聲表面波傳感器在電力變壓器溫度監(jiān)測領域的應用

黃 超，施 勇，季新風，郭 凱，喬 飛，居友杰，趙 昊，田 牧

（1.國網(wǎng)上海崇明供電公司，上海 202150；2.中國電建集團裝備研究院有限公司，上海 200233）

0 引言

電力變壓器廣泛分布于配電網(wǎng)各個區(qū)域內(nèi)，運行的狀態(tài)直接關系到整個電網(wǎng)的安全，其設備長期在戶外運行，連接部位易產(chǎn)生接觸不良而導致發(fā)熱的問題，如該隱患未被及時發(fā)現(xiàn)并處理，則很有可能引發(fā)重大安全事故。

針對電力變壓器發(fā)熱造成安全隱患的問題，綜合比較現(xiàn)有多種測溫技術：1）熱電阻測溫需要安裝電源線信號線，對環(huán)境和防護要求較高；2）紅外測溫對測量安裝位置要求較高，易受環(huán)境因素影響；3）有源類溫度傳感器需更換電池，難以長期維護；4）光纖類溫度傳感器容易折損，且長期工作易降低爬電距離。聲表面波（SAW）溫度傳感器具有無源和無線傳輸?shù)奶匦裕m合室外電力變壓器的測溫，無源指傳感器無需攜帶任何形式電源而是由天線接收射頻信號來激勵敏感元件，避免了在高電壓和高溫環(huán)境中使用電源，保證了傳感器的安全可靠工作，無線指傳感器與閱讀器之間采用射頻信號通信，避免了在復雜電氣環(huán)境中布線的困難和危險。SAW傳感器因具有本質(zhì)無源、信息無線傳輸、抗電磁干擾能力強以及壽命長等特點，而受到電力系統(tǒng)行業(yè)關注。

本文針對以上現(xiàn)有問題提出一種聲表面波技術結合現(xiàn)代通訊的無線無源在線系統(tǒng)，可對片區(qū)內(nèi)電力變壓器進行在線統(tǒng)一實時監(jiān)控，有效彌補現(xiàn)行人工巡檢維護方法的缺陷，從而提升巡檢質(zhì)量，保障設備安全。

1 系統(tǒng)總體設計

本文提出的變壓器溫度無線無源監(jiān)測巡檢系統(tǒng)，由信息感知（無線無源SAW 溫度傳感器、閱讀器）、通信網(wǎng)絡、信息處理（管理平臺、終端設備）三部分組成。通過在變壓器樁頭安裝定制的基于聲表面波技術的無線無源測溫傳感器，以無線查詢方式巡檢各個測點溫度值，通過無線通訊網(wǎng)絡傳送到管理平臺，一旦有異常出現(xiàn)，即及時通知終端設備。該系統(tǒng)是集機電一體化、傳感監(jiān)測以及無線傳輸、電磁兼容、數(shù)據(jù)管理等技術于一體的綜合智能監(jiān)測和處理系統(tǒng)。它充分利用了現(xiàn)代監(jiān)測通訊技術，不需要對變壓器做任何改造，具有安裝維修簡便，適應性強等諸多優(yōu)點。

本系統(tǒng)的整體結構示意圖如圖1 所示，將嵌入式技術、無線網(wǎng)絡通信技術、射頻技術、傳感技術等技術進行結合，通過SAW 傳感器來實時監(jiān)測樁頭溫度信號，使用無線閱讀器進行SAW 傳感器的信息掃描查詢，然后經(jīng)過通信網(wǎng)絡到管理平臺處理監(jiān)控點是否有溫度異常。如有異常，即可通過無線通訊4G/5G 系統(tǒng)及時通知終端設備。

圖1 系統(tǒng)整體技術路線示意圖Fig.1 System’s schematic diagram of technical route

系統(tǒng)主要由信息感知、信息網(wǎng)絡和信息處理3 部分組成。基于以上總體方案，本系統(tǒng)研究總體框架如圖2所示，共分為3個主要部分。

圖2 系統(tǒng)整體研究框架Fig.2 System research framework

1.1 基于聲表面波(SAW)技術的無線無源溫度監(jiān)測技術

1.2 具有較強抗電磁干擾能力遠程無線通訊技術

電力變壓器的溫度監(jiān)測過程中，對溫度傳感器的抗電磁特性要求較高，通信網(wǎng)絡技術采用以4G通訊技術（NB-IoT）為主，同時預留系統(tǒng)升級接口，向上兼容5G 通訊技術，設計出一套簡捷、高效、可靠、經(jīng)濟的遠程實時通訊系統(tǒng)。

1.3 綜合管理中心系統(tǒng)軟件研究開發(fā)

具體包括實現(xiàn)系統(tǒng)設置、信息查詢接收、態(tài)勢評估、報警、數(shù)據(jù)保存、打印報表等功能，同時設計人機友好的交互界面，便于工作人員操作和查看各種信息。

