CN109540328A - 基于无源传感技术的智能无线测温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无源传感技术的智能无线测温系统，包括监控中心站，监控中心配置中心数据服务器以及多台前置通信服务器，每个前置通信服务器信号可以接入多个用于对被检测电气设备进行无线测温的温度采集终端；温度采集终端包括温度采集器、SAW温度传感器、采集器天线和通信管理机；本发明一方面能够实现电气设备温度传感智能化，通过在电气设备上进行预装无源无线温度传感器实现特定位置温度的监测，并通过窄带无线通信技术实现全站组网连接，另一方面采用预装方式以避免现场加装带来的停电成本高和工程量大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统无线测温技术领域，尤其是涉及一种基于无源传感技术的智能无线测温系统。
背景技术
电力系统的一次电气设备一般由断路器、变压器、电缆、母线、开关柜等电气设备组成。其相互之间由母线、引线、电缆等连接,由于电流流过产生热量，所以几乎所有的电气故障都会导致故障点温度的变化。例如在变电站中电缆接头、电缆中间连接处、高压电缆的局部放电、高压开关柜的动静触头及其他连接处、低压电气连接处等位置过热是大型事故的征兆，也是电厂事故多发的重灾区。
电气设备的故障在早期往往会以温度的异常升高反映出来，因此，对电气设备进行温度监测是十分必要的。在不具备在线监测的条件下，设备的运维人员要通过人工巡检来发现潜在问题。因人工巡检工作量大，容易存在疏忽遗漏，且无法全面掌握被测对象运行参数的演变规律，因此通过对电气设备变电站的智能化改造，逐步实现变电站的无人值守，在线监测技术越来越得到关注。
人工巡检方式运用贴附示温腊片、红外成像及测温仪等方法检测相关设备重要部位的温度值，然而由于部分电力设备本身结构的复杂性，仅能够运用间接的测量方式检测设备关键部位温度。然而离线目测的方式存在非常大的局限性，针对部分缺陷，特别是隐蔽性缺陷都很难精确的察觉，另外在运转过程中比较容易产生热的设备，需要设备产生的热能达到某一特定温度后才能被察觉，具有很大的延时性，当发现时设备故障范围己经扩大，严重时甚至影响电网的稳定运转。因此，电网智能化运维亟待一种不仅不干扰变电站设备正常运转，而且还能完成重要设备关键位置温度值实时检测的新型测温方式，在很大程度上完成真正的变电站电力设备“免维护”。
国内电力测温主要应用红外点测仪和红外成像仪，而在线方式由于无法解决高压绝缘问题，所以高压开关的触点等空间有限的电气设备基本上都是处于完全无监控的状态下运行，随着无线测温技术的发展，接触式测温无线传输在电力测温系统也逐渐为人们所认可。
申请公布号为CNCN 107871387 A的发明申请公开了一种有源无线测温系统，包括温度电压监测子系统、数据中继子系统、接收报警数据管理终端子系统、WEB监测系统和报警发送子系统；所述温度电压监测子系统依次与数据中继子系统和接收报警数据管理终端子系统信号连接，所述接收报警数据管理终端子系统分别与WEB监测系统和报警发送子系统信号连接。通过该发明可以准确判断温度异常位置，提高设备维修效率，并且实现远程实时监控。然而，该发明申请采用有源无线测温技术，需定期更换电池，无线通信模块工作温度受限（通常不高于85℃）,电池存安全隐患。
授权公告号为CN 104483024B的发明专利提供了一种远距离红外测温装置，包括红外温度传感器、聚光杯、固定在聚光杯外部的聚光杯壳、放大应用电路板、绝缘板、固定螺栓、调整垫片，红外温度传感器通过绝缘板与放大应用电路板相连，绝缘板的两侧通过固定螺栓固定在聚光杯壳的后部，绝缘板与聚光杯壳之间设有调整垫片。该发明结构简单、成本低，不需借助任何其它光学系统，使用过程中无须调整聚焦，通过红外温度传感器与聚光杯的配合使用，大大增大了红外测温距离，从而可对无法靠近的和危险场合进行红外温度监控，也可对一些易燃物品进行温度监控，达到火灾预防控制目的。