CN102840927B - 适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，该系统包括：声表面波射频探测雷达，用于生成并发射探测用的电磁信号以及探测声表面波传感器传回的带有温度信息的电磁信号，并将该带有温度信息的电磁信号通过数字信号处理得到温度信息；声表面波传感器，用于将传感器天线接收到的电磁信号转换为声表面波信号，并将被反射栅反射回来的带有温度信息的声表面波信号转换为电磁信号发送出去。利用本发明，实现了对气体绝缘开关柜母线温度的精确测量和实时监测报警。

Description

适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统

技术领域

本发明涉及电力系统温度监测技术领域，尤其涉及一种适合于气体绝缘开关柜(GIS)的声表面波温度监测系统。

背景技术

电力是经济社会发展的重要动力和保障。气体绝缘开关柜(GIS)是电能汇集、分配和输送的重要电力设备，作为电力发展划时代的产物，在不久的将来其必定会更多地取代其它落后的开关设备，但GIS状态监测手段尚未完善，由于温度过热而导致的故障时有发生。温度监测作为电力系统故障诊断的一个重要手段，如果能够用于GIS设备的状态监测中，将为GIS设备的正常运行提供进一步的保障。

目前，国内外用于电力设备温度测量的方式主要有两种：光纤测温方式和红外测温方式，它们分属于接触式测温和非接触式测温。光纤测温方式的优点是不受电磁场和环境的干扰，但光纤测温传感器必须直接安装到被测物体表面进行测温，这不仅会影响设备的绝缘性能，而且会产生沿面闪络。红外辐射测温方式的优点是它属于非接触测温方式，不用接触被测目标，但红外辐射测温系统往往带有电子单元，易受电磁场和环境干扰，而且测温距离、角度，测温目标发射率等都会对红外测温构成影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，以实现对气体绝缘开关柜母线温度的精确测量和实时监测报警。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，该系统包括：声表面波射频探测雷达，用于生成并发射探测用的电磁信号以及探测声表面波传感器传回的带有温度信息的电磁信号，并将该带有温度信息的电磁信号通过数字信号处理得到温度信息；声表面波传感器，用于将传感器天线接收到的电磁信号转换为声表面波信号，并将被反射栅反射回来的带有温度信息的声表面波信号转换为电磁信号发送出去。

上述方案中，所述声表面波射频探测雷达采用开关频率步进连续波探测雷达结构，包括晶体振荡器、锁相环频率综合器(PLL)、驱动缓冲器(Buffer)、分离器(splitter)、第一可变增益放大器(VGA，variable gainamplifier)、功率放大器(PA)、发送开关(TX switch)、发送接收开关(TRXswitch)、天线、低噪声放大器(LNA)、第二可变增益放大器(VGA，variablegain amplifier)、混频器(mixer)、中频放大器(IFA)、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)以及数字信号处理器(DSP)。

上述方案中，所述锁相环频率综合器(PLL)由鉴频鉴相器(PFD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器和分频器组成。

上述方案中，所述晶体振荡器输出的10MHz信号经第一分频器1分频后输出到锁相环频率综合器的鉴频鉴相器，鉴频鉴相器比较该信号与压控晶体振荡器输出信号经第二分频器2分频后信号的频率和相位差，输出比较结果经过环路滤波器滤波后输出给压控振荡器以控制压控振荡器输出我们需要的信号；DSP不断向PLL的第二分频器2发送频率控制字，以实现扫频；PLL输出信号经过驱动缓冲器放大后输出给分离器分成两路信号，其中一路输出到混频器的本振端口(LO)，另一路被输出到第一可变增益放大器进行放大，其输出功率由DSP控制；第一可变增益放大器输出的信号经功率放大器放大后被发送到发送开关，该开关由DSP控制实现与PLL扫频的同步；在DSP的控制下，发送接收开关在发送通路上导通，从而将发送开关发送过来的信号送到天线上；天线的电磁信号经声表面波传感器的叉指换能器转换为声表面波信号，该声表面波信号遇到反射栅会被反射回来，反射回来的信号经叉指换能器转换为电磁信号发送出去；该电磁信号被声表面波探测雷达探测到，并经发送接收雷达传送给低噪声放大器进行放大，将经低噪声放大器放大后的信号发送给第二可变增益放大器进一步放大，并将放大结果输出到混频器的RF端口；接收到的信号与本振信号经过混频器混频后输出中频信号，该中频信号经过中频放大器放大被送到低通滤波器进行滤波；将滤波后的信号经过高速14位模数转换器转换为数字信号，该数字信号被输出被DSP进行数字信号处理。

