1智能采集裝置的研究目的和意義

隨著電力建設(shè)不斷投入,配網(wǎng)規(guī)模日益龐大。在《南方電網(wǎng)公司關(guān)于全面推進(jìn)"十三五"改革發(fā)展的若干意見》中提出:"圍繞服務(wù)城鎮(zhèn)化建設(shè),提高供電可靠性,提高配網(wǎng)智能化水平,做強(qiáng)配網(wǎng)。以先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)配電網(wǎng)發(fā)展,著力構(gòu)建強(qiáng)大有序、靈活可靠的配電網(wǎng)架構(gòu),全面提升配網(wǎng)裝備水平。打造國際先進(jìn)的中心城市（區(qū)）高可靠性配電網(wǎng),大幅提升自動(dòng)化水平和通信支撐能力,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)可觀可控。"因此,應(yīng)建立一個(gè)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、清晰、可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至屬地運(yùn)維中心。目前,配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)往往通過人工定期監(jiān)測來獲得,此方法不但耗費(fèi)大量人力成本,效率過低,而且現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲得不夠清晰、準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠,嚴(yán)重制約了供電的可靠性與穩(wěn)定性。

配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)智能采集裝置正是在這樣的市場需求背景下研制開發(fā)的,裝置采集內(nèi)容包括電壓、電流和溫度信息,電壓、電流信息能夠反映用戶用電負(fù)荷信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),溫度信息能夠顯示運(yùn)行設(shè)備的健康狀況,通過電流和溫度數(shù)據(jù)相關(guān)性分析,能夠?qū)\(yùn)行設(shè)備的故障進(jìn)行深度預(yù)警,預(yù)防故障的發(fā)生。

電流和溫度數(shù)據(jù)之間關(guān)系聯(lián)系緊密,相互耦合和獨(dú)立構(gòu)成有機(jī)整體,通過監(jiān)測和分析電流、電壓數(shù)據(jù),能夠?qū)崿F(xiàn)配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)巡檢和故障預(yù)警。

2智能采集裝置技術(shù)原理

智能采集裝置由電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路、數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路和主控制電路等五部分組成。外接交流AC220+對(duì)裝置進(jìn)行供電,可以外接三路電壓、六路電流及六路溫度傳感器。

在智能采集裝置內(nèi),數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路連接交流電壓采集電路、交流電流采集電路和聲表面波溫度采集電路,主控制電路連接數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路。

電流和電壓的采集是基于電磁互感原理和AV模數(shù)轉(zhuǎn)換原理,原理簡單,在此不做重復(fù)敘述。溫度采集電路是基于采集聲表面波溫度傳感器的信號(hào)來實(shí)現(xiàn),在此重點(diǎn)描述。

聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。由于壓電晶體本身是換能介質(zhì),電聲之間存在耦合,因此在傳播聲表面波的壓電晶體表面可以制作電聲換能器,使電能和聲能互相轉(zhuǎn)換（圖1）。當(dāng)壓電晶體基片上的換能器通過逆壓電效應(yīng)將輸入的無線信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)后,被左右兩個(gè)周期性柵條反射形成諧振,該諧振器的諧振頻率與溫度有關(guān),其諧振頻率隨溫度改變的改變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)呈線性關(guān)系,利用這種線性關(guān)系就可以通過獲取聲表面波的頻率得到精確的被測溫度。

圖1電聲轉(zhuǎn)換

無源傳感器采樣聲表面波器件（簡稱sAw）,在外部溫度變化時(shí),其諧振頻率會(huì)隨之變化,根據(jù)這個(gè)特性我們通過溫度采集電路發(fā)射無線電磁波激勵(lì)sAw器件,sAw器件通過外置的天線接收到電磁波后,將其轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào),在其內(nèi)部激勵(lì)震蕩,諧振發(fā)生后,諧振的聲表面波信號(hào)會(huì)變換為電磁波信號(hào)通過外置的天線發(fā)出,溫度采集電路接收此sAw特征電磁波信號(hào)并分析轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。

聲表面波（sAw）器件作為傳感器,結(jié)合溫度采集電路,實(shí)現(xiàn)溫度信息的采集與傳輸,傳感器安裝在被測點(diǎn)上,無需連線即可將被測點(diǎn)的溫度信息傳送出去。而傳感器本身無需電源供電,亦無需從電力裝備上取電,因而具有優(yōu)越的安全性、可靠性和可維護(hù)性。作為高電壓設(shè)備安全在線監(jiān)測方面一項(xiàng)顛覆性的技術(shù),該技術(shù)是智能電網(wǎng)高壓設(shè)備實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測技術(shù)上的重大突破。

