CN109269665A - 面向电网的无线温度感知与安全预警系统及优化选址方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统及优选选址方法，所述系统包括：多个声表面波测温标签，各声表面波测温标签为嵌入声表面波温度传感器的声表面波测温标签，安装于配电设备的高压导体或关键部位，以在接收到第一标签读写设备的电磁波脉冲信号后利用声表面波温度传感器采集温度信息返回至第一标签读写设备；第一标签读写设备，用于向各声表面波测温标签发送读取温度信息的电磁波脉冲，接收各声表面波测温标签返回的温度信息，并传送至后台管理装置；后台管理装置，用于接收所述第一标签读写设备发送的温度测量数据，产生预警或报警信息，通过本发明，可有效提高工作效率和电网检修质量，降低电网检修成本。
Description
技术领域
本发明涉及供电领域内的测温技术领域，特别是涉及一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统及优化选址方法。
背景技术
在电力系统中，温度是表征设备运行正常的一个重要参数。随着科技的进步，社会用电负荷不断增长，为了避免因设备发热而导致的起火或爆炸，温度检测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失所采取的重要举措之一。
高压开关柜为电力电网运行过程中的一个电气设备，其主要具有电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，因此，高压开关柜在电力电网的运行中具有举足轻重的作用，为保证高压开关柜内各电器设备的正常运行，需要对其内的各种电气设备进行温度监测，尤其是断路器触头的温度。传统的温度监测，一般是采用人工监测，主要是通过电力工作人员手持红外测温仪对断路器触头的温度进行逐一测试并记录，然后将记录的结果统计会成曲线，进一步的通过曲线来分析温度变化情况。采用人工测试温度存在以下弊端：1、因测试点较多，测试人员较少，导致测试工作进展缓慢；2、测试工作占用了运维人员大量的时间和精力，导致了在电网事故处理、倒闸操作和其他临时工作上人员相对紧缺，时间冲突和精力分散的情况，极易造成设备巡视不到位或者倒闸操作不专注，降低生产效率和工作质量，使电网安全运行带来潜在性安全隐患。
随着各种测温技术的发展，也出现了很多温度自动检测技术，例如试温蜡片法、示温记录标签法、红外测温法、光纤测温法等，然而传统的这些温度测量方式周期长，施工复杂，效率低，不便于管理，发生故障时，要消耗大量人力物力排查和重新铺设线缆。在特定场合下检测点分数、环境密闭或存在高电压，有些测量方式根本无法实现测量工作。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统及优化选址方法，以代替人工进行自行测温，不仅降低工人劳动强度，同时还可提高测温工作效率。
为达上述及其它目的，本发明提出一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，包括：
多个声表面波测温标签，各声表面波测温标签为嵌入声表面波温度传感器的声表面波测温标签，安装于配电设备的高压导体或关键部位，以在接收到第一标签读写设备的电磁波脉冲信号后利用声表面波温度传感器采集温度信息返回至第一标签读写设备；
第一标签读写设备，用于向各声表面波测温标签发送读取温度信息的电磁波脉冲，接收各声表面波测温标签返回的温度信息，并传送至后台管理装置；
后台管理装置，用于接收所述第一标签读写设备发送的温度测量数据，产生预警或报警信息。
优选地，所述声表面波测温标签包括天线、射频模拟前端、数字控制器、存储器、声表面波温度传感器以及供电模块，所述声表面波温度传感器包括压电基片、叉指换能器、测温反射栅和编码反射栅，当所述第一标签读写设备的电磁波脉冲被所述天线接收，所述叉指换能器将通过天线接收到的电磁波信号转换为声表面波信号在所述压电基片上传播，在所述压电基片上传播的声表面波被所述测温反射栅和编码反射栅反射并在所述压电基片上传播回所述叉指换能器，由所述叉指换能器将传回的声表面波信号转换为电磁波信号并通过天线发送出去，被所述第一标签读写设备接收。
优选地，所述声表面波温度传感器采用谐振型传感器，多个的声表面波传感器构成分布式无线阵列传感器，只要阵列传感器中各个声表面波传感器的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码/解码功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各个传感元，从而达到识别阵列中各个传感单元的目的。
