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    面向智能电网无源无线温度在线监测系统


    摘要:本文首先回顾声表面波(SAW)技术的发展历史,以及SAW传感器的技术特点;然后对传感器单元从原理方法上展开讨论,探讨了SAW传感器的设计方法,包括材料选择方法,谐振器设计,并给出SAW温度传感器的验证结果;接着介绍了无源无线监测系统,构建了完整的无源无线传感系统及网络;最后,介绍SAW无源无线的典型应用,举例说明SAW传感技术在这些监测场景的优势和巨大潜力。


    关键词:声表面波;温度传感器;传感系统;状态在线监测;智能电网


    0  引言

         SAW技术自十九世纪七十年代起,至今已发展成为一门集声学、压电材料学和半导体加工工艺相结合的综合技术[1],经过四十多年的发展,以该技术为基础的SAW传感器在各个领域、行业得到了广泛的应用。近年来,伴随智能电网和物联网的发展,传感器技术倍受国内外重视。在智能电网的建设、运营、维护过程中,为了不断提高电网的稳定性、可靠性和智能,电力设备状态在线监测技术受到高度重视。状态在线监测的关键就是新传感技术的运用,智能电网的不断发展对传感技术提出了新要求,如在电网设备温度状态监测中,为适应电气安全距离要求和高绝缘要求,温度传感器应尽可能采用非接触式监测方式;电力系统长期可靠运行的特点要求传感器具有长寿命,易维护,且维护周期很长;苛刻的现场环境要求传感器具有良好的稳定性;电力行业现存不同类型不同规格的众多电气设备,要求监测系统可灵活构建不同规模,不同形式的在线监测方式,具有很强普适性。在这些条件限制下,传统的红外技术、有源无线方案、光纤传感技术均存在短板,已无法满足要电力行业的状态在线监测需求。声表面波传感器引入电网设备状态在线监测后,由于它具有无线遥测、无需供电、抗干扰能力强、精度高、成本低、用途广等优点,在智能电网状态在线监测应用中展现出巨大的潜力。


    1  SAW技术发展及现状

    声表面波的概念是由英国物理学家瑞利在研究地震波的过程提出,伴随1965R.W.WhiteF.W.Voltmer发明了激励和检测[2]SAW的叉指换能器,声表面技术取得了重大突破,基于声表面技术的SAW器件也获得了快速的发展。最近15年,计算机技术和半导体工艺技术的飞跃发展使得可以用制造半导体的光刻技术大批量生产SAW器件[3]SAW器件具有体积小、重量轻、能对信号实时处理、模拟/数字兼容、抗电磁干扰性能好、损耗低和频率选择性好等特点[4]。对于传感领域,国际上对SAW传感器的研究始于20世纪70年代 ,到20世纪90年代,国际上兴起了声表面波传感器的研究热潮,伴随世界范围内物联网和智能电网的发展建设,SAW传感器的发展表现出新的趋势:

    1.1.高精度高灵敏度。对于传感器应用,高精度与高灵敏度是其基本要求。SAW传感器的检测精度以及灵敏度还不能与传统传感器相比,因此需要采用一些新方法新技术,提高系统性能。

    1.2.小型化/便携式。SAW传感器系统必须尽可能减小体积,便携式且低功耗,满足各种机载、车载、航载等要求,这样才能相对于其他类型的传感器具有更大的竞争力。

    1.3.多功能集成化及低成本。多功能集成SAW传感器就成为人们的一个兴趣热点,结构简单、系统体积小且大大降低了系统成本。


    2  SAW温度传感原理

    典型的SAW温度传感器由SAW器件(芯片)和传感器天线构成,其中SAW芯片是关键。


    2.1 SAW敏感基片

    常见的压电单晶材料为石英、铌酸锂、陶瓷等对于SAW温度传感器[5]需要所用敏感基片具有良好的温度特性,而声表面波器件的频率与温度的关系可表示为式2.1

         (2.1)

    非线性关系这会增加传感信号的检测处理难度,增加系统成本。所以为了使上式(2.1)逼近线性关系,就需要选择合适压电晶体和合适的晶向,保证压电材料在某个晶向上有显著的一阶温度系数和很低的二阶温度系数。基片的选择优先考虑了石英,相较于铌酸锂、陶瓷等晶体,石英产量大、工工艺成熟。


