无源无线热故障管理系统在66 kV变电站的应用

裴彦东，于琳琳，赵 睿，曾先楠

(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114001)



无源无线热故障管理系统在66 kV变电站的应用

裴彦东，于琳琳，赵 睿，曾先楠

(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114001)

在电力系统中，各类设备的开断接触点可能因为松动、老化等原因造成接触电阻增大，使触点温度不断上升，给电网安全带来隐患。无源无线热故障管理系统采用了声表面波(SAW)传感技术，文中介绍了该技术的优势、工作原理及在66 kV变电站的应用情况，为电力测温提供最优解决方案。

声表面波；无线；无源

在66 kV变电站中，高压电气设备的触点由于长期暴露在空气中、电弧冲击、老化等原因可能造成其接触电阻增大，接触点温度升高，给变电站及电网的安全稳定运行带来隐患，容易引起起火爆炸、大面积停电、人员伤亡等灾难事故，直接和间接经济损失巨大。因此，对电力设备的温度进行在线监测，及时排除隐患，得到越来越多行业的认可和重视。

传统的红外、光纤和有源无线测温系统在安全性、可靠性、经济性、实时性等方面存在一定的技术缺陷。无源无线热故障管理系统采用了SAW传感技术，兼有无源和无线两大特点，具有安全可靠、成本低、实时性好、便于维护等优点，为电力测温提供了最优解决方案[1]。

1 技术优势

a. 无需电池。SAW传感器采用被动感应方式，无需电池驱动，减少了电池更换带来的维护成本，同时不会对生态环境造成影响。

b. 安全可靠。无线温度采样方式无需在被测点或相关支撑结构上连线， 传感器与接收设备之间无电气联系，从而实现了高压隔离，保障设备安全运行。

c. 安装方便灵活。无源无线温度传感器体积小，且与读入器之间数据无线传输，安装方便灵活，不受开关柜结构和空间影响。

d. 环境适应性好。温度传感器通过匹配软件校正后已经补偿了传感器制作过程中的偏差。传感器可在任何工作温度范围内的温度进行调试，不会受季节因素影响。通常情况下，传感器只在安装后调试1次，并保持多年不需再校正。 同时，灰尘堆积等环境因素不会对SAW传感器测温产生影响。

e. 成本低。SAW 传感器的价格比其它传统测温方式低，同时，无源无线的工作方式也使本系统的安装、维护成本大大降低。

2 工作原理

系统主要由装在开关柜内的声表面波无线测温传感器和能无线连接多个温度传感器的读入器组成。读入器的天线嵌在开关柜内壁，可以屏蔽外部的电波干扰[2]。其工作过程是：读取器发出电磁扫描信号，探头接收到电磁波信号并由叉指换能器转换成其内部工作的声表面波；声表面波再经叉指换能器转换成电磁波信号经由天线返回到读取器；声表面波的传播特性与温度有线性特征关系，从而使探头返回的回波信号具有温度特征；读取器提取探头返回的电磁波信号特征，就能获得温度信息，从而实现无源无线的温度监测，如图1所示。

图1 无源无线热故障管理系统测温原理

无源无线温度传感装置由如下部件构成：1组传感器和1个读入器(射频发射/接收器)，读入器与1个或多个声表面波振荡器的传感器无线连接。

2.1 传感器

传感器表面波技术应用了晶体材料的物理特性。晶体物理特性的改变通过压电感应原理被自动转化成电信号。传感器的工作原理是将射频信号发射到压电材料表面，然后将受到温度影响的反射波转回电信号而获取温度数据[3-4]。表面波技术是利用传感器的被动工作原理，即在非常规的运行环境下(高电压、高电流)实现无线温度数据采集，如图2所示。

图2 传感器表面波温度采集原理

2.2 读入器

基于振荡器频率变化的无线传感器需要1个合适的读入器，该系统采用时域型读入器，在采样流和正交基带上的双差在相下变频。虽然频道外的杂波连续性较差，但直接下转和单相差转换是可实现的。离散傅立叶变换(DFT)用来分析同相和正交样本，以获取能量谱密度(PSD)和适用于差值的PSD曲线。虽然这些额外的步骤增加了电子产品的复杂性和计算负担，但它克服了单纯频域方法的局限性。