上述方案中，所述DSP读取探测雷达模数转换器输出的基带信号，并对连续读出的数据进行叠加取平均以提高信号的信噪比；为降低数据时域的杂散信号的能量，Blackman-Harris加权函数对叠加平均后的数据进行加权，通过在每组加权后的512位数据后面进行0填充，能够提高FFT计算结果的精度；分别计算出FFT计算结果的每组数据的幅度和相位，通过比较求出超过峰值比较门限的峰值数据的位置，判断温度传感器ID；对数据在峰值处进行曲线拟合，利用拟合的曲线计算出峰值信号的确切位置，采用该方式能够提高温度监测系统的测量精度；通过两个反射栅反射回信号的频率差能够粗略的计算出声表面波传感器材料的温度；将峰值处的相位在极小的区间内进行拟合，并进一步计算出峰值处的相位值，然后通过相位值对测量温度进行进一步校准，从而得到声表面波传感器材料的精确温度值；DSP计算得到的温度值经过RS232接口发送到计算机，并通过上位机显示出来，对于超过温度极限的相关信号会以红色显示或者发出报警，从而实现对GIS母线温度的实时监测报警。

上述方案中，所述声表面波射频探测雷达采用具有发送开关和发送接收开关的开关频率步进连续波探测雷达结构，在雷达发送探测信号的周期内，DSP向锁相环发送频率控制字，并打开发送开关和发送接收开关的发送通道将探测信号输送到天线上去；在雷达接收反射回来的探测信号的周期内，DSP向实锁相环发送频率控制字，同时打开发送接收开关的接收通道，接收来自天线的信号；通过发送和接受信号通路的隔离可以极大地抑制由天线失配以及接口耦合引入的泄露噪声。

上述方案中，所述DSP通过不断向锁相环频率综合器分配器写入控制字实现锁相环输出在430MHz-440MHz的ISM频段扫频。

上述方案中，所述DSP读取声表面波器件的标签值，以确定声表面波传感器序号。

上述方案中，该系统将天线嵌入气体绝缘开关柜母线铣出的槽中实现无源声表面波传感器对气体绝缘开关柜母线的温度的感知以及温度信息的无线发送。

上述方案中，该系统还包括：上位机，用于读取探测雷达探测到的温度信息并显示出来。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，对数据在峰值处进行曲线拟合，利用拟合的曲线计算出峰值信号的确切位置，进而可以极大地提高温度监测系统的测量精度；通过将峰值处的相位在极小的区间内进行拟合，并进一步计算出峰值处的相位值，然后通过相位值对测量温度进行进一步校准，从而得到声表面波传感器材料的精确温度值，因此实现了对气体绝缘开关柜母线温度的精确测量和实时监测报警。

2、本发明提供的这种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，通过将微型化的声表面波传感器及其天线嵌入GIS母线铣出的槽中实现无源声表面波传感器对GIS母线的温度的感知以及温度信息的无线发送。

3、本发明提供的这种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，通过采用具有发送开关和发送接收开关的开关频率步进连续波探测雷达结构极大地抑制由天线失配以及接口耦合引入的泄露噪声。

4、本发明提供的这种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，采用曲线拟合的方式提高了峰值位置定位的准确度，利用相位差算法极大地提高了温度测量精度达到0.01℃，该温度测量精度完全达到了GIS母线温度监测系统的要求。

5、本发明提供的这种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，通过将伺服电路集成到一个芯片上，可以极大的减小伺服系统的体积、降低系统的功耗、提高系统的稳定度。

附图说明

下面结合实例及附图进一步对本发明的技术内容进行说明，其中：

图1是GIS/GIL的外部图；

图2是声表面波温度传感器工作原理图；

图3是适合于GIS声表面波温度监测系统的S-FSCW探测雷达结构框图；

图4是本发明提供的适合于气体绝缘开关柜(GIS)的声表面波温度监测系统的示意图；

图5是图3中锁相环频率综合器结构框图；

图6是利用图4所示系统对基带信号进行处理的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面首先介绍本发明的实现原理。

