光伏智慧電網電氣設備無源測溫監測系統研究

趙玉芹

【摘 要】隨著人們對生態環境及能源危機的重視，世界各國都不同程度的加大了對光伏電站等新能源電站的建設力度。該新能源具有間歇性分布式的特點，穩定性不好，同時，光照強度及天氣環境等自然條件也會對該新能源的電量輸出有非常重要的影響，光伏發電接入配電網后，會導致電網電壓的穩定性大幅度降低，進一步影響電力系統的供電質量，甚至出現短路、斷路等情況。基于此，如何保證光伏智慧電網系統穩定可靠的運行是本文研究的重要內容。

【關鍵詞】光伏;智慧電網;電氣設備;無源測溫;監測系統

一、系統總體設計及工作原理

該無源測溫監測系統基于光伏智慧電網建立，主要由四部分組成，分別是SAW溫度無源采集單元、PIFA天線單元、溫度讀取器單元和顯示單元。由于本系統采用的SAW傳感器芯片是貼片型的，內部沒有天線，因此使用過程中，需要它與匹配的普通螺旋天線連接。具體工作過程如下：首先需要將三個一組的SAW傳感器放置在被測節點的三個相，即A相、B相和C相上;然后調整位置，確定好距離，固定好天線，并把傳感器放在天線輻射距離能夠達到最遠的地方;然后激勵信號由溫度讀取器掃描發射，目的是使傳感器生成共振回波，傳感器將接收到的回波信號進行頻率分析并處理;最后將處理后的數據通過串行方式發動掃顯示器顯示。在整個監測過程中，信號的傳輸過程以現場總線的方式實現，這些信號的有效傳輸能夠用于實現上位機的多節點組網和實時監控。具體如下圖1所示：

（一）SAW傳感器工作原理

目前大部分SAW傳感器由壓電材料、反射光柵及叉指換能器等幾部分組成，一般情況下，這些傳感器用瑞利波實現信號傳輸，所謂瑞利波，就是指在半無限基片邊界條件下沿介質表面傳播的聲波，具體工作原理為：IDT接收到對應的激勵信號后，首先要做的工作是將設備中的電磁信號轉換為傳感器的瑞利波信號，然后瑞利波會沿著介質表面傳播，并經過傳感器兩端的反射光柵反射后，返回給叉指換能器，最后將瑞利波信號變成電磁信號順著天線發出。

（二）PIFA天線的設計原理

在開關柜中，一般使用6個中心諧振頻率不同的SAW無源傳感器監測觸點溫度，此外，在選定的溫度量程內，各個傳感器的截止頻率也要求不同，將3個一組傳感器分成2組，分別放置在待測點的上下兩排上。基于此，在設計天線時，需要考慮一下設計的天線能夠讀取的帶寬是否可以覆蓋全部SAW傳感器的兩個有用頻率，即中心諧振頻率和截止頻率。另外，由于在該傳感器內部不存在內置的天線，因此當需要焊接固定在基板電路上時，需要在傳感器電路中外接一個垂直極化型的普通螺旋天線。平面倒F天線經常用在短距離通信，具有水平和垂直兩種極化分量，擁有良好的方向性及發射接收效果。本研究為更好的實現無源SAW的傳播和接收特性，在倒F天線原理的基礎上，研制了一種平面高增益倒F天線，該天線具有良好的方向性。

（三）溫度讀取器的設計原理

溫度讀取器的設計原理為讀取器由2部分組成，分為發射電路和接收電路。發射電路主要包括5部分，分別是FPGA、DDS直接數字頻率器、PLL鎖相環、AMP功放和高速開關。接收電路部分主要由5部分組成，分別是高速開關、LNA低噪放、MIXER混頻器以及AGC自增益放大器等。

（四）顯示電路的設計原理

傳感器位號及對應溫度數據信息通過兩組4位數碼管顯示，按鍵控制整個系統的工作、運行和參數設置等操作。此外，該顯示電路能夠設置溫度報警范圍，當實測溫度超過此范圍時，顯示器會給出報警提醒，并顯示報警位號和對應溫度信息。RSSI標識顯示混頻器的接收信號強度。此信號輕度與回波信號的最大值呈線性增長關系，并將這種關系用10個LED來表示。比如接收最大強度信號為80dB，對應電壓最大值為1.8V，此時10個LED燈全亮。該顯示電路與溫度讀取器的主控板之間的通信主要通過通信接口來實現，一般選用的通信接口方式有兩種，分別是RS232串口或者RS485總線。

二、系統硬件設計

（一）SAW溫度傳感器

當今市面上存在的無源無線SAW傳感器按結構劃分，主要有兩種，第一種是延遲型SAW傳感器，另外一種是諧振型SAW傳感器，本研究采用的是第二種，單端口諧振型SAW傳感器。如圖2所示：該圖中λ表示波長，d表示反射柵之間的距離。當這兩個參數滿足等式2d=nλ，表征反射波同相位疊加，此時會導致疊加后的反射波幅值達到最大，隨后表面聲波信號就會經過叉指換能器，叉指換能器會將該信號轉換成電信號發射。

