基于SAW技術(shù)的高壓電力設(shè)備運(yùn)行溫度在線監(jiān)控及分析系統(tǒng)

王偉

摘要：文章介紹了一種基于聲表面波（SAW）的高壓電力設(shè)備運(yùn)行溫度可視化在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合利用SAW傳感技術(shù)、可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，以設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合電網(wǎng)信息資源，對(duì)溫度及相關(guān)信息進(jìn)行展現(xiàn)和綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更大的價(jià)值，對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：高壓測(cè)溫；SAW；可視化；智能電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM764 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）10-0107-02

1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，全社會(huì)對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)用電的要求越來越高，電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定。

電力系統(tǒng)中數(shù)量眾多的電力設(shè)備長期工作于高電壓和大電流狀態(tài)，高負(fù)荷及一些設(shè)備缺陷導(dǎo)致設(shè)備部件的溫度異常升高。其運(yùn)行溫度如無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)控制很可能最終導(dǎo)致事故發(fā)生。據(jù)國家電力安全事故通報(bào)統(tǒng)計(jì)，我國每年僅發(fā)生在電站的電力事故，40%是由高壓電氣設(shè)備過熱所致。因此，電力設(shè)備運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)越來越受到認(rèn)可和重視，實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。

設(shè)備運(yùn)行溫度是表征電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)也是設(shè)備制造、環(huán)境污染、設(shè)備老化、觸點(diǎn)氧化、內(nèi)部故障、過電流等各種因素影響的綜合反映。因此，通過建立統(tǒng)一的電力設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)倉庫，以設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整理電網(wǎng)的其他信息資源，可實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合利用，輔助實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估及檢修、電網(wǎng)負(fù)荷分析、運(yùn)行決策等高級(jí)應(yīng)用。從而更加有力地保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高電力電網(wǎng)的運(yùn)營效率。

2 現(xiàn)有溫度傳感技術(shù)分析

電力設(shè)備溫度異常在線監(jiān)測(cè)的主要困難在于：發(fā)熱點(diǎn)通常處在高電位的位置，普通的溫度傳感方法受到限制；電力設(shè)備有大量的發(fā)熱點(diǎn)需要監(jiān)測(cè)，其設(shè)備結(jié)構(gòu)、運(yùn)行環(huán)境各異，因此對(duì)傳感器本身的結(jié)構(gòu)、安裝方式、安全性、穩(wěn)定性和維護(hù)性都提出了極高的要求。

目前用于電力系統(tǒng)的測(cè)溫解決方案有如下三種：

2.1 光纖測(cè)溫

采用光導(dǎo)纖維傳輸溫度信號(hào)，具有優(yōu)異的絕緣性能，能夠隔離開關(guān)柜內(nèi)的高壓，因此光纖溫度傳感器能夠直接安裝到開關(guān)柜內(nèi)的高壓觸點(diǎn)上。然而，光纖具有易折、易斷、不耐高溫等特性?；覊m積累后易導(dǎo)致光纖沿面放電從而使絕緣性降低，且受開關(guān)柜結(jié)構(gòu)影響，在柜內(nèi)布線難度較大。

2.2 紅外測(cè)溫

非接觸式測(cè)溫，易受環(huán)境及周圍的電磁場(chǎng)干擾。探頭必須與被測(cè)物體保持一定的安全距離，并需要正對(duì)被測(cè)物體的表面，開關(guān)柜內(nèi)的空間非常狹小，安裝難度極大。同時(shí)，要求被測(cè)量點(diǎn)能夠在視野內(nèi)并無遮掩，也限制了它在一些特定環(huán)境中的使用。

2.3 無線測(cè)溫

采用電池或小CT取能為溫度傳感器供電。電池供電方式由于電池容量的限制，溫度采樣周期較長，無法實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電池的周期性更換也帶來較高的維護(hù)成本。電池在夏季抗高溫能力較差且存在一定的安全隱患；而小CT取能則存在若接頭電流較小，電能無法取出，傳感頭停止工作，若接頭電流較大，則容易燒壞小CT直至燒壞傳感頭。同時(shí)傳感器體積較大，安裝難度較高。

3 基于SAW的無線無源溫度傳感技術(shù)

本系統(tǒng)SAW傳感器的基本原理是利用晶體材料的諧振頻率與基片的溫度有關(guān)，而且諧振頻率的改變隨溫度的改變?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)呈非常線性的關(guān)系。

傳感器的溫度采集過程包括如下步驟：

（1）無線采集器通過天線發(fā)射無線射頻信號(hào)作為傳感器激勵(lì)信號(hào)。

（2）傳感器天線接收該無線射頻信號(hào)，通過叉指換能器的逆壓電效應(yīng)在基片表面激活一個(gè)聲表面波。聲表面波沿基片傳播，被左右兩個(gè)周期性反射柵反射形成諧振。該諧振器的諧振頻率與基片的溫度有關(guān)。叉指換能器通過壓電效應(yīng)將聲表面波轉(zhuǎn)變成應(yīng)答的無線射頻信號(hào)輸出。

（3）返回的無線射頻信號(hào)被采集器天線接收，通過測(cè)量無線射頻信號(hào)的頻率變化即可得到溫度值。

4 系統(tǒng)組成及技術(shù)特點(diǎn)

