許松枝，汪 沨，譚陽紅，李 楠，謝望君

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410012;2.國網(wǎng)湖南省電力公司 株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

0 引 言

高壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中起到斷開和關(guān)合電力線路、保護(hù)系統(tǒng)安全的雙重功能［1］。目前，安裝高壓開關(guān)柜的變電站通常是無人值班管理模式［2］，為預(yù)防由于溫度過熱而導(dǎo)致的電力事故，發(fā)展高壓開關(guān)柜溫度的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測技術(shù)十分重要［3，4］。現(xiàn)有測量溫度方法主要有光纖測溫法和紅外測溫法，但光纖測溫法［5，6］減少了開關(guān)柜內(nèi)的絕緣空間，給開關(guān)柜帶來了安全隱患;紅外測溫法［7，8］受到紅外線只能沿直線傳播的限制，無法監(jiān)測封閉在開關(guān)柜內(nèi)的觸點(diǎn)溫度。

SAW 傳感器［9，10］是一種無源無線傳感器。無線方式不影響高壓絕緣，避免有線方式“爬電”的隱患，且安裝不受設(shè)備結(jié)構(gòu)和空間影響，完全無源，便于維護(hù)，可靠性高。

本文闡述了SAW 溫度傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于SAW 溫度傳感器和GSM 模塊［11，12］的高壓開關(guān)柜溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)測試和現(xiàn)場測試證明了該系統(tǒng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

高壓開關(guān)柜溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由6 只SAW 傳感器和1個無線詢問器組成。SAW 溫度傳感器采用諧振型傳感器，在不同溫度下有不同的固定諧振頻率，當(dāng)激勵信號頻率等于傳感器的諧振頻率時(shí)，傳感器將發(fā)生諧振，此時(shí)反射的回波信號也最強(qiáng)，并且傳感器的諧振頻率與溫度有線性關(guān)系。將SAW 溫度傳感器固定在高壓開關(guān)柜內(nèi)需要溫度監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)上，詢問器向傳感器發(fā)送高頻正弦激勵信號并接收傳感器反射的回波信號，然后通過回波信號的強(qiáng)弱判斷傳感器是否發(fā)生諧振，最后根據(jù)溫度與諧振頻率的關(guān)系確定節(jié)點(diǎn)的溫度;為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)加入GSM 模塊，當(dāng)溫度過高或者供電電壓過低時(shí)，系統(tǒng)可向管理人員發(fā)送短信報(bào)警，同時(shí)，工作人員也可以向系統(tǒng)發(fā)送短信來查詢即時(shí)溫度或者改變系統(tǒng)參數(shù)，如報(bào)警溫度閾值、電壓報(bào)警閾值以及接收短信的目標(biāo)手機(jī)號碼。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

6 只傳感器的中心諧振頻率各不相同，分別為497.500，498.500，499.500，500.500，501.500，502.500 MHz，詢問器產(chǎn)生的高頻信號頻率在497，503 MHz 范圍內(nèi)，當(dāng)監(jiān)測的溫度在25～75 ℃內(nèi)，對應(yīng)每只傳感器的諧振頻率變化在1 MHz以內(nèi)，所以，傳感器之間不會互相干擾，使得系統(tǒng)能夠一對多地進(jìn)行溫度采集?；谏鲜鲈恚鞠到y(tǒng)還能增加傳感器的數(shù)量繼續(xù)拓展，但要注意詢問器和傳感器之間的距離不能超過3 m，否則，激勵信號會由于距離過遠(yuǎn)而衰減，導(dǎo)致傳感器失效。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 SAW 溫度傳感器

SAW 溫度傳感器的工作原理為:接收詢問器發(fā)射的電磁波信號并由其內(nèi)部的叉指換能器轉(zhuǎn)換成聲表面波;SAW再經(jīng)叉指換能器轉(zhuǎn)換成電磁波信號經(jīng)由天線返回到詢問器;聲表面波的傳播特性與溫度有線性特征關(guān)系，從而使傳感器返回的回波信號具有溫度特征，其工作原理示意圖如圖2(a)所示。本設(shè)計(jì)采用江蘇聲立傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SAW 溫度傳感器，實(shí)物圖如圖2(b)所示。

2.2 無線詢問器

無線詢問器是本系統(tǒng)的核心，也是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)雷達(dá)技術(shù)，以掃頻的方式向傳感器發(fā)送間歇正弦信號并接收回波信號，通過采樣回波信號來判斷SAW 溫度傳感器是否發(fā)生諧振。高頻詢問器主要由低功耗單片機(jī)MSP430F167、DDS 模塊、倍頻模塊、RF 功放模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、包絡(luò)檢波模塊、濾波器、收發(fā)開關(guān)以及GSM 模塊組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖2 SAW 溫度傳感器Fig 2 SAW temperature sensor