GIS设备母线温度测量有几点特殊性，一是热源具有高电压；二是热源置于充满0.5MPa SF₆气体的密封罐体内，因此其测量环境是非常恶劣的。气体绝缘开关柜的大电流和强密封性会引起母线温度的急剧升高，从而导致GIS故障，进而影响到整个电网的运行安全。

由于声表面波传感器是完全无源的，而且可以无线探测读取到传感器信号，因此其可以在GIS母线的高电压、绝缘、密封的环境下工作。更重要的是声表面波传感器可以带有标签，而且标签可以与温度一起读出来，从而可以实现一个声表面波信号探测器同时探测多个声表面波传感器的信号。

声表面波信号探测器发射的信号可以利用叉指换能器(IDT)的逆压电效应转换为声表面波信号(SAW)，声表面波传输过程中遇到反射栅后被反射回来，反射回来的声表面波信号经叉指换能器转换为电磁信号，该电磁信号又可以被声表面波信号探测器接收到，该接收到的信号即为带有温度信息的传感信号。

由于温度可以引起声表面波的延伸以及传输速度的变化，因此通过测量反射栅间声表面波往返传输延时结合已知的温度系数(TCD)可以实时地粗略测量GIS母线的温度。通过脉冲相位差算法可以进一步的精细校准测量温度值，使其温度测量精度达到0.01℃，该温度测量精度完全达到了GIS母线温度监测系统的要求。

鉴于上述实现原理，本发明采用图2的声表面波温度传感器以及图3的S-FSCW雷达设计了一种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，如图4所示，图4是本发明提供的适合于气体绝缘开关柜(GIS)的声表面波温度监测系统的示意图，该系统包括上位机、声表面波射频探测雷达和声表面波传感器。

其中，声表面波射频探测雷达采用开关频率步进连续波探测雷达结构，包括晶体振荡器、锁相环频率综合器(PLL)、驱动缓冲器(Buffer)、分离器(splitter)、第一可变增益放大器(VGA，variable gain amplifier)、功率放大器(PA)、发送开关(TX switch)、发送接收开关(TRX switch)、天线、低噪声放大器(LNA)、第二可变增益放大器(VGA，variable gainamplifier)、混频器(mixer)、中频放大器(IFA)、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)以及数字信号处理器(DSP)。其中的锁相环频率综合器(PLL)由鉴频鉴相器(PFD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器和分频器组成。晶体振荡器输出的10MHz信号经第一分频器1分频后输出到PLL的PFD，PFD比较该信号与压控振荡器输出信号经第二分频器2分频后信号的频率和相位差，输出比较结果经过LF滤波后输出给VCO以控制VCO输出我们需要的信号。DSP不断向PLL的分频器发送频率控制字，以实现扫频。PLL输出信号经过驱动缓冲器放大后输出给分离器分成两路信号，其中一路输出到混频器的本振端口(LO)，另一路被输出到第一可变增益放大器进行放大，其输出功率由DSP控制。第一可变增益放大器输出的信号经PA放大后被发送到发送开关，该开关由DSP控制实现与PLL扫频的同步。在DSP的控制下，发送接收开关在发送通路上导通，从而将发送开关发送过来的信号送到天线上。天线的电磁信号经声表面波传感器的叉指换能器转换为声表面波信号，该声表面波信号遇到反射栅会被反射回来，反射回来的信号经叉指换能器转换为电磁信号发送出去。该电磁信号被声表面波探测雷达探测到，并经发送接收雷达传送给LNA进行放大，将经LNA放大后的信号发送给第二可变增益放大器进一步放大，并将放大结果输出到混频器的RF端口。

接收到的信号与本振信号经过混频器混频后输出中频信号，该中频信号经过中频放大器放大被送到低通滤波器进行滤波。将滤波后的信号经过高速14位模数转换器转换为数字信号，该数字信号被输出被DSP进行数字信号处理。

