基于SAW傳感器技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

郭翠玲，高 麗

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,河南 商丘 476000)

基于SAW傳感器技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

郭翠玲，高 麗

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,河南 商丘 476000)

根據(jù)傳統(tǒng)高壓開關(guān)柜溫度采集方法的不足，采用SAW傳感器技術(shù)對高壓開關(guān)柜進(jìn)行無源無線溫度采集.該系統(tǒng)具有溫度測量、報(bào)警功能、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲等功能，對溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要依據(jù).

SAW傳感器；高壓開關(guān)柜；溫度采集系統(tǒng)

0 引言

近年來在電廠和變電站，已發(fā)生過多起由于開關(guān)過熱而造成火災(zāi)和大面積停電的事故，嚴(yán)重時(shí)甚至造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失[1]91-94.因此，解決開關(guān)過熱問題成為杜絕此類事故發(fā)生的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，則是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行、智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的重要依據(jù).

傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)不僅耗費(fèi)人力、物力，而且受外界環(huán)境等因素的影響，不能實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)在線采集.本文采用表面波(SAW-Surface Acoustic Wave)傳感技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合提供了一套無源、無線溫度測量采集方案，對高壓開關(guān)柜設(shè)備的溫度進(jìn)行無源采集、無線傳遞給測溫主控端，并在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)溫度預(yù)測、溫度告警、故障診斷、參數(shù)設(shè)置、檔案管理和歷史溫度查詢等一系列功能，還可向管理人員發(fā)送短消息、電子郵件等，使得高壓開關(guān)柜的溫度監(jiān)測系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、有效、實(shí)用.

1 溫度采集系統(tǒng)的必要性和特點(diǎn)

1.1 溫度監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

變電站的高壓設(shè)備在不斷地運(yùn)行中比較容易發(fā)生局部溫度異常的狀況，溫度的過高將導(dǎo)致設(shè)備故障，需要及早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)診斷故障點(diǎn)，否則就會使?fàn)顩r惡化，造成設(shè)備損壞或報(bào)廢，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致重大事故的發(fā)生.根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，事故產(chǎn)生的主要原因有以下三方面[2]34-35：

1)高壓設(shè)備的相關(guān)觸點(diǎn)正常工作電流通?？蛇_(dá)到4 000 A，因此比較容易發(fā)熱；

2)在長期工作運(yùn)行過程中，由于高壓開關(guān)觸點(diǎn)以及母線連接等位置通常會老化，使得接觸電阻過大而引起發(fā)熱；

3)高壓設(shè)備內(nèi)有裸露高壓，并且空間封閉、狹小的結(jié)點(diǎn)，無法進(jìn)行人工巡查測溫.

因此，采用較為先進(jìn)的技術(shù)對各結(jié)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測采集，是非常必要的.

1.2 傳統(tǒng)的溫度采集技術(shù)的特點(diǎn)

近幾年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，封閉式高壓開關(guān)柜中廣泛使用多種先進(jìn)溫度監(jiān)測設(shè)備，現(xiàn)有的溫度檢測方式包括測溫蠟片、光纖測溫、紅外測溫和有源無線測溫等幾種[3]20-25.

1.2.1 測溫蠟片

測溫蠟片使用方便靈活，只需將測溫片粘貼在母線和電氣設(shè)備上，便可監(jiān)視設(shè)備溫度，這種測溫方式直觀，測溫片在探測點(diǎn)上是否熔化一目了然.但是，測溫蠟片是不可逆的，不能循環(huán)使用，而且，這種測溫方式需要人工目測，不具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄和精確測量的功能.

1.2.2 光纖測溫

光纖測溫是在待測設(shè)備上鋪設(shè)探測光纜，設(shè)備產(chǎn)生的光經(jīng)過放大后，經(jīng)光纖傳達(dá)至熱敏材料，反射回一個(gè)與其溫度相對應(yīng)的光信號，然后再將此信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換，即可得到設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度.這種測溫方式不受電磁干擾和外界環(huán)境的影響，適用于特殊危險(xiǎn)的場合，穩(wěn)定性好，誤報(bào)率低.但是安裝復(fù)雜，易折、易斷，成本高，而且，當(dāng)積累灰塵后會導(dǎo)致光纖沿面放電，從而導(dǎo)致絕緣性降低，容易發(fā)生安全隱患.

1.2.3 紅外測溫

紅外測溫是將物體自身發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號，由于紅外線輻射能量的大小與物體本身的溫度相對應(yīng)，根據(jù)轉(zhuǎn)變成電信號大小，可以確定物體的溫度.缺點(diǎn)是體積較大、成本高、精度低，無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測.另外紅外線易受遮擋物和環(huán)境的影響，限制了它的應(yīng)用范圍.而且，存在高溫點(diǎn)偏差、季節(jié)性偏差、灰塵造成的偏差等.

