声表面波传感器在电力变压器温度监测领域的应用

黄 超，施 勇，季新风，郭 凯，乔 飞，居友杰，赵 昊，田 牧

（1.国网上海崇明供电公司，上海 202150；2.中国电建集团装备研究院有限公司，上海 200233）

0 引言

电力变压器广泛分布于配电网各个区域内，运行的状态直接关系到整个电网的安全，其设备长期在户外运行，连接部位易产生接触不良而导致发热的问题，如该隐患未被及时发现并处理，则很有可能引发重大安全事故。

针对电力变压器发热造成安全隐患的问题，综合比较现有多种测温技术：1）热电阻测温需要安装电源线信号线，对环境和防护要求较高；2）红外测温对测量安装位置要求较高，易受环境因素影响；3）有源类温度传感器需更换电池，难以长期维护；4）光纤类温度传感器容易折损，且长期工作易降低爬电距离。声表面波（SAW）温度传感器具有无源和无线传输的特性，更适合室外电力变压器的测温，无源指传感器无需携带任何形式电源而是由天线接收射频信号来激励敏感元件，避免了在高电压和高温环境中使用电源，保证了传感器的安全可靠工作，无线指传感器与阅读器之间采用射频信号通信，避免了在复杂电气环境中布线的困难和危险。SAW传感器因具有本质无源、信息无线传输、抗电磁干扰能力强以及寿命长等特点，而受到电力系统行业关注。

本文针对以上现有问题提出一种声表面波技术结合现代通讯的无线无源在线系统，可对片区内电力变压器进行在线统一实时监控，有效弥补现行人工巡检维护方法的缺陷，从而提升巡检质量，保障设备安全。

1 系统总体设计

本文提出的变压器温度无线无源监测巡检系统，由信息感知（无线无源SAW 温度传感器、阅读器）、通信网络、信息处理（管理平台、终端设备）三部分组成。通过在变压器桩头安装定制的基于声表面波技术的无线无源测温传感器，以无线查询方式巡检各个测点温度值，通过无线通讯网络传送到管理平台，一旦有异常出现，即及时通知终端设备。该系统是集机电一体化、传感监测以及无线传输、电磁兼容、数据管理等技术于一体的综合智能监测和处理系统。它充分利用了现代监测通讯技术，不需要对变压器做任何改造，具有安装维修简便，适应性强等诸多优点。

本系统的整体结构示意图如图1 所示，将嵌入式技术、无线网络通信技术、射频技术、传感技术等技术进行结合，通过SAW 传感器来实时监测桩头温度信号，使用无线阅读器进行SAW 传感器的信息扫描查询，然后经过通信网络到管理平台处理监控点是否有温度异常。如有异常，即可通过无线通讯4G/5G 系统及时通知终端设备。

图1 系统整体技术路线示意图Fig.1 System’s schematic diagram of technical route

系统主要由信息感知、信息网络和信息处理3 部分组成。基于以上总体方案，本系统研究总体框架如图2所示，共分为3个主要部分。

图2 系统整体研究框架Fig.2 System research framework

1.1 基于声表面波(SAW)技术的无线无源温度监测技术

1.2 具有较强抗电磁干扰能力远程无线通讯技术

电力变压器的温度监测过程中，对温度传感器的抗电磁特性要求较高，通信网络技术采用以4G通讯技术（NB-IoT）为主，同时预留系统升级接口，向上兼容5G 通讯技术，设计出一套简捷、高效、可靠、经济的远程实时通讯系统。