（二）天線設計

本研究設計的天線一種高增益PIFA天線，能夠使光伏智慧電網無源測溫監測系統獲得最佳的接收和傳輸特性，根據自適應濾波原理，改變反饋點的位置或者天線尺寸，能夠成功實現在434MHz中心頻率附近的陷波特性。在開關柜中，一般使用6個中心諧振頻率不同的SAW無源傳感器監測觸點溫度，為更好區分在選取的時候，各個傳感器的諧振頻率要求不同，且將3個一組傳感器分成2組，分別放置在待測三相的上下兩排上。基于此，在設計天線時，所設計的天線模型需要考慮到，該模型需要覆蓋監測區域內所有傳感器的兩個重要頻率，這兩個重要頻率分別為：中心諧振頻率和截止頻率。經查閱該傳感器的數據手冊，了解到該傳感器需要設計天線的中心諧振頻率在434MHz附近，而且該頻段內的頻率帶寬需要大于6MHz;此外還了解到，在電壓駐波比的取值上，該比值需要小于1.3或1.5。如前所述，SAW無源測溫傳感器在使用時需要和垂直極化的螺旋天線相連，因為這個特點，因此，在設計時，天線需要設計成具有較小輻射角度的垂直極化型天線。綜述所述，最終選擇能同時具有水平和垂直極化分量的PIFA天線。

（三）收發電路設計

收發電路包括直接數字頻率合成器電路、鎖相環倍頻電路、放大電路、開關電路、低噪放電路、混頻電路、通信電路、電源電路等幾個部分構成。

直接數字頻率合成器，該頻率合成器通過寫入頻率控制字的方式，使參考頻率倍頻和分頻，然后通過高速模數轉換器將數字信號變成正弦模擬信號;鎖相環就是鎖定相位的環路。這是一種典型的反饋控制電路，該鎖相環是一個閉環控制系統，基本原理是讓輸出信號返回給輸入回路，使產生的控制信號控制輸出信號，進而使輸出信號能達到跟蹤輸入信號的目的。鎖相環電路兩部分組成，一部分是前向通道，該通道由壓控振蕩器產生一個輸出，一部分是反饋通道，這部分通過分頻與輸入信號作比較;由于通信信號在傳輸過程中存在衰減現象，而SAW無源傳感器被放置在不同地方，因此為了讓這所有SAW無源傳感器都可以得到激勵，需要一個放大器放置在鎖相環的后面。還有一點兒值得注意，高頻信號要想發送到天線上，需要獲得10dBm以上的功率;本研究的開關電路為了滿足這個要求，采用ADG918芯片進行設計，該芯片帶寬可達1GHz，具有單刀雙擲開關，該單刀雙擲開關隔離度高，插入損耗低，該芯片內部集成的有CMOS控制邏輯，同時在芯片輸入端有50Ω分流匹配，可用簡單的邏輯控制，功率損耗小于1μA，這些優點表明該芯片非常適合無線及作為一般的高頻開關來用;混頻的作用就是將已經調波的頻譜不失真的搬到中頻位置上，混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，其工作機理是運用三角函數的性質將正弦信號相乘，從而讓兩正弦信號的頻率相加或相減。在發生電路中，信號一般都是混合疊加在一起，在接收電路中，信號一般都是經過濾波和放大后進行差頻，輸出頻率的模;設計電源電路時需要考慮電源穩定性的問題，因為如果電源不穩定，設計的控制系統是不能正常工作的。并且，電源在工作時也會出現文波抖動或噪聲干擾等情況，如果在設計電路時，不把這些考慮進去，這些不利因素就會跟隨電流進入到每一個控制單元，影響每一部分的正常工作，后果不可想象。因此，在設計電源時，本研究設計了將電源電路分成了兩部分，第一部分可以將交流電轉換為直流電，第二部分，將直流電轉換為需要的直流電。

（四）顯示電路設計

本研究顯示電路采用數碼管和指示燈來完成。其中數碼管通過74HC375驅動。顯示電路能夠實現人機交互功能，界面能夠控制收發電路能否正常啟動;并且在顯示電路中可以設置報警下上線，當檢測到的溫度超過設定上下線時，顯示電路會給顯示錯誤信息;顯示電路中的RSSI指示燈表征接收信號的強弱。

三、軟件設計

本研究的軟件設計需要實現能實時測取監測點溫度并能夠將該溫度信息在顯示器上顯示，因此主要程序包括兩部分：主控程序設計以及顯示程序設計。主程序設計思路：該部分實現的主要功能測取監測點溫度，首先對各個設備進行初始化和自檢，當自檢通過后會注意監測各個傳感器出的溫度，當監測到溫度信號后將該信號送到顯示裝置;顯示單元能夠將監測到的溫度值在顯示器上顯示，并且如果監測點的溫度超過設定的溫度范圍時，顯示單元會發出報警提醒，并顯示出傳感器位號和對應的溫度值。

四、結束語

基于如今電力系統智慧電網生產實際的需要，本研究設計了一種基于光伏智慧電網的無源溫度監測系統，該系統利用SAW傳感器的結構特點，在現有溫度監測系統的基礎上，不斷比較優化，提出了一種更適合如今電力系統的新型無源溫度在線監測系統，通過實踐證明，該系統具有成本低、穩定性好、可靠性和抗干擾能力強的特點。

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