1.2.4 有源無線測溫

這種測溫方式實(shí)現(xiàn)了溫度的無線傳輸，但是有源無線溫度傳感器尺寸通常相對較大并且需經(jīng)常更換電池，系統(tǒng)維護(hù)成本較高，而且，電池不適宜在高溫狀態(tài)下工作，同時(shí)電池對環(huán)境也有很大的污染.

綜上所述，以上幾種測溫方式都存在其不足，需要尋找一種相對比較好的測溫方式來取代之，以滿足新時(shí)代智能電網(wǎng)的要求.

2 SAW傳感器技術(shù)

2.1 SAW傳感技術(shù)的工作原理

首先將射頻信號發(fā)射至壓電材料的表面，然后將受到溫度影響的反射波再轉(zhuǎn)換成電信號，此電信號是和溫度相對應(yīng)的，從而獲取溫度值.SAW傳感技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是利用了傳感器的被動激活原理，即使非常規(guī)的高電壓、大電流運(yùn)行環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)在線溫度數(shù)據(jù)采集[4]1281-1291.此溫度采集器包括一個(gè)與傳感器有電磁連接的反射/接收器和一個(gè)接收天線，接收SAW傳感器的反饋信號.其溫度采集原理 如圖1所示.

圖1 SAW溫度采集原理圖

圖2 實(shí)際安裝圖

2.2 SAW溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例

SAW傳感器因?yàn)橛蟹墙佑|、傳播速度快、無源/無線、易編碼、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用[5]139-142.

在高壓開關(guān)柜中，SAW傳感器測溫裝置由以下兩部分組成：一部分是SAW溫度傳感器，它被裝在開關(guān)柜內(nèi)測試點(diǎn)上，另一部分是發(fā)射與接收天線，它能夠無線連接多個(gè)溫度傳感器讀入采集器.發(fā)射/接收天線嵌在開關(guān)柜內(nèi)壁，這種安裝方式可以屏蔽外部電波干擾，讀入采集器的接收箱安裝在開關(guān)柜的外面，因而可以保證在開關(guān)柜非通電的情況下也能正常工作.讀入采集器由獨(dú)立電源供電，向開關(guān)柜內(nèi)發(fā)射短射頻信號，如果射頻脈沖的頻率與溫度傳感器預(yù)設(shè)的頻率相同，傳感器就能接收到該射頻信號，返回的脈沖信號由于受到了傳感器自身溫度的影響而攜帶了傳感器的溫度信息.安裝溫度傳感器時(shí)，每個(gè)溫度傳感器之間的距離不能小于10 cm，與發(fā)射接收天線的距離應(yīng)保持在40 cm～65 cm之間，如圖2所示為實(shí)際安裝圖.

3 溫度檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要采用一個(gè)開關(guān)柜安裝一組(通常6個(gè))SAW無源無線溫度傳感器測量各觸點(diǎn)溫度，這組傳感器的溫度測量信息的收發(fā)和管理由一個(gè)讀入采集器統(tǒng)一完成. 同一區(qū)域內(nèi)多個(gè)開關(guān)柜的讀入采集器之間選擇通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)、485/232總線、無線自組網(wǎng)等進(jìn)行溫監(jiān)測信息的本地傳輸，由一個(gè)測控主控終端統(tǒng)一進(jìn)行本區(qū)域內(nèi)所有開關(guān)溫度監(jiān)控信息的采集、存儲和管理，本開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要由無源無線溫度傳感器、無線溫度采集器、測控主控終端三部分構(gòu)成，每個(gè)無線溫度采集器最多可采集3組(每組6個(gè))無源無線溫度傳感器、每個(gè)測溫主控終端對接30個(gè)無線溫度采集器.

在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線溫度監(jiān)控、分析以及預(yù)警等.本系統(tǒng)整體架構(gòu)[6]128-130如圖3所示.

3.2 系統(tǒng)硬件選擇

3.2.1 溫度傳感器

本系統(tǒng)溫度傳感器采用成都賽康科技的WSTS-MS-SC型號的溫度傳感器，采用OOK二進(jìn)制幅度調(diào)制方式，頻率范圍在428 MHz～439 MHz.它具有體積小、安裝方便靈活、使用壽命長等特點(diǎn).安全性方面，具有必要的防腐、防潮、防強(qiáng)電場等能力.

3.2.2 溫度采集器

本系統(tǒng)溫度采集器選用成都賽康科技的WSR-T2，此溫度采集器具有CAN接口，用于與測溫主控端通信，一個(gè)采集器可同時(shí)輸出3個(gè)天線信號，并可同時(shí)讀入18個(gè)傳感器信號，工作溫度為：-25 ℃～125 ℃，頻率范圍在428 MHz～439 MHz.

3.2.3 測溫主控端

本系統(tǒng)測溫主控端采用成都賽控科技的WPTM-CTU-SC型測溫主控端，此測溫主控端采用220V交流電壓供電，通過 CAN 線與位于高壓開關(guān)室的溫度采集器連接，通過 485 總線按照指定的規(guī)約(如 103)與上位機(jī)連接，工作環(huán)境溫度為：-20℃～50℃.