优选地，所述供电模块通过采用于主回路安装小电流互感器，从中取出电流为所述声表面波测温标签的其他模块进行供电。
优选地，所述供电模块采用一个磁路闭合的电流互感器套在铜排或触头臂上通过感应电流的方式来取电供所述声表面波测温标签工作。
优选地，所述第一标签读写设备还接收所述后台管理装置的授权信息，读取已安装于设备的编码，于读取现场设备编码后，经比对确定所测设备是否已授权，并记录测试时间、测试地点、关键点温度等关键信息，并传送至所述后台管理装置。
优选地，所述系统还包括第二标签读写设备，以在维护所述声表面波测温标签时读取其编码，提供编码与设备实际位置的唯一对应关系，并返回至后台管理装置。
优选地，所述第一标签读写设备采用自由模式和停止模式两种抗冲突协议在自由模式下，所述声表面波测温标签的声表面波传感器通过不同的时间间隔发送自身数据，所述第一标签读写设备通过数据校验对数据冲突进行处理，如发现数据冲突，则丢弃数据，接着所述第一标签读写设备继续发出脉冲信号试图读取声表面波传感器的数据，并通过数据校验没有发现数据冲突，即可顺利地读出所述声表面波测温标签的数据；在停止模式下，在所述声表面波测温标签成功地读出声表面波测温标签的数据后，发送停止命令，被成功读取的声表面波传感器停止传送自身数据，进入静止状态，以便更快速的读取标签数据。
为达到上述目的，本发明还提供一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的优化选址方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据现场实际工况建立数学模型，将成本最小问题转化为标签读写设备数量最小问题；
步骤S2，采用启发式权重生优策略的改进遗传算法进行模型求解。
优选地，采用图论中图与网络的邻接矩阵表示法来存储选址过程中提取出的巷道矢量图中的备选节点坐标值及相应弧信息。
与现有技术相比，本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统及优化选址方法通过于配网设备的高压导体和关键部位设置声表面波测温标签，利用标签读写设备通过声表面波测温标签采集设备关键点的温度信息，以便通过分析汇集带有识别信息的变电设备温度等状态信息，提前预警，根据相关检修规程，实现设备的正常、异常、严重状态评判，提出检修周期及检修策略建议，大大削减安全隐患，有效提高工作效率和检修质量，降低检修成本，适用于所有电压等级的变电站或配电房。
附图说明
图1为本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的系统架构图；
图2为本发明具体实施例中声表面波测温标签10的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中声表面波传感器104的结构示意图；
图4为本发明具体实施例中标签读写设备的原理图；
图5为本发明具体实施例中面向电网的无线温度感知与安全预警系统的系统结构图；
图6为本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的优化选址方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，包括：多个声表面波测温标签10、第一标签读写设备20以及后台处理装置30。
其中，声表面波测温标签10为嵌入声表面波温度传感器的声表面波测温标签，安装到设备的高压导体或关键部位，在本发明具体实施例中，各声表面波测温标签10设置于开关柜内需要测温处，具体地，一个开关柜内设置3-9个声表面波测温标签10，即设置3-9个温度采集点，声表面波测温标签10于接收到标签读写终端20的电磁脉冲信号后，通过叉指换能器转化为声表面波，声表面波遇到测温反射栅后形成回波，回波通过叉指换能器重新转化为电磁波并再次通过天线发射至第一标签读写设备20，以将温度信息返回至标签读写终端20；第一标签读写设备20，用于向各声表面波测温标签10发送读取温度信息的电磁波脉冲，并接收各声表面波测温标签10返回的温度信息，所述第一标签读写设备20还与后台管理装置30无线连接，将获取到的温度测量数据发送至后台管理装置30，较佳地，所述第一标签读写设备还接收后台管理装置30的授权信息，用于读取已安装于设备的编码，于读取现场设备编码后，经比对确定所测设备是否已授权，并记录测试时间、测试地点、关键点温度等关键信息，并传送至后台管理装置30，以方便巡检后追溯管理，较佳地，除了接收后台管理装置30的授权信息外，第一标签读写设备20还可以接收后台管理装置30的设备预警信息及检修建议信息等，在此不予赘述，在本发明具体实施例中，标签读写终端20为手持式标签读写器；后台管理装置30，用于接收第一标签读写设备20发送的温度测量数据，以对温度测量数据进行分析处理，产生报警或预警信息，较佳地，后台管理装置30还向第一标签读写设备20发送授权信息，由于后台管理装置30对具体的温度测量数据的分析处理采用的是现有的技术，在此不予赘述。
