基于聲表面波溫度傳感器的在線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

姚建華，項(xiàng) 鐳，孔 鳴，呂旭軍，趙 俊

（國網(wǎng)浙江德清縣供電有限公司，浙江 德清 313200）

0 引言

電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備中存在眾多連接點(diǎn)，如隔離開關(guān)觸頭、高壓開關(guān)柜插頭等，這些連接點(diǎn)若存在質(zhì)量不合格、安裝不到位或長期過載、接頭松動、老化等情況時，極易形成較大的接觸電阻，將在運(yùn)行中產(chǎn)生過高的熱量，導(dǎo)致設(shè)備燒毀，造成停電[1]。對高壓帶電設(shè)備進(jìn)行溫度檢測是避免此類事故的重要手段，同時，對設(shè)備的測溫記錄也為設(shè)備狀態(tài)檢修提供了可靠依據(jù)[2]。

電力系統(tǒng)高壓帶電設(shè)備周圍存在很強(qiáng)的電磁干擾，因此對測溫系統(tǒng)的各方面特性有著較高的要求。從最原始的蠟片測溫到熱電阻測溫、光纖測溫、光纖光柵測溫以及紅外測溫等等[3]，測溫準(zhǔn)確性、系統(tǒng)實(shí)時性、系統(tǒng)可靠性、易維護(hù)性等方面均不斷提高，但上述測溫方法及測溫系統(tǒng)或多或少存在安裝不便、維護(hù)不便、抗干擾能力低、系統(tǒng)可靠性還不夠高等問題[4]。

聲表面波溫度傳感器是一種新型傳感器，具有無源無線、體積小、質(zhì)量輕、易維護(hù)等優(yōu)勢，基于聲表面波溫度傳感器的測溫系統(tǒng)充分利用了該傳感器的優(yōu)勢，結(jié)合IEC標(biāo)準(zhǔn)，力求在測溫精度、系統(tǒng)可靠性、實(shí)時性、維護(hù)性以及經(jīng)濟(jì)性上的高度統(tǒng)一，能夠滿足高壓帶電設(shè)備的測溫需求。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 聲表面波溫度傳感器

聲表面波傳感器由金屬導(dǎo)熱塊、聲表面波芯片以及天線組成。

金屬導(dǎo)熱塊用于傳遞熱量，聲表面波測溫芯片用于檢測溫度，天線用于接收和發(fā)送無線電波。

聲表面波溫度傳感器利用天線捕捉電磁波，為傳感器芯片提供能量，傳感器芯片把檢測到的溫度信息轉(zhuǎn)換為電磁波后通過天線發(fā)出，不需要外接電源及電源線，可靠性較高。

1.2 系統(tǒng)工作原理

基于聲表面波溫度傳感器的在線測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

從功能結(jié)構(gòu)上分，系統(tǒng)可以分為傳感器層、采集層、監(jiān)控層，分別對應(yīng)變電站的過程層、間隔層、站控層，其功能分別是：

（1）傳感器層：主要設(shè)備是聲表面波溫度傳感器，分別布置在需要進(jìn)行測溫的場所，負(fù)責(zé)對各個測點(diǎn)的溫度信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，等待采集層的查詢，并將帶有溫度信息的聲表面波傳送給采集層。

（2）采集層：主要設(shè)備是天線和數(shù)據(jù)采集器。采集器根據(jù)需要布置，負(fù)責(zé)接收溫度探頭發(fā)送的溫度信息，并將處理后的信息通過串口RS485總線發(fā)送給監(jiān)控層。1個數(shù)據(jù)采集器可以接收1個或多個溫度探頭的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器之間的通信通過串口RS485實(shí)現(xiàn)。

（3）監(jiān)控層：主要設(shè)備是監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)內(nèi)安裝相應(yīng)的監(jiān)控軟件，負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲和管理。監(jiān)控主機(jī)還具有人機(jī)交互功能，提供溫度歷史曲線繪制、實(shí)時曲線顯示、曲線打印等功能。

系統(tǒng)各層設(shè)計(jì)原理是：無源無線溫度傳感器采用了SAW（聲表面波）技術(shù)，溫度測量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)射詢問信號，該信號被無源無線SAW溫度傳感器的天線和叉指換能器接收。由于逆壓電效應(yīng)，接收到的詢問信號被轉(zhuǎn)換成聲波信號。該聲波只沿基片表面?zhèn)鞑?，到達(dá)反射柵后，大部分能量被反射回叉指換能器，由于壓電效應(yīng)，聲波再次被轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄏ蚩臻g發(fā)射，此時電磁波已帶有被測物的溫度信息。數(shù)據(jù)采集裝置收到電磁信號后，再對電磁信號進(jìn)行處理，并檢測出相應(yīng)的溫度信息。

數(shù)據(jù)采集裝置主要用于收集傳感器發(fā)出的溫度信息，采用頻率綜合技術(shù)，使得1個數(shù)據(jù)采集裝置可以讀取多個溫度傳感器的數(shù)據(jù)。而且數(shù)據(jù)采集裝置利用DSP技術(shù)來快速解碼溫度傳感器所提供的信息，同時將解碼后的溫度信息上傳給上位機(jī)。

通過串口RS485通信方式，將溫度采集器采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送至后臺工控機(jī)，利用VC程序庫語言編寫的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)所有溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、溫度異常告警、歷史記錄查詢、報表顯示及打印等應(yīng)用功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)參考發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采用分散-集中的配置方法：底層溫度傳感器分散布置，以提高系統(tǒng)可靠性；上層監(jiān)控主機(jī)集中設(shè)計(jì)，方便監(jiān)控及操作。