接收器上的频域饱和效应与调幅(AM)/调频(FM)中的效应是相同的。如图3所示，在时域情形下，饱和度通常使振荡器变小的速度更慢，更均匀，因此准确度提高。然而饱和度应有所限制，以防止恶化的杂散信号抑制比。显示Q值为10 000的振荡器衰竭曲线。蓝色线代表没有饱和的接收信号，红色、紫色和黑色代表2倍、5倍和10倍放大的饱和曲线，数字化波型的衰减时间分别增加了2.5 ms、6 ms及8.5 ms。

图3 接收器上的频域饱和效应图

声表面波振荡器的Q值是一个非常重要的参数，即卸载Q值和上载Q值。它们由辅时电阻及天线损耗内阻决定。如图4所示，1个卸载Q值近12 000的振荡器需要接收至少上载Q值6 000的信号强度，Q值近7 500的低Q振荡器也显示在此图上。可见，递减的脉冲宽度使接收功率减少了3 dB。

图4 高Q值的声表面波反应曲线图

由于脉冲递减太快，上载Q值曲线处于低位。对卸载Q值为7 500的振荡器的分析如图4所示，接收功率减少了3 dB。当然振荡器必须设定在测量感兴趣的温度范围内，频率对温度漂移的限制等因素是基于对灵敏度、准确度及行业规定的考虑。当系统依赖一个单一的振荡器频率以获取相关的温度信息时，根据精确度的要求，传感器必须校准。在高温情况下，理想的情况是传感器具备低老化过程，在较长时间内不需校准而保持准确性。典型经过特别处理的振荡器老化曲线如图5所示。图5中显示，随时间的延长，频率漂移的幅度较小。使用不同频率及温度特性的振荡器可减小测量上的误差。由图5可知，老化过程非常平稳，这使得温度测量的精度非常高。

图5 3个温度段声表面波传感器的老化曲线

3 技术应用

无源无线热故障管理系统在鞍山代东66 kV变电站主要应用在高压开关柜中。 1台开关柜安装1组 (上下触点共6个)无源无线温度传感器，用来测量各触点温度，传感器温度监测信息的收发和管理由1个读入器统一完成。

3.1 系统软件设计

由1个温度监测终端统一进行本区域内所有开关柜内设备触点包括其它外露设备触点在内的温度监控信息的采集、存储和管理。温度监测终端通过485数据接口按照指定的标准规约传入电力专用监控网络，在监控系统中实现远程在线温度监控、分析及预警，具体监控界面如图6所示。

图6 无源无线热故障管理系统监控界面

3.2 具体功能

a. 档案管理：建立各级开关柜温度监测及管理网络，管理温度监测相关的各类设备档案。

b.参数设置：指定开关柜或1个具体的温度传感器进行参数的远程下发，设置内容与温度监测终端相同。

c.温度告警方式：在桌面上弹出告警界面，并发出遥信信号，发送短信到相关运行管理或调控工作人员。

d.温度监控：指定开关柜或1个具体的温度传感器进行温度数据的实时远程抄读。

e.历史温度查询：提供时间段、指定开关柜等多种查询条件，对查询结果提供表格和温度曲线等展现方式。

f.故障诊断：通过开关柜温度与实时负荷对照等手段，对温度异常情况进行故障排除。

g.温度预测：根据已有的温度数据及其变化规律，按照既定的预测算法为用户提供温度预测结果，并将预测值与预警值进行比较，发现异常时发送温度告警信息。

h.统计报表：系统自动生成各类统计报表，如按变电站、电压等级、开关柜型号等进行温度异常情况统计。

i.数据发布：各类统计报表在系统门户发布，同时也提供邮件发送功能。

3.3 系统组成

无源无线热故障管理系统组成如图7所示。

图7 无源无线热故障管理系统组成

3.3.1 温度传感器

传感器具有1根小的接收发送天线，在测量过程中将自身的谐振频率通过电磁波传给采集器，由采集器进行计算得到传感器接触点的温度。传感器的识别是通过频分多址实现的，即在(433±6)MHz的带宽中分出 6个不同带宽的频率段，每个传感器占用其中的1个频率段来实现对传感器身份的识别，由于这个特点，要求每个独立空间中最多分布6个传感器，且频率带宽必须互不相同，即传感器的编号必须互不相同。