然而，该发明采用红外测温技术，需人工，非接触式测温，视线不及处无法检测，测温精度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于无源无线传感技术的智能无线测温系统，一方面能够实现电气设备温度传感智能化，通过在电气设备上预装无源无线温度传感器实现对特定测点温度的实时连续监测，并通过窄带无线通信技术实现全站组网连接，另一方面采用预装方式以避免现场加装带来的停电成本高和工程量大的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于无源传感技术的智能无线测温系统，包括监控中心站，与监控中心站信号连接的中心数据服务器，以及与监控中心站信号互联的多个前置通信服务器，每个前置通信服务器信号接入有多个用于对被检测电气设备进行无线测温的温度采集终端；所述温度采集终端包括温度采集器、SAW温度传感器、采集器天线和通信管理机，SAW温度传感器和采集器天线预装在被检测电气设备上；所述SAW温度传感器由SAW温度传感器芯片和微型天线构成。
所述SAW温度传感器具有12个不同的信道，每个信道的传感器独占一段频段，多个传感器临近部署时，各自工作不互相干扰；所述SAW温度传感器的测温范围为-40℃～+150℃，测温精度为±1℃，防护等级为IP65。
所述温度采集器天线通过螺丝固定或强力磁铁吸附在被检测电气设备内，向四周发射特定频率范围的射频信号，并通过射频电缆与所述温度采集器信号连接，用于射频信号的收发。
所述SAW温度传感器接收符合自身谐振频率的激励信号后将带有温度信息的射频信号反射回来，温度采集器接收到SAW温度传感器反射回来的射频信号后进行信号调理和数据处理，从而获得相应传感器采集到的实时温度信息。
所述温度采集器具备远程数据传输功能，将采集到的温度数据通过有线串行RS485总线、或无线ZigBee通讯方式传送到前置通信服务器,温度采集器能够灵活接入支持工业标准Modbus-RTU协议的第三方系统中。
所述通信管理机安装在被检测电气设备内，通过现场总线和片区内前置通信服务器通信，实现监控数据实时采集，通过标准电力规约上传至后台监控上级主站，实现对电力设备温度的无源无线连续监测。
所述监控中心站、中心数据服务器和前置通信服务器上均内置有监控软件，用于温度实时显示、历史数据和告警信息存储；所述中心数据服务器连接有短信猫，在有电气设备温度异常时，提供短信告警功能。
本发明的有益效果是：
本发明针对目前SAW传感器技术在应用中主要的问题是传输距离短（一般在2米之内）、传感器品种少、缺乏抵抗同频干扰的能力的问题，提供一种基于无源传感技术的智能无线测温系统，包括监控中心站，与监控中心站信号连接的中心数据服务器，以及与监控中心站信号互联的多个前置通信服务器，每个前置通信服务器信号接入有多个用于对被检测电气设备进行无线测温的温度采集终端；温度采集终端包括温度采集器、SAW温度传感器、采集器天线和通信管理机。
本发明以声表面波（SAW）器件作为传感器，结合无线智能读写装置，通过采用低损耗IDT设计技术，高Q值谐振器设计技术，提高声表面波传感器测量精度和灵敏度；采用高速数字信号处理技术，实现快速实时的声表面波激励控制和回波解析；采用频分、时分技术，实现声表面波传感器多址访问。传感器本身无需电源供电、亦无需从电力装备上取电，因而具有优越的安全性、可靠性和可维护性。
本发明专利中温度采集器天线安装高度仅有34mm，可通过螺丝固定或强力磁铁吸附在设备内，完全适用于对绝缘电压要求高的环境，同时可以有效保证射频信号增益。
本发明专利中通讯管理机运行稳定可靠，采用高性能无风扇的通用工业控制器；组网方便灵活，支持串行、以太网络以及数字输入/输出等功能；规约库齐全稳定；采集速度快；抗电磁干扰性强，其中串口带光电隔离功能。
无源传感器技术不需要电池供电，可以在电力设备生命周期内免维护，提升了电力设备温度在线监测系统的可靠性；不需要电池，没有高温爆炸的安全隐患，安全性高；同时，能够持续对电力设备的高温进行监测，让用户能够在事故发生前及时发现设备隐患和故障。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明基于无源传感技术的智能无线测温系统的结构框图；
