基于电磁波取能的GIS 声学指纹传感系统

王 峥，綦 锐，刘宗杰，庞振江，李 鹏

（1.北京智芯微电子科技有限公司北京 100192；2.国网山东省电力公司济宁供电公司，山东济宁 272000；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

气体绝缘开关设备是当今输电网络中一种应用广泛的电气设备。与传统的敞开式设备相比较，GIS 具有结构紧凑、可靠性高、安全性强等众多优点，但由于其采用全封闭结构，一旦发生故障，影响范围大并且难以准确定位及快速抢修，将会带来严重的经济损失，因此对GIS 设备进行状态监测十分必要[1]。在2019 年第五届开关设备应用发展与运维检修技术交流会上，就总结出近5 年330 千伏及以上新投断路器故障占总数的56%，GIS 设备初期故障占比达到80%；开关设备领域仍然存在诸多问题没有解决的技术问题，缺乏有效的在线监测技术手段[2]。

该文提出的是一种有效的GIS 设备监测方案及系统。针对电力检测设备无源无线的要求，在工程设计上引入了电磁波取能、UHF RFID 和蓝牙通信技术，这样可以很好地解决能量获取、低功耗唤醒和数据通信问题。在GIS 设备监测技术上，振动法作为一种常规的状态监测与故障诊断方法，已经在电力设备状态监测中得到应用；振动作为电力设备GIS的一项固有属性，既能反映机械故障引起的低频振动，也能反映绝缘故障引起的高频振动[3-7]。文中在这几项技术组合的基础上阐述原理、方案及系统实现的效果。

1 原理与设计

该文提出的基于无线电磁波取能的供电方案，可以让能量密度较大的风险设备远离GIS 设备并且给声学指纹传感器供电。传感系统电路中只保留微小的电量，这样可以确保相关设备足够安全，而且也能长时间稳定工作。振动信息由设备监测到的数据进行统计分析处理后，可得到一些特殊的谱图，例如三维谱图或二维谱图，通过分析谱图或将谱图和已知的标准图形作对比，从而判断设备的（绝缘）状态，称为“指纹诊断”[8]。

1.1 总体方案

结合上述提出的两个研究方向以及无线通信技术，文中提出图1 所示的总体方案。

图1 总体方案图

如图1 所示，系统定义成四大块：GIS 声学指纹传感器、电磁波取能及低功耗处理电路、UHF 无线供能器和GIS 声学指纹数据采集设备。GIS 传感器安装在GIS 断路器操动机构上，在GIS 设备没有动作时处于极低功耗状态；当有GIS 机构动作时才会被唤醒并采集相应的振动数据。电磁波取能及低功耗处理电路有两部分功能：1）电磁波取能，实现UHF 电磁波转换成系统需要的3.3 V 电量供给；2）低功耗处理电路，它平时处于低功耗状态，当有外部UHF RFID 信号唤醒后，进行数据处理及协调通信状态。UHF 无线供能器要实现的功能就是产生UHF 信号，通过放大后向发射天线提供足够强的UHF 功率信号；UHF 功率信号通过天线向外辐射能量，实现无线能量发射。GIS 声学指纹数据采集设备包含有UHF RFID 和2.4G 蓝牙通信模块的智能终端设备，它可以是手持机或是电脑，用它来采集传感器数据以及进行后续数据处理。

1.2 GIS声学指纹传感器

如上所述，GIS 声学指纹传感器需要具有超低功耗功能，然而单一器件的超低功耗振动传感器带宽往往满足不了系统指标需求。为了设计出符合系统带宽和功耗要求的传感器，首先对传感器的振动频率进行研究，然后提出设计思路和实现方案。

1.2.1 传感参数分析

GIS 正常运行时的振动主要由电磁力与磁致伸缩引起[9-10]。正常情况下，磁致GIS 设备伸缩加速度可以式（1）表示[3]：

其中，导电杆电流i0=I0cos(ωt)，ω为工频角频率，εs为薄壳的饱和磁致伸缩率，u0为真空磁导率，R为GIS 圆柱壳外径，Bs为饱和磁感应强度。根据上述分析，在理想情况下，在电磁力及磁致伸缩效应的稳定作用下，GIS 外壳将以2 倍工频为基频发生持续稳定振动。根据推导和实测可得出，GIS 机械装置的加速度约为1 000 m/s2，即100 g 加速度量级[3]。

GIS故障包括机械故障及绝缘故障，机械状态的改变引起的振动往往是低频异常振动，集中在1 000 Hz以下；但是局部放电引起的振动频率都在2 kHz 以上，与机械故障引起振动的频率特征有着显著差异[3]，因此较高带宽的振动信号监测GIS 运行状态能够兼顾机械故障与绝缘故障。

1.2.2 低功耗处理

从有代表性的MEMS 加速度传感器参数对比中，不难发现大部分的低功耗器件带宽都在10 kHz以下。在传感加速度范围和带宽上较符合需求的器件有ADXL1004，但是它的功耗在1 mA 左右，而且是模拟信号输出。结合器件各自的特点，该文提出了一种双MEMS 系统方案，其中一个MEMS 作为低功耗辅助器件，工作流程如图2 所示。