    2.2 SAW传感原理

           SAW传感器按原理[6]可分为延迟线型和谐振型两类传感器,延迟型声表面波传感器通过测量激励信号与回波信号在时间上的时延或相位上的变化来实现传感,其缺点是传感距离非常近;谐振型声表面波传感器由IDT和反射栅阵组成谐振腔,通过谐振的特点来实现检测。谐振型SAW传感器是利用SAW谐振器谐振的特点尽可能多的耦合积聚能量,使信号谐振最强。所以当传感器敏感基片受到物理、化学或机械扰动作用时,压电材料上SAW传播速度将发生变化,进而导致谐振频率的变化,通过频率的检测实现对待测量的测量。

           常用的谐振型结构[6]可为两种形式, 如图2.1所示,即单端对结构如图(a)和双端对结构如图(b)


    2.1 谐振器的两种结构形式
    2.3 SAW传感系统构成它们的区别是,单端对仅有一组IDT同时负担发送和接收信号;双端对则有两个IDT,一个发送信号,另一个接收信号。实际中单端对结构比双端对结构更多的应用于谐振型SAW传感器的设计。


           前面介绍了了SAW温度传感器的原理,典型的无源无线温度传感系统,由SAW温度传感器,传感器天线,温度采集器和温度采集器天线构成。其结构方案如图2.2所示,从图中知,SAW温度传感器结合传器感器天线构成了远端的传感器单元,他们将被布放于温度监测点,工作在无源无线的方式,实时感知着温度的变化。近端的采集器系统负责射频查询信号的产生、发射、接收、处理。传感器单元与采集器系统通过天线实现无线的信息交换。

     

    图2.2 无源无线温度传感系统工作示意图

    传感器单元采用不同频率的芯片,通过频率复用和时分复用,每个采集器单元可以同时对应多个传感器单元同时工作,实现多点感测。


    2.4 抗干扰的谐振器设计

    SAW传感器应用早期,普遍存在同频干扰问题。在SAW传感器工作的频率内,如果存在一个能量较大的无线信号,则会大大误导温度采集器的扫频,识峰。因为当SAW的回波信号弱于干扰信号时,就会被误判为次峰,甚至底噪。如图2.2所示,在信道1和信道2存在两个SAW传感器,并能正常工作。同时,在信道6附近存在一个较强的干扰信号。由于干扰信号明显强于SAW回波信号,则在采集器扫频寻峰时将干扰信号“优选”为回波信号,这时不论被测对象温度为多少,SAW温度测量系统返回的均是干扰信号频率所换算的温度。

    图2.3 同频干扰

           为了解决这个问题,有的产品在发出激励信号前先侦听环境噪音,来发现持续的背景干扰。但是,当干扰信号为间断发生时,这种方法就失效了。用户会看到异常的数值跳变,“温度”忽高忽低。后面有人又提出采用跟踪算法来识峰,因为被测对象总是存在温度惯性,温度是连续变化的,如果在1毫秒内,温度突然从10℃骤变到90℃,则认为是干扰发生了。采集器会继续跟踪10℃的回波信号,但是这种方法是双刃剑,一旦跟踪错了很难纠正。实际应用中,上面提到的方法均不能满足智能电网高可靠的需求。总结前人的经验,看来单单从采集器层面是很难解决同频干扰问题的。

    本公司提出在芯片层面增加回波信号特征,来增强系统的智能,避免同频干扰引起的误判。思路是在同一颗SAW内放置3个谐振器,而这3个谐振器间的频差是固定的。

    图2.4 具有3个谐振器的传感器结构

           相应的,使用这种SAW器件制作的传感器回波信号也是3个峰。如图2.3所示,

    图2.5 具有3峰特征的回波信号

           回波信号不仅具有3峰特征,而且这3个回波信号的频差均为24KHz,信号强度也几乎相同。这样突出的特征就大大降低了寻峰的难度。

    图2.6 SAW温度传感器

           为了检验实际无源无线温度传感系统[7]性能,制作了中心频点(23℃)在429.4MHz430.8MHz432.2MHz433.6MHz435.0MHz436.4 MHz六种频率的SAW温度传感器。经过匹配、装配天线、外罩封装后安置于温巡箱中,采集器天线放置于箱体的侧壁,采集器在箱体外部,实际运行所监测的部分温度变化曲线如图2.5所示。6个监测点温度变化轨迹与温度的调控变化相一致。试验证明所设计的无源无线温度传感系统及天线较好满足面向电网温度状态监测的应用。

    图2.7 温度监测曲线


    3  无源无线温度监测系统

           智能电网的建设中,电力开关柜数目变的越来越多,其接口包括三相电的进出,共6 个出入交接点,交接点是发热最为严重的地方。温度监控大多应用在这些点上。将SAW无源无线温度传感系统引入对开关柜交接点的测温后,采用6个不同信道,传感单元将被安装在6个交接点上。采集器天线被安装在柜体的内壁,天线和SAW温度传感器间进行无线通信。实际应用中,无源无线温度监控系统[7]添加了无线中继、后台监控系统,其目的是实现变电站远程监控。典型的应用方案见上图3.1

