声表面波技术在变电站温度检测系统中的应用设计

张政健 程龙

摘 要： 针对变电站核心部位温度监测系统存在检测传感器技术缺陷、检测数据未能实现综合利用等问题，设计将SAW（声表面波）技术应用到变电站核心部位温度监测中。该系统采用基于SAW的无源无线传感技术检测开关柜触头、户外刀闸、变压器、GIS等核心设备的温度信息，并研发综合智能管理平台，满足前端各种不同类型的传感器与后台统一数据平臺的标准化接口，进而实现变电站核心部位温度数据的统一管理和综合利用。

关键词： 变电站; 温度监测; 无源无线; SAW; 智能; 传感技术

中图分类号： TN911.23?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）09?0117?04

Abstract： The temperature monitoring system for substation core components has the defect of detection sensor technology， and its detection data can′t be utilized comprehensively. Therefore， the SAW （surface acoustic wave） technology applied to the temperature monitoring of substation core components was designed. The SAW?based passive wireless sensor detection technology is used in the system to detect the temperature information of the core equipments （such as switchgear contact， outdoor knife switches， transformer and GIS）. The comprehensive intelligent management platform was developed to meet the standardized interface from the front?end sensors with various types to background unified data platform， and realize the unified management and comprehensive utilization of temperature data of the substation core components.

Keywords： substation; temperature monitoring; passive wireless; SAW; intelligence; sensing technology

随着国民经济的不断进步，电网运行维护部门的主要控制目标也转变到了电力系统的安全及平稳运行。但自始至终配网系统是电网建设中存在的缺陷步骤，同时和用户用电密切相关的10 kV馈线供电具有接线复杂、线路残旧以及负荷不均衡等缺点。封闭式10 kV高压开关柜由于载流超负荷而导致设备故障严重危及到电网系统的正常运转。实际电力系统工作过程中，10 kV开关柜的温升故障主要出现在电缆接头连接点处以及开关动静触头位置，所以对这些位置进行有效监控是预防开关柜载流温升故障以及保障电力系统正常稳定运转的关键。因此，本文设计了SAW（声表面波）并将其应用到变电站核心部位温度检测中。

1 基于声表面波的无源无线温度传感器设计

温度采集是该温度监控系统的重要组成部分之一，其关系到温度监控系统工作的有效性。根据封闭式10 kV高压开关柜的特征，开关柜中每个电气设备衔接密集，电气绝缘比较复杂，柜体内部空间狭小，很难运用敷设电源进线的方式对其供电。同时将纽扣电池当作电源受到使用寿命的限制，当设备发生故障时须要停止高压设备才能处理，很难达到电网稳定供电的需求，有源温度采集装置并不能胜任该工作。因此本文提出声表面波的无源无线温度传感技术完成对开关柜中关键位置的温度检测。

1.1 叉指换能器（IDT）

作为声表面波传感器的核心部件，IDT是一种声?电转换器，其主要作用是在压电晶体上激发以及检测SAW，其结构见图1。主要性能参数包括：指条周期长度[M]、指条对数[N]以及声孔径[W]。把射频电压加载至IDT的两根总线过程中因为存在逆压电效应现象，IDT把电能改变成声能，从而导致指条震荡状况的出现。根据各指条激励情况，相对而言其SAW全都很弱，但是当IDT的周期长度等于SAW波长整数倍时，其相互叠加性能加强并且导致出现谐振，IDT对应的角频率[ω0]即声同步频率为：

式中：[VSAW]表示SAW在基片上的传递速度;[k]表示IDT的工作模式，一般情况下[k=1]。在声速保持不变的情况下，IDT的工作频率会随着指条间距缩减而增加，但是其引发的SAW强度和换能器指条对数的平方之间具有正比关系，也就是说指条对数数量越大，其引发的SAW也就越强。为了获得较强的SAW，通常指条数大于200。