綜上所述,配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)智能采集裝置實(shí)現(xiàn)了交流電壓、交流電流和溫度采集的一體化,并且各個(gè)采集通路各自隔離設(shè)計(jì),既實(shí)現(xiàn)了功能的一體化,又實(shí)現(xiàn)了安全隔離,同時(shí)降低了產(chǎn)品成本:并將電流數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性建模,能夠進(jìn)行故障預(yù)警,實(shí)現(xiàn)了對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的可靠監(jiān)測。

3智能采集裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)說明

智能采集裝置包括交流電壓采集電路、交流電流采集電路、聲表面波溫度采集電路、數(shù)據(jù)數(shù)字處理電路和主控制電路。

3.1交流電壓采集電路實(shí)現(xiàn)說明

交流電壓采集電路由交流電壓調(diào)理電路及直流電流輸出電路組成,實(shí)現(xiàn)交流400+電壓的直流轉(zhuǎn)換輸出。

交流電壓互感器輸出的交流變比小信號(hào)輸入到調(diào)理電路,變化為直流4～20mA信號(hào)輸出,其實(shí)現(xiàn)原理圖如圖2所示。

3.2D交電交采集電路實(shí)現(xiàn)說明

交流電流采集電路由交流電流調(diào)理電路及直流電流輸出電路組成,實(shí)現(xiàn)交流電流的直流轉(zhuǎn)換輸出。

交流電流采集模塊由電流互感器輸出交流電流變比信號(hào),輸入到交流電流調(diào)理電路,對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理輸出直流信號(hào),直流信號(hào)在直流電流輸出接口處理為標(biāo)準(zhǔn)化的4～20mA信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)說明如圖3所示。

3.3溫度采集電路實(shí)現(xiàn)說明

溫度采集電路由射頻收發(fā)鏈路及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路組成,實(shí)現(xiàn)基于聲表面波溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)測量,其實(shí)現(xiàn)電路圖如圖4所示。

基于聲表面波技術(shù)的溫度傳感器采集實(shí)現(xiàn)電路,重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的接收和抗干擾設(shè)計(jì)。由于聲表面波陀螺的輸出電壓信號(hào)非常微弱,通常在十幾納伏,精度越高其電壓值越小。若使用噪聲很低的放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,設(shè)其噪聲為5nV/Hz,帶寬為100Hz,增益為1000,若聲表面波溫度傳感器輸出的電壓為10nV,則放大后有用信號(hào)為10uV,噪聲信號(hào)為1.6mV。有用信號(hào)完全被淹沒在噪聲之中,所以利用鎖相放大可將信號(hào)提取出來。如圖5所示,其優(yōu)點(diǎn)是能夠通過移相器的移相,從x得到準(zhǔn)確的電壓值。若移相效果不夠理想,同時(shí)也可以通過R通道得到準(zhǔn)確的電壓值。

3.4數(shù)字處理及主控模塊

數(shù)字處理及主控模塊實(shí)現(xiàn)電壓、電流的數(shù)字化,及電流數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的相關(guān)性處理,其實(shí)現(xiàn)電路圖如圖6所示。

4智能采集裝置技術(shù)優(yōu)勢

4.1電交、電壓采集技術(shù)優(yōu)勢

電流、電壓采集采用交流電磁隔離,轉(zhuǎn)換為4～20mA采集方式,在配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備帶電運(yùn)行時(shí),依然能夠進(jìn)行安全的工程施工。

4.2溫度采集技術(shù)優(yōu)勢

配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的電纜、母排等連接處如果接觸不好或設(shè)備老化,存在觸點(diǎn)高溫的安全隱患,嚴(yán)重情況下會(huì)造成配電站不能正常在網(wǎng)運(yùn)行,導(dǎo)致重大事故。傳統(tǒng)測溫技術(shù),離線巡檢用紅外設(shè)備價(jià)格昂貴,需要用戶定時(shí)巡檢,人工成本高昂,且不能保障設(shè)備在線運(yùn)行實(shí)時(shí)的安全性:有源在線溫度監(jiān)測設(shè)備,采樣有源傳感器存在電池供電的安全隱患,安裝有源傳感器,在為用戶解決問題的同時(shí),也引入了安全隱患。

相比無線有源的測溫方案,基于聲表面波技術(shù)的溫度采集后續(xù)維護(hù)成本低廉,能夠長期工作在高溫環(huán)境,對(duì)測溫場景要求低,能夠適應(yīng)各種測試場景。

5結(jié)語

綜上所述,此產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)的采集集成為一體化設(shè)計(jì),降低了配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集的設(shè)備部署難度,模塊通用電路的一體化設(shè)計(jì)降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本,也同時(shí)降低了設(shè)備的部署和維護(hù)成本,為配網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)的智能化采集搭建了可靠的應(yīng)用基礎(chǔ)。