光伏智慧電網(wǎng)電氣設(shè)備無源測溫監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙玉芹

【摘 要】隨著人們對生態(tài)環(huán)境及能源危機(jī)的重視，世界各國都不同程度的加大了對光伏電站等新能源電站的建設(shè)力度。該新能源具有間歇性分布式的特點(diǎn)，穩(wěn)定性不好，同時(shí)，光照強(qiáng)度及天氣環(huán)境等自然條件也會(huì)對該新能源的電量輸出有非常重要的影響，光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)后，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性大幅度降低，進(jìn)一步影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，甚至出現(xiàn)短路、斷路等情況。基于此，如何保證光伏智慧電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行是本文研究的重要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】光伏;智慧電網(wǎng);電氣設(shè)備;無源測溫;監(jiān)測系統(tǒng)

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

該無源測溫監(jiān)測系統(tǒng)基于光伏智慧電網(wǎng)建立，主要由四部分組成，分別是SAW溫度無源采集單元、PIFA天線單元、溫度讀取器單元和顯示單元。由于本系統(tǒng)采用的SAW傳感器芯片是貼片型的，內(nèi)部沒有天線，因此使用過程中，需要它與匹配的普通螺旋天線連接。具體工作過程如下：首先需要將三個(gè)一組的SAW傳感器放置在被測節(jié)點(diǎn)的三個(gè)相，即A相、B相和C相上;然后調(diào)整位置，確定好距離，固定好天線，并把傳感器放在天線輻射距離能夠達(dá)到最遠(yuǎn)的地方;然后激勵(lì)信號由溫度讀取器掃描發(fā)射，目的是使傳感器生成共振回波，傳感器將接收到的回波信號進(jìn)行頻率分析并處理;最后將處理后的數(shù)據(jù)通過串行方式發(fā)動(dòng)掃顯示器顯示。在整個(gè)監(jiān)測過程中，信號的傳輸過程以現(xiàn)場總線的方式實(shí)現(xiàn)，這些信號的有效傳輸能夠用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體如下圖1所示：

（一）SAW傳感器工作原理

目前大部分SAW傳感器由壓電材料、反射光柵及叉指換能器等幾部分組成，一般情況下，這些傳感器用瑞利波實(shí)現(xiàn)信號傳輸，所謂瑞利波，就是指在半無限基片邊界條件下沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ唧w工作原理為：IDT接收到對應(yīng)的激勵(lì)信號后，首先要做的工作是將設(shè)備中的電磁信號轉(zhuǎn)換為傳感器的瑞利波信號，然后瑞利波會(huì)沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ⒔?jīng)過傳感器兩端的反射光柵反射后，返回給叉指換能器，最后將瑞利波信號變成電磁信號順著天線發(fā)出。

（二）PIFA天線的設(shè)計(jì)原理

在開關(guān)柜中，一般使用6個(gè)中心諧振頻率不同的SAW無源傳感器監(jiān)測觸點(diǎn)溫度，此外，在選定的溫度量程內(nèi)，各個(gè)傳感器的截止頻率也要求不同，將3個(gè)一組傳感器分成2組，分別放置在待測點(diǎn)的上下兩排上。基于此，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，需要考慮一下設(shè)計(jì)的天線能夠讀取的帶寬是否可以覆蓋全部SAW傳感器的兩個(gè)有用頻率，即中心諧振頻率和截止頻率。另外，由于在該傳感器內(nèi)部不存在內(nèi)置的天線，因此當(dāng)需要焊接固定在基板電路上時(shí)，需要在傳感器電路中外接一個(gè)垂直極化型的普通螺旋天線。平面倒F天線經(jīng)常用在短距離通信，具有水平和垂直兩種極化分量，擁有良好的方向性及發(fā)射接收效果。本研究為更好的實(shí)現(xiàn)無源SAW的傳播和接收特性，在倒F天線原理的基礎(chǔ)上，研制了一種平面高增益倒F天線，該天線具有良好的方向性。

（三）溫度讀取器的設(shè)計(jì)原理

溫度讀取器的設(shè)計(jì)原理為讀取器由2部分組成，分為發(fā)射電路和接收電路。發(fā)射電路主要包括5部分，分別是FPGA、DDS直接數(shù)字頻率器、PLL鎖相環(huán)、AMP功放和高速開關(guān)。接收電路部分主要由5部分組成，分別是高速開關(guān)、LNA低噪放、MIXER混頻器以及AGC自增益放大器等。