2 SAW傳感器的測溫原理

2.1 SAW傳感器工作原理

聲表面波在基底表面行進時，固體表面所呈現(xiàn)的物理特性將會隨著環(huán)境等被測參數(shù)的變化而發(fā)生變化，SAW傳感器就是利用這種原理來實現(xiàn)對被測參數(shù)的敏感。一般SAW傳感器由以下3個主要組成部分：敏感基地、加工在敏感基地上的金屬膜圖形、封裝及天線。外界參數(shù)對聲表面波傳播的影響主要反映在聲表面波傳播速度上，通過監(jiān)測波速，并將其變化情況與環(huán)境條件的變化情況一一對應，一般來說，周圍條件對聲表面波傳播速度的影響，可以用式（1）和式（2）來表示。

SAW傳感器的聲表面波傳播速度，在外界環(huán)境中主要受到質(zhì)量載荷效應、聲電效應以及黏彈性效應三項條件的作用。若薄膜質(zhì)量發(fā)生變化，則會形成質(zhì)量載荷效應，導致IDT 的諧振頻率發(fā)生偏移，因此，也可以通過質(zhì)量載荷效應對材料的厚度進行估計。對于機械形變而言，其會產(chǎn)生聲表面波，所產(chǎn)生的聲表面波在行進中同時會誘發(fā)感應電場，薄膜的電導率會由于該薄膜中的電荷與該電場的相互作用而發(fā)生變化，這一變化最終會造成聲表面波行進速度及衰減情況產(chǎn)生變化，形成聲電效應。這一效應已經(jīng)得到了很多研究的支持，導電率會成為傳感器響應產(chǎn)生變化的重要因素之一。另外，黏彈性效應是指SAW傳播路徑上所覆蓋的薄膜的機械特性，例如剪切或者膨脹壓縮變形。對于特定應用的聲表面波傳感器的設計，就是突出對被測參數(shù)的敏感效應而消除或降低對其他參數(shù)的敏感性。對于本文中的溫度檢測應用來說，就是通過基底材料、切型和表面結構的圖形優(yōu)化設計，使SAW 器件對溫度作用有較高的敏感性。

本文中采用諧振型SAW 傳感器的基本原理結構示意如圖3所示，使用中具有很好的一致性和重復性，其基本原理是在壓電基底上傳播的聲表面波特性會隨著溫度的變化而變化，通過設計諧振型或延遲線型敏感器件，將這種變化轉(zhuǎn)換為射頻信號頻率或相位的變化，從而實現(xiàn)溫度的無線監(jiān)測。

圖3 聲表面波測溫原理示意圖Fig.3 SAW temperature measurement schematic diagram

2.2 SAW傳感器信號檢測

閱讀器信號檢測及處理電路如圖4所示。將溫度信號經(jīng)過SAW振蕩器后先進行混頻，然后經(jīng)過低通濾波器進行濾波篩選，最后再經(jīng)過放大器將篩選后的波形進行放大并進行頻率測量，將測量后的結果交由微處理器進行處理，輸出處理后的測量數(shù)據(jù)。

圖4 SAW傳感器處理電路與信號檢測框圖Fig.4 Processing circuit and signal detection block diagram

如圖5 所示，聲表面波射頻識別系統(tǒng)采集溫度信號的主要步驟為以下四部分：

數(shù)據(jù)顯示，4成家庭會購買KOL推薦的商品，但這并不意味著年輕父母會盲目聽從KOL的推薦，而是會根據(jù)商品是否符合需要，商品本身是否具備足夠吸引力等來決定自己的購買行為，用戶的消費行為呈現(xiàn)出較為理性的狀態(tài)。

圖5 聲表面波射頻識別系統(tǒng)Fig.5 SAW RFID system

1）采集器信號發(fā)射：由采集器完成電信號調(diào)制，然后通過采集器天線將電磁波信號發(fā)到傳感器天線。

2）傳感器信號激發(fā)：SAW傳感器的接收天線收到電磁波信號，通過逆壓效應，在SAW 傳感器上產(chǎn)生聲信號。

3）溫度信號調(diào)制：聲信號感受壓電晶體熱脹冷縮，把溫度信息調(diào)制到聲信號中，調(diào)制后的聲信號經(jīng)過聲反射柵反射后，通過壓電效應，轉(zhuǎn)化成電磁波信號，并且通過傳感器天線發(fā)送。

4）采集器信號接收：采集器天線接收返回的電磁波信號，解調(diào)出溫度信號。

3 基于NB-IoT的無線通訊技術

由于涉及的監(jiān)控變壓器分布范圍較廣，通訊距離達幾十公里甚至上百公里，可靠的實時通訊是必須解決的關鍵問題之一，根據(jù)實際工況，選用構建于蜂窩網(wǎng)絡窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。

NB-IoT 是IoT 領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT 支持待機時間長、對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。NB-IoT 聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，具有連接多、覆蓋廣、安全可靠、功耗低、架構優(yōu)等特點。

1）海量連接：NB-IoT 比2G/3G/4G 有50～100 倍的上行容量提升，這也就意味著，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術提供50～100倍的接入數(shù)。

2）深度覆蓋：能實現(xiàn)比GSM 高20 db 的覆蓋增益；NB-IoT比LTE提升20 dB增益，相當于發(fā)射功率提升了100 倍，即覆蓋能力提升了100 倍，能覆蓋到地下室、地下管道等信號難以到達的地方。

