聲表面波傳感器在電力變壓器溫度監測領域的應用

黃 超，施 勇，季新風，郭 凱，喬 飛，居友杰，趙 昊，田 牧

（1.國網上海崇明供電公司，上海 202150；2.中國電建集團裝備研究院有限公司，上海 200233）

0 引言

電力變壓器廣泛分布于配電網各個區域內，運行的狀態直接關系到整個電網的安全，其設備長期在戶外運行，連接部位易產生接觸不良而導致發熱的問題，如該隱患未被及時發現并處理，則很有可能引發重大安全事故。

針對電力變壓器發熱造成安全隱患的問題，綜合比較現有多種測溫技術：1）熱電阻測溫需要安裝電源線信號線，對環境和防護要求較高；2）紅外測溫對測量安裝位置要求較高，易受環境因素影響；3）有源類溫度傳感器需更換電池，難以長期維護；4）光纖類溫度傳感器容易折損，且長期工作易降低爬電距離。聲表面波（SAW）溫度傳感器具有無源和無線傳輸的特性，更適合室外電力變壓器的測溫，無源指傳感器無需攜帶任何形式電源而是由天線接收射頻信號來激勵敏感元件，避免了在高電壓和高溫環境中使用電源，保證了傳感器的安全可靠工作，無線指傳感器與閱讀器之間采用射頻信號通信，避免了在復雜電氣環境中布線的困難和危險。SAW傳感器因具有本質無源、信息無線傳輸、抗電磁干擾能力強以及壽命長等特點，而受到電力系統行業關注。

本文針對以上現有問題提出一種聲表面波技術結合現代通訊的無線無源在線系統，可對片區內電力變壓器進行在線統一實時監控，有效彌補現行人工巡檢維護方法的缺陷，從而提升巡檢質量，保障設備安全。

1 系統總體設計

本文提出的變壓器溫度無線無源監測巡檢系統，由信息感知（無線無源SAW 溫度傳感器、閱讀器）、通信網絡、信息處理（管理平臺、終端設備）三部分組成。通過在變壓器樁頭安裝定制的基于聲表面波技術的無線無源測溫傳感器，以無線查詢方式巡檢各個測點溫度值，通過無線通訊網絡傳送到管理平臺，一旦有異常出現，即及時通知終端設備。該系統是集機電一體化、傳感監測以及無線傳輸、電磁兼容、數據管理等技術于一體的綜合智能監測和處理系統。它充分利用了現代監測通訊技術，不需要對變壓器做任何改造，具有安裝維修簡便，適應性強等諸多優點。

本系統的整體結構示意圖如圖1 所示，將嵌入式技術、無線網絡通信技術、射頻技術、傳感技術等技術進行結合，通過SAW 傳感器來實時監測樁頭溫度信號，使用無線閱讀器進行SAW 傳感器的信息掃描查詢，然后經過通信網絡到管理平臺處理監控點是否有溫度異常。如有異常，即可通過無線通訊4G/5G 系統及時通知終端設備。

圖1 系統整體技術路線示意圖Fig.1 System’s schematic diagram of technical route

系統主要由信息感知、信息網絡和信息處理3 部分組成。基于以上總體方案，本系統研究總體框架如圖2所示，共分為3個主要部分。

圖2 系統整體研究框架Fig.2 System research framework

1.1 基于聲表面波(SAW)技術的無線無源溫度監測技術

1.2 具有較強抗電磁干擾能力遠程無線通訊技術

電力變壓器的溫度監測過程中，對溫度傳感器的抗電磁特性要求較高，通信網絡技術采用以4G通訊技術（NB-IoT）為主，同時預留系統升級接口，向上兼容5G 通訊技術，設計出一套簡捷、高效、可靠、經濟的遠程實時通訊系統。

1.3 綜合管理中心系統軟件研究開發

具體包括實現系統設置、信息查詢接收、態勢評估、報警、數據保存、打印報表等功能，同時設計人機友好的交互界面，便于工作人員操作和查看各種信息。

2 SAW傳感器的測溫原理

2.1 SAW傳感器工作原理

聲表面波在基底表面行進時，固體表面所呈現的物理特性將會隨著環境等被測參數的變化而發生變化，SAW傳感器就是利用這種原理來實現對被測參數的敏感。一般SAW傳感器由以下3個主要組成部分：敏感基地、加工在敏感基地上的金屬膜圖形、封裝及天線。外界參數對聲表面波傳播的影響主要反映在聲表面波傳播速度上，通過監測波速，并將其變化情況與環境條件的變化情況一一對應，一般來說，周圍條件對聲表面波傳播速度的影響，可以用式（1）和式（2）來表示。

