動的細節，因此它適用于低功耗甚至是電池供電、對振動信號采集細節要求更高的系統。

3 結論

該文論述并且實現了基于UHF 電磁波取能的GIS 聲學指紋傳感系統，通過實測證明了方案、理論和實際電路的一致性。通過實測數據表明，UHF 電磁波取能對于一些采集系統的供電（甚至是有突發幾十毫安級別的）具有一定的可行性。不過由于無線供電和取電的天線體積過大，會占用一定的空間，而且效率過低，儲能元件體積大，且漏電相對較嚴重，因此UHF 電磁波取能在這種幾十毫安級別突發的耗電系統中應用并不是較優解，一些安全等級較高的電池供電方案或室內太陽能取電也許會優于UHF電磁波取能，這點需要進一步展開相關研究工作。

文中設計并且實現的GIS 聲學指紋傳感器具有體積小、低功耗、帶寬高、寬動態范圍等特點，在此類傳感器中屬于較為新穎的器件，它可以與其他外圍的供電及采集電路相結合，設計出具有強競爭力的GIS 設備監測裝置。