1.2 反射栅

SAW反射栅是执行SAW谐振的主要元件，其仅能依靠反射元阵列来组建SAW反射镜，SAW反射栅阵分成两个，即反射沟槽以及反射金属条带，沟槽反射阵机能相对于金属来说比较好，然而金属反射栅阵相对来说比较容易完成。

SAW传达到栅阵时，每次遭遇一根反射条均有一些被反射出来，一般情况下，这些反射波均可以通过相互叠加的方式消除掉，但是也有例外发生，若反射波相位相等时，其叠加将会产生更强的反射波，即为布拉格反射，其相位匹配应满足的前提是：

1.3 谐振型SAW温度传感器

SAW传感器包括单端口与双端口两种结构，双端口结构包括输入/输出换能器IDT，分别实现电声转换以及声电转换。单端口结构仅具备1个IDT，它既能够用作输入换能器也能够当输出换能器来用。本文选择单端口结构见图2。

如果SAW传感器压电基片的表面温度出现改变时，其传播速度[VSAW]及发射栅间距[L]也将随之变化，从而导致谐振频率出现不同，根据谐振频率的改变就能够获得被测温度信息，经过检测频率的改变量就能够完成对温度参数的检测，其频率温度特性的方程为：

1.4 天线设计

本文设计的天线运行公用波段为429～436 MHz，设计出两种天线，即在某方向上有定向性增益较高的螺旋臂偶极子天线以及在法向方向是全向的小螺旋天线。偶极子天线是经过同轴电缆以及信号采集器（Reader）获得连接的，其用途是放射查询脉冲以及获取携带温度信息的反馈脉冲，而小螺旋天线是与SAW传感器连接起来，其用途是获取查询脉冲，同时反馈SAW谐振信号至发射天线。

理论上天线总长度是34 cm，针对工程是不能接受的，因此在该方案中运用螺旋状镀银的金属丝取代偶极子天线的两臂，这样做不仅能够获得比较短的横向长度，而且还能保证其有用长度达到34 cm，其最大辐射方向增益能够达到2.8 dB。法向的小螺旋天线在法向上为全方向辐射，然而其增益非常弱。通过悉心设计使得偶极子天线的阻抗大约为50 Ω，与同轴传输线相配合，小螺旋天线和传感头的阻抗相配合，这样能够获得最好的通信结果。

2 检测系统设计

2.1 硬件设计

2.1.1 信号检测设计

该检测系统主要由无线收发、收发控制以及信号处理等模块构成，其中，无线收发模块由无线发射及接收通路构成。无线发射通路产生并传送间歇正弦脉冲激励信号，其接收通路则完成传感器反射回来的信号的滤波、放大及A/D转换等任务，同时把获得的信息输送至信号处理模块;收发控制模块经过对激励信号产生、功率放大、收发隔离开关及带通滤波等元件的控制完成对时间的请求;信号处理模块获取采集信号的谐振频率信息，然后依据频率与温度的关系运算得到温度参数，随后传输至上位机软件显示，其硬件模块见图3。

信号检测采用一个单刀双掷开关SPDT把全部测量过程分成信号激励及信号接收两个部分。SPDT置于1端时，微控单元MCU向VCO+PLL发出一个频率，由VCO+PLL产生这个频率的正弦脉冲信号，然后经过数字衰减器Att以及功率放大器PA完成对发出信号的强度控制;此信号作为激励信号经过天线传输出去，SAW谐振器在激励信号作用下进行振荡。激励周期完成以后，[SPDT]在TTL电平的控制下置于2端，然后开始接收传感器输出的信息，接收模块选择低噪声放大器LNA及数字可调增益放大器VGA完成对信号的适当放大，随后经过RF Detector把信号强度变换为电压信号输出去，运用MCU自带的ADC完成采集工作，得到响应信号的强度，经过发射强度相同、频率不同的信号搜寻其中反射信号最强的频率点，运用谐振频率与温度的线性关系运算出此时的温度，然后经过串口把温度、频率以及信号强度等信息传送到后台。

