光伏智慧电网电气设备无源测温监测系统研究

赵玉芹

【摘 要】随着人们对生态环境及能源危机的重视，世界各国都不同程度的加大了对光伏电站等新能源电站的建设力度。该新能源具有间歇性分布式的特点，稳定性不好，同时，光照强度及天气环境等自然条件也会对该新能源的电量输出有非常重要的影响，光伏发电接入配电网后，会导致电网电压的稳定性大幅度降低，进一步影响电力系统的供电质量，甚至出现短路、断路等情况。基于此，如何保证光伏智慧电网系统稳定可靠的运行是本文研究的重要内容。

【关键词】光伏;智慧电网;电气设备;无源测温;监测系统

一、系统总体设计及工作原理

该无源测温监测系统基于光伏智慧电网建立，主要由四部分组成，分别是SAW温度无源采集单元、PIFA天线单元、温度读取器单元和显示单元。由于本系统采用的SAW传感器芯片是贴片型的，内部没有天线，因此使用过程中，需要它与匹配的普通螺旋天线连接。具体工作过程如下：首先需要将三个一组的SAW传感器放置在被测节点的三个相，即A相、B相和C相上;然后调整位置，确定好距离，固定好天线，并把传感器放在天线辐射距离能够达到最远的地方;然后激励信号由温度读取器扫描发射，目的是使传感器生成共振回波，传感器将接收到的回波信号进行频率分析并处理;最后将处理后的数据通过串行方式发动扫显示器显示。在整个监测过程中，信号的传输过程以现场总线的方式实现，这些信号的有效传输能够用于实现上位机的多节点组网和实时监控。具体如下图1所示：

（一）SAW传感器工作原理

目前大部分SAW传感器由压电材料、反射光柵及叉指换能器等几部分组成，一般情况下，这些传感器用瑞利波实现信号传输，所谓瑞利波，就是指在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声波，具体工作原理为：IDT接收到对应的激励信号后，首先要做的工作是将设备中的电磁信号转换为传感器的瑞利波信号，然后瑞利波会沿着介质表面传播，并经过传感器两端的反射光栅反射后，返回给叉指换能器，最后将瑞利波信号变成电磁信号顺着天线发出。

（二）PIFA天线的设计原理

在开关柜中，一般使用6个中心谐振频率不同的SAW无源传感器监测触点温度，此外，在选定的温度量程内，各个传感器的截止频率也要求不同，将3个一组传感器分成2组，分别放置在待测点的上下两排上。基于此，在设计天线时，需要考虑一下设计的天线能够读取的带宽是否可以覆盖全部SAW传感器的两个有用频率，即中心谐振频率和截止频率。另外，由于在该传感器内部不存在内置的天线，因此当需要焊接固定在基板电路上时，需要在传感器电路中外接一个垂直极化型的普通螺旋天线。平面倒F天线经常用在短距离通信，具有水平和垂直两种极化分量，拥有良好的方向性及发射接收效果。本研究为更好的实现无源SAW的传播和接收特性，在倒F天线原理的基础上，研制了一种平面高增益倒F天线，该天线具有良好的方向性。

（三）温度读取器的设计原理

温度读取器的设计原理为读取器由2部分组成，分为发射电路和接收电路。发射电路主要包括5部分，分别是FPGA、DDS直接数字频率器、PLL锁相环、AMP功放和高速开关。接收电路部分主要由5部分组成，分别是高速开关、LNA低噪放、MIXER混频器以及AGC自增益放大器等。

（四）显示电路的设计原理

传感器位号及对应温度数据信息通过两组4位数码管显示，按键控制整个系统的工作、运行和参数设置等操作。此外，该显示电路能够设置温度报警范围，当实测温度超过此范围时，显示器会给出报警提醒，并显示报警位号和对应温度信息。RSSI标识显示混频器的接收信号强度。此信号轻度与回波信号的最大值呈线性增长关系，并将这种关系用10个LED来表示。比如接收最大强度信号为80dB，对应电压最大值为1.8V，此时10个LED灯全亮。该显示电路与温度读取器的主控板之间的通信主要通过通信接口来实现，一般选用的通信接口方式有两种，分别是RS232串口或者RS485总线。

二、系统硬件设计

（一）SAW温度传感器

当今市面上存在的无源无线SAW传感器按结构划分，主要有两种，第一种是延迟型SAW传感器，另外一种是谐振型SAW传感器，本研究采用的是第二种，单端口谐振型SAW传感器。如图2所示：该图中λ表示波长，d表示反射栅之间的距离。当这两个参数满足等式2d=nλ，表征反射波同相位叠加，此时会导致叠加后的反射波幅值达到最大，随后表面声波信号就会经过叉指换能器，叉指换能器会将该信号转换成电信号发射。