（四）顯示電路的設(shè)計(jì)原理

傳感器位號及對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)信息通過兩組4位數(shù)碼管顯示，按鍵控制整個(gè)系統(tǒng)的工作、運(yùn)行和參數(shù)設(shè)置等操作。此外，該顯示電路能夠設(shè)置溫度報(bào)警范圍，當(dāng)實(shí)測溫度超過此范圍時(shí)，顯示器會(huì)給出報(bào)警提醒，并顯示報(bào)警位號和對應(yīng)溫度信息。RSSI標(biāo)識顯示混頻器的接收信號強(qiáng)度。此信號輕度與回波信號的最大值呈線性增長關(guān)系，并將這種關(guān)系用10個(gè)LED來表示。比如接收最大強(qiáng)度信號為80dB，對應(yīng)電壓最大值為1.8V，此時(shí)10個(gè)LED燈全亮。該顯示電路與溫度讀取器的主控板之間的通信主要通過通信接口來實(shí)現(xiàn)，一般選用的通信接口方式有兩種，分別是RS232串口或者RS485總線。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）SAW溫度傳感器

當(dāng)今市面上存在的無源無線SAW傳感器按結(jié)構(gòu)劃分，主要有兩種，第一種是延遲型SAW傳感器，另外一種是諧振型SAW傳感器，本研究采用的是第二種，單端口諧振型SAW傳感器。如圖2所示：該圖中λ表示波長，d表示反射柵之間的距離。當(dāng)這兩個(gè)參數(shù)滿足等式2d=nλ，表征反射波同相位疊加，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致疊加后的反射波幅值達(dá)到最大，隨后表面聲波信號就會(huì)經(jīng)過叉指換能器，叉指換能器會(huì)將該信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)射。

（二）天線設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的天線一種高增益PIFA天線，能夠使光伏智慧電網(wǎng)無源測溫監(jiān)測系統(tǒng)獲得最佳的接收和傳輸特性，根據(jù)自適應(yīng)濾波原理，改變反饋點(diǎn)的位置或者天線尺寸，能夠成功實(shí)現(xiàn)在434MHz中心頻率附近的陷波特性。在開關(guān)柜中，一般使用6個(gè)中心諧振頻率不同的SAW無源傳感器監(jiān)測觸點(diǎn)溫度，為更好區(qū)分在選取的時(shí)候，各個(gè)傳感器的諧振頻率要求不同，且將3個(gè)一組傳感器分成2組，分別放置在待測三相的上下兩排上。基于此，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，所設(shè)計(jì)的天線模型需要考慮到，該模型需要覆蓋監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有傳感器的兩個(gè)重要頻率，這兩個(gè)重要頻率分別為：中心諧振頻率和截止頻率。經(jīng)查閱該傳感器的數(shù)據(jù)手冊，了解到該傳感器需要設(shè)計(jì)天線的中心諧振頻率在434MHz附近，而且該頻段內(nèi)的頻率帶寬需要大于6MHz;此外還了解到，在電壓駐波比的取值上，該比值需要小于1.3或1.5。如前所述，SAW無源測溫傳感器在使用時(shí)需要和垂直極化的螺旋天線相連，因?yàn)檫@個(gè)特點(diǎn)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，天線需要設(shè)計(jì)成具有較小輻射角度的垂直極化型天線。綜述所述，最終選擇能同時(shí)具有水平和垂直極化分量的PIFA天線。

（三）收發(fā)電路設(shè)計(jì)

收發(fā)電路包括直接數(shù)字頻率合成器電路、鎖相環(huán)倍頻電路、放大電路、開關(guān)電路、低噪放電路、混頻電路、通信電路、電源電路等幾個(gè)部分構(gòu)成。