优选地，本发明之面向电网的无线温度感知与安全预警系统还包括第二标签读写设备，以在维护所述声表面波测温标签10时读取其编码，提供编码与设备实际位置的唯一对应关系，并返回至后台管理装置30。
图2为本发明具体实施例中声表面波测温标签10的结构示意图。如图2所示，该声表面波测温标签10包括天线100、射频模拟前端101、数字控制器102、存储器103、声表面波温度传感器104以及供电模块105，由于天线100、射频模拟前端101、数字控制器102、存储器103与现有技术技术相同，在此不予赘述。
图3为本发明具体实施例中声表面波传感器104的结构示意图。如图3所示，该声表面波传感器包括压电基片1、叉指换能器2、测温反射栅3和编码反射栅4，具体地，标签读写设备发射的电磁脉冲信号通过标签读写设备的天线发射，该脉冲信号被所述声表面波测温标签10中的标签天线100接收，叉指换能器2将通过标签天线100接收到的电磁波信号转换为声表面波信号在压电基片1上传播，在压电基片1上传播的声表面波被测温反射栅3和编码反射栅4反射并在压电基片4上传播回叉指换能器2，由叉指换能器2将传回的声表面波信号转换为电磁波信号并通过标签天线100发送出去，被标签读写设备的天线接收，该信号在标签读写设备内部被放大和处理，获得每个反射栅对应的相位信号，获得温度信号。
一般地，声表面波温度传感器按检测原理分为延迟型和谐振型两种类型，在本发明具体实施例中，声表面波温度传感器采用谐振型传感器，是因为其品质因素较延迟型器件高许多，并且损耗极小，更适应于远距离的无线遥感.而采用多个的声表面波传感器可构成分布式无线阵列传感器，只要阵列传感器中各个声表面波器件的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码(解码)功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各个传感元，从而达到识别(寻址)阵列中各个传感单元的目的，满足设计需要。
由于本发明所采用的声表面波测温标签10采用有源技术，其供电模块105能量的获取来自于小CT(Current transformer，电流互感器)取能，具体地，供电模块105采用主回路安装小电流互感器，从中取出电流为声表面波测温标签10的其他模块进行供电，由于断路器主回路电流从几十安到几千安变化，其变化达到几十倍之大，为保证电路互感器能提供较为稳定的电源，因此本发明利用铁心磁饱和的特性，即适当地选取电流互感器铁心的截面积及铁磁材料的导磁率，使它在母线流过正常电流时能正常励磁。一旦母线流入大电流，铁心磁饱和，使感应电动势缓慢变化，并通过有效的稳压电路，可以使它能向声表面波测温标签10提供较稳定地工作电源。小CT(Current transformer，电流互感器)的供电技术不但可以解决电池供电使用寿命短、更换电池等一系列的问题，而且不会对产品的绝缘、稳定性带来任何不利影响。
具体地说，由于开关柜内有裸露高压，并且空间狭小，在开关柜内安装监测点，首先需要解决的就是供电问题。电力开关柜在正常工作时，会带有一定的负载，这样，在铜排上会有一个随负载大小而波动的电流流过，通常电力开关柜设计的通流容量为最大1250A，实际正常应用时电流值介于50A到1000A之间。因此从理论上来说，可以采用一个磁路闭合的CT(Current transformer，电流互感器)套在铜排或触头臂上通过感应电流的方式来取电供声表面波测温标签工作。
当开关柜负载正常时，一次电流变化相对来说处于一个比较平稳的状态，电磁干扰也相对处于一个较稳定状态，此时本发明采用CT(电流互感器)取电稳压处理后供给监测设备，无需外加电源，并且设备处于实时工作状态，当监测到温度异常时，能及时报警提醒。
在本发明具体实施例中，标签读写设备是一个基于雷达原理的射频收发与信号处理系统，采用的电路主要有：脉冲型、脉冲压缩型和调频连续波型等.目前一般采用调幅的脉冲雷达系统，其原理框图如图4所示.所示系统为通用型的，只要改变本振频率及少数相关元器件，就可以应用于1kMHz以下各频段的声表面波标签读写，在此不予赘述。