（二）天线设计

本研究设计的天线一种高增益PIFA天线，能够使光伏智慧电网无源测温监测系统获得最佳的接收和传输特性，根据自适应滤波原理，改变反馈点的位置或者天线尺寸，能够成功实现在434MHz中心频率附近的陷波特性。在开关柜中，一般使用6个中心谐振频率不同的SAW无源传感器监测触点温度，为更好区分在选取的时候，各个传感器的谐振频率要求不同，且将3个一组传感器分成2组，分别放置在待测三相的上下两排上。基于此，在设计天线时，所设计的天线模型需要考虑到，该模型需要覆盖监测区域内所有传感器的两个重要频率，这两个重要频率分别为：中心谐振频率和截止频率。经查阅该传感器的数据手册，了解到该传感器需要设计天线的中心谐振频率在434MHz附近，而且该频段内的频率带宽需要大于6MHz;此外还了解到，在电压驻波比的取值上，该比值需要小于1.3或1.5。如前所述，SAW无源测温传感器在使用时需要和垂直极化的螺旋天线相连，因为这个特点，因此，在设计时，天线需要设计成具有较小辐射角度的垂直极化型天线。综述所述，最终选择能同时具有水平和垂直极化分量的PIFA天线。

（三）收发电路设计

收发电路包括直接数字频率合成器电路、锁相环倍频电路、放大电路、开关电路、低噪放电路、混频电路、通信电路、电源电路等几个部分构成。

直接数字频率合成器，该频率合成器通过写入频率控制字的方式，使参考频率倍频和分频，然后通过高速模数转换器将数字信号变成正弦模拟信号;锁相环就是锁定相位的环路。这是一种典型的反馈控制电路，该锁相环是一个闭环控制系统，基本原理是让输出信号返回给输入回路，使产生的控制信号控制输出信号，进而使输出信号能达到跟踪输入信号的目的。锁相环电路两部分组成，一部分是前向通道，该通道由压控振荡器产生一个输出，一部分是反馈通道，这部分通过分频与输入信号作比较;由于通信信号在传输过程中存在衰减现象，而SAW无源传感器被放置在不同地方，因此为了让这所有SAW无源传感器都可以得到激励，需要一个放大器放置在锁相环的后面。还有一点儿值得注意，高频信号要想发送到天线上，需要获得10dBm以上的功率;本研究的开关电路为了满足这个要求，采用ADG918芯片进行设计，该芯片带宽可达1GHz，具有单刀双掷开关，该单刀双掷开关隔离度高，插入损耗低，该芯片内部集成的有CMOS控制逻辑，同时在芯片输入端有50Ω分流匹配，可用简單的逻辑控制，功率损耗小于1μA，这些优点表明该芯片非常适合无线及作为一般的高频开关来用;混频的作用就是将已经调波的频谱不失真的搬到中频位置上，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，其工作机理是运用三角函数的性质将正弦信号相乘，从而让两正弦信号的频率相加或相减。在发生电路中，信号一般都是混合叠加在一起，在接收电路中，信号一般都是经过滤波和放大后进行差频，输出频率的模;设计电源电路时需要考虑电源稳定性的问题，因为如果电源不稳定，设计的控制系统是不能正常工作的。并且，电源在工作时也会出现文波抖动或噪声干扰等情况，如果在设计电路时，不把这些考虑进去，这些不利因素就会跟随电流进入到每一个控制单元，影响每一部分的正常工作，后果不可想象。因此，在设计电源时，本研究设计了将电源电路分成了两部分，第一部分可以将交流电转换为直流电，第二部分，将直流电转换为需要的直流电。

（四）显示电路设计

本研究显示电路采用数码管和指示灯来完成。其中数码管通过74HC375驱动。显示电路能够实现人机交互功能，界面能够控制收发电路能否正常启动;并且在显示电路中可以设置报警下上线，当检测到的温度超过设定上下线时，显示电路会给显示错误信息;显示电路中的RSSI指示灯表征接收信号的强弱。

三、软件设计

本研究的软件设计需要实现能实时测取监测点温度并能够将该温度信息在显示器上显示，因此主要程序包括两部分：主控程序设计以及显示程序设计。主程序设计思路：该部分实现的主要功能测取监测点温度，首先对各个设备进行初始化和自检，当自检通过后会注意监测各个传感器出的温度，当监测到温度信号后将该信号送到显示装置;显示单元能够将监测到的温度值在显示器上显示，并且如果监测点的温度超过设定的温度范围时，显示单元会发出报警提醒，并显示出传感器位号和对应的温度值。

四、结束语

基于如今电力系统智慧电网生产实际的需要，本研究设计了一种基于光伏智慧电网的无源温度监测系统，该系统利用SAW传感器的结构特点，在现有温度监测系统的基础上，不断比较优化，提出了一种更适合如今电力系统的新型无源温度在线监测系统，通过实践证明，该系统具有成本低、稳定性好、可靠性和抗干扰能力强的特点。

【参考文献】

[1]王磊，刘文，卢小荣.面向电网应用的SAW温度传感器设计[J].压电与声光，2012，34（6）：817-819.

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[4]雷光.电力高压开关柜温度在线监测系统的开发和应用[D].北京：华北电力大学，2016.