CN103868620B - 用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器，包括：单向叉指换能器、频率正交反射栅码片组；所述频率正交反射栅码片组，包括：n个依次排列的码片；所述n个码片构成一种传感器编码；每个码片由一种周期的电极组成，形成对一个正交子频率的反射；所述多个码片之间形成的子频率相互正交；每个码片反射信号的时域长度保持一致，满足正交条件。本发明还提供相应的系统。本发明提供的远距离、多点连接和抗干扰的声表面波无线传感器方法，解决了码分复用编码的无源传感器系统的“远近效应”，能够满足智能电网对电力设备温度无线监测的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备的温度监测领域，具体地，涉及电力设备远距离无源无线温度监测的传感器及其系统。
背景技术
在电力设备状态监测众多监测量中，温度是最为关键的检测量之一。通过温度监测，可及时准确地了解电力设备的运行状态与故障信息。监测电力设备的运行温度，如变压器的油温，输电线路（架空线及电力电缆）的导体温度可推算其负载极限容量和设备老化程度，从而为电力设备动态增容或维修更新提供依据。监测发电机的定转子、高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关、断路器触头、电容器、电抗器、高压电缆、变压器等处的温度，能及时发现在其出现异常情况或者故障时所伴随的局部或整体的过热或温度分布相对异常，也可为故障分析提供历史资料。
现有针对电力设备温度监测主要有红外测温、有源无线测温以及分布式光纤测温等技术方案。红外测温受环境条件因素影响较大，方案造价也高；有源无线测温方案，现在一般采取电池或是电流互感器（CT）取电后为测温芯片供电，传感距离非常远。但在高温、超低温、强电磁场等恶劣环境下，电池和电子元件的寿命都存在问题。采取CT取电方式的有源传感器，因CT取电的线圈有安装位置要求，在线路故障状态下也无法供电，其应用同样具有很大的局限性。光纤测温属于有线测温方式，测量高电压一次侧的光纤或其护套存在对地绝缘性问题。同时光纤具有易折，易断的特性。另外光纤传感器设备造价较高。
基于声表面波（surfaceacousticwave,简写为SAW）技术的无线温度传感器利用的是压电材料，具有纯无源、无线特性，无须考虑传感器供电、高电压绝缘、设备旋转等问题；可耐受高温和低温（～-200～1000℃）；其不牵涉半导体材料中电子的迁移过程，寿命长、抗放电冲击和抗电场、磁场等干扰能力强；传感器尺寸小（厘米级），重量轻，易于结构设计与安装。由此可见，SAW无线传感技术为电力设备的温度监测提供了一个具有广阔应用前景的理想技术平台。
但目前研制的SAW无线传感阵列还不能完全满足智能电网和特高压应用中对温度监测的需求，表现出的问题主要包括：
问题1：作用距离不够。以架空线路动态增容的温度监测为例，若以安装的SAW阅读器为球心来考虑，作用半径至少在30米左右。美国Sengenuity公司研制的用于开关柜温度监测的SAW无线传感器测温作用距离只在2米之内。德国Brunsbüttel,PreussenElektra公司和Darmstadt工业大学在上世纪90年代末研制的用于电力传输线、半导体氧化物避雷器以及隔离开关合闸是否到位等应用的SAW无线温度测量系统作用距离可达10米，但要在电力设备监测中推广应用，其作用距离仍需进一步提高。
问题2：同时检测的温度点数量不够。在输电线路监测中，考虑同一杆塔上一回交流高压输电线路的三相，如果在塔两侧所接输电线上安装，考虑多回线路同杆情形及导线温度模型推算需要所进行的环境温度监测等情况，传感器的数量则至少在7个以上。变压器油温、开关柜温度及其他电力设备的温度监测要求对传感器数量要求相似。美国Sengenuity公司研制的用于开关柜温度监测的SAW无线传感阵列中传感器数量可达6个（采用3个天线，实施空分复用后可达18个），但占据20MHz带宽，远远超过433MHz频段允许的1.87MHz带宽要求。国内华中科技大学、上海交通大学、重庆大学以及中科院声学所等单位研制的电力测温的SAW无线传感器也属于该工作方式。