在本发明具体实施例中，标签读写设备采用手持式读写器，其采用自由模式和停止模式两种抗冲突协议。在自由模式下，声表面波测温标签的声表面波传感器通过不同的时间间隔发送自身数据，该手持式读写器首先试图读取该声表面波传感器的数据，但是由于传感器在读取过程中也开始发送，因此，在本发明具体实施例中，手持读写器通过数据校验(曼彻斯特解码和CRC校验)对数据冲突进行处理，如发现数据冲突，则丢弃数据，接着手持式读写器继续发出脉冲信号试图读取声表面波传感器的数据，并通过数据校验没有发现数据冲突，即可顺利地读出了传感器的数据；在停止模式下，在手持式读写器成功地读出声表面波测温标签的数据后，发送停止命令，被成功读取的声表面波传感器停止传送自身数据，进入“静止”状态，这样可以更快速的读取标签数据。
图5为本发明具体实施例中面向电网的无线温度感知与安全预警系统的系统结构图。其包括多个设置于配网设备的高压导体或关键部位的声表面波测温标签，各声表面波测温标签上含有声表面波传感器1…N，读写器终端以及后台管理装置，其采用了声表面波和快速身份识别、信息获取及定位技术，该系统采用两种电子标签读写器：一种是维护设备编码的电子标签读写器，用来在维护电子标签时读取其编码，提供编码与设备实际位置的唯一对应关系；一种是内置于手持式终端的电子标签阅读器(读写终端)，用来读取已安装于设备的编码，读取现场设备编码后，经比对确定所测设备是否已授权，同时记录测试时间、测试地点、关键点温度等关键信息，方便巡检后追溯管理。
本发明之面向电网的无线温度感知与安全预警系统采用高效、低功耗通信传输技术及其在变电站强电磁干扰运行环境下采集及传输技术，具有自我身份识别、环境感知与自诊断和自修复功能、具备物联网交互接口的电力专用芯片和手持终端，实现了对信息的智能采集、传输、处理，满足设计需求。
为了克服无线射频识别技术在成本和读写距离等方面的不足，使其在电磁干扰环境中得以大规模应用，本发明提出考虑选址节点权重因子的多目标约束优化选址方法，以达到在成本最小、覆盖面积最大的前提下找到最优布局方案。图6为本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的优化选址方法的步骤流程图。如图6所示，本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的优化选址方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据现场实际工况建立数学模型，将成本最小问题转化为标签读写设备数量最小问题。
步骤S2，采用启发式权重生优策略的改进遗传算法进行模型求解。该方法不仅可以避免遗传操作的无谓搜索，加快算法收敛速度，而且可使解决方案更符合工程的实际应用
在本发明具体实施例中，为方便标签读写设备覆盖矩阵的计算，采用图论中图与网络的邻接矩阵表示法来存储由R2V软件提取出的巷道矢量图中的备选节点坐标值及相应弧信息。
为达到在成本最小、覆盖面积最大的优化目标约束条件下使优化结果符合工程实际要求，根据现场实际工况建立优化数学模型，并将成本最小问题转化为声表面波阅读器数量最小问题，在解决方案中，解的维数代表候选安装节点的序号，该顺序从小到大排列，并且该序号在后续遗传变异操作中不发生改变。
具体地，目标如下：
目标1：
目标2：
式中，f1(x)为候选方案中已安装声表面波阅读器总数；p为候选节点的总数；xi为候选节点的决策变量，当xi＝1时表示在第i个候选节点上安装声表面波阅读器，当xi＝0时表示在第i个候选节点上不安装阅读器；i、j为候选节点的序号；V为候选节点集，|V|表示候选节点的维数；f2(x)为候选方案中能否覆盖的节点总数；si为当候选节点i上安装声表面波阅读器时其能够覆盖的节点总数；cij为候选节点覆盖情况决策变量，当其值为1时，表示节点i或j能够覆盖节点j或i，否则为不能覆盖。
综上所述，本发明一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统及优化选址方法通过于配网设备的高压导体和关键部位设置声表面波测温标签，利用标签读写设备通过声表面波测温标签采集设备关键点的温度信息，以便通过分析汇集带有识别信息的变电设备温度等状态信息，提前预警，根据相关检修规程，实现设备的正常、异常、严重状态评判，提出检修周期及检修策略建议，大大削减安全隐患，有效提高工作效率和检修质量，降低检修成本，适用于所有电压等级的变电站或配电房。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，包括：
