基于声表面波温度传感器的在线测温系统设计与开发

姚建华，项 镭，孔 鸣，吕旭军，赵 俊

（国网浙江德清县供电有限公司，浙江 德清 313200）

0 引言

电力系统高压带电设备中存在众多连接点，如隔离开关触头、高压开关柜插头等，这些连接点若存在质量不合格、安装不到位或长期过载、接头松动、老化等情况时，极易形成较大的接触电阻，将在运行中产生过高的热量，导致设备烧毁，造成停电[1]。对高压带电设备进行温度检测是避免此类事故的重要手段，同时，对设备的测温记录也为设备状态检修提供了可靠依据[2]。

电力系统高压带电设备周围存在很强的电磁干扰，因此对测温系统的各方面特性有着较高的要求。从最原始的蜡片测温到热电阻测温、光纤测温、光纤光栅测温以及红外测温等等[3]，测温准确性、系统实时性、系统可靠性、易维护性等方面均不断提高，但上述测温方法及测温系统或多或少存在安装不便、维护不便、抗干扰能力低、系统可靠性还不够高等问题[4]。

声表面波温度传感器是一种新型传感器，具有无源无线、体积小、质量轻、易维护等优势，基于声表面波温度传感器的测温系统充分利用了该传感器的优势，结合IEC标准，力求在测温精度、系统可靠性、实时性、维护性以及经济性上的高度统一，能够满足高压带电设备的测温需求。

1 系统简介

1.1 声表面波温度传感器

声表面波传感器由金属导热块、声表面波芯片以及天线组成。

金属导热块用于传递热量，声表面波测温芯片用于检测温度，天线用于接收和发送无线电波。

声表面波温度传感器利用天线捕捉电磁波，为传感器芯片提供能量，传感器芯片把检测到的温度信息转换为电磁波后通过天线发出，不需要外接电源及电源线，可靠性较高。

1.2 系统工作原理

基于声表面波温度传感器的在线测温系统设计架构见图1。

图1 系统架构

从功能结构上分，系统可以分为传感器层、采集层、监控层，分别对应变电站的过程层、间隔层、站控层，其功能分别是：

（1）传感器层：主要设备是声表面波温度传感器，分别布置在需要进行测温的场所，负责对各个测点的温度信息进行实时监控，等待采集层的查询，并将带有温度信息的声表面波传送给采集层。

（2）采集层：主要设备是天线和数据采集器。采集器根据需要布置，负责接收温度探头发送的温度信息，并将处理后的信息通过串口RS485总线发送给监控层。1个数据采集器可以接收1个或多个温度探头的数据，数据采集器之间的通信通过串口RS485实现。

（3）监控层：主要设备是监控主机，主机内安装相应的监控软件，负责收集数据采集器的数据并进行存储和管理。监控主机还具有人机交互功能，提供温度历史曲线绘制、实时曲线显示、曲线打印等功能。

系统各层设计原理是：无源无线温度传感器采用了SAW（声表面波）技术，温度测量系统中的数据采集装置发射询问信号，该信号被无源无线SAW温度传感器的天线和叉指换能器接收。由于逆压电效应，接收到的询问信号被转换成声波信号。该声波只沿基片表面传播，到达反射栅后，大部分能量被反射回叉指换能器，由于压电效应，声波再次被转变为电磁波向空间发射，此时电磁波已带有被测物的温度信息。数据采集装置收到电磁信号后，再对电磁信号进行处理，并检测出相应的温度信息。

数据采集装置主要用于收集传感器发出的温度信息，采用频率综合技术，使得1个数据采集装置可以读取多个温度传感器的数据。而且数据采集装置利用DSP技术来快速解码温度传感器所提供的信息，同时将解码后的温度信息上传给上位机。

通过串口RS485通信方式，将温度采集器采集到的温度数据传送至后台工控机，利用VC程序库语言编写的应用软件，实现所有温度点数据的实时显示、温度异常告警、历史记录查询、报表显示及打印等应用功能。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件设计参考发电厂分散控制系统的设计思想，采用分散-集中的配置方法：底层温度传感器分散布置，以提高系统可靠性；上层监控主机集中设计，方便监控及操作。