图2为本发明应用在环网柜上的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，基于无源传感技术的智能无线测温系统，包括监控中心站，与监控中心站信号连接的中心数据服务器，以及与监控中心站信号互联的多个前置通信服务器，每个前置通信服务器信号接入有多个用于对被检测电气设备进行无线测温的温度采集终端；所述温度采集终端包括温度采集器、SAW温度传感器、采集器天线和通信管理机，SAW温度传感器和采集器天线预装在被检测电气设备上；所述SAW温度传感器由SAW温度传感器芯片和微型天线构成。
所述SAW温度传感器具有12个不同的信道，每个信道的传感器独占一段频段，多个传感器临近部署时，各自工作不互相干扰；所述SAW温度传感器的测温范围为-40℃～+150℃，测温精度为±1℃，防护等级为IP65。
所述温度采集器天线通过螺丝固定在被检测电气设备内，向四周发射特定频率范围的射频信号，并通过射频电缆与所述温度采集器信号连接，用于射频信号的收发。
所述SAW温度传感器接收符合自身谐振频率的激励信号后将带有温度信息的射频信号反射回来，温度采集器接收到SAW温度传感器反射回来的射频信号后进行信号调理和数据处理，从而获得相应传感器采集到的实时温度信息。
所述温度采集器具备远程数据传输功能，将采集到的温度数据通过有线串行RS485总线通讯方式传送到前置通信服务器,温度采集器能够灵活接入支持工业标准Modbus-RTU协议的第三方系统中。
所述通信管理机安装在被检测电气设备内，通过现场总线和片区内前置通信服务器通信，实现监控数据实时采集，通过标准电力规约上传至后台监控上级主站，实现对电力设备温度的无源无线连续监测。
所述监控中心站、中心数据服务器和前置通信服务器上均内置有监控软件，用于温度实时显示、历史数据和告警信息存储；所述中心数据服务器连接有短信猫，在有电气设备温度异常时，提供短信告警功能。
本发明中SAW温度传感器由SAW温度传感器芯片和微型天线构成，用于探测被检测电气设备温度并上报温度信息，SAW温度传感器芯片的谐振频率与温度具有良好的线性关系，线性度高达99%，能够实时感知被测对象的温度。而且通过低损耗IDT设计技术（插入损耗<3dB），高Q值谐振器(Q>10,000)设计技术，提高传感器测量精度和灵敏度的设计技术，耐高温声表面波材料及制造工艺(～1,000ºC)，抗同频干扰技术等进行声表面波温度传感器的深化设计，保证测温精度在1℃以内，同时具有较强的抗干扰能力，避免因外部同频或近频瞬时干扰而造成的测温误差。同时，本发明中SAW温度传感器同型号下具有12个不同的信道，每个信道的传感器独占一段频段，多个传感器临近部署时，各自工作，并不会互相干扰。同时，SAW温度传感器无需供电，无线感知，小体积，易安装，适应多种场景，测温范围宽 -40℃ ～ +150℃，典型应用从-20℃ ～ +120℃，精度可达到±1℃，防护等级IP65，可靠性高，寿命大于20年。
接下来，以基于无源传感技术的智能无线测温系统在单个环网柜上的应用为实施例2对本发明进行简要说明：
实施例2
如图2所示，基于无源传感技术的智能无线测温系统，包括监控中心站，与监控中心站信号连接的中心数据服务器，以及与监控中心站信号互联的多个前置通信服务器，每个前置通信服务器信号接入有多个用于对被检测电气设备进行无线测温的温度采集终端；所述温度采集终端包括温度采集器、SAW温度传感器、采集器天线和通信管理机，SAW温度传感器和采集器天线预装在被检测电气设备上。
所述SAW温度传感器由SAW温度传感器芯片和微型天线构成，用于探测被检测电气设备温度并上报温度信息，SAW温度传感器芯片的谐振频率与温度具有良好的线性关系。SAW温度传感器在该实施例中安装于环网柜电缆接头处。
所述温度采集器通过天线向四周发射特定频率范围的射频信号，SAW温度传感器接收符合自身谐振频率的激励信号后将带有温度信息的射频信号反射回来，温度采集器接收到SAW温度传感器反射回来的射频信号后进行信号调理和数据处理，从而获得相应传感器采集到的实时温度信息。该实施例中，无源无线测温系统测温传感器温度采集天线通过强磁力吸附安装方式安装于开关柜或者环网柜电缆出线室顶端钢板上，通过钢板的辐射效应，可以有效增加发送信号的强度以及接收信号增益，确保通讯稳定，且需保证温度采集器天线需和温度传感器分布在同一垂直面上，当温度传感器位于采集器天线±60度角覆盖范围内时，可以保证无线通讯效果最佳。