问题3：传感器抗干扰性能有待提高。随着“智能电网”中无线传感器的广泛应用，传感阵列受突发性、带内同频干扰影响的可能性大大增加；在“智能电网”的各种应用场合下，不同场景的频率选择性衰落、多径效应、气候环境等影响也各不相同，可能造成无源传感器无线链路中断，回波数据丢失或者由于信噪比很差造成测量野值。这些因素都严重地影响到传感阵列的可靠性，可能造成误报警甚至继电保护误动作。
近年，有学者提出采用正交频率编码(OFC)的SAW射频标签传感技术方案。该方案借鉴了无线通讯中正交频分复用（OFDM）的思想，能有效地克服信道的频率选择性衰落，有利于提高SAW传感器的可靠性。同时，OFC的SAW无线传感器每条反射栅都是窄带的，基本不反射其他正交频率。相对于反射延迟线型SAW传感器，每条反射栅的反射率不再仅为10%左右（否则后续反射栅将接收不到查询脉冲能量），而是可以达到40～50%。仅反射栅反射损耗一项，采用OFC的SAW传感器就可降低插损12-13dB。正交频分编码是一种扩频编码，类似于脉内信息调制雷达，传感器在解调时，可以根据每位中包含的码片数量N，增加20log10N的信噪比，有利于作用距离的提高。据文献报道，OFC编码的SAW射频标签（RFID）阅读距离可达60米。但该编码方式用于温度传感器时还存在若干困难需要克服：
困难1：因为要对温度敏感，故不能像OFC-RFID那样选取低温度系数的压电材料作为基片材料。但由于温度变化，类似于通讯系统中OFDM产生多普勒频移，原本相互正交频率的条件被破坏。阅读器解调传感器信息时，相关峰性能随温度变化范围增大而急剧下降。文献报道的测温范围只有55度。
困难2：OFC本身不具有多址能力。SAW器件又是纯无源的，只能被动地反射查询信号，而不能主动地控制何时发送或停止发送信息。阅读器若要同时查询和读取多个OFC-SAW传感器时，现有的方案是采用时分复用与OFC编码相结合。但由于受限于可应用的无线带宽和SAW基片材料长度，在10毫米长的压电基片上（已是极限，再长SAW传播损耗和衍射损耗将大得无法接受）很难实现8种以上的传感器类型。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电力设备远距离无源无线温度监测的传感器及其系统。
根据本发明提供的用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器，包括：单向叉指换能器、频率正交反射栅码片组；
所述频率正交反射栅码片组，包括：n个依次排列的码片；
所述n个码片构成一种传感器编码；
每个码片由一种周期的电极组成，形成对一个正交子频率的反射；
所述多个码片之间形成的子频率相互正交；
每个码片反射信号的时域长度保持一致，满足正交条件。
优选地，在每一个频率正交反射栅码片组中，相邻的码片之间均设置一个相等的固定时延τD作为保护填充，以在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断，抑制各子频率间的干扰。
优选地，所述传感器为通过如下步骤优化后的传感器：
-通过格林函数结合有限元工具，优化SAW传感器换能器和反射栅结构，降低插入损耗，具体为：根据铌酸锂基片上不同取向、换能器和开路、短路、浮动指条式反射栅在基频及二次谐频下：指条数、金属化厚度、金属化率及浮动指条拓扑加权、位置加权与反射、透射系数的幅值和相位变化规律，计算不同指条数、金属化厚度、金属化率等条件下反射栅的反射系数和透射系数。利用其规律性，设计出各正交频率分量反射系数相同的SAW传感器。利用Lagrangian描述下的温度系数，带入格林函数，优化出对各正交频率反射特性的温度变化斜率最低的反射栅拓扑结构，降低温度对反射率的影响，保证传感器阅读距离不随着温度升高而又显著下降。
根据本发明提供的用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器系统，包括多个权利要求1所述的传感器，其中，不同的传感器所含频率正交反射栅码片组构成的传感器编码各不相同。
