面向智能电网的无线无源声表面波温度实时监测系统研究

摘要

电力产业关乎国民经济的发展和人民生活的稳定，实现智能电网的前提是保障电力系统内各环节高压设备的安全运行。温度作为反映高压设备运行状态的重要参数，实现对高压设备温度状态的有效监测，可以为工作人员提供第一手资料，从而便于对高压设备进行负荷分析和状态评估，有利于故障排除、负荷检测从而保障设备运行的安全稳定。
　　本文在研究已有电力产业温度监测方案的基础上，深入分析了声表面波传感技术的相关理论及特性。同时针对现有方案存在的安装复杂、供能困难和可靠性低等局限性，提出了一种基于声表面波传感器的温度实时监测方案，并针对此方案开展了一系列相关研究和实现工作。该监测方案有别于常规方案直接采集高压设备温度信息，而是通过声表面波传感器的谐振频率变化获取设备的温度信息。其具有无线无源、灵敏度高、成本低且抗干扰能力强的特点，因此在智能电网状态监测领域体现出巨大潜力。
　　本文基于该方案设计了一套温度实时监测系统，并完成了系统的软件及硬件设计与实现，该系统主要包含声表面波传感器、阅读器和数据处理模块三个部分。首先，本文结合各类传感器传感特性及使用场景，采用谐振型声表面波传感器作为采集节点的感知元件，分布式安装在高压设备关键位置用于对温度信息的实时采集。其次，本文结合实际制作声表面波节点的相关特性，采用步进调频信号合成思路对阅读器的发射链路和接收链路进行针对性设计用于节点管理与信息交互，并分析测试阅读器内部各功能模块的结构原理和性能表现，为后续数据处理提供数据支持。最后，数据处理模块采用相干累积的数据查询方式接收和处理来自阅读器的基带信号，并配合具有存储及显示功能的上位机界面，最终实现设备温度信息的获取。
　　本文构建模拟实验平台，通过静态测温实验验证了基于声表面波传感器的温度监测方案可行性和优越性，并就实验误差和影响系统性能的原因进行分析。实验表明，系统监测准确度满足±1℃与理论分析相符且满足监测需求，其中理想条件下温度分辨率可达0.15℃，同时可实现多目标的温度监测，因此具有一定的实用价值和广阔的应用前景。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 声表面波技术的发展

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 声表面波传感器理论研究

2.1 引言

2.2 声表面波基本特性

2.3 声表面波传感器基本结构

2.4 叉指换能器模型分析

2.5 传感器编码分析

2.6 本章小结

3 温度实时监测系统理论研究

3.1 引言

3.2 声表面波传感器传感特性

3.3 延迟线型传感器结构与原理

3.4 谐振型传感器结构与原理

3.5 声表面波传感器响应特性

3.6 频率扩展技术分析

3.7 阅读器工作模式分析

3.8 多目标的复用技术分析

3.9 本章小结

4 温度实时监测系统软硬件设计

4.1 引言

4.2 相关技术指标及总体设计要求

4.3 声表面波节点设计

4.4 阅读器发射链路设计

4.5 阅读器接收链路设计

4.6 数据处理模块设计

4.7 本章小结

5 温度实时监测实验与分析

5.1 引言

5.2 实验平台构建与方案设计

5.3 传感器数据查询机制

5.4 温度实时监测系统静态温升实验与分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文及专利目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研工作