以110 kV上旺变电站采用的测温系统为例，系统硬件配置为：温度传感器24个、接收天线8个、数据采集装置8个、测温监控主机1套。所有硬件在安装投运前均经过严格的测试，以保证其可靠性。

后台监控机主要包括：用于运算、存储、数据处理的监控主机，人机接口显示器、鼠标、键盘，用于通信的交换机、串口设备等。

声表面波传感器布置在中置柜电缆出线接头处，具有无源、无线、抗干扰性强等优点，因此可以根据需要直接布置在待测点上。

系统收发信息用的天线在柜内的布置如图2所示。声表面波传感器与温度采集器之间的通信需要通过天线完成，天线要布置在温度传感器信号收发范围内。因此将天线布置在中置柜电缆出线接头背面的柜壁上，既避开了大部分干扰，又能保证在传感器信号收发范围内。天线通过电缆与温度采集器相连，实现数据的传输。

在线测温系统温度采集器在柜内的布置如图3所示。温度采集器为系统硬件的重要组成部分，定时查询温度传感器获得温度信息，并传送到上位监控机。

图2 天线在柜内的布置

图3 温度采集器在柜内的布置

2.2 系统软件设计

温度检测系统软件设计参照国际标准IEC 61131-3软件模型以及软件设计思想，以监控软件实时数据库为核心，实现温度信息的处理以及存储。图4为系统软件设计原理图。

图4 系统软件原理

在软件底层，由声表面波温度传感器将带有温度信号的电磁信号传送给数据采集器，数据采集器接收该信号后，对其进行处理，将温度信号以特定的格式组包，通过串口RS485传送给上层监控软件。系统监控软件在接到数据采集器发送的数据包后，根据协议约定的格式将温度信息解析出来，并按格式存入监控软件数据库中。

在软件上层，系统监控软件设计有与上层监控软件通信的接口，通过规约转换器或者直接应用IEC 61850协议，实现本系统与上层监控软件的通信。

对于用户，系统软件提供人性化人机界面，用户可以通过上位监控机查看温度实时曲线，也可通过历史数据库查看历史曲线。

2.3 系统实时性分析

通过底层测试和应用测试对系统实时性进行验证。底层测试避开人机界面，从软件底层入手，测试硬件速度以及软件数据传输速度，测试系统实时性；应用测试则是对整个系统的测试，即从探头采集信息开始，到系统软件处理完成并在监控机界面显示整个过程的实时性。

温度变化是缓慢而长期的过程，作为运行监测用的变电站测温系统，对实时性的要求并不高。经过上述测试后表明，基于声表面波温度传感器的在线测温系统在实时性方面完全可以满足变电站实际应用的需要。

2.4 系统可靠性分析

若测温系统出现测温错误或系统失效就极有可能造成对变电站设备运行状况的误判，从而导致事故，因此，变电站测温系统对可靠性有较高的要求。系统可靠性主要通过2个方面来保证：系统本身软/硬件的可靠性和系统冗余配置。

在系统软件方面，其软件设计参照了IEC国际标准，结构合理，语言简练，并经过长时间测试，具有较高的可靠性；系统硬件配置合理，质量可靠，并经过各项测试，也具有较高的可靠性。

在系统冗余方面，可以根据需要对探头、数据采集器以及监控上位机进行冗余配置以提高系统可靠性。例如，可对特殊测点采取多个探头检测，对重要数据可通过多个数据采集器同时采集等等。

3 结语

基于声表面波温度传感器的在线测温系统与其他测温系统相比具有以下优势：

（1）传感器无源、无线，易安装，易维护，抗干扰能力强。

（2）系统软、硬件设计合理，测温准确，可靠性高。

（3）系统设计人性化，功能齐全、使用方便。

目前，声表面波温度传感器已取得实用新型专利，基于声表面波温度传感器的在线测温系统已在湖州供电公司110 kV上旺变电站10 kV出线柜中投入使用，在线测温效果良好。

[1]胡娟，巫京励，程文婷．电力电缆无线测温系统研究[J]．四川电力技术，2010，33（6）:67-70．

[2]金振东，许箴，金峰，等．国内高压带电设备测温方法综述及分析[J]．电力设备，2007，8（12）:57-61．

[3]李军，卞超，吴瑁．电力电缆光纤测温在线监测系统[J]．江苏电机工程，2005，24（1）:6-7．