1.3 综合管理中心系统软件研究开发

具体包括实现系统设置、信息查询接收、态势评估、报警、数据保存、打印报表等功能，同时设计人机友好的交互界面，便于工作人员操作和查看各种信息。

2 SAW传感器的测温原理

2.1 SAW传感器工作原理

声表面波在基底表面行进时，固体表面所呈现的物理特性将会随着环境等被测参数的变化而发生变化，SAW传感器就是利用这种原理来实现对被测参数的敏感。一般SAW传感器由以下3个主要组成部分：敏感基地、加工在敏感基地上的金属膜图形、封装及天线。外界参数对声表面波传播的影响主要反映在声表面波传播速度上，通过监测波速，并将其变化情况与环境条件的变化情况一一对应，一般来说，周围条件对声表面波传播速度的影响，可以用式（1）和式（2）来表示。

SAW传感器的声表面波传播速度，在外界环境中主要受到质量载荷效应、声电效应以及黏弹性效应三项条件的作用。若薄膜质量发生变化，则会形成质量载荷效应，导致IDT 的谐振频率发生偏移，因此，也可以通过质量载荷效应对材料的厚度进行估计。对于机械形变而言，其会产生声表面波，所产生的声表面波在行进中同时会诱发感应电场，薄膜的电导率会由于该薄膜中的电荷与该电场的相互作用而发生变化，这一变化最终会造成声表面波行进速度及衰减情况产生变化，形成声电效应。这一效应已经得到了很多研究的支持，导电率会成为传感器响应产生变化的重要因素之一。另外，黏弹性效应是指SAW传播路径上所覆盖的薄膜的机械特性，例如剪切或者膨胀压缩变形。对于特定应用的声表面波传感器的设计，就是突出对被测参数的敏感效应而消除或降低对其他参数的敏感性。对于本文中的温度检测应用来说，就是通过基底材料、切型和表面结构的图形优化设计，使SAW 器件对温度作用有较高的敏感性。

本文中采用谐振型SAW 传感器的基本原理结构示意如图3所示，使用中具有很好的一致性和重复性，其基本原理是在压电基底上传播的声表面波特性会随着温度的变化而变化，通过设计谐振型或延迟线型敏感器件，将这种变化转换为射频信号频率或相位的变化，从而实现温度的无线监测。

图3 声表面波测温原理示意图Fig.3 SAW temperature measurement schematic diagram

2.2 SAW传感器信号检测

阅读器信号检测及处理电路如图4所示。将温度信号经过SAW振荡器后先进行混频，然后经过低通滤波器进行滤波筛选，最后再经过放大器将筛选后的波形进行放大并进行频率测量，将测量后的结果交由微处理器进行处理，输出处理后的测量数据。

图4 SAW传感器处理电路与信号检测框图Fig.4 Processing circuit and signal detection block diagram

如图5 所示，声表面波射频识别系统采集温度信号的主要步骤为以下四部分：

数据显示，4成家庭会购买KOL推荐的商品，但这并不意味着年轻父母会盲目听从KOL的推荐，而是会根据商品是否符合需要，商品本身是否具备足够吸引力等来决定自己的购买行为，用户的消费行为呈现出较为理性的状态。

图5 声表面波射频识别系统Fig.5 SAW RFID system

1）采集器信号发射：由采集器完成电信号调制，然后通过采集器天线将电磁波信号发到传感器天线。

2）传感器信号激发：SAW传感器的接收天线收到电磁波信号，通过逆压效应，在SAW 传感器上产生声信号。

3）温度信号调制：声信号感受压电晶体热胀冷缩，把温度信息调制到声信号中，调制后的声信号经过声反射栅反射后，通过压电效应，转化成电磁波信号，并且通过传感器天线发送。

4）采集器信号接收：采集器天线接收返回的电磁波信号，解调出温度信号。

3 基于NB-IoT的无线通讯技术

由于涉及的监控变压器分布范围较广，通讯距离达几十公里甚至上百公里，可靠的实时通讯是必须解决的关键问题之一，根据实际工况，选用构建于蜂窝网络窄带物联网NB-IoT，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT 是IoT 领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT 支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT 聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，具有连接多、覆盖广、安全可靠、功耗低、架构优等特点。