以110 kV上旺變電站采用的測溫系統(tǒng)為例，系統(tǒng)硬件配置為：溫度傳感器24個、接收天線8個、數(shù)據(jù)采集裝置8個、測溫監(jiān)控主機(jī)1套。所有硬件在安裝投運(yùn)前均經(jīng)過嚴(yán)格的測試，以保證其可靠性。

后臺監(jiān)控機(jī)主要包括：用于運(yùn)算、存儲、數(shù)據(jù)處理的監(jiān)控主機(jī)，人機(jī)接口顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤，用于通信的交換機(jī)、串口設(shè)備等。

聲表面波傳感器布置在中置柜電纜出線接頭處，具有無源、無線、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此可以根據(jù)需要直接布置在待測點(diǎn)上。

系統(tǒng)收發(fā)信息用的天線在柜內(nèi)的布置如圖2所示。聲表面波傳感器與溫度采集器之間的通信需要通過天線完成，天線要布置在溫度傳感器信號收發(fā)范圍內(nèi)。因此將天線布置在中置柜電纜出線接頭背面的柜壁上，既避開了大部分干擾，又能保證在傳感器信號收發(fā)范圍內(nèi)。天線通過電纜與溫度采集器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

在線測溫系統(tǒng)溫度采集器在柜內(nèi)的布置如圖3所示。溫度采集器為系統(tǒng)硬件的重要組成部分，定時查詢溫度傳感器獲得溫度信息，并傳送到上位監(jiān)控機(jī)。

圖2 天線在柜內(nèi)的布置

圖3 溫度采集器在柜內(nèi)的布置

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)參照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3軟件模型以及軟件設(shè)計(jì)思想，以監(jiān)控軟件實(shí)時數(shù)據(jù)庫為核心，實(shí)現(xiàn)溫度信息的處理以及存儲。圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理圖。

圖4 系統(tǒng)軟件原理

在軟件底層，由聲表面波溫度傳感器將帶有溫度信號的電磁信號傳送給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器接收該信號后，對其進(jìn)行處理，將溫度信號以特定的格式組包，通過串口RS485傳送給上層監(jiān)控軟件。系統(tǒng)監(jiān)控軟件在接到數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，根據(jù)協(xié)議約定的格式將溫度信息解析出來，并按格式存入監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)庫中。

在軟件上層，系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)有與上層監(jiān)控軟件通信的接口，通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器或者直接應(yīng)用IEC 61850協(xié)議，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與上層監(jiān)控軟件的通信。

對于用戶，系統(tǒng)軟件提供人性化人機(jī)界面，用戶可以通過上位監(jiān)控機(jī)查看溫度實(shí)時曲線，也可通過歷史數(shù)據(jù)庫查看歷史曲線。

2.3 系統(tǒng)實(shí)時性分析

通過底層測試和應(yīng)用測試對系統(tǒng)實(shí)時性進(jìn)行驗(yàn)證。底層測試避開人機(jī)界面，從軟件底層入手，測試硬件速度以及軟件數(shù)據(jù)傳輸速度，測試系統(tǒng)實(shí)時性；應(yīng)用測試則是對整個系統(tǒng)的測試，即從探頭采集信息開始，到系統(tǒng)軟件處理完成并在監(jiān)控機(jī)界面顯示整個過程的實(shí)時性。

溫度變化是緩慢而長期的過程，作為運(yùn)行監(jiān)測用的變電站測溫系統(tǒng)，對實(shí)時性的要求并不高。經(jīng)過上述測試后表明，基于聲表面波溫度傳感器的在線測溫系統(tǒng)在實(shí)時性方面完全可以滿足變電站實(shí)際應(yīng)用的需要。

2.4 系統(tǒng)可靠性分析

若測溫系統(tǒng)出現(xiàn)測溫錯誤或系統(tǒng)失效就極有可能造成對變電站設(shè)備運(yùn)行狀況的誤判，從而導(dǎo)致事故，因此，變電站測溫系統(tǒng)對可靠性有較高的要求。系統(tǒng)可靠性主要通過2個方面來保證：系統(tǒng)本身軟/硬件的可靠性和系統(tǒng)冗余配置。

在系統(tǒng)軟件方面，其軟件設(shè)計(jì)參照了IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)合理，語言簡練，并經(jīng)過長時間測試，具有較高的可靠性；系統(tǒng)硬件配置合理，質(zhì)量可靠，并經(jīng)過各項(xiàng)測試，也具有較高的可靠性。

在系統(tǒng)冗余方面，可以根據(jù)需要對探頭、數(shù)據(jù)采集器以及監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行冗余配置以提高系統(tǒng)可靠性。例如，可對特殊測點(diǎn)采取多個探頭檢測，對重要數(shù)據(jù)可通過多個數(shù)據(jù)采集器同時采集等等。

3 結(jié)語

基于聲表面波溫度傳感器的在線測溫系統(tǒng)與其他測溫系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢：

（1）傳感器無源、無線，易安裝，易維護(hù)，抗干擾能力強(qiáng)。

（2）系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)合理，測溫準(zhǔn)確，可靠性高。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)人性化，功能齊全、使用方便。

目前，聲表面波溫度傳感器已取得實(shí)用新型專利，基于聲表面波溫度傳感器的在線測溫系統(tǒng)已在湖州供電公司110 kV上旺變電站10 kV出線柜中投入使用，在線測溫效果良好。

[1]胡娟，巫京勵，程文婷．電力電纜無線測溫系統(tǒng)研究[J]．四川電力技術(shù)，2010，33（6）:67-70．

[2]金振東，許箴，金峰，等．國內(nèi)高壓帶電設(shè)備測溫方法綜述及分析[J]．電力設(shè)備，2007，8（12）:57-61．

[3]李軍，卞超，吳瑁．電力電纜光纖測溫在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]．江蘇電機(jī)工程，2005，24（1）:6-7．