溫度在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)由溫度傳感裝置、IED單元及后臺(tái)監(jiān)控分析系統(tǒng)組成。

（1）溫度傳感器無線電源，體積小，可以很方便地安裝于設(shè)備被測(cè)點(diǎn)上，準(zhǔn)確地測(cè)量設(shè)備運(yùn)行溫度的變化。傳感器天線與采集器天線之間無線數(shù)據(jù)傳輸，空氣高壓隔離，安全性能好。且由于射頻信號(hào)具有一定的穿透繞射能力，可廣泛用于測(cè)量可視范圍內(nèi)、存在障礙物及隔離空間內(nèi)的各種物體溫度。同時(shí)，溫度傳感信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸過程都在傳感器內(nèi)部完成，傳感器與采集器之間的無線射頻信號(hào)僅完成轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)字信號(hào)的傳輸。因此，環(huán)境溫度變化、光線變化、柜內(nèi)局部溫差引起的熱流、空氣中水分、被測(cè)物表面灰塵堆積、空氣中灰塵環(huán)境因素不會(huì)對(duì)無源無線溫度傳感器的溫度測(cè)量可靠性造成影響，測(cè)量可靠性極高。

（2）IED單元是無源無線溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)統(tǒng)一進(jìn)行對(duì)本區(qū)域內(nèi)所有被測(cè)設(shè)備溫度信息的采集、分析、存儲(chǔ)管理、溫度告警、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、參數(shù)設(shè)置及協(xié)議轉(zhuǎn)換。支持IEC61850等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以非常方便、直接地接入后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）溫度在線監(jiān)控及分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)管理：獲取本系統(tǒng)無源無線溫度測(cè)量裝置測(cè)量的溫度信息；集成網(wǎng)內(nèi)所有溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，納入數(shù)據(jù)倉庫的統(tǒng)一管理；通過數(shù)據(jù)接口獲取其他相關(guān)數(shù)據(jù)，如：電網(wǎng)負(fù)荷、設(shè)備其他運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等；對(duì)各類離散的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的清洗、轉(zhuǎn)換、加載，使之成為后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù)。

首先，可視化展現(xiàn)。

設(shè)備信息展現(xiàn)：對(duì)被測(cè)電力設(shè)備在電網(wǎng)中的位置、外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測(cè)溫點(diǎn)安裝位置提供可視化展現(xiàn)。

溫度及其他實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展現(xiàn)：對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)、歷史溫度數(shù)據(jù)、電網(wǎng)負(fù)荷、環(huán)境溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)提供可視化展現(xiàn)。如：提供溫度熱譜圖，在線路圖上根據(jù)熱譜圖可以很直觀地獲得電網(wǎng)各個(gè)位置上設(shè)備的運(yùn)行溫度狀況，便于運(yùn)行管理人員進(jìn)行全局掌握，同時(shí)對(duì)運(yùn)行溫度較高的設(shè)備進(jìn)行跟蹤觀察。

其次，可視化監(jiān)測(cè)預(yù)警。

建立溫度參數(shù)的預(yù)警及報(bào)警數(shù)據(jù)庫，并自動(dòng)對(duì)采集到的溫度信息進(jìn)行判斷，按照系統(tǒng)預(yù)定的規(guī)則，分不同的級(jí)別和類型，以各種方式進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，如推屏、聲光、短信等。同時(shí)利用三維圖表、曲線、虛擬儀表、動(dòng)畫等多種形式，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警的多維可視化。一種典型的可視化預(yù)警展現(xiàn)方式。每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行溫度用三維棒圖進(jìn)行表示，總高表示設(shè)備溫度的最大限值，下部高度表示當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行的溫度。一旦運(yùn)行溫度越過最大值一定時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)以特殊顏色表示越限情況。

最后，數(shù)據(jù)分析及輔助決策。

采用商業(yè)智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)倉庫中各類原始數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性、發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合負(fù)荷數(shù)據(jù)及其他相關(guān)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫升與線路負(fù)荷的對(duì)比、開關(guān)柜內(nèi)部溫度場(chǎng)分析等功能，提供設(shè)備運(yùn)行溫度的預(yù)測(cè)、負(fù)荷分析，提供運(yùn)行控制策略、狀態(tài)檢修策略等輔助決策支持。例如，將設(shè)備運(yùn)行溫度異常的處理方案分為繼續(xù)運(yùn)行、觀察運(yùn)行、件事運(yùn)行、停止運(yùn)行等。

5 結(jié)語

高壓電力設(shè)備運(yùn)行溫度在線監(jiān)控及分析系統(tǒng)不僅有效地解決了電力設(shè)備接觸部位無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，做到對(duì)電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)，防止由于多種原因在負(fù)荷變化時(shí)引起設(shè)備過熱，造成設(shè)備損壞。同時(shí)，系統(tǒng)建立了電力設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)綜合分析和決策支持等高級(jí)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更大的價(jià)值。在電力系統(tǒng)變電站普遍實(shí)行無人值班的新體制下，高壓電力設(shè)備運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)有效地提高了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性。促進(jìn)了電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)及智能分析技術(shù)的完善和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 李銀生.紅外測(cè)溫技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用[J].大眾用電，2001，2.

[2] 樓開宏，秦一濤，施才華，等.基于光纖測(cè)溫的電纜過熱在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，2919.

（責(zé)任編輯：劉 晶）