邵明強(qiáng)

(浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201)

高壓開關(guān)柜的溫度監(jiān)測一直是電力工業(yè)安全運(yùn)行的重大課題之一，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，新型測量傳感技術(shù)目前成為研究熱點(diǎn).現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用于高壓開關(guān)柜測溫且相對(duì)成熟的技術(shù)有紅外測溫、光纖測溫、光纖光柵測溫等.文獻(xiàn)[1]提出了一種基于紅外傳感并結(jié)合GIS開關(guān)柜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的在線監(jiān)測方法.文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種利用氣體傳遞過溫信號(hào)的中高壓開關(guān)柜過溫監(jiān)測系統(tǒng).文獻(xiàn)[3]針對(duì)光纖絕緣可靠且傳輸信號(hào)不受電磁場影響的特點(diǎn)介紹了光纖溫度監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用.文獻(xiàn)[4]介紹了光纖布喇格光柵測量原理，并對(duì)其在開關(guān)柜、電纜等電力系統(tǒng)設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了論述.

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)測溫是近年來新興的一項(xiàng)測溫技術(shù).SAW波速會(huì)隨外界環(huán)境因素的變化而發(fā)生改變，SAW傳感器正是利用了SAW的這種特性，將波速的變化量轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)頻率的偏移量，通過天線傳遞信號(hào)，是一種被動(dòng)式的感應(yīng)器件，無需額外供電.因此，與之前的有源無線傳感器相比，其沒有復(fù)雜的布線，不用更換電池，不受磁電干擾影響.本文針對(duì)SAW溫度傳感器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理器(Digtial Signal Processor，DSP)的 SAW 溫度測量系統(tǒng)，并采用了具有低通特性的滑動(dòng)平均數(shù)字濾波算法來提高測量精度.

1 系統(tǒng)工作原理與硬件設(shè)計(jì)

1.1 SAW溫度傳感器工作原理

SAW傳感器由壓電基片、聲反射柵、叉指換能器(IDT)及天線構(gòu)成，如圖1所示.[5]

圖1 SAW傳感器結(jié)構(gòu)

SAW波速v會(huì)受外界諸多因素的影響，其變化量公式如下:

式(1)表明，當(dāng)外界溫度t，質(zhì)量m，壓力P，彈性系數(shù)c，介電常數(shù)σ，電導(dǎo)率ε等變化時(shí)，都會(huì)引起v的變化.筆者選用對(duì)溫度敏感的復(fù)合型壓電材料，使溫度成為影響波速的主導(dǎo)因素，其他影響因素則可忽略.IDT可以將SAW波速的變化轉(zhuǎn)換成諧振頻率的變化，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為:

因此，溫度的變化量最終轉(zhuǎn)換為諧振頻率的偏移量，兩者的關(guān)系如圖2所示.[6]

溫度與頻率的函數(shù)關(guān)系為:

式中:T0——初始溫度;

T——待測溫度;

f0——溫度為T0時(shí)的初始諧振頻率;

f——溫度變化后返回的諧振頻率;

a0——一階系數(shù).

綜上可知，溫度與諧振頻率呈良好的線性關(guān)系，SAW的這一特性使其應(yīng)用于測溫時(shí)能達(dá)到較高的精度.

圖2 SAW傳感器頻率-溫度曲線

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)測溫系統(tǒng)硬件部分由溫度測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輸入輸出模塊3部分組成.溫度測量模塊包括信號(hào)采集電路和SAW溫度傳感器.數(shù)據(jù)處理模塊包括 TMS320F2812芯片、SPI和SCI外設(shè).輸入輸出模塊包括I/O接口、TFT液晶屏和薄膜按鍵.DSP與溫度采集器通過RS232連接，DSP與PC機(jī)通過RS485連接，溫度采集器與SAW傳感器則通過天線發(fā)射電磁波進(jìn)行通訊.系統(tǒng)框圖如圖3所示.

圖3 測溫系統(tǒng)原理示意

SAW溫度采集模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 SAW溫度采集模塊結(jié)構(gòu)

通過可調(diào)本振和固定本振混頻，得到一個(gè)射頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過帶通濾波和功率放大后，由天線發(fā)射給SAW傳感器，等待傳感器返回脈沖信號(hào)后，由天線接收，經(jīng)射頻放大，接著與固定本振混頻，得到一個(gè)低頻信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，通過RS232將數(shù)據(jù)送入DSP進(jìn)行處理.

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 SAW測溫程序設(shè)計(jì)

DSP芯片能夠?qū)崟r(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，并且擁有豐富的外設(shè)接口，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域.本系統(tǒng)選用 F2812芯片，在CCSv3.3編程平臺(tái)上進(jìn)行程序的開發(fā)工作.程序的開發(fā)流程如圖5所示.

圖5 程序設(shè)計(jì)流程

首先，系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)函數(shù)、PIE控制寄存器、PIE中斷向量表、GPIO口和外設(shè)的初始化.然后，使能三級(jí)中斷，并查詢按鍵是否按下.當(dāng)檢測到按鍵被按下時(shí)，開啟CPU定時(shí)器和T1周期中斷，輸入周期T后，程序就會(huì)每隔T秒調(diào)用一次測溫函數(shù)和采樣函數(shù).測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算和處理后通過TFT顯示函數(shù)顯示在液晶屏首頁，溫度曲線顯示在第2和第3頁.當(dāng)檢測到上位機(jī)有指令發(fā)來時(shí)，立即進(jìn)入 RS485中斷函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī).