多个声表面波测温标签，各声表面波测温标签为嵌入声表面波温度传感器的声表面波测温标签，安装于配电设备的高压导体或关键部位，以在接收到第一标签读写设备的电磁波脉冲信号后利用声表面波温度传感器采集温度信息返回至第一标签读写设备；
第一标签读写设备，用于向各声表面波测温标签发送读取温度信息的电磁波脉冲，接收各声表面波测温标签返回的温度信息，并传送至后台管理装置；
后台管理装置，用于接收所述第一标签读写设备发送的温度测量数据，产生预警或报警信息。
2.如权利要求1所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于，所述声表面波测温标签包括天线、射频模拟前端、数字控制器、存储器、声表面波温度传感器以及供电模块，所述声表面波温度传感器包括压电基片、叉指换能器、测温反射栅和编码反射栅，当所述第一标签读写设备的电磁波脉冲被所述天线接收，所述叉指换能器将通过天线接收到的电磁波信号转换为声表面波信号在所述压电基片上传播，在所述压电基片上传播的声表面波被所述测温反射栅和编码反射栅反射并在所述压电基片上传播回所述叉指换能器，由所述叉指换能器将传回的声表面波信号转换为电磁波信号并通过天线发送出去，被所述第一标签读写设备接收。
3.如权利要求2所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于：所述声表面波温度传感器采用谐振型传感器，多个的声表面波传感器构成分布式无线阵列传感器，只要阵列传感器中各个声表面波传感器的叉指换能器具有不同的频率选择特性，或者不同的编码/解码功能，就可以通过发射信号的频率或者编码选择激励阵列中各个传感元，从而达到识别阵列中各个传感单元的目的。
4.如权利要求1所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于：所述供电模块通过采用于主回路安装小电流互感器，从中取出电流为所述声表面波测温标签的其他模块进行供电。
5.如权利要求4所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于：所述供电模块采用一个磁路闭合的电流互感器套在铜排或触头臂上通过感应电流的方式来取电供所述声表面波测温标签工作。
6.如权利要求1所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于：所述第一标签读写设备还接收所述后台管理装置的授权信息，读取已安装于设备的编码，于读取现场设备编码后，经比对确定所测设备是否已授权，并记录测试时间、测试地点、关键点温度等关键信息，并传送至所述后台管理装置。
7.如权利要求1所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于：所述系统还包括第二标签读写设备，以在维护所述声表面波测温标签时读取其编码，提供编码与设备实际位置的唯一对应关系，并返回至后台管理装置。
8.如权利要求1所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统，其特征在于：所述第一标签读写设备采用自由模式和停止模式两种抗冲突协议在自由模式下，所述声表面波测温标签的声表面波传感器通过不同的时间间隔发送自身数据，所述第一标签读写设备通过数据校验对数据冲突进行处理，如发现数据冲突，则丢弃数据，接着所述第一标签读写设备继续发出脉冲信号试图读取声表面波传感器的数据，并通过数据校验没有发现数据冲突，即可顺利地读出所述声表面波测温标签的数据；在停止模式下，在所述声表面波测温标签成功地读出声表面波测温标签的数据后，发送停止命令，被成功读取的声表面波传感器停止传送自身数据，进入静止状态，以便更快速的读取标签数据。
9.一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的优化选址方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据现场实际工况建立数学模型，将成本最小问题转化为标签读写设备数量最小问题；
步骤S2，采用启发式权重生优策略的改进遗传算法进行模型求解。
10.如权利要求9所述的一种面向电网的无线温度感知与安全预警系统的优化选址方法，其特征在于：采用图论中图与网络的邻接矩阵表示法来存储选址过程中提取出的巷道矢量图中的备选节点坐标值及相应弧信息。
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