所述温度采集器具备远程数据传输功能，将采集到的温度数据通过有线串行RS485总线通讯方式传送到通讯管理机，所述温度采集器还具备就地显示屏幕，安装在开关柜或者环网柜的二次控制室，用于所监测测点的就地温度显示与查询。所述温度采集器通过射频电缆与温度采集天线相连。
所述的通讯管理机部署于开关柜或者环网柜的二次控制室内，通过串行通讯接口接入温度采集器上送的串口通讯数据，进行规约转换后经以太网接入站级站控层交换机，进而接入站级后台服务器进行站级温度显示；也可以以太网接入前置通信服务器，再经过电力专用通讯网络或者互联网接入区域级温度采集中心服务器。
另外，温度采集器将采集到的温度数据通过有线串行RS485总线通讯方式传送到通讯管理机，很显然，当通讯管理机非安装于本开关柜或者环网柜内时，通讯距离允许时，也可以采用无线ZigBee通讯方式传送到通讯管理机，在进行Zigbee无线传输时，需增加相应的Zigbee组网设备以及收发天线。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：包括监控中心站，与监控中心站信号连接的中心数据服务器，以及与监控中心站信号互联的多个前置通信服务器，每个前置通信服务器信号接入有多个用于对被检测电气设备进行无线测温的温度采集终端；所述温度采集终端包括温度采集器、SAW温度传感器、采集器天线和通信管理机，SAW温度传感器和采集器天线预装在被检测电气设备上；所述SAW温度传感器由SAW温度传感器芯片和微型天线构成。
2.权利要求1所述的基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：所述SAW温度传感器具有12个不同的信道，每个信道的传感器独占一段频段，多个传感器临近部署时，各自工作不互相干扰；所述SAW温度传感器的测温范围为-40℃～+150℃，测温精度为±1℃，防护等级为IP65。
3.权利要求1所述的基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：所述温度采集器天线通过螺丝固定或强力磁铁吸附在被检测电气设备内，向四周发射特定频率范围的射频信号，并通过射频电缆与所述温度采集器信号连接，用于射频信号的收发。
4.权利要求1所述的基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：所述SAW温度传感器接收符合自身谐振频率的激励信号后将带有温度信息的射频信号反射回来，温度采集器接收到SAW温度传感器反射回来的射频信号后进行信号调理和数据处理，从而获得相应传感器采集到的实时温度信息。
5.根据权利要求1所述的基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：所述温度采集器具备远程数据传输功能，将采集到的温度数据通过有线串行RS485总线、或无线ZigBee通讯方式传送到前置通信服务器,温度采集器能够灵活接入支持工业标准Modbus-RTU协议的第三方系统中。
6.根据权利要求5所述的基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：所述通信管理机安装在被检测电气设备内，通过现场总线和片区内前置通信服务器通信，实现监控数据实时采集，通过标准电力规约上传至后台监控上级主站，实现对电力设备温度的无源无线连续监测。
7.根据权利要求5所述的基于无源传感技术的智能无线测温系统，其特征在于：所述监控中心站、中心数据服务器和前置通信服务器上均内置有监控软件，用于温度实时显示、历史数据和告警信息存储；所述中心数据服务器连接有短信猫，在有电气设备温度异常时，提供短信告警功能。
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