本程序的3個(gè)中斷函數(shù)的優(yōu)先級(jí)為CPU定時(shí)器0中斷＞T1周期中斷＞RS485中斷函數(shù)，程序在運(yùn)行時(shí)，如果同時(shí)檢測到多個(gè)中斷，先執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的，如果在運(yùn)行低優(yōu)先級(jí)的中斷時(shí)有高優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)來，則執(zhí)行完本次中斷后再執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)的中斷.

2.2 濾波算法研究與設(shè)計(jì)

為了對(duì)被測點(diǎn)溫度進(jìn)行高精度的測量，必須消除被測信號(hào)中的噪聲和干擾，該部分的研究主要是通過軟件設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，從而屏蔽掉噪聲和干擾信號(hào)，獲得較高精度的數(shù)據(jù)，常用的軟件濾波方法有限幅濾波法、中位值濾波法、算數(shù)平均值濾波法、遞推平均濾波法、一階滯后濾波法、消抖濾波法.文獻(xiàn)[7]比較分析了以上幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了數(shù)字濾波算法的選擇原則.文獻(xiàn)[8]通過對(duì)常見數(shù)字濾波方法的頻域和時(shí)域分析對(duì)比，提出了一種結(jié)合可變限幅濾波法和一階低通濾波法的改進(jìn)方法.

綜合以上對(duì)軟件濾波方法的分析，結(jié)合SAW測溫系統(tǒng)干擾信號(hào)的特點(diǎn)，即A/D采集的信號(hào)一般含有小幅度高頻A/D量化噪聲，容易降低數(shù)據(jù)曲線的平滑度，所以在本系統(tǒng)中采用具有低通特性的滑動(dòng)平均數(shù)字濾波器來解決上述問題.

滑動(dòng)平均濾波原理是把M個(gè)采集數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為M，每次新采樣結(jié)果就會(huì)被放入隊(duì)尾，并且去掉隊(duì)首的一個(gè)舊數(shù)據(jù)，最后把隊(duì)列中的M個(gè)數(shù)據(jù)求和取平均值，其結(jié)果就為最終的濾波結(jié)果.濾波算法的數(shù)學(xué)模型描述如下:

M——濾波滑動(dòng)平均的點(diǎn)數(shù);

Xm－i——未經(jīng)過濾波的第m －i次采樣值.

綜合考慮DSP邏輯資源、A/D采樣頻率等因素，將濾波滑動(dòng)平均點(diǎn)數(shù)定為8.

為了驗(yàn)證算法是否有效，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測溫實(shí)驗(yàn)，設(shè)置烘箱溫度為20～70℃，設(shè)置 SAW 傳感器測量周期為1 min，對(duì)每個(gè)設(shè)定溫度持續(xù)測溫30 min，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

由表1與表2可知，直接測量的絕對(duì)誤差值為0.825，加入濾波算法后，絕對(duì)誤差值為0.247.表明此濾波算法可以提高SAW溫度測量的精度，將測量誤差范圍控制在±0.5℃內(nèi).

表1 SAW傳感器的實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

表2 加入濾波算法后SAW傳感器的實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

本系統(tǒng)在某變電站35 kV高壓開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn).首先，安裝傳感器，將6個(gè)傳感器探頭分別固定在進(jìn)線和出線的A相，B相，C相母排觸頭處，將測量天線置于距離傳感器1.5 m處，將顯示器安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)，整個(gè)安裝過程不到半小時(shí)，可見SAW傳感器的安裝十分方便靈活.然后，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，測量周期為1 min，最高報(bào)警溫度為75℃，最大溫度變化為2℃，設(shè)置校驗(yàn)溫度為當(dāng)前室溫(排除環(huán)境溫度對(duì)測量值的影響).系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24 h，記錄數(shù)據(jù)如表3所示.

分析表3可知，0時(shí)至6時(shí)，用電負(fù)荷小，母線電流小，而且氣溫低，所以測得3相觸點(diǎn)的溫度低.6時(shí)以后，負(fù)荷開始增加，同時(shí)氣溫回升.9時(shí)至15時(shí)，溫度保持穩(wěn)定.晚上6時(shí)，用電負(fù)荷再次增加，至晚上9時(shí)，達(dá)到一天的最大溫度點(diǎn)，之后觸點(diǎn)測量溫度緩慢下降.

試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能同時(shí)檢測到3相母排觸點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度.當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)測量到的溫度之差大于設(shè)定的最大溫度變化值時(shí)能及時(shí)預(yù)警，當(dāng)超過最高設(shè)定溫度時(shí)也能及時(shí)報(bào)警.

表3 開關(guān)柜24 h的溫度測量值 ℃

4 結(jié)論

(1)針對(duì)高壓開關(guān)柜強(qiáng)電磁場與高電壓的特點(diǎn)，比較了目前應(yīng)用較多的幾種測溫技術(shù).

(2)采用新穎的SAW無線無源溫度傳感器，設(shè)計(jì)了基于DSP的溫度測量系統(tǒng)，并使用具有低通特性的滑動(dòng)平均數(shù)字濾波算法將傳感器的測量誤差控制在±0.5℃內(nèi).

(3)通過現(xiàn)場試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)安裝方便，運(yùn)行穩(wěn)定，具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，對(duì)高壓開關(guān)柜的在線監(jiān)測和實(shí)現(xiàn)智能變電站具有一定的借鑒意義.

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