优选地，在多个传感器构成的传感器阵列中，每个传感器编码对应的首个码片所形成的子频率各不相同，而后面n-1个码片形成的子频率的排列采用随机码、基于载波干扰比最大的预编码、或者Turbo码编码。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出基于正交频率的远距离、多点连接和抗干扰的声表面波无线传感器方法，是创新之处，因为该技术路线可以借助于正交频率技术，较好地解决码分复用编码的无源传感器系统的“远近效应”，能够同时阅读多个无源SAW传感器作用距离最远的系统，满足智能电网对电力设备温度无线监测的要求。在具体的技术路线方面，有两处研究特色。其一是针对正交频率编码受温度影响后会产生不正交的问题，本发明提出了在反射栅之间增加该保护填充可保证SAW传感器上各码片之间对各个子频率信号的反射不会形成相互干扰，即便是各码片受温度的影响，反射频率发生偏移，该段时隙也能在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断，抑制各子频率间的干扰。其二是在利用声表面波器件的反射栅表示正交频率编码时，本发明利用广义格林函数结合有限元理论，精确分析稀疏电极组成的反射栅的Rayleigh波在基频及谐频下的反射、透射和散射等物理问题，解决了国际上利用傅立叶变换方法中计算速度慢、体波散射计算精度低等缺点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为利用本发明的基于OFC声表面波传感器的电力设备温度监测方案整体框架；
图2为多传感器码分复用编码的时-频特性；
图3为基于码分多址的自适应匹配滤波示意图；
图4为面向输电线路温度监测传感器结构。
图中：
101为对口螺栓；
102为输电线的线芯；
103为螺钉；
104为微带天线；
105为声表面波传感器；
106为输电线的金属外壳。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种码分多址（CDMA）与OFC编码相结合的SAW（无源无线）传感器技术。码分多址是解决移动通讯中多址访问的好方法。但无源SAW传感器不能像通信设备那样主动地进行功率均衡，即当多个传感器与阅读器存在“远近效应”时，回波幅度相差很大，无法通过相关运算分离出各个传感器的信息，因此单独采用CDMA编码的SAW传感阵列并不实用。但若将正交频率编码与CDMA相结合，则可以首先通过估计各个正交频率的频谱大小，实现功率均衡，然后可以实现多传感器信息逐个分离解出。由于这种方式的SAW传感器的所有反射回波信号允许在时间域相互重合，但在时-频二维空间可以很好的分离，此外，设计出的传感器回波信号又可以实现码分复用的相关处理增益，可以很轻易地实现8种以上不同传感器。
正交频率与CDMA相结合编码的SAW传感器在进行测温时可以采用不同于目前OFC-SAW温度传感器的解调方法。一方面，可以精确计算SAW反射栅对各正交频率反射特性随温度变化关系，从中优化出对各正交频率反射特性对温度变化斜率最低的反射栅拓扑结构，降低温度对反射率的影响，保证传感器阅读距离不随着温度升高而又显著下降；另一方面，可以采用一种根据测量温度自适应搜索、匹配滤波的解调方法，在获得匹配输出的同时也获得了被测温度值。
为解决“智能电网”电力设备，特别是特高压电力设备对温度监测的需求，本发明提出基于正交频率编码与码分多址相结合的声表面波无源无线传感方法，以实现远距离、多点连接测量以及高可靠性的温度监测。
下面对利用本发明能够实现的监测系统的整体框架进行说明。
如图1所示，在所构建电力设备温度监测模型空间中，包括：阅读器、宽带天线、多个声表面波传感器。其中，声表面波传感器包括：单向叉指换能器、频率正交反射栅码片组；声表面波传感器1～N任意分布（根据电力设备监测实际需求，N取值在8至10之间可满足要求）。
温度监测信号处理流程如下：
步骤1：阅读器通过宽带天线发射上线性调频（upchirp）查询信号，上线性调频查询信号在强电磁干扰信道A中传播至声表面波传感器；
步骤2：声表面波传感器通过单向叉指换能器根据上线性调频查询信号接收OFC信号并转化为声表面波信号；
步骤3：令声表面波信号经过频率正交反射栅码片组反射并经过单向叉指换能器形成回波信号；
步骤4：回波信号在强电磁干扰信道A中传播至阅读器，阅读器通过宽带天线接收回波信号并进行下线性调频（downchirp）；
步骤5：阅读器对经下线性调频后的回波信号进行解调等信号处理过程，进行多传感器识别与温度信息提取。
其中，上下线性调频可以增加20～50左右的处理增益，有利于提高声表面波传感器作用距离。
下面对OFC结合CDMA编码的技术路线进行说明。
