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"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,做強配網(wǎng)。以先進技術(shù)標準引領(lǐng)配電網(wǎng)發(fā)展,著力構(gòu)建強大有序、靈活可靠的配電網(wǎng)架構(gòu),全面提升配網(wǎng)裝備水平。打造國際先進的中心城市(區(qū)）高可靠性配電網(wǎng),大幅提升自動化水平和通信支撐能力,實現(xiàn)配電網(wǎng)可觀可控。"因此,應(yīng)建立一個實時、準確、清晰、可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至屬地運維中心。目前,配網(wǎng)運行設(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、準確、及時、可靠,嚴重制約了供電的可靠性與穩(wěn)定性。

配網(wǎng)運行設(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荷信息及設(shè)備運行狀態(tài),溫度信息能夠顯示運行設(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)\行設(shè)備的故障進行深度預警,預防故障的發(fā)生。

電流和溫度數(shù)據(jù)之間關(guān)系聯(lián)系緊密,相互耦合和獨立構(gòu)成有機整體,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)運行設(shè)備的狀態(tài)巡檢和故障預警。

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AC220V對裝置進行供電,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AD模數(shù)轉(zhuǎn)換原理,原理簡單,在此不做重復敘述。溫度采集電路是基于采集聲表面波溫度傳感器的信號來實現(xiàn),在此重點描述。

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)將輸入的無線信號轉(zhuǎn)變成聲信號后,被左右兩個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在一定范圍內(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,其諧振頻率會隨之變化,根據(jù)這個特性我們通過溫度采集電路發(fā)射無線電磁波激勵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,在其內(nèi)部激勵震蕩,諧振發(fā)生后,諧振的聲表面波信號會變換為電磁波信號通過外置的天線發(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,實現(xiàn)溫度信息的采集與傳輸,傳感器安裝在被測點上,無需連線即可將被測點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、可靠性和可維護性。作為高電壓設(shè)備安全在線監(jiān)測方面一項顛覆性的技術(shù),該技術(shù)是智能電網(wǎng)高壓設(shè)備實時溫度監(jiān)測技術(shù)上的重大突破。

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

3智能采集裝置設(shè)計實現(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,實現(xiàn)交流400V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輸入到調(diào)理電路,變化為直流4～20mA信號輸出,其實現(xiàn)原理圖如圖2所示。

3.2交流交電采流路實現(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,輸入到交流電流調(diào)理電路,對信號進行調(diào)理輸出直流信號,直流信號在直流電流輸出接口處理為標準化的4～20mA信號。其實現(xiàn)設(shè)計說明如圖3所示。

3.3溫度電采流路實現(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,實現(xiàn)基于聲表面波溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)測量,其實現(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現(xiàn)電路,重點是實現(xiàn)小信號的接收和抗干擾設(shè)計。由于聲表面波陀螺的輸出電壓信號非常微弱,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信號進行放大,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,則放大后有用信號為10μV,噪聲信號為1.6mV。有用信號完全被淹沒在噪聲之中,所以利用鎖相放大可將信號提取出來。如圖5所示,其優(yōu)點是能夠通過移相器的移相,從x得到準確的電壓值。若移相效果不夠理想,同時也可以通過R通道得到準確的電壓值。

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,其實現(xiàn)電路圖如圖6所示。

4智能采采裝置技術(shù)優(yōu)勢

4.1流交、流壓采采技術(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)運行設(shè)備帶電運行時,依然能夠進行安全的工程施工。

4.2溫度采采技術(shù)優(yōu)勢

配網(wǎng)運行設(shè)備的電纜、母排等連接處如果接觸不好或設(shè)備老化,存在觸點高溫的安全隱患,嚴重情況下會造成配電站不能正常在網(wǎng)運行,導致重大事故。傳統(tǒng)測溫技術(shù),離線巡檢用紅外設(shè)備價格昂貴,需要用戶定時巡檢,人工成本高昂,且不能保障設(shè)備在線運行實時的安全性: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,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)維護成本低廉,能夠長期工作在高溫環(huán)境,對測溫場景要求低,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,降低了配網(wǎng)運行設(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)計降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本,也同時降低了設(shè)備的部署和維護成本,為配網(wǎng)運行設(shè)備數(shù)據(jù)的智能化采集搭建了可靠的應(yīng)用基礎(chǔ)。