读取探测雷达模数转换器输出的基带信号，并对连续读出的数据进行叠加取平均以提高信号的信噪比。为了降低数据时域的杂散信号的能量，Blackman-Harris加权函数对叠加平均后的数据进行了加权。通过在每组加权后的512位数据后面进行0填充，可以极大地提高FFT计算结果的精度。分别计算出FFT计算结果的每组数据的幅度和相位，通过比较求出超过峰值比较门限的峰值数据的位置，判断温度传感器ID。对数据在峰值处进行曲线拟合，利用拟合的曲线计算出峰值信号的确切位置，采用该方式可以极大地提高温度监测系统的测量精度。通过两个反射栅反射回信号的频率差可以粗略的计算出声表面波传感器材料的温度。将峰值处的相位在极小的区间内进行拟合，并进一步计算出峰值处的相位值，然后通过相位值对测量温度进行进一步校准，从而得到声表面波传感器材料的精确温度值。DSP计算得到的温度值经过RS232接口发送到计算机，并通过上位机显示出来，对于超过温度极限的相关信号会以红色显示或者发出报警，从而实现对GIS母线温度的实时监测报警。

如图6所示，图6是利用图4所示系统对基带信号进行处理的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1、DSP通过不断向锁相环频率综合器分配器写入控制字实现锁相环输出在430MHz-440MHz的ISM频段扫频。

步骤2、PLL输出信号经过PA1放大后输出给分离器分成两路信号，分离器将锁相环输出的信号分成两路，一路输出到发送通路的VGA1进行放大，另一路输出给接收通路混频器的本振端口用作接收信号的下变频。在DSP控制下，根据发送功率的要求VGA1可以向天线输出不同功率的信号。

步骤3、在雷达发送探测信号的周期内，DSP向锁相环发送频率控制字，并打开发送开关和发送接收开关的发送通道将探测信号输送到天线上去。在雷达接收反射回来的探测信号的周期内，DSP向实锁相环发送频率控制字，同时打开发送接收开关的接收通道，接收来自天线的信号。

步骤4、天线的电磁信号经声表面波传感器的叉指换能器转换为声表面波信号，该声表面波信号遇到反射栅会被反射回来，反射回来的信号经叉指换能器转换为电磁信号发送出去。该电磁信号被声表面波探测雷达探测到，并经发送接收雷达传送给LNA进行放大，将经LNA放大后的信号发送给PA2进一步放大，并将放大结果输出到混频器的RF端口。

步骤5、混频器将RF端口信号与本振信号混频后输出模拟中频信号，该信号经中频放大及低通滤波后被发送到高速14位模数转换器转换为数字信号。

步骤6、DSP读取探测雷达模数转换器输出的基带信号，5次叠加平均，Blackman-Harris加权函数对叠加平均后的数据进行了加权，在每组加权后的512位数据后面进行512位0填充，以提高信噪比及FFT结果的精度。

步骤7、将低位0填充后的数据进行FFT运算，并通过比较得带幅度峰值位置，在峰值处对数据进行二次曲线拟合，并据此计算出峰值信号的确切位置。

步骤8、根据二次曲线求的的峰值位置，在峰值处的极小的区间内对相位进行曲线拟合，并据此计算出峰值处的相位值，通过该相位值计算得到精确温度值。

步骤9、采用频率和相位计算得到的精确温度值，通过RS232将该温度值输出给上位机程序显示，若测得GIS母线温度超出温度极限，计算机将自动报警。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，该系统包括：

声表面波射频探测雷达，用于生成并发射探测用的电磁信号以及探测声表面波传感器传回的带有温度信息的电磁信号，并将该带有温度信息的电磁信号通过数字信号处理得到温度信息；

声表面波传感器，用于将传感器天线接收到的电磁信号转换为声表面波信号，并将被反射栅反射回来的带有温度信息的声表面波信号转换为电磁信号发送出去；

其中，所述声表面波射频探测雷达采用开关频率步进连续波探测雷达结构，包括晶体振荡器、锁相环频率综合器(PLL)、驱动缓冲器(Buffer)、分离器(splitter)、第一可变增益放大器(VGA，variable gain amplifier)、功率放大器(PA)、发送开关(TX switch)、发送接收开关(TRX switch)、雷达天线、低噪声放大器(LNA)、第二可变增益放大器(VGA，variablegain amplifier)、混频器(mixer)、中频放大器(IFA)、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)以及数字信号处理器(DSP)；所述锁相环频率综合器(PLL)由鉴频鉴相器(PFD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器、第一分频器和第二分频器组成；