SAW傳感器的聲表面波傳播速度，在外界環境中主要受到質量載荷效應、聲電效應以及黏彈性效應三項條件的作用。若薄膜質量發生變化，則會形成質量載荷效應，導致IDT 的諧振頻率發生偏移，因此，也可以通過質量載荷效應對材料的厚度進行估計。對于機械形變而言，其會產生聲表面波，所產生的聲表面波在行進中同時會誘發感應電場，薄膜的電導率會由于該薄膜中的電荷與該電場的相互作用而發生變化，這一變化最終會造成聲表面波行進速度及衰減情況產生變化，形成聲電效應。這一效應已經得到了很多研究的支持，導電率會成為傳感器響應產生變化的重要因素之一。另外，黏彈性效應是指SAW傳播路徑上所覆蓋的薄膜的機械特性，例如剪切或者膨脹壓縮變形。對于特定應用的聲表面波傳感器的設計，就是突出對被測參數的敏感效應而消除或降低對其他參數的敏感性。對于本文中的溫度檢測應用來說，就是通過基底材料、切型和表面結構的圖形優化設計，使SAW 器件對溫度作用有較高的敏感性。

本文中采用諧振型SAW 傳感器的基本原理結構示意如圖3所示，使用中具有很好的一致性和重復性，其基本原理是在壓電基底上傳播的聲表面波特性會隨著溫度的變化而變化，通過設計諧振型或延遲線型敏感器件，將這種變化轉換為射頻信號頻率或相位的變化，從而實現溫度的無線監測。

圖3 聲表面波測溫原理示意圖Fig.3 SAW temperature measurement schematic diagram

2.2 SAW傳感器信號檢測

閱讀器信號檢測及處理電路如圖4所示。將溫度信號經過SAW振蕩器后先進行混頻，然后經過低通濾波器進行濾波篩選，最后再經過放大器將篩選后的波形進行放大并進行頻率測量，將測量后的結果交由微處理器進行處理，輸出處理后的測量數據。

圖4 SAW傳感器處理電路與信號檢測框圖Fig.4 Processing circuit and signal detection block diagram

如圖5 所示，聲表面波射頻識別系統采集溫度信號的主要步驟為以下四部分：

數據顯示，4成家庭會購買KOL推薦的商品，但這并不意味著年輕父母會盲目聽從KOL的推薦，而是會根據商品是否符合需要，商品本身是否具備足夠吸引力等來決定自己的購買行為，用戶的消費行為呈現出較為理性的狀態。

圖5 聲表面波射頻識別系統Fig.5 SAW RFID system

1）采集器信號發射：由采集器完成電信號調制，然后通過采集器天線將電磁波信號發到傳感器天線。

2）傳感器信號激發：SAW傳感器的接收天線收到電磁波信號，通過逆壓效應，在SAW 傳感器上產生聲信號。

3）溫度信號調制：聲信號感受壓電晶體熱脹冷縮，把溫度信息調制到聲信號中，調制后的聲信號經過聲反射柵反射后，通過壓電效應，轉化成電磁波信號，并且通過傳感器天線發送。

4）采集器信號接收：采集器天線接收返回的電磁波信號，解調出溫度信號。

3 基于NB-IoT的無線通訊技術

由于涉及的監控變壓器分布范圍較廣，通訊距離達幾十公里甚至上百公里，可靠的實時通訊是必須解決的關鍵問題之一，根據實際工況，選用構建于蜂窩網絡窄帶物聯網NB-IoT，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT 是IoT 領域一個新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT 支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。NB-IoT 聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IoT）市場，具有連接多、覆蓋廣、安全可靠、功耗低、架構優等特點。

1）海量連接：NB-IoT 比2G/3G/4G 有50～100 倍的上行容量提升，這也就意味著，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50～100倍的接入數。