直接數(shù)字頻率合成器，該頻率合成器通過寫入頻率控制字的方式，使參考頻率倍頻和分頻，然后通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號變成正弦模擬信號;鎖相環(huán)就是鎖定相位的環(huán)路。這是一種典型的反饋控制電路，該鎖相環(huán)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本原理是讓輸出信號返回給輸入回路，使產(chǎn)生的控制信號控制輸出信號，進(jìn)而使輸出信號能達(dá)到跟蹤輸入信號的目的。鎖相環(huán)電路兩部分組成，一部分是前向通道，該通道由壓控振蕩器產(chǎn)生一個(gè)輸出，一部分是反饋通道，這部分通過分頻與輸入信號作比較;由于通信信號在傳輸過程中存在衰減現(xiàn)象，而SAW無源傳感器被放置在不同地方，因此為了讓這所有SAW無源傳感器都可以得到激勵(lì)，需要一個(gè)放大器放置在鎖相環(huán)的后面。還有一點(diǎn)兒值得注意，高頻信號要想發(fā)送到天線上，需要獲得10dBm以上的功率;本研究的開關(guān)電路為了滿足這個(gè)要求，采用ADG918芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片帶寬可達(dá)1GHz，具有單刀雙擲開關(guān)，該單刀雙擲開關(guān)隔離度高，插入損耗低，該芯片內(nèi)部集成的有CMOS控制邏輯，同時(shí)在芯片輸入端有50Ω分流匹配，可用簡單的邏輯控制，功率損耗小于1μA，這些優(yōu)點(diǎn)表明該芯片非常適合無線及作為一般的高頻開關(guān)來用;混頻的作用就是將已經(jīng)調(diào)波的頻譜不失真的搬到中頻位置上，混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，其工作機(jī)理是運(yùn)用三角函數(shù)的性質(zhì)將正弦信號相乘，從而讓兩正弦信號的頻率相加或相減。在發(fā)生電路中，信號一般都是混合疊加在一起，在接收電路中，信號一般都是經(jīng)過濾波和放大后進(jìn)行差頻，輸出頻率的模;設(shè)計(jì)電源電路時(shí)需要考慮電源穩(wěn)定性的問題，因?yàn)槿绻娫床环€(wěn)定，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是不能正常工作的。并且，電源在工作時(shí)也會(huì)出現(xiàn)文波抖動(dòng)或噪聲干擾等情況，如果在設(shè)計(jì)電路時(shí)，不把這些考慮進(jìn)去，這些不利因素就會(huì)跟隨電流進(jìn)入到每一個(gè)控制單元，影響每一部分的正常工作，后果不可想象。因此，在設(shè)計(jì)電源時(shí)，本研究設(shè)計(jì)了將電源電路分成了兩部分，第一部分可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，第二部分，將直流電轉(zhuǎn)換為需要的直流電。

（四）顯示電路設(shè)計(jì)

本研究顯示電路采用數(shù)碼管和指示燈來完成。其中數(shù)碼管通過74HC375驅(qū)動(dòng)。顯示電路能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互功能，界面能夠控制收發(fā)電路能否正常啟動(dòng);并且在顯示電路中可以設(shè)置報(bào)警下上線，當(dāng)檢測到的溫度超過設(shè)定上下線時(shí)，顯示電路會(huì)給顯示錯(cuò)誤信息;顯示電路中的RSSI指示燈表征接收信號的強(qiáng)弱。

三、軟件設(shè)計(jì)

本研究的軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)能實(shí)時(shí)測取監(jiān)測點(diǎn)溫度并能夠?qū)⒃摐囟刃畔⒃陲@示器上顯示，因此主要程序包括兩部分：主控程序設(shè)計(jì)以及顯示程序設(shè)計(jì)。主程序設(shè)計(jì)思路：該部分實(shí)現(xiàn)的主要功能測取監(jiān)測點(diǎn)溫度，首先對各個(gè)設(shè)備進(jìn)行初始化和自檢，當(dāng)自檢通過后會(huì)注意監(jiān)測各個(gè)傳感器出的溫度，當(dāng)監(jiān)測到溫度信號后將該信號送到顯示裝置;顯示單元能夠?qū)⒈O(jiān)測到的溫度值在顯示器上顯示，并且如果監(jiān)測點(diǎn)的溫度超過設(shè)定的溫度范圍時(shí)，顯示單元會(huì)發(fā)出報(bào)警提醒，并顯示出傳感器位號和對應(yīng)的溫度值。

四、結(jié)束語

基于如今電力系統(tǒng)智慧電網(wǎng)生產(chǎn)實(shí)際的需要，本研究設(shè)計(jì)了一種基于光伏智慧電網(wǎng)的無源溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用SAW傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在現(xiàn)有溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，不斷比較優(yōu)化，提出了一種更適合如今電力系統(tǒng)的新型無源溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有成本低、穩(wěn)定性好、可靠性和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

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