如图1右下角所示，声表面波传感器含有f0～f78个码片s并构成一种编码，其中，码片是指码片。其中每个码片又由一种周期的电极组成，形成对一个正交子频率的反射；多个码片之间形成的子频率相互正交。应根据正交频率编码理论设计出每个码片中电极的数量，以确保每个码片反射信号的时域长度保持一致（在时间响应上对应图1中的时延τC），满足正交条件。各码片的排列顺序不同，形成其他编码。例如：图1中f6、f4、f0、f7、f1、f2、f5、f3的排列顺序构成一种编码；若按f4、f7、f6、f0、f1、f2、f3、f5的排列顺序则构成另外一种传感器。根据正交编码理论，当器件响应进行自相关运算时，可以有很高的相关峰（理论上具有N位正交频率编码的声表面波传感器，通过压缩脉冲的方式处理回波信号，可以形成N2倍处理增益，结合上、下线性调频的处理增益50，因此可以在发射功率和接收灵敏度相同情况下，大大提高传感器无线作用距离）。而两种不同编码的器件进行互相关运算时，却有很低的互相关峰。本发明研究仿真挑选那些两两互相关峰很低的编码组成一个传感器阵列，即使这些传感器同时响应阅读器的查询信号，回波在时域上都混叠在一起，仍可通过码分复用方法进行区分。
在图1中还可看到：各码片之间增加了一个相等的固定时延τD（保护填充）。增加该保护填充可保证SAW传感器上各码片之间对各个子频率信号的反射不会形成相互干扰，即便是各码片受温度的影响，反射频率发生偏移，该段时隙也能在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断，抑制各子频率间的干扰。
下面对多传感器检测识别、频偏估计及基于自适应匹配滤波的温度检测进行说明。
为了实现多个声表面波传感器的识别，在复杂电磁环境中提高编码的识别率，对于在回波信号处理中采取相关运算提高信号处理增益与身份识别方法而言，需要降低各编码信号之间的互相关性，就需要优化对应各子频率码片的空间排序。可能的排列方法可借鉴随机码、基于载波干扰比最大的预编码或者Turbo码编码均可降低码间干扰，保证信号处理增益的提高。上述方法也是码分复用的多址访问原理。但在多传感器与阅读器之间距离不等的情况下，各传感器回波信号的功率及噪声水平不等，只有消除阅读器与传感器之间的“远近效应”，才能在多传感器时域响应彼此混叠情况下，有效分离出各传感器的响应。
本发明使声表面波传感器阵列中的每个传感器编码的首个码片子频率不同，而后面n-1个频率的排列采用随机码、基于载波干扰比最大的预编码、或者Turbo码编码。在解决传感器基片上码间干扰时所增加的时隙同样对传感器识别起作用。如果时延τD大于调制信号及其经过传感器响应之后的回波信号在信道中的传播时间之和，如半径为30米的球域空间，该时延小于200ns，则该时延可保证阅读器在接收多传感器回波信号时，任意传感器回波的第二编码信号在时域空间内不会进入第一编码信号时间间隙。如图3所示，f(t)为所有传感器时域响应信号的叠加，g[(f-△fi),(t-τi),si]为自适应匹配滤波函数，为频率偏移，时延，功率匹配系数的函数，最佳匹配系数（△fM,τM,sM）为相关峰最大时对应的匹配系数值。在解调后的回波信号第一段（τc+τD）时隙中，所含不同频率成分的信号对应不同传感器。这样依照第一编码的信号即可初步识别混叠信号中含有几个传感器信息、以及这几个传感器的编码。本发明根据各回波信号功率谱的评估，对不同编码传感器进行功率均衡。此时每个子频率频偏的大小精度不高，不能用于温度检测，但可以极大地缩小后续匹配滤波过程的温度搜索范围，提高搜索效率。
然后可以按照图3所示的方法，逐次进行自适应匹配滤波，当生成某一特定编码的匹配信号g(f,s,t)与时域混叠的多传感器信号f(t)的自相关运算相关峰达到最大值时，即可确定出该编码传感器对应的温度值。然后再更换阵列回波信号中存在的另外一个编码重新按图3进行搜索。需要说明的是，生成的匹配信号g(f,s,t)看似为一个二维信号，但其中的两个自变量都只是温度的函数，根据搜索的温度，即可确定出各自的值。因此整个搜素速度是可以保证的。
下面对传感器的优化响应进行说明。
为保证正交频率编码在SAW传感器上的低损耗表征，本发明重点研究叉指换能器频响特性，换能效率和反射栅的反射特性与频响特性，并对其参数进行优化设计。因正交频率编码的反射栅金属化厚度相同，但反射栅周期数、反射电极根数相差很大，可以根据铌酸锂基片上不同取向、换能器和开路、短路、浮动指条式反射栅在基频及二次谐频下：指条数、金属化厚度、金属化率及浮动指条拓扑加权、位置加权与反射、透射系数的幅值和相位变化规律，计算不同指条数、金属化厚度、金属化率等条件下反射栅的反射系数和透射系数。得到其规律性，以确保设计出各正交频率分量反射系数相同的SAW传感器。利用Lagrangian描述下的温度系数，带入格林函数，优化出对各正交频率反射特性的温度变化斜率最低的反射栅拓扑结构，降低温度对反射率的影响，保证传感器阅读距离不随着温度升高而又显著下降。
