杨翠
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘 要：根据高压开关柜的特点，本文分析了现有温度监测技术存在的缺陷，提出了以无源无线传感技术为基础的高压开关柜温度监测新方法。采用声表面波谐振器实现无源温度检测，以DSP芯片TMS320F2812为控制处理核心，控制射频信号的发射与接收，温度数据的处理与传输，实现无线温度测量。文中介绍了无源无线测温原理，给出了无源无线温度监测系统软硬件设计的优化方案。实验表明，该系统能对高压开关柜在运行过程中易发热部位的温度进行实时监测，以确保电力高压开关柜的安全可靠运行。
关键词：高压开关柜；无源无线传感；温度监测
0 引言
高压开关柜是发电厂、变电站中确保电力系统安全可靠运行的重要设备，而柜内导线连接处的接触特性将直接影响开关柜工作的可靠性。随着使用年限的增加，因制造、安装不良或材料质量等问题都会导致接触不良而使接触电阻变大，进而导致温度升高，如不能及时发现和处理，就会导致严重的事故。因此，对柜内接头进行温度监测，可以提前发现安全隐患，及时采取处理措施，提高系统可靠性。目前，常用的温度监测方式有以下四种：
1) 示温记录标签：示温记录标签采用温敏变色原理制成标签，贴到被测设备上，当被测点的温度高于标签的变色额定温度时，标签的颜色将发生变化，具有超温后变色的颜色记录功能。缺点是不能反映实时温度值，需要人工定期巡查。
2) 远红外测温：远红外测温采用被测点的红外辐射波来确定其温度，依此原理制成的红外测温仪由于使用方便，是目前人工巡查测温的主要方法。缺点是容易受红外辐射光路遮挡的影响，不能准确测得被测点的温度，限制了在某些场合的应用。
3) 光纤测温：光纤测温采用在被测设备上贴装光纤温度传感器，通过光缆连接光纤解调器，由光纤解调器输出相应的温度数据。缺点是光纤 易断易折、耐温性差、安装复杂，在运行环境不 好，特别是积累灰尘后很容易造成爬电现象，产生不应有的安全隐患。
4）有源无线测温：有源无线测温采用集成温度传感器或数字温度传感器采集被测点的温度，经处理的温度信号以无线通信的方式进行传输，是目前高压设备温度监测的主要方法。缺点是传 感器探头及无线发射电路采用电池或小电流互感器取能供电，电池存在使用寿命短和更换困难的问题，互感取能存在电流大小不易控制和安装困难问题。
基于以上四种测温方式存在的问题和缺陷，本文提出了无源无线测温新方法，无源工作方式解除了传感器供电问题，无线工作方式使高压侧与低压侧物理绝缘。
1 温度监测系统架构
1.1 系统原理
声表面波（SAW)无源温度传感器以传统接触方式安装在高压开关柜内易发热的测温点上感知测温点的温度变化，无源温度传感器以无线方式接收并反射由无线测温仪发射的间歇射频信号，反射信号携带了测温点的温度信息，经无线测温仪接收处理后可就地显示测温点的温度。温度数据通过无线测温仪的通信接口连接至CAN总线并上传至监测站内的监测服务器，监测服务器完成对温度数据的存储、分析、记录、显示及越限报警，实现多柜的温度实时监测。监测服务器通过网络通信接口接入电力系统局域网，实现多站多柜的联网监测。高压开关柜无源无线温度监测系统结构示意图如图1所示。
图1 高压开关柜无源无线温度监测系统结构示意图
1.2 系统功能
1）温度实时显示功能：每台无线测温仪对应一台高压开关柜，每个开关柜可设置多个测温点，监测开关下触头及电缆接头的温度变化，无线测温仪、监测服务器实时显示测温点的温度值。
2）自动报警功能：当测温点的温度超过安全设定温度值和安全温升速率时，自动发出报警和预警信号。
3）温度数据存储、查询、分析功能：测温点的温度数据存入监测服务器的数据库中，可以查询某个时间段的历史数据，绘制温度变化曲线， 分析设备运行状态。
4）系统扩展功能：采用标准总线连接方式，易于扩展开关柜的数量。
2 温度监测系统设计
2.1 SAW无源温度传感器
SAW无源温度传感器是根据温度变化引起声表面波器件固有谐振频率的变化而实现温度测量的。其核心部件是声表面波谐振器，分延迟线型和谐振型两类，单端口谐振型声表面波谐振器结构如图2所示。在压电材料基片表面中央制备一对叉指换能器，在其两侧配置两组周期性排列的多条反射栅阵列，构成法布里—珀罗谐振腔，叉指换能器既作输入，又作输出，当有射频电磁波入射到叉指换能器上，在压电基片的表面激励出声表面波，经反射栅反射到叉指换能器再转换为电磁波形成射频反射波。谐振器的固有谐振频率由叉指换能器的几何尺寸和声表面波的传播速度决定，当温度变化时，可引起固有谐振频率的变化，其变化关系为：
f0(T)=f0(T0)[1+a(T-T0)+b(T-T0)2+……]
其中，a、b为参考温度T0下的1阶、2阶温度系数。
通过合理选择叉指换能器几何尺寸、基片晶体材料及切向，可以使温度系数的高阶项近似为零，实现固有谐振频率与温度的近似线性关系，只要获得固有谐振频率就可确定其温度。
入射波采用间歇正弦波，在入射波消失后其反射波为幅度衰减的振荡信号，振荡的中心频率
为谐振器的固有谐振频率，只须检测出反射波的频率就可确定温度。因此，SAW谐振器可以构成无源温度传感器，实现无源无线测温。
图2 单端口谐振型声表面波谐振器结构图
2.2 无线测温仪
无线测温仪由DSP控制处理模块、射频收发器模块、通信接口芯片、存储器芯片、越限报警电路、键盘和LCD显示模块组成。DSP控制处理模块控制射频信号发生器产生所需要的正弦波，经调理后变为间歇正弦波由天线发射出去。无源温度传感器接收后的反射波，经调理后送入DSP内进行采样和变换，由DSP进行信号处理以获取温度数据。通信接口实现与上位机的远程通信，键盘及显示用于人机交互及温度显示。结构框图如图3所示。
图3 无线测温仪结构框图
2.2.1 DSP控制处理模块
