基于SAW传感器技术的高压开关柜温度采集系统设计分析

郭翠玲，高 丽

(商丘职业技术学院 机电系,河南 商丘 476000)

基于SAW传感器技术的高压开关柜温度采集系统设计分析

郭翠玲，高 丽

(商丘职业技术学院 机电系,河南 商丘 476000)

根据传统高压开关柜温度采集方法的不足，采用SAW传感器技术对高压开关柜进行无源无线温度采集.该系统具有温度测量、报警功能、参数设定、数据存储等功能，对温度进行远程实时在线监测，是智能电网建设的重要依据.

SAW传感器；高压开关柜；温度采集系统

0 引言

近年来在电厂和变电站，已发生过多起由于开关过热而造成火灾和大面积停电的事故，严重时甚至造成人员伤亡和重大经济损失[1]91-94.因此，解决开关过热问题成为杜绝此类事故发生的关键，而实现温度实时在线监测，则是保证高压设备安全运行、智能电网实现的重要依据.

传统的温度采集系统不仅耗费人力、物力，而且受外界环境等因素的影响，不能实现温度的实时在线采集.本文采用表面波(SAW-Surface Acoustic Wave)传感技术与现代通信技术相结合提供了一套无源、无线温度测量采集方案，对高压开关柜设备的温度进行无源采集、无线传递给测温主控端，并在PC机上实现温度的实时在线监控，可以实现温度预测、温度告警、故障诊断、参数设置、档案管理和历史温度查询等一系列功能，还可向管理人员发送短消息、电子邮件等，使得高压开关柜的温度监测系统更加经济、有效、实用.

1 温度采集系统的必要性和特点

1.1 温度监控系统的必要性

变电站的高压设备在不断地运行中比较容易发生局部温度异常的状况，温度的过高将导致设备故障，需要及早发现并及时诊断故障点，否则就会使状况恶化，造成设备损坏或报废，严重时甚至导致重大事故的发生.根据前期研究发现，事故产生的主要原因有以下三方面[2]34-35：

1)高压设备的相关触点正常工作电流通常可达到4 000 A，因此比较容易发热；

2)在长期工作运行过程中，由于高压开关触点以及母线连接等位置通常会老化，使得接触电阻过大而引起发热；

3)高压设备内有裸露高压，并且空间封闭、狭小的结点，无法进行人工巡查测温.

因此，采用较为先进的技术对各结点的温度值进行实时监测采集，是非常必要的.

1.2 传统的温度采集技术的特点

近几年来，随着技术的不断发展，封闭式高压开关柜中广泛使用多种先进温度监测设备，现有的温度检测方式包括测温蜡片、光纤测温、红外测温和有源无线测温等几种[3]20-25.

1.2.1 测温蜡片

测温蜡片使用方便灵活，只需将测温片粘贴在母线和电气设备上，便可监视设备温度，这种测温方式直观，测温片在探测点上是否熔化一目了然.但是，测温蜡片是不可逆的，不能循环使用，而且，这种测温方式需要人工目测，不具备实时数据记录和精确测量的功能.

1.2.2 光纤测温

光纤测温是在待测设备上铺设探测光缆，设备产生的光经过放大后，经光纤传达至热敏材料，反射回一个与其温度相对应的光信号，然后再将此信号经过处理转换，即可得到设备的实时温度.这种测温方式不受电磁干扰和外界环境的影响，适用于特殊危险的场合，稳定性好，误报率低.但是安装复杂，易折、易断，成本高，而且，当积累灰尘后会导致光纤沿面放电，从而导致绝缘性降低，容易发生安全隐患.

1.2.3 红外测温

红外测温是将物体自身发出的红外线转换成电信号，由于红外线辐射能量的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度.缺点是体积较大、成本高、精度低，无法实现在线实时监测.另外红外线易受遮挡物和环境的影响，限制了它的应用范围.而且，存在高温点偏差、季节性偏差、灰尘造成的偏差等.

1.2.4 有源无线测温

这种测温方式实现了温度的无线传输，但是有源无线温度传感器尺寸通常相对较大并且需经常更换电池，系统维护成本较高，而且，电池不适宜在高温状态下工作，同时电池对环境也有很大的污染.

综上所述，以上几种测温方式都存在其不足，需要寻找一种相对比较好的测温方式来取代之，以满足新时代智能电网的要求.

2 SAW传感器技术

2.1 SAW传感技术的工作原理

首先将射频信号发射至压电材料的表面，然后将受到温度影响的反射波再转换成电信号，此电信号是和温度相对应的，从而获取温度值.SAW传感技术的最大优点是利用了传感器的被动激活原理，即使非常规的高电压、大电流运行环境下也可以实现在线温度数据采集[4]1281-1291.此温度采集器包括一个与传感器有电磁连接的反射/接收器和一个接收天线，接收SAW传感器的反馈信号.其温度采集原理 如图1所示.

图1 SAW温度采集原理图

图2 实际安装图

2.2 SAW温度传感器应用实例

SAW传感器因为有非接触、传播速度快、无源/无线、易编码、保密性好、抗干扰能力强、成本低等优点，而得到了广泛的应用[5]139-142.