2）深度覆蓋：能實現比GSM 高20 db 的覆蓋增益；NB-IoT比LTE提升20 dB增益，相當于發射功率提升了100 倍，即覆蓋能力提升了100 倍，能覆蓋到地下室、地下管道等信號難以到達的地方。

3）穩定可靠：能提供電信級的可靠性接入，NBIoT 直接部署于GSM 網絡、UMTS 網絡或LTE 網絡，使用單獨的180 kHz 頻段，不占用現有網絡的語音和數據帶寬，保證傳統業務和未來物聯網業務可同時穩定、可靠地進行。

4）安全性：繼承4G網絡安全能力，支持雙向鑒權以及空口嚴格加密，確保用戶數據的安全性。

5）超低功耗：通信設備消耗的能量往往與數據量或速率相關，即單位時間內發出數據包的大小決定了功耗的大小。數據量小，設備的調制解調器和功放就可以調到非常小的水平。

4 數據管理平臺系統

設計開發以嵌入式系統為核心的巡檢支持平臺系統，以實現系統設置、信息查詢接收、態勢評估、報警、定位數據保存、打印報表等功能。設計人機友好的交互界面，便于工作人員操作和查看各種信息。在系統設置上可以錄入需要巡檢的變壓器電站號、位置信息、ID號等信息；可以設置巡檢參數；對接收到的數據，按用戶指定的模板表格實時記錄并保存，在需要時可以調出或打印。

在系統工作期間，正常情況下以手機端為主機，各變壓器設備為從機，由手機端依次對各從機發起查詢，從機在收到針對自己的查詢指令后，轉為發送狀態，發送當前的信息數據包，發送完后等待下一次查詢。在某個變壓器發生異常情況時，該從機轉為主機，向手機端發送應急通訊，手機收到該指令后，連續接收該站點的各種信息，并在手機屏幕上突出顯示，為工作人員快速到達目標點提供幫助。

5 應用實例

系統目前已完成通過實地信號鏈路測試、數據采集，并實際安裝在了崇明島的數個變壓器上投入運行。在實際工作時各閱讀器數據信號良好，且讀數準確。防雨罩及安裝底座材質對信號并無太大影響，傳感器與閱讀器天線距離2 m之內時信號最佳。

系統實際運行中各傳感器數據接收連續穩定，具備實際穩定連續工作的能力。

圖6 現場布設情況Fig.6 Site layout

安裝時，為解決加裝傳感器后影響接觸的問題，加大了傳感器接觸面，保證安裝緊實。同時為避免在變壓器做升級改造時需要重新安裝閱讀器天線的問題，采用獨立的閱讀器天線支架，而非直接安裝在變壓器上。

6 結語

伴隨能源物聯網建設的推進，結合聲表面波傳感器本質無源、信息無線傳輸、抗電磁干擾能力強以及壽命長的突出優點，可在電氣變壓器溫度監測上得到廣泛應用，有效地提高電網巡檢的自動化水平，達到提質增效的目的。這對國家電網有限公司配電設備的安全穩定運行，提高智能管理水平和快速處置突發事件的能力都具有重要意義。

使用聲表面波傳感器進行在線監控代替傳統人工運維，可解決以下主要問題：

1）運維人員可在線對變壓器的工作狀態進行實時監測和預警，并進行定期分析和診斷。有效解決了傳統巡檢周期間隔較長，變壓器存在安全隱患無法及時發現并排除的問題。

2）運維人員可在線對多個變壓器進行統一管控，溫度數據、變壓器位置等數據一目了然，最快發現并定位問題變壓器所在位置。有效解決了傳統巡檢消耗時間過長、效率低下的問題。

3）在線系統可不間斷主動實時監控，消除或降低人工巡檢的次數。可有效減少巡檢人員配置、降低變壓器設備故障率及減少設備更換頻次，提高工作效率，降低運維成本。

本文研究的采用聲表面波傳感器在電力變壓器中測溫方案，相較與傳統人工紅外巡檢方式，聲表面波傳感器具備無需外接電源、安裝靈活及抗干擾能力強等顯著優點，在未來還可以利用無線無源測溫技術的可遷移性，以及在線監測平臺的普遍適應性，實現不同設備間的統一在線監測管理，可最終達到推進廣泛互聯、高度智能的能源物聯網發展的效果。