DSP 控制处理模块采用 T I 公司的TMS320F2812芯片，它是一款高性能、低功耗、
32位定点数字信号处理器。工作频率可达150MHz，为实时控制和在较短的时间内完成复杂的算法提供了充分的条件，高性能的32位中央处理器包含16×16位和32×32位的乘法累加器操作，16×16位的双乘法累加器，可完成64位的数据处理，实现高精度处理任务。拥有丰富的片内资源，本系统使用的资源主要包括：片 上Flash、ROM、RAM，定时器，增强局域网络eCAN，12位16通道片内A/D转换器，采样频率12.5MHz，多用途通用输入输出接口GPIO和仿真接口JTAG等。支持TI的TMS320DSP算法标准，CCS集成开发环境，为软件开发提供了较为便利的条件。利用其强大的数据处理能力，通过算法上的优化可提高测量精度，利用外设接口资源实现电路的控制，有效降低了电路的复杂程度。
2.2.2 射频收发器模块
射频收发器主要有射频信号发生器、低通滤波器、射频功率放大器、转换开关电路、集中选频放大电路、下变频器、有源低通滤波器、可调增益放大器及嵌位保护电路等组成。其组成框图如图4所示。
图4 射频收发模块组成框图
射频信号发生器采用直接数字频率合成（DDS）单片频率合成器AD9858，DDS以准确的时钟信号为参考，利用数字处理技术直接产生频率和相位可调的正弦波信号[4]。AD9858为可编程器件，内部有12个寄存器，每个寄存器的地址是固定的，对地址的读写操作可以方便地读写寄存器。用32位控制字寄存器CRF，控制AD9858的不同功能、特性和模式，32位频率调节字寄存器FTW，调节输出信号频率。当CRF<14>置1，为正弦模式输出，置0，为余弦模式输出，当CRF<15>置1，为扫频模式，置0，为单频模式。单频模式下输出信号的频率为： s 32 2FTW f f × c = 其中，fc为系统时钟频率，FTW为32位可编程频率调节字。
当系统时钟频率（1GHz，由外部时钟经AD9858内部二分频获得）确定后，输出信号的频率由频率调节字决定，通过配置控制字寄存器和频率调节字寄存器，即可获得所需频率的正弦信号。
DSP通过AD9858的8位数据端口D0-7、6位地址端口A0-5、写端口WR 、频率更新端口FUD将数据通过I/O口缓冲器写入其内部的控制字寄存器CRF、频率调节字寄存器FTW、完成对AD9858的配置。由于AD9858和TMS320F2812都是3.3V的接口电平，因此8条数据线和6条地址线可直接与TMS320F2812相对应的数据线和地址线的低位相连，WR与DSP的XWE相连，实现对内部寄存器的写操作，频率更新FUD和复位端RESET与DSP的GPIOB0和GPIOB1相连，用于输出信号频率的更新和复位控制。
AD9858的输出为其内部模数转换器的输出，含有丰富的谐波分量，经7阶巴特沃兹无源低通滤波器滤波后的正弦射频信号，一路送入线性射频功率放大器模块MHL8115/D进行功率放大，MHL8115/D工作频率范围50～1000MHz，输出功率P1dB为30dBm，输出信号送入双刀单掷开关电路MAX319，形成间歇射频发射波经天线辐射出去。无源温度传感器接收到对应的入射波后，其反射波经同一天线接收后再送入MAX319中，MAX319的通断控制信号由DSP的定时器提供，高电平发送低电平接收。由于反射波信号微弱，易受噪声干扰，因此，通过MAX319的反射波送入集中选频放大电路进行两级放大，集中选频放大电路由差分结构的集成宽带放大器ER4803组 成，以有效控制共模干扰。放大后的信号与低通滤波器的输出信号一起送入下变频器AD8342，其输出信号的频率即为入射波与反射波频率之差，频率变化范围在DC～300KHz之间。由于该信号的频率变化对应于无源温度传感器的温度变化，为了提高测量的准确度，设计了一个由集成运算放大器OPA603构成的截止频率为300KHz，增益为2的二阶巴特沃兹有源低通滤波器，以有效滤除高频干扰。有源低通滤波器的输出由可调增益放大器放大到30mV～3V,经嵌位保护电路送入DSP内部自带的A/D转换器采样，进行FFT变换与频谱分析，以功率谱估算信号频率[5]，经DSP运算后转换成温度。
2.2.3 外部接口
TMS320F2812内部集成了增强型CAN控制器eCAN，支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，通过CAN总线收发器SN65HVD230与CAN总线相连，为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，在控制器的外部引脚CANTXA、CANRXA与收发器之间串接基于磁耦隔离技术的双通道数字隔离器ADuM1201，CAN总线传输距离可达10km，可支持多个无线测温仪联网运行。外扩1快128k×16的静态存储器IS61LV12816，用于扩展程序存储空间，由于工作电压为3.3V,可直接与DSP的I/O口相连。LCD显示选用二线串行接口的段式液晶模块SMS0401。键盘设置4个按键，分别为模式选择键、上下调节键及确定键，模式选择键用以切换参数设置模式或测量模式，通过上下调节键即可设置各测温点的温度越限值。越限报警电路由DSP的通用I/O输出口控制，产生声光报警。
2.3 软件设计
系统软件包括初始化程序、主程序、参数设置子程序、测量子程序、显示子程序以及数据通信子程序。编程开发工具使用CCS3.0，采用C语言汇编语言混合编写，系统主程序流程如图5所示。
图5 系统主程序流程图
系统上电后，执行初始化程序，完成时钟、DSP模式、DDS芯片、通信接口芯片及LCD显示等初始化操作。主程序循环执行按键扫描操作，有按键时执行参数设置子程序，完成系统参数的设置，否则执行测量子程序。通过DSP定时器产生控制信号，控制射频信号的发射与接收，对接收信号采样存储，根据设定的算法计算出当前的测量温度。温度超过越限值时，产生声光报警，调用显示子程序显示各个测温点的温度，调用通信子程序将测量结果上传至监测服务器，实现统一的实时监测。