所述晶体振荡器输出的10MHz信号经第一分频器(1)分频后输出到锁相环频率综合器的鉴频鉴相器，鉴频鉴相器比较该信号与压控振荡器输出信号经第二分频器(2)分频后信号的频率和相位差，输出比较结果经过环路滤波器滤波后输出给压控振荡器以控制压控振荡器输出需要的信号；数字信号处理器(DSP)不断向锁相环频率综合器(PLL)的第二分频器(2)发送频率控制字，以实现扫频；锁相环频率综合器(PLL)输出信号经过驱动缓冲器放大后输出给分离器分成两路信号，其中一路输出到混频器的本振端口(LO)，另一路被输出到第一可变增益放大器进行放大，其输出功率由数字信号处理器(DSP)控制；第一可变增益放大器输出的信号经功率放大器放大后被发送到发送开关，该开关由数字信号处理器(DSP)控制实现与锁相环频率综合器(PLL)扫频的同步；在数字信号处理器(DSP)的控制下，发送接收开关在发送通路上导通，从而将发送开关发送过来的信号送到雷达天线上；传感器天线的电磁信号经声表面波传感器的叉指换能器转换为声表面波信号，该声表面波信号遇到反射栅会被反射回来，反射回来的信号经叉指换能器转换为电磁信号发送出去；该电磁信号被声表面波射频探测雷达探测到，并经发送接收开关传送给低噪声放大器进行放大，将经低噪声放大器放大后的信号发送给第二可变增益放大器进一步放大，并将放大结果输出到混频器的RF端口；探测雷达接收到的信号与探测雷达分离器输出的本振信号经过混频器混频后输出中频信号，该中频信号经过中频放大器放大被送到低通滤波器进行滤波；将滤波后的信号经过高速14位模数转换器转换为数字信号，该数字信号被输出到数字信号处理器(DSP)进行数字信号处理。

2.根据权利要求1所述的适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，所述数字信号处理器(DSP)读取探测雷达模数转换器输出的基带信号，并对连续读出的数据进行叠加取平均以提高信号的信噪比；为降低数据时域的杂散信号的能量，Blackman-Harris加权函数对叠加平均后的数据进行加权，通过在每组加权后的512位数据后面进行0填充，能够提高FFT计算结果的精度；分别计算出FFT计算结果的每组数据的幅度和相位，通过比较求出超过峰值比较门限的峰值数据的位置，判断声表面波温度传感器ID；对数据在峰值处进行曲线拟合，利用拟合的曲线计算出峰值信号的确切位置，采用该方式能够提高温度监测系统的测量精度；通过两个反射栅反射回信号的频率差能够粗略的计算出声表面波传感器材料的温度；将峰值处的相位在极小的区间内进行拟合，并进一步计算出峰值处的相位值，然后通过相位值对测量温度进行进一步校准，从而得到声表面波传感器材料的精确温度值；数字信号处理器(DSP)计算得到的温度值经过RS232接口发送到上位机，并通过上位机显示出来，对于超过温度极限的相关信号以红色显示或者发出报警，从而实现对气体绝缘开关柜(GIS)母线温度的实时监测报警。

3.根据权利要求1所述的适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，所述声表面波射频探测雷达采用具有发送开关和发送接收开关的开关频率步进连续波探测雷达结构，在雷达发送探测信号的周期内，数字信号处理器(DSP)向锁相环频率综合器发送频率控制字，并打开发送开关和发送接收开关的发送通道将探测信号输送到雷达天线上去；在雷达接收反射回来的探测信号的周期内，数字信号处理器(DSP)向锁相环频率综合器发送频率控制字，同时打开发送接收开关的接收通道，接收来自雷达天线的信号；通过发送和接受信号通路的隔离可以极大地抑制由雷达天线失配以及接口耦合引入的泄露噪声。

4.根据权利要求3所述的适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，所述数字信号处理器(DSP)通过不断向锁相环频率综合器写入控制字实现锁相环频率综合器输出在430MHz-440MHz的ISM频段扫频。

5.根据权利要求4所述的适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，所述数字信号处理器(DSP)读取声表面波温度传感器的标签值，以确定声表面波传感器序号。

6.根据权利要求1所述的适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，该系统将传感器天线嵌入气体绝缘开关柜母线铣出的槽中实现无源声表面波传感器对气体绝缘开关柜母线的温度的感知以及温度信息的无线发送。

7.根据权利要求1所述的适合于气体绝缘开关柜的声表面波温度监测系统，其特征在于，该系统还包括：

上位机，用于读取探测雷达探测到的温度信息并显示出来。