在传感器结构方面，应综合考虑传感器安装、传感器精度与动态性以及消除安装应力、阅读器晶振温漂等干扰因素等问题。图4是本发明采取的面向输电线路温度检测传感器结构。如图4所示传感器安装的位置，可通过金属与线芯很好接触，同时通过隔热绝缘材料与外壳金属隔开，保证温度能很好地跟随芯线温度的变化，同时又不会因为外壳金属的散热影响测量的精度。微带天线与外壳板之间用绝缘材料隔开，通过螺钉固定。利用有限元软件等工具优化传感器结构尺寸和封装的热容量与导热结构。提高传感器动态性指标。传感器的封装和引线是影响传感器稳定性的重要因素，由于SAW对质量加载非常敏感，灰尘、油渍、潮湿等因素可能会使传感器完全失效。如何通过合理封装既保证基片表面与外界完全隔离，又保证在传感器安装后被测量能高效加载到基片上，达到机械上牢固，抗振动，抗冲击，同时避免热应力和封装寄生效应对敏感元件和高频表面波的影响，是表面波传感器封装时必须要考虑和解决的问题。
在天线设计方面，采用微带线天线形式。采用全波仿真软件AnsoftHFSS进行建模，仿真计算天线的反射系数、增益、方向图和阻抗曲线等参数。馈电系统的正确设计对于提高天线辐射，接收效率是十分重要的。声表面波器件本身的阻抗与发射天线的阻抗可通过微带馈线网络结构来实现匹配。根据天线的阻抗特性曲线，设计微带巴伦馈线，使天线在设计频带内阻抗渐变至50Ω。天线的频带根据电力设备监控现场电磁干扰信号的特性初步选择在中心频率为915MHz的890MHz-940MHz。
根据本发明实现的实现8-10个传感器30米内的无干扰同步阅读，温度检测范围-50℃～+150℃，检测误差±1℃以内。其中的915MHz无线SAW传感器的作用距离已可达5米。通过降低传感器反射损耗12-13dB，上下线性调频带来处理增益50乘以码分复用解调处理增益64，两项共折合30dB，因此，将传感器的作用距离提高到30米能够得以实现。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (3)
1.一种用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器，其特征在于，包括：单向叉指换能器、频率正交反射栅码片组；
所述频率正交反射栅码片组，包括：n个依次排列的码片；
所述n个码片构成一种传感器编码；
每个码片由一种周期的电极组成，形成对一个正交子频率的反射；
所述n个码片之间形成的子频率相互正交；
每个码片反射信号的时域长度保持一致，满足正交条件；
在每一个频率正交反射栅码片组中，相邻的码片之间均设置一个相等的固定时延τD作为保护填充，以在时域空间对不同频率信号的叠加与相互影响形成隔断，抑制各子频率间的干扰；
所述传感器为通过如下步骤优化后的传感器：
-通过格林函数结合有限元工具，优化SAW传感器换能器和反射栅结构，降低插入损耗，具体为：根据铌酸锂基片上不同取向、换能器和开路、短路、浮动指条式反射栅在基频及二次谐频下：指条数、金属化厚度、金属化率及浮动指条拓扑加权、位置加权与反射、透射系数的幅值和相位变化规律，计算不同指条数、金属化厚度、金属化率条件下反射栅的反射系数和透射系数；利用其规律性，设计出各正交频率分量反射系数相同的SAW传感器；利用Lagrangian描述下的温度系数，带入格林函数，优化出对各正交频率反射特性的温度变化斜率最低的反射栅拓扑结构，降低温度对反射率的影响，保证传感器阅读距离不随着温度升高而又显著下降。
2.一种用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器系统，其特征在于，包括多个权利要求1所述的传感器，其中，不同的传感器所含频率正交反射栅码片组构成的传感器编码各不相同。
3.根据权利要求2所述的用于电力设备远距离无源无线温度监测的传感器系统，其特征在于，在多个传感器构成的传感器阵列中，每个传感器编码对应的首个码片所形成的子频率各不相同，而后面n-1个码片形成的子频率的排列采用随机码、基于载波干扰比最大的预编码、或者Turbo码编码。
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