3.3 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括各種溫度傳感器設(shè)備的溫度監(jiān)測、各項(xiàng)溫度參數(shù)的設(shè)置、溫度信息的遠(yuǎn)程獲取、綜合查詢分析以及溫度預(yù)測告警等.

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用Microsoft Access軟件建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫.分別設(shè)計(jì)用戶管理數(shù)據(jù)庫表、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)表、正常數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)表和報(bào)警數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)表等.監(jiān)控系統(tǒng)主界面采用Visual studio 2008設(shè)計(jì).其監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示.

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

根據(jù)上位機(jī)接收到的溫度信息，經(jīng)過處理，用戶可以查詢?nèi)我还?jié)點(diǎn)的溫度值、走勢圖、歷史信息.

4 系統(tǒng)具體功能

4.1 檔案管理

建立各級開關(guān)柜溫度監(jiān)測及網(wǎng)絡(luò)之間的管理，對各級設(shè)備溫度的檔案進(jìn)行管理.

4.2 參數(shù)設(shè)置

對指定開關(guān)柜或某一具體傳感器的參數(shù)遠(yuǎn)程下發(fā)，設(shè)置與測溫主控終端的值.

4.3 溫度告警方式

在計(jì)算機(jī)桌面上彈出告警界面，并發(fā)出警示聲音，同時(shí)也可以發(fā)送告警短信到相關(guān)運(yùn)行管理人員的手機(jī)上.

4.4 溫度監(jiān)控

對指定開關(guān)柜或一個(gè)具體的測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控.

4.5 歷史溫度查詢

提供某一指定開關(guān)柜歷史時(shí)間段的多種查詢條件，對查詢結(jié)果以表格、溫度曲線等方式展現(xiàn)出來.

4.6 故障診斷

采用開關(guān)柜實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度與負(fù)荷參考設(shè)定值對照，若差值超出預(yù)設(shè)參考值，表示溫度異常情況，從而進(jìn)行故障排除.

4.7 溫度預(yù)測

將歷史溫度數(shù)據(jù)按照既定的預(yù)測算法提供未來幾分鐘的溫度預(yù)測，然后將預(yù)測值與預(yù)警值進(jìn)行比較，如超出預(yù)警設(shè)定值則發(fā)送溫度告警信息.

4.8 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)按開關(guān)柜型號進(jìn)行排序，并進(jìn)行溫度異常情況統(tǒng)計(jì)，然后自動生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表格式與Excel兼容.

4.9 數(shù)據(jù)發(fā)布

將各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)等在系統(tǒng)門戶發(fā)布，同時(shí)也可以郵件形式發(fā)送給相關(guān)的管理人員.

5 結(jié)語

本文在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，不斷研究、探索高壓設(shè)備溫度變化的特點(diǎn)，對SAW傳感技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于SAW傳感技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以對高壓開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測，不僅提高了高壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性、可靠性，而且可以進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控、溫度預(yù)測告警、檔案管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表和數(shù)據(jù)發(fā)布等功能，從而避免了高壓設(shè)備因熱故障而引起的一系列問題，確保了電力設(shè)備的平穩(wěn)、正常運(yùn)行.

[1] 張 艷，田 競，葉逢春,等.基于紅外傳感器的高壓開關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的研制[J].高壓電器，2005,41(2).

[2] 吳紹華,周宏輝.基于無源無線傳感技術(shù)的高壓設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)分析[J].機(jī)電信息.2012(6).

[3] 宋 杲,崔景春,袁大陸.2004年高壓開關(guān)設(shè)備運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析[J].電力設(shè)備，2006,7(2).

[4] REINDL L，SCHOLL G，OSTERTAG T，et al. Theory and Application of Passive SAW Radio Transponders As Sensors[J].IEEE Transaction on Ultrasonics，F(xiàn)erroeletrics，and Frequency Control，1998.

[5] 楊淵華，肖亞功，刁振國.SAW傳感器[J].中國科技信息，2012，85(10).

[6] 將遠(yuǎn)東.基于無源無線傳感技術(shù)的高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2011,5(2).

[責(zé)任編輯 迎客松]

High Voltage Switchgear Temperature Acquisition System Based on SAW Sensor Technology Analysis

GUO Cuiling， Wang Hua

(ElectricalandMechanicalEngineeringDepartment,ShangqiuPolytechnic,Shangqiu476000,China)

Based on the shortcomings of the traditional method of temperature measurement of high voltage switchgear, the paper uses SAW sensor technology to take passive wireless temperature measurement for high voltage switchgear. The system, which has temperature measurement, alarm function, parameter setting, data storage and other functions that can take real-time remote temperature online monitoring, is an important basis for smart grid construction.

SAW sensor; High Voltage Switchgear; temperature acquisition

2015-08-10

郭翠玲(1980-)，女，河南商丘人，商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，碩士研究生，主要從事電子信息研究。

1671-8127(2015)05-0063-04

TM591

A