MCU选用C8051F020单片机，C8051F020具有多个能够运用程序控制0～25 MHz的时钟源;具有两个ADC：一个为8路12位逐次逼近型，内有可编程增益放大器PGA用于放大输入的信号，提高A/D的转换精度;另一个为8路8位，同时还具有2个12位的DAC，可将数字量转化为电压量形成连续变化的波;另外其还包含基于JTAG接口的在线系统调试功能，片内的调试电路经过该接口可提供高速、方便的在线系统调试。

2.1.2 开关设计

当激励信号的频率等于SAW的谐振频率时，SAW响应信号的能量达到最高，若运用稳定的正弦信号激励SAW谐振器，其自身的频率几乎完全靠近谐振频率，然而由于传感信号在输送的过程中衰耗很大以及激励信号的能量远远高于响应信号，从而导致从激励信号中辨别出激励信号变得很困难。所以为了能够得到回波信号，要在很大程度上抑制激励信号对传感信号的干扰，要满足激励信号的传送以及传感信号的接收在时间上不一致。

为实现这个目的，可以运用可控单刀双掷开关，能够在很大程度上符合系统共用一根天线完成收发的切换及控制的要求。单刀双掷开关要具备很高的隔离度及非常小的损耗，因此在关断情况下选取开关最主要的是要考虑其对射频信号隔离度的高低，本文选取以PIN二极管作为主要元件的单刀双掷开关，其原理见图4。

2.2 温度检测系统软件设计

组态王软件拥有强大的兼容性，可以满足控制要求，因此本文选择组态王作为上位机监控软件，主要实现温度数据的可视化以及参数设置。把温度数据经过主从查询的形式进行读取，然后存入数据库内，其监控界面见图5。

监控界面具有显示测点位置、实时曲线、实时报警列表以及温度数据等功能。其中，测点位置区主要完成测温点位置、釆集器地址、天线号及采集时间间隔等的记录工作，测点位置从采集器开始划分。采集器包含3条采集天线，每条天线所采集的6点温度数据构成一组温度曲线。用户可以经过选取位置参数完成对各个测点的曲线查看。实时曲线显示区中横纵坐标分别表示实時时间及温度值，从右往左依照制定的采集时间间隔刷新曲线，依据温度的改变实时进行动态变化并在界面中完整显示温度曲线;温度数据显示区完成对实时温度值、测点名称及其曲线的显示工作，右上是报警指示灯，如果有温度报警数据传输时，指示灯将由绿色变成红色进行报警。温度值依照设定好的采集时间间隔完成更新，确保其实时性。增加复选框功能，用户能够按照实际要求完成对温度数据及曲线的选择性查看，同时为用户实现温度对比提供了方便;实时报警列表展现报警生成的位置、传感器号、报警类型及发生时间等，同时用列表的方式显示报警数据，直观展现报警的详细信息。

3 温度监测系统的应用分析

为测试本温度监测系统的实际应用效果，选取某地三座变电站中10 kV高压开关柜进行无源无线温度检测系统的安装和测试，并利用技术成熟的红外测温作业手段进行应用效果的比较分析。结合变电站的月度巡视测温工作，对安装在两座变电站共30个测温地点的开关柜的电缆接线处采用红外测温方式，同时记录主控室监控主机上显示的温度监测系统得到的温度数据，得到2016年3月和4月的数据记录如图6，图7所示。

根据图6和图7可知，该温度检测系统和红外测温结果总体上很接近，3月份及4月份温度测量结果相差最高分别是2.72 ℃及2.69 ℃。从总体角度来看，该温度检测系统检测温度数据大多比红外测温得到的温度高，三座变电站的10 kV馈线以及电容器在4月份的供电负荷及无功补偿均比3月份有显著增加，所以检测设备发热比较大，该温度检测系统获得的温度数据也比红外测温显著提高，由此能够得知使用声表面波技术比红外测温方式能更为精确地监控设备实时温度。

4 结 语

通过几个月的试运行，对现场检测数据进行对比分析，能够得知该系统检测到的数据比较稳定，同时可以很好地响应10 kV开关柜中设备的实际工作情况，基本达到预期的设计目标。将声表面波技术应用于温度监测系统的方法是行之有效的，该系统不仅增强了变电站值班运行人员的巡检自动化水平，而且其供给的告警功能还在很大程度上增强了运行部门对设备的风险管控能力。

参考文献

[1] 王生江，董永贵，冯冠平.谐振式声表面波加速度传感器特性研究[J].压电与声光，1999，21（3）：164?167.