3 实验测试
无线测温仪调试完成后，在实验室进行模拟测试，将封装有匹配天线的无源温度传感器
固定在加热板上模拟高压开关柜内的发热点。所选用的无源温度传感器，温度在0℃～120℃之间变化时，对应的固有谐振频率约在430.000MHz～429.700MHz之间变化。设置无线测温仪的发射频率为430MHz，在无线测温仪与无源温度传感器相距5m之内变化时，均能有效检测到反射信号。选择30℃、50℃、60℃、80℃、100℃几个温度点与红外测温仪AR36-608进行比对测量,误差在±1℃之内。
4 安科瑞无线测温系统介绍与选型
安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款专业的无线测温软件。
4.1 Acrel-2000T无线测温系统结构
Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信（如图6），系统设计遵循国际标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，安全性、可靠性和开放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。
Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。
图6 Acrel-2000T无线测温系统结构图
4.2 Acrel-2000T无线测温系统功能
■实时监测
Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息
■温度查询
温度历史曲线（1分钟、5分钟、60分钟可选）
■运行报表
查询各回路设备运行溫度报表.
■实时报警
壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。
■设备提供以下凡种告警方式：
a.弹岀事件报驚窗口.
C.短信吿警，可以向指定手机号码发送吿警信息短信（需选配短信猫）.
■历史告警査询
Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。
■用户权限管理
Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。
通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如数据库修改等）。可以定义不同级别用户的 登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
■定值设置
用于修改高温定值、超温定值。
■WEB（可选）
展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息， 设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。
实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。
接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息（信号量 需要断路器提供辅助触点支持）。
能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。
运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。
■手机APP（可选）
设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。
4.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型
安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统（如图7）。
图7 电气接点在线测温结构图
4.3.1 安科瑞无线温度传感器
无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。
4.3.2 安科瑞无线收发器
无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。
4.3.3 安科瑞显示终端
显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。
5 结束语
本文提出的无源无线温度监测系统，结构简单和易于实现。采用无源温度传感器解决了温度传感的供电难题，无线测温解决了高低压隔离问题，CAN总线通信方便系统扩展。该系统能够实现对高压开关柜易发热部位的温度进行实时监测。无线温度传感器的温频特性，抗干扰措施有待进一步完善。
【参考文献】
[1] 王建玲,傅邱云,罗为,周东祥.基于SAWR的无源无线混合传感器研究[J].压电与声光，2009,31（6）：775-778.
[2] 宿元斌,宿筱,何建廷.高压开关柜无源无线温度监测系统的研究.
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：杨翠，女，安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用，Email: 2885268959@qq.com，手机：18721098078（同微信），QQ:2885268959