3）穩(wěn)定可靠：能提供電信級的可靠性接入，NBIoT 直接部署于GSM 網(wǎng)絡、UMTS 網(wǎng)絡或LTE 網(wǎng)絡，使用單獨的180 kHz 頻段，不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡的語音和數(shù)據(jù)帶寬，保證傳統(tǒng)業(yè)務和未來物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務可同時穩(wěn)定、可靠地進行。

4）安全性：繼承4G網(wǎng)絡安全能力，支持雙向鑒權以及空口嚴格加密，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性。

5）超低功耗：通信設備消耗的能量往往與數(shù)據(jù)量或速率相關，即單位時間內(nèi)發(fā)出數(shù)據(jù)包的大小決定了功耗的大小。數(shù)據(jù)量小，設備的調(diào)制解調(diào)器和功放就可以調(diào)到非常小的水平。

4 數(shù)據(jù)管理平臺系統(tǒng)

設計開發(fā)以嵌入式系統(tǒng)為核心的巡檢支持平臺系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)設置、信息查詢接收、態(tài)勢評估、報警、定位數(shù)據(jù)保存、打印報表等功能。設計人機友好的交互界面，便于工作人員操作和查看各種信息。在系統(tǒng)設置上可以錄入需要巡檢的變壓器電站號、位置信息、ID號等信息；可以設置巡檢參數(shù)；對接收到的數(shù)據(jù)，按用戶指定的模板表格實時記錄并保存，在需要時可以調(diào)出或打印。

在系統(tǒng)工作期間，正常情況下以手機端為主機，各變壓器設備為從機，由手機端依次對各從機發(fā)起查詢，從機在收到針對自己的查詢指令后，轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送當前的信息數(shù)據(jù)包，發(fā)送完后等待下一次查詢。在某個變壓器發(fā)生異常情況時，該從機轉(zhuǎn)為主機，向手機端發(fā)送應急通訊，手機收到該指令后，連續(xù)接收該站點的各種信息，并在手機屏幕上突出顯示，為工作人員快速到達目標點提供幫助。

5 應用實例

系統(tǒng)目前已完成通過實地信號鏈路測試、數(shù)據(jù)采集，并實際安裝在了崇明島的數(shù)個變壓器上投入運行。在實際工作時各閱讀器數(shù)據(jù)信號良好，且讀數(shù)準確。防雨罩及安裝底座材質(zhì)對信號并無太大影響，傳感器與閱讀器天線距離2 m之內(nèi)時信號最佳。

系統(tǒng)實際運行中各傳感器數(shù)據(jù)接收連續(xù)穩(wěn)定，具備實際穩(wěn)定連續(xù)工作的能力。

圖6 現(xiàn)場布設情況Fig.6 Site layout

安裝時，為解決加裝傳感器后影響接觸的問題，加大了傳感器接觸面，保證安裝緊實。同時為避免在變壓器做升級改造時需要重新安裝閱讀器天線的問題，采用獨立的閱讀器天線支架，而非直接安裝在變壓器上。

6 結語

伴隨能源物聯(lián)網(wǎng)建設的推進，結合聲表面波傳感器本質(zhì)無源、信息無線傳輸、抗電磁干擾能力強以及壽命長的突出優(yōu)點，可在電氣變壓器溫度監(jiān)測上得到廣泛應用，有效地提高電網(wǎng)巡檢的自動化水平，達到提質(zhì)增效的目的。這對國家電網(wǎng)有限公司配電設備的安全穩(wěn)定運行，提高智能管理水平和快速處置突發(fā)事件的能力都具有重要意義。

使用聲表面波傳感器進行在線監(jiān)控代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工運維，可解決以下主要問題：

1）運維人員可在線對變壓器的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預警，并進行定期分析和診斷。有效解決了傳統(tǒng)巡檢周期間隔較長，變壓器存在安全隱患無法及時發(fā)現(xiàn)并排除的問題。

2）運維人員可在線對多個變壓器進行統(tǒng)一管控，溫度數(shù)據(jù)、變壓器位置等數(shù)據(jù)一目了然，最快發(fā)現(xiàn)并定位問題變壓器所在位置。有效解決了傳統(tǒng)巡檢消耗時間過長、效率低下的問題。

3）在線系統(tǒng)可不間斷主動實時監(jiān)控，消除或降低人工巡檢的次數(shù)。可有效減少巡檢人員配置、降低變壓器設備故障率及減少設備更換頻次，提高工作效率，降低運維成本。

本文研究的采用聲表面波傳感器在電力變壓器中測溫方案，相較與傳統(tǒng)人工紅外巡檢方式，聲表面波傳感器具備無需外接電源、安裝靈活及抗干擾能力強等顯著優(yōu)點，在未來還可以利用無線無源測溫技術的可遷移性，以及在線監(jiān)測平臺的普遍適應性，實現(xiàn)不同設備間的統(tǒng)一在線監(jiān)測管理，可最終達到推進廣泛互聯(lián)、高度智能的能源物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的效果。