WANG Shengjiang， DONG Yonggui， FENG Guanping. Study on characteristics of resonant SAW acceleration sensor [J]. Pharmonic & acoustooptics， 1999， 21（3）： 164?167.

[2] 李平，文玉梅，王军峰，等.基于声表面波谐振器和延迟线的编码型无源无线阵列传感器[J].仪表技术与传感器，2003（2）：15?16.

LI Ping， WEN Yumei， WANG Junfeng， et al. Encoded passive wireless array sensor based on surface acoustic wave resonator and delay line [J]. Instrumentation technology and sensor， 2003（2）： 15?16.

[3] 王军峰，李平，周志坤，等.声表面波谐振型无源无线温度传感器硬件系统[J].压电与声光，2006，28（1）：1?4.

WANG Junfeng， LI Ping， ZHOU Zhikun， et al. Hardware system of SAW passive?type wireless temperature sensor [J]. Powered sound and acoustooptics， 2006， 28（1）： 1?4.

[4] 杨柳.基于ZigBee的无线传感器环境监测网络设计[D].上海：上海交通大学，2008.

YANG Liu. Zigee based wireless sensor environmental monitoring network design [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2008.

[5] 潘勇，孟庆斌.基于DSl8B20的多点温度测量系统设计[J].电子测量技术，2008，31（9）：91?93.

PAN Yong， MENG Qingbin. Design of multi?point temperature measurement system based on DSl8820 [J]. Electronic measurement technology， 2008， 31（9）： 91?93.

[6] 郑长征，毛哲，谢兆鸿.多个DS18B20在粮库测温系统中的应用[J].自动化技术与应用，2006，25（11）：87?89.

ZHENG Changzheng， MAO Zhe， XIE Zhaohong. Multiple DS18B20 in the grain depot temperature measurement system [J]. Techniques of automation and application， 2006， 25（11）： 87?89.

[7] 陆原，宋杰，王永青，等.一种用于供电系统的无线测温网络[J].仪表技术与传感器，2010（1）：45?47.

LU Yuan， SONG Jie， WANG Yongqing， et al. A wireless temperature measurement network for power supply system [J]. Instrumentation technology and sensor， 2010（1）： 45?47.

[8] 冯立波，李永战，吴银锋.一种通用的无线传感器网络监控平台[J].仪表技术与传感器，2008（10）：55?57.

FENG Libo， LI Yongzhan， WU Yinfeng. A universal wireless sensor network monitoring platform [J]. Instrumentation technology and sensor， 2008（10）： 55?57.

[9] 王文宾，乔胜奇.变电站无线测温在线监测系统[J].农村电气化，2009（6）：18?19.

WANG Wenbin， QIAO Shengqi. Substation wireless temperature measurement on?line monitoring system [J]. Rural electrification， 2009（6）： 18?19.

[10] 张永刚，袁续良.声表面波器件及其应用[J].科技情报开发与经济，2007（13）：288?289.

ZHANG Yonggang， YUAN Xuliang. SAW devices and their applications [J]. Sci?tech information development and economy， 2007（13）： 288?289.

[11] 韩韬，施文康.声表面波器件在无线传感系统中的应用[J].光学精密工程，2001（6）：576?579.

HAN Tao， SHI Wenkang. Application of SAW devices in wireless sensor systems [J]. Optics and precision engineering， 2001（6）： 576?579.