如图2 所示，辅助MEMS 长时间处于低功耗监控状态，当它监测到一定强度的振动信号后，会输出中断信号唤醒正在睡眠的MCU；当MCU 被唤醒之后，它会发起一系列流程，实现主MEMS 的振动信号采集；完成主信号采集后辅助MEMS 继续监控振动情况，MCU 重新进入睡眠。

1.2.3 传感器硬件设计

图2 传感器工作流程

在上述分析的基础上，传感器的硬件架构设计如图3 所示。鉴于传感器小体积这一需求，在主控选型上倾向于集成ADC 的芯片，结合ADC 采样精度、速率指标，选择ADUCM355 这颗MCU 比较符合实际应用，同时这款MCU 的SAM 大小是64 kB，方便采样数据缓冲。主传感器ADXL1004 的功耗需求在1 mA 左右，采用MCU GPIO 直接供电即可实现程控通断电功能，使得电路非常简洁。由于ADXL1004的输出电压范围是0～VDD，它超出了ADUCM355 ADC 的0.2～2.1 V 动态，因此需要采用电阻分压的方式，把ADXL1004 的输出电压范围调节到合适的动态范围。辅助MEMS 采用LIS2DH，它在工作的时候功耗可以低至2 μA，它的INT1 作为中断输出给MCU 用作唤醒信号。辅助MEMS 和Flash 芯片GD25Q40B 共用SPI 总线接入到MCU，实现各自的功能。传感器向外部引出SWD 程序下载口和UART 通信接口（P0.10 和P0.11）。

1.3 电磁波取能及低功耗处理电路

接下来讨论可以驱动GIS 声学指纹传感器的主控模块：电磁波取能及低功耗处理电路，这个模块通过UHF 电磁波取得电能，负责给自身及GIS 传感器供电，并且实现低功耗时序控制和通信管理。接下来从获取能量、电路架构和控制时序这三点进行论述。

图3 传感器硬件架构

1.3.1 电磁波取能

UHF 电磁波取能是该研究的一项重点内容，由于分布参数对天线各项指标影响比较复杂，以下将会从理论和实测两个方面相向推导计算出各参数指标。首先对电磁波能量传输给出如下定义：

其中，ηt是天线的发射效率，ηr是天线的接收效率，假设发送和接收是同一款天线，它们存在ηt=ηr关系，ηc是自由空间的传输效率。式（3）给出了接收点单位面积接收功率S0的计算方法：

式（3）中，Gt是发送天线的增益，Pt是发射天线的输出功率，d为收发天线之间的距离。接收天线有效面积与天线增益G关系如下[6]：

Gr是接收天线的增益结，Ar是接收天线的有效面积，λ是能量信号的波长。结合式（3）和式（4），可以得出：

在7 dBi 圆极化天线(Gt=Gr≈5)、922 MHz 工作频率，1 m 距离的环境下，从式（5）中可以计算出ηc≈1.68%。表1 给出了实验室在此情况下实测的数据。

结合理论和1 m 距离的实测数据，不难得出发送和接收天线的转换效率ηt=ηr≈78.3%。同时系统在此天线环境相距3 m 的情况下，电路有将近1 mW的功率供UHF 取能芯片使用。

表1 天线收发效率实测数据

1.3.2 取能及处理电路设计

从功能需求和模块功能划分角度出发，设计出UHF 电磁取能和低功耗处理电路架构，如图4 所示。

图4 取能处理电路架构

从图4 可知，电磁波取能及低功耗处理电路主要包括以下部分：ANT1 是UHF 天线，它负责电磁波能量的接收和UHF 通信，其中电磁波能量频段为840～845 MHz，UHF 通信频段是920～925 MHz；UHF IC（ROCKY100）是电磁波整流取能芯片，这部分电路的输入需要引入840 MHz 频段的带通滤波器；DC/DC（MP3120）是低功耗升降压电路，它可以实现宽电压0.9～5 V 的输入并且稳定3.3 V 电压输出，实现整个系统的供电，为了保证系统的突发供电能力，它的输出会并联一个大的法拉电容C1；UHF IC（UCODE IIC）是UHF 通信芯片，它的天线输入需要加入920 MHz 频段的带通滤波器，它平时处于极低功耗状态，UHF 通信可以唤醒它并且指定输出中断信号来唤醒MCU，这个芯片同时可以是UHF 的PHY 芯片实现MCU 的UHF 通信；MCU&BT（nRF52810）是带有蓝牙功能的MCU 芯片，它可以实现低功能时序处理及蓝牙通信，这部分电路也带有自己的2.4G 蓝牙天线ANT2。

由于电磁波取能和低功耗处理电路的体积和安装位置都有一定的要求，它和GIS 设备需要监测点的位置也不一致，因此它会和GIS 振动传感器分开，如图1 和图4 所示，它们之间采用一根电源数据线连接。