3.3.2 数据采集器

在测量过程中需要完成对传感器的询问和对传感器的温度进行计算的功能。每个采集器最多可支持 4根天线，24个传感器,每6个为1组分布在4个独立空间中，并且每组中每个传感器所占频率带宽必须互不相同，确保占用相同频率带宽的传感器不会相互干扰。通过对不同编号的传感器进行询问，隐含的指定了相应的天线端口，即：天线 1端口对应传感器编号为 1—6，天线 2 端口对应传感器编号为 7—12，天线 3 端口对应的传感器编号为13—18，天线 4 端口对应的传感器编号为 19—24，因此指定传感器编号就指定了天线端口。

3.3.3 数据采集器天线

采集器天线在测量过程中需要完成对传感器询问电磁波的发射和返回电磁波的接收。天线在安装位置上要尽可能考虑到电磁波传输的稳定性和可靠性，例如天线上下左右尽可能离金属远一些，天线的周边尽可能减少障碍物等。采集器天线与传感器之间的距离最好在2 m以内。

3.3.4 监控终端

一个监控终端可以连接多个采集器，终端与采集器通过RS485网络连接，采用MODNUS规约。监控终端可以将各个测量点的温度值及报警信息上传给上级监控系统。监控终端也可以提供无源报警接点，将该接点接入本地测控系统，进而将故障信号上传给上级监控系统。监控终端除了记录、统计、上传数据外，还具有本地读取浏览温度数据及故障报告的功能。此外该终端还具有对传感器进行温度校准的功能。

温度监测终端主要完成温度的本地显示、告警功能以及提供与监控专网的数据接口。温度测量可按照设定的频率自动进行各传感器温度信息的采集，也可响应远程监控系统发出的实时采集命令。温度显示是通过LCD显示屏显示各开关柜各触点当前温度信息、历史温度数据、温度变化曲线。当温度或其上升率超过上限值时，通过遥信、指示灯、短信等方式报警。参数设定功能可对传感器温度校准、各类预警值，时间、温度采集频率、传感器发射功率、信号接受门限等进行设定，数据存储可存储历史温度测量值，存储周期可设定。

通信接口是下行与读入器之间采用总线或无线自组网方式，而上行通过RS485接口接入电力监控专网，传输温度监控信息。

3.3.5 应用软件

开关柜温度监测系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测报警等。

4 无源无线热故障管理系统应用情况

2014年初，66 kV代东变的1号主二次开关柜由于触头运行发热，触头盒长时间在高温下运行，加剧老化过程，绝缘性能下降最终发生短路事故。事故中整个主二次开关柜烧毁，并造成大面积停电。此次改造过程中，在主二次开关柜的6个触头内安装了1套无源无线热故障管理系统，目前已运行将近1年，设备运行稳定，能够实时、准确监视6个触头的温度数据。该数据为运行人员监视、分析开关柜的运行情况提供了可靠依据。

15台开关柜共计15套无源无线温度传感装置，每套含传感器 6个、读入器1个。变电站主控室安装温度监测终端 1台。每个开关柜的 6个传感器分别安装于母排三相进线和出线的6个触点；变电站主控室安装1台温度监测终端； 监测终端与读入器通过总线进行数据通信(通过变电站的架空电缆层走线)；监测终端将所有开关柜的温度信息通过485接口接入变电站监控系统，在监控系统中实现温度实时监测、告警、预测等应用功能。

[1] 刘明娥.一种实用的温度采集接口电路[J].东北电力技术，1995，16(6)：60-62.

[2] 凌伟平，徐蕴锋.电力电缆温度在线监测系统的开发与应用[J].东北电力技术，2012，33(3)：41-43.

[3] 何小飞，王 锐，李江陵，等.基于模糊状态量的二次设备状态检修模型研究[J].东北电力技术，2015，36(4)：6-9.

[4] 宿元斌，宿 莜，何建廷.高压开关柜无源无线温度监测系统的研究[J].制造业自动化，2013，35(8):32-35.

Application of Wireless Passive Thermal Fault Management System in 66 kV Generation Substation

PEI Yandong，YU Linlin，ZHAO Rui，ZENG Xiannan

(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

Because of various equipment open contact is loose or aging, impact causes such as contact resistance increases.It results in the contact temperature rising anddoes harm to power grid security. This paper introduces a kind of passive wireless hot fault management system which adopted the surface acoustic wave (SAW) sensor technology.It shows advantages, operating principles and application statusin 66 kV Generation Substation.It Provides optimal solutions for Electric power measuring temperature.

surface acoustic wave；wireless；passive

TM63;TM76

A

1004-7913(2017)06-0037-04

裴彦东(1983)，男，硕士，工程师，从事继电保护工作。

2017-02-05)