圖3 詢問器結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of interrogator

詢問器工作分為發(fā)射周期和接收周期，首先收發(fā)開關(guān)連接發(fā)射端，DDS 模塊產(chǎn)生一個高頻信號，經(jīng)過倍頻、濾波和放大后通過天線輻射出去;隨即將收發(fā)開關(guān)轉(zhuǎn)換至接收端開始接收SAW 溫度傳感器的回波信號，經(jīng)濾波、放大和檢波后變成了低頻包絡(luò)信號，最后通過AD 采樣判別回波信號的強(qiáng)度。然后改變DDS 模塊產(chǎn)生信號的頻率重復(fù)如上步驟，頻率在497～503 MHz 變化，每次變化步長1 kHz。

2.3 MCU 喚醒電路和供電電路設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜的房間沒有220 V 接口供電，所以，無線詢問器采用10 A 的鋰電池供電。將詢問器處于低功耗狀態(tài)，每隔4 h 由MCU 喚醒電路喚醒一次，執(zhí)行IO 中斷函數(shù)，然后再進(jìn)入休眠。

MCU 喚醒電路由計(jì)數(shù)器CD74HC4040 組成，電路如圖4(a)所示，計(jì)數(shù)器時(shí)鐘端接單片機(jī)的PWM 輸出口(MSP430F167 在LMP3 模式下仍能產(chǎn)生PWM)，將計(jì)數(shù)器的第12 位輸出端接單片機(jī)的IO 中斷口，輸出的PWM 上升沿將觸發(fā)MCU 產(chǎn)生IO 中斷。另外，供電模塊也做了特殊設(shè)計(jì)，MCU 和MCU 喚醒電路采用TLV1117—3.3 穩(wěn)壓供電，而其余模塊則由TPS7A4501 穩(wěn)壓供電，其中TPS7A4501 的使能端接MCU 的IO 口，可以通過程序控制關(guān)閉和啟動，電路如圖4(b)所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 DDS 軟件編程

DDS 芯片采用AD9854，控制信息由單片機(jī)采用串行方式傳送，控制信息的刷新信號(UDCLOCK)也由單片機(jī)提供。在單片機(jī)完成傳送控制信息后要等待幾微秒再傳送刷新信號，以避免AD9854 在控制信息數(shù)據(jù)沒有完全傳送時(shí)發(fā)生刷新。具體過程為:芯片加電;復(fù)位;傳送相應(yīng)的控制信息數(shù)據(jù);控制信息的刷新信號。

圖4 電路原理圖Fig 4 Principle of circuit

3.2 SMS 短信編程

利用GSM 模塊發(fā)送SMS 短信以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)對話。

當(dāng)溫度過高時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出短信:“The temperature of 1#node is higher than 50.0”，其中，1#代表1 號節(jié)點(diǎn)，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)溫度過高時(shí)會發(fā)出對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度報(bào)警信息，50.0 是當(dāng)前設(shè)定的溫度報(bào)警閾值50 ℃;當(dāng)供電電壓過低時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出短信:“The voltage of power is lower than 5.5”，其中，5.5 為當(dāng)前設(shè)定的電壓報(bào)警閾值5.5 V。

同時(shí)，系統(tǒng)在每次被喚醒后都會檢查有沒有新短信，并根據(jù)新短信的內(nèi)容做出相應(yīng)的回應(yīng)，為防止騷擾短信，對短信格式做了特別的規(guī)定，如，短信“SMS0”為查詢當(dāng)前溫度和電池電壓信息，系統(tǒng)將會回答短信“25.5，25.6，25.7，25.8，25.9，26.0，6.5”，分別表示6 個節(jié)點(diǎn)的溫度和電池電壓信息;短信“SMS1—55.5”為把溫度報(bào)警閾值設(shè)為55.5 ℃;“SMS2—6.0”為把電壓報(bào)警閾值設(shè)為6 V;“SMS1—15700742222”表示把GSM 發(fā)送短信的目標(biāo)手機(jī)更改為15700742222。

3.3 系統(tǒng)程序主流程圖

系統(tǒng)程序主流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖Fig 5 Software flow chart

主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化:設(shè)置系統(tǒng)的工作頻率、初始化PWM 模塊給喚醒電路提供時(shí)鐘信號、初始化ADC 模塊來轉(zhuǎn)換電池電量、初始化UART 來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和GSM 的通信、配置IO 中斷以配合單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，隨后關(guān)閉TPS7A4501 穩(wěn)壓芯片的使能端進(jìn)入LPM3 模式。在LPM3 模式下MCU 的耗電量不到1 μA，CPU，DCO，MCLK，SMCLK 都被禁止，但ACLK 活動，能夠持續(xù)產(chǎn)生PWM。MCU 在喚醒電路的觸發(fā)下每隔4 h 進(jìn)入一次IO 中斷函數(shù)，次IO 中斷函數(shù)主要完成:GSM 新短信處理、電池電量檢測、溫度采集以及發(fā)送可能的報(bào)警短信。

4 系統(tǒng)性能評價(jià)