1.3.3 处理电路时序

为了让电磁取能和低功耗处理电路以及GIS 振动传感器有电源，系统需要UHF 无线供能器一直发送30 dBm、840 MHz 的能量信号，该设备可通过一体化UHF 读写器设置之后即可实现，因此该文不再过多叙述UHF 无线供能器。在取能处理电路和GIS 传感器都正常供电且处于低功耗休眠的情况下，图5给出了如何通过数据采集设备实现取能处理电路的唤醒和数据采集。

图5 GIS指纹传感系统工作流程

如图5 所示，左半部分是带有UHF、蓝牙模块的终端或PC 需要实现的流程，右半部分是取能及处理电路的流程，UHF 模块在这里起到了唤醒和蓝牙配对信息交付的作用，蓝牙是传感数据传递的途径。其中读振动传感器数据这个流程需要通过GIS 振动传感器配合，它们之间是通过UART 进行通信的，UART 通信可以触发GIS 传感器退出睡眠进入数据传输状态。

至此，一种基于电磁波取能的GIS 操动机构的声学指纹无源传感器原理与设计完成论述。

2 实现与测试

在原理与方案设计的基础上，对所述系统进行了实现，如图6 所示，即为图1 方案的实验室测试场景图。在室验室环境下，UHF 无线供能器一直处于上电状态，它发射出来的电磁波通过自身的天线把能量辐射到1.5 m 距离处的电磁波取能及低功耗处理电路模块上；电磁波取能及低功耗处理电路接收到无线能量后，会把射频能量转换成直流电压储存到法拉电容，供自身及GIS 声学指纹传感器使用。当电磁波取能完成启动后，低功耗处理电路和GIS声学传感器也随之启动，快速初始化后立即进入低功耗，等待GIS 设备振动或外部UHF 手持机信号唤醒执行相关操作。

图6 GIS指纹传感系统实验室测试场景

在图6 场景中，实测手持机可以按图5 所设计的工作流程实现GIS 设备的数据获取。经过实测，GIS指纹传感系统实现了表2 所示的关键指标。

表2 GIS声学指纹传感系统实测参数

在表2 参数测试中，由于无线供能器采用的法拉电容存在一定的漏电情况（约40 μA），因此启动时间会比理想中的时间要长一些，算上漏电流带来的影响，实测的启动时间是正常的。GIS 传感器的采集范围是采用ADC 有效采集电压范围推导出来的结果，真实数据需要进一步实测。

为了证明设计的GIS 声学指纹传感器能真实有效地采集原始振动数据，并且初步评估其数据的性能指标，把本次设计传感器和传统的采集系统数据做了对比测试，图7 是GIS 设备机械装置的传感器安装图。

图7 GIS传感器对比测试安装图

如图7 所示，采用该文论述方案并实现的新传感器和传统的老式传感器安装在GIS 设备装置的同一机械位置上，新传感器是在睡眠模式下通过机械振动唤醒采集数据，老传感器是使用数据采集卡监测数据。它们在同一次机械动作情况下得到的数据，如图8 所示，然后进行FFT 分析，得到图9 所示的频谱图。

图8 GIS传感器实测波形对比图

图9 GIS传感器FFT对比图

图8 的上图是新设计的传感器在一次GIS 设备机械动作时采集到的振动数据时域波形，图8 下图是用作对比的传统传感器采集的数据时域波形，从波形现象来看虽然新传感器采集数据的开启时间会比振动来得迟一些，但是大幅度的振动情况都已经采集到了（GIS 机械动作之前的其他设备的预处理振动动作可唤醒新传感器）；虽然新传感器的存储采样点数有限，不过它基本上覆盖了整个有效振动时间。图9 上图是本次设计的新传感器采集数据FFT波形，图9 下图是传统的旧传感器采集数据的FFT 波形，通过对比不难看出由于新传感器采用的加速度传感器带宽更宽，它有更高的频率细节可以体现出来。因为新的传感器功耗低、带宽更高，动态范围更大，更能收集出GIS 机械振动的细节，因此它适用于低功耗甚至是电池供电、对振动信号采集细节要求更高的系统。

3 结论

该文论述并且实现了基于UHF 电磁波取能的GIS 声学指纹传感系统，通过实测证明了方案、理论和实际电路的一致性。通过实测数据表明，UHF 电磁波取能对于一些采集系统的供电（甚至是有突发几十毫安级别的）具有一定的可行性。不过由于无线供电和取电的天线体积过大，会占用一定的空间，而且效率过低，储能元件体积大，且漏电相对较严重，因此UHF 电磁波取能在这种几十毫安级别突发的耗电系统中应用并不是较优解，一些安全等级较高的电池供电方案或室内太阳能取电也许会优于UHF电磁波取能，这点需要进一步展开相关研究工作。

文中设计并且实现的GIS 声学指纹传感器具有体积小、低功耗、带宽高、宽动态范围等特点，在此类传感器中属于较为新颖的器件，它可以与其他外围的供电及采集电路相结合，设计出具有强竞争力的GIS 设备监测装置。