在高压开关柜中，SAW传感器测温装置由以下两部分组成：一部分是SAW温度传感器，它被装在开关柜内测试点上，另一部分是发射与接收天线，它能够无线连接多个温度传感器读入采集器.发射/接收天线嵌在开关柜内壁，这种安装方式可以屏蔽外部电波干扰，读入采集器的接收箱安装在开关柜的外面，因而可以保证在开关柜非通电的情况下也能正常工作.读入采集器由独立电源供电，向开关柜内发射短射频信号，如果射频脉冲的频率与温度传感器预设的频率相同，传感器就能接收到该射频信号，返回的脉冲信号由于受到了传感器自身温度的影响而携带了传感器的温度信息.安装温度传感器时，每个温度传感器之间的距离不能小于10 cm，与发射接收天线的距离应保持在40 cm～65 cm之间，如图2所示为实际安装图.

3 温度检测系统的总体设计

3.1 系统整体架构

本系统主要采用一个开关柜安装一组(通常6个)SAW无源无线温度传感器测量各触点温度，这组传感器的温度测量信息的收发和管理由一个读入采集器统一完成. 同一区域内多个开关柜的读入采集器之间选择通过CAN总线网络、485/232总线、无线自组网等进行温监测信息的本地传输，由一个测控主控终端统一进行本区域内所有开关温度监控信息的采集、存储和管理，本开关柜温度监测系统主要由无源无线温度传感器、无线温度采集器、测控主控终端三部分构成，每个无线温度采集器最多可采集3组(每组6个)无源无线温度传感器、每个测温主控终端对接30个无线温度采集器.

在监控系统中实现远程在线温度监控、分析以及预警等.本系统整体架构[6]128-130如图3所示.

3.2 系统硬件选择

3.2.1 温度传感器

本系统温度传感器采用成都赛康科技的WSTS-MS-SC型号的温度传感器，采用OOK二进制幅度调制方式，频率范围在428 MHz～439 MHz.它具有体积小、安装方便灵活、使用寿命长等特点.安全性方面，具有必要的防腐、防潮、防强电场等能力.

3.2.2 温度采集器

本系统温度采集器选用成都赛康科技的WSR-T2，此温度采集器具有CAN接口，用于与测温主控端通信，一个采集器可同时输出3个天线信号，并可同时读入18个传感器信号，工作温度为：-25 ℃～125 ℃，频率范围在428 MHz～439 MHz.

3.2.3 测温主控端

本系统测温主控端采用成都赛控科技的WPTM-CTU-SC型测温主控端，此测温主控端采用220V交流电压供电，通过 CAN 线与位于高压开关室的温度采集器连接，通过 485 总线按照指定的规约(如 103)与上位机连接，工作环境温度为：-20℃～50℃.

3.3 系统上位机软件设计

高压开关柜温度监测系统的主要功能包括各种温度传感器设备的温度监测、各项温度参数的设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等.

本系统上位机软件采用Microsoft Access软件建立关联数据库.分别设计用户管理数据库表、监测点数据表、正常数据管理数据表和报警数据管理数据表等.监控系统主界面采用Visual studio 2008设计.其监控系统界面如图4所示.

图3 系统总体架构图

图4 监控系统主界面

根据上位机接收到的温度信息，经过处理，用户可以查询任一节点的温度值、走势图、历史信息.

4 系统具体功能

4.1 档案管理

建立各级开关柜温度监测及网络之间的管理，对各级设备温度的档案进行管理.

4.2 参数设置

对指定开关柜或某一具体传感器的参数远程下发，设置与测温主控终端的值.

4.3 温度告警方式

在计算机桌面上弹出告警界面，并发出警示声音，同时也可以发送告警短信到相关运行管理人员的手机上.

4.4 温度监控

对指定开关柜或一个具体的测量点进行实时的远程温度监控.

4.5 历史温度查询

提供某一指定开关柜历史时间段的多种查询条件，对查询结果以表格、温度曲线等方式展现出来.

4.6 故障诊断

采用开关柜实时监测温度与负荷参考设定值对照，若差值超出预设参考值，表示温度异常情况，从而进行故障排除.

4.7 温度预测

将历史温度数据按照既定的预测算法提供未来几分钟的温度预测，然后将预测值与预警值进行比较，如超出预警设定值则发送温度告警信息.

4.8 统计报表

系统按开关柜型号进行排序，并进行温度异常情况统计，然后自动生成各类统计报表，报表格式与Excel兼容.

4.9 数据发布

将各类统计报表、关键技术指标等在系统门户发布，同时也可以邮件形式发送给相关的管理人员.

5 结语

本文在实践的基础上，不断研究、探索高压设备温度变化的特点，对SAW传感技术进行了研究和分析，并在此基础上设计了一种基于SAW传感技术的高压开关柜温度监测系统，本系统可以对高压开关柜进行实时在线温度监测，不仅提高了高压开关柜温度监测的准确性、可靠性，而且可以进行温度实时监控、温度预测告警、档案管理、统计报表和数据发布等功能，从而避免了高压设备因热故障而引起的一系列问题，确保了电力设备的平稳、正常运行.

[1] 张 艳，田 竞，叶逢春,等.基于红外传感器的高压开关柜温度实时监测网络的研制[J].高压电器，2005,41(2).

[2] 吴绍华,周宏辉.基于无源无线传感技术的高压设备温度监测系统分析[J].机电信息.2012(6).

[3] 宋 杲,崔景春,袁大陆.2004年高压开关设备运行统计分析[J].电力设备，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，Ferroeletrics，and Frequency Control，1998.

[5] 杨渊华，肖亚功，刁振国.SAW传感器[J].中国科技信息，2012，85(10).

[6] 将远东.基于无源无线传感技术的高压开关柜温度在线监测[J].南方电网技术，2011,5(2).

[责任编辑 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，商丘职业技术学院机电工程系讲师，硕士研究生，主要从事电子信息研究。

1671-8127(2015)05-0063-04

TM591

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