4.1 傳感器溫度—諧振頻率特性

將SAW 溫度傳感器置于恒溫箱內(nèi)，恒溫箱的溫度從25～75 ℃變化，每次改變5 ℃。經(jīng)測試，6 只傳感器的溫度—諧振頻率特性如圖6(a)所示，不難看出，各傳感器在溫度為25～75 ℃內(nèi)，諧振頻率不會重疊，相互之間不會干擾。

以1#傳感器為例，1#傳感器溫度—諧振頻率特性如圖6(b)所示，傳感器的諧振頻率與溫度幾乎呈線性關(guān)系，擬合公式如式(1)

圖6 溫度—諧振頻率特性Fig 6 Temperature-resonant frequency characteristic

因此，在溫度未知的情況下，測得傳感器的諧振頻率點(diǎn)后便可根據(jù)此公式算出相應(yīng)的溫度。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)的溫度測量誤差在0.5 ℃以內(nèi)。

4.2 系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度測試

本系統(tǒng)在湖南省電力公司株洲供電分公司的一個變電站進(jìn)行了測試，現(xiàn)場變電站的開關(guān)柜正常運(yùn)行時(shí)，開關(guān)柜是必須閉合的。首先用紅外測溫儀測量開關(guān)柜內(nèi)溫度為36.6 ℃，然后向系統(tǒng)發(fā)送短信“SMS0”和短信“SMS1—39.0”，得到測試結(jié)果如表1 所示。

表1 現(xiàn)場測試結(jié)果Tab 1 Results of field test

由于紅外測溫儀只能從外面測到開關(guān)柜內(nèi)的溫度，而本系統(tǒng)將傳感器直接安裝在開關(guān)柜內(nèi)的觸頭上，測量的數(shù)據(jù)可信度更高，并且比紅外測量的溫度高2.5 ℃左右;同時(shí)，現(xiàn)場測試不能改變開關(guān)柜的溫度，利用短信“SMS1—39.0”將報(bào)警溫度的閾值設(shè)為39 ℃，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)沒有誤報(bào)警。

4.3 系統(tǒng)的功耗分析

用U1253B 測量詢問器正常工作時(shí)的平均電流為850 mA(810～880 mA 范圍內(nèi)變化)，低功耗模式下電流不到2 mA，而系統(tǒng)大部分時(shí)間處于低功耗模式，每4 h 被喚醒一次，一次工作時(shí)長不到3 min。經(jīng)計(jì)算，采用10 Ah 的鋰電池供電，能持續(xù)工作33 天左右，通過測試，系統(tǒng)實(shí)際能持續(xù)工作超過35 天。

5 結(jié) 論

該高壓開關(guān)柜溫度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度達(dá)到0.5 ℃，更換一次電池能持續(xù)工作超過35 天。采用具有無源無線特性的SAW 溫度傳感器，體積小，方便安裝和維護(hù)，比光纖測溫法安全，比紅外測溫法精確;單片機(jī)和DDS 芯片產(chǎn)生高頻信號，并利用檢波器將回波信號降頻，降低了系統(tǒng)的研發(fā)難度和成本;通過GSM 模塊進(jìn)行人機(jī)交流，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。系統(tǒng)擴(kuò)展性好，有很大的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 謝 靜，束洪春，王 科，等.基于突變級數(shù)法的高壓開關(guān)柜狀態(tài)評價(jià)算法［J］.高電壓技術(shù)，2014(8):2372－2380.

［2］ 段建東，葉 兵，張青山，等.基于翅片散熱和Zig Bee 的開關(guān)柜觸頭溫度測控系統(tǒng)［J］.電力自動化設(shè)備，2014(7):157－162.

［3］ 許高俊，馬宏忠，李超群，等.高壓開關(guān)柜有源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2014(22):82－86.

［4］ 李曉鳳，劉建戈.在線監(jiān)測在高壓開關(guān)柜中的應(yīng)用［J］.電工技術(shù)，2007(4):3－4.

［5］ 鞏憲鋒，衣紅鋼，王長松，等.高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度監(jiān)測研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006(1):155－158.

［6］ 李成榕，馬國明.光纖布喇格光柵傳感器應(yīng)用于電氣設(shè)備監(jiān)測的研究進(jìn)展［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013(12):114－122，193.

［7］ 周 為，朱 強(qiáng)，徐敏捷，等.高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭的紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)研制［J］.電測與儀表，2013(12):96－99.

［8］ 韓玉蘭，蘆 興，路 燦，等.高壓開關(guān)柜隔離觸頭溫度紅外檢測系統(tǒng)的研制［J］.高壓電器，2008(6):578－581.

［9］ 葉 韜，金 浩，董樹榮，等.無線無源聲表面波傳感器研究進(jìn)展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(12):1－4，9.

［10］李玉凌，李二霞，周自強(qiáng)，等.可應(yīng)用于中壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測的無線供電傳感器研究［J］.高壓電器，2014(11):19－23，29.

［11］許松枝，汪 沨，葉衍林，等.高壓GIS 局部放電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(1):80－83.

［12］高 濤，袁 帥，翟娟紅，等.便攜式CO 氣體泄漏多模式報(bào)警儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(1):101－103.