1）海量连接：NB-IoT 比2G/3G/4G 有50～100 倍的上行容量提升，这也就意味着，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50～100倍的接入数。

2）深度覆盖：能实现比GSM 高20 db 的覆盖增益；NB-IoT比LTE提升20 dB增益，相当于发射功率提升了100 倍，即覆盖能力提升了100 倍，能覆盖到地下室、地下管道等信号难以到达的地方。

3）稳定可靠：能提供电信级的可靠性接入，NBIoT 直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络，使用单独的180 kHz 频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠地进行。

4）安全性：继承4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，确保用户数据的安全性。

5）超低功耗：通信设备消耗的能量往往与数据量或速率相关，即单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。数据量小，设备的调制解调器和功放就可以调到非常小的水平。

4 数据管理平台系统

设计开发以嵌入式系统为核心的巡检支持平台系统，以实现系统设置、信息查询接收、态势评估、报警、定位数据保存、打印报表等功能。设计人机友好的交互界面，便于工作人员操作和查看各种信息。在系统设置上可以录入需要巡检的变压器电站号、位置信息、ID号等信息；可以设置巡检参数；对接收到的数据，按用户指定的模板表格实时记录并保存，在需要时可以调出或打印。

在系统工作期间，正常情况下以手机端为主机，各变压器设备为从机，由手机端依次对各从机发起查询，从机在收到针对自己的查询指令后，转为发送状态，发送当前的信息数据包，发送完后等待下一次查询。在某个变压器发生异常情况时，该从机转为主机，向手机端发送应急通讯，手机收到该指令后，连续接收该站点的各种信息，并在手机屏幕上突出显示，为工作人员快速到达目标点提供帮助。

5 应用实例

系统目前已完成通过实地信号链路测试、数据采集，并实际安装在了崇明岛的数个变压器上投入运行。在实际工作时各阅读器数据信号良好，且读数准确。防雨罩及安装底座材质对信号并无太大影响，传感器与阅读器天线距离2 m之内时信号最佳。

系统实际运行中各传感器数据接收连续稳定，具备实际稳定连续工作的能力。

图6 现场布设情况Fig.6 Site layout

安装时，为解决加装传感器后影响接触的问题，加大了传感器接触面，保证安装紧实。同时为避免在变压器做升级改造时需要重新安装阅读器天线的问题，采用独立的阅读器天线支架，而非直接安装在变压器上。

6 结语

伴随能源物联网建设的推进，结合声表面波传感器本质无源、信息无线传输、抗电磁干扰能力强以及寿命长的突出优点，可在电气变压器温度监测上得到广泛应用，有效地提高电网巡检的自动化水平，达到提质增效的目的。这对国家电网有限公司配电设备的安全稳定运行，提高智能管理水平和快速处置突发事件的能力都具有重要意义。

使用声表面波传感器进行在线监控代替传统人工运维，可解决以下主要问题：

1）运维人员可在线对变压器的工作状态进行实时监测和预警，并进行定期分析和诊断。有效解决了传统巡检周期间隔较长，变压器存在安全隐患无法及时发现并排除的问题。

2）运维人员可在线对多个变压器进行统一管控，温度数据、变压器位置等数据一目了然，最快发现并定位问题变压器所在位置。有效解决了传统巡检消耗时间过长、效率低下的问题。

3）在线系统可不间断主动实时监控，消除或降低人工巡检的次数。可有效减少巡检人员配置、降低变压器设备故障率及减少设备更换频次，提高工作效率，降低运维成本。

本文研究的采用声表面波传感器在电力变压器中测温方案，相较与传统人工红外巡检方式，声表面波传感器具备无需外接电源、安装灵活及抗干扰能力强等显著优点，在未来还可以利用无线无源测温技术的可迁移性，以及在线监测平台的普遍适应性，实现不同设备间的统一在线监测管理，可最终达到推进广泛互联、高度智能的能源物联网发展的效果。