    图3.1 温度监测系统网络拓扑图

           前端的传感器单元准确的实时感知发热点的温度变化,并以无线方式将传感信号发送到采集器上,采集器上带有本地的显示界面,可以直接显示监测点得温度。同时采集器将收集来的温度数据发送至后台监控系统,实现对高压带电体的运行温度的温度测量和远程实时监控。系统可运用于单个变电站中,也可运用在多个变电站中,对于多个变电站应用,需要将单台设备的温度监测系统组成监测网络,网络的拓扑结构为如图3.2所示。通过监控网络的组建,无源无线SAW传感系统就可以形成温度监测网络,扩大其在电网温度状态监测中的应用。


    4  无源无线测温技术的应用

    4.1 高压输电线路测温应用

           架空高压输电线路输电过程中,线路的垂度关系到它运行的稳定性和安全性,而线路垂度影响输电线路线运行温度,对线路温度的测量能很好监控输电线路状态。为了测量架空输电线路的导线温度,可以在架空高压铁塔的接头导线上安装温度传感器。无源无线声表面波温度传感器无源无线的特点,使其非常适合架空输电线路周围区域的高电应力和强磁场环境应用。安装点上导线的温度可以被实时获取。并且数据可以通过无线网络上传至监控中心。通过实时监控获得导线运行温度,监测和分析输电网,监测输电线路状态,这对优化线路性能,保障电力供应方面起着至关重要的作用。如图4.1SAW温度传感器被安装在加工线路的刀闸上。如图4.2,是安装前的准备情况。

    图4.1 户外刀闸测温点

    图4.2 刀闸测温系统部件

    4.2 变压器测温应用

           变压器是变电输电线路中的重要环节,由于高次谐波污染,变压器的日常工作负荷较大,尤其在广大农村,随着机械化农具的使用和农村生活水平的不断提高,农电的负荷一直在持续上升。而相对的,农电变压的状态监测和日常包养则一直是比较薄弱的环节。SAW温度传感器体积小,结构简单便于安装,特别容易在条件有限的环境安装。如图4.3,是SAW温度传感器用于户外农电变压器的状态监测。

    图4.3 户外变压器中的SAW传感应用

    4.3 电力开关柜和断路器

           高压开关柜内空间狭小,母排、母排支架之间排列紧密,且高压条件下电气安全距离要求极其严格。目前高压开关柜内的测温是无源无线测温系统最成熟的解决方案,一方面,高压开关柜内电磁环境简单,无线电的折反射有利于SAW温度传感器的信号传播另一方面,高压开关柜安装于室内,其供电条件和组网条件较好。如图4.3所示。

    图4.4 电力开关柜的SAW传感应用


     

    5  结语

           本文在智能电网的建设、运行和维护背景下,针对电力设备温度状态在线监测中存在的问题,引入了基于SAW技术的无源无线温度监测技术。作为一项新技术,本文从SAW温度传感器原理及设计方法、无源无线温度传感系统及网络系统方面进行了分析介绍,以本公司成功实施的电力行业应用为例,提出了温度传感及网络系统解决方案。SAW传感技术发展到今天和行业实践结合出现了不少成功的应用,智能电网的不断发展,相信SAW传感技术的无源无线优势将表现出更大的潜力和不可替代性。


    参 考 文 献

    [1]  袁小平,国外声表面波传感器开发近况[J].压电与声光,19958月:6-10.

    [2]  孙海山,余愚,蒋永华. 浅谈SAW气敏传感器的发展[J].中国仪器仪表,2006(5)45-48.

    [3]  武以立,邓盛刚,王永德.声表面波原理及其在电子技术中的应用[M].北京:国防工业出版社,1983209-211.

    [4]  杨桃均.声表面波气体传感器电路优化设计[D].成都:电子科技大学,2008.6-13.

    [5]  林卓斌.声表面波温度传感器特性研究[D].吉林:吉林大学,2010,7-9.

    [6]  Hashmoto Ken-ya. 声表面波器什模拟与仿真[M]. 北京:国防工业出版社, 2002.

    [7]  武汉烽火富华电气有限责任公司.长程声表面波温度传感系统[P].中国:201464075U,2010.

    [8]  F.Schmidt, G.Scholl, Wireless SAW Identification and Sensor Systems. In a book “Advances in Surface Acoustic Wave Technology, Systems and Application”, Vol.2, Ed.C.W.C.Ruppel.T.A.Fjeldly,Singapore, World Scientific, 277-325 , 2001.




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