传感器配置

传感器配置（共4篇）

传感器配置 篇1

0 概述

在高压共轨柴油机中,喷射系统和曲轴之间无机械连接,由此产生了高压共轨柴油机的判缸问题[1,2,3],即ECU基于曲轴传感器和凸轮轴传感器信息,如何判断第一缸压缩上止点(TDC1)的曲轴位置,并且实时获得第一缸活塞相对TDC1时的曲轴角度位置,从而组织各缸的燃油喷射。高压共轨柴油机判缸精度要求比较高[3],一般使用传感器测取曲轴和凸轮轴信号盘信号进行信号组合判缸。由于凸轮轴的标记齿(即缺齿或多齿)的数量是唯一的,标记齿在1个发动机工作循环中的相位是独特的,一般的判缸方法[4,5,6]都以找到凸轮轴信号盘的标记齿为条件,从而根据两信号盘装配关系确定第一缸压缩上止点TDC1。这种判缸方法简便易行,不足之处是对信号盘的安装相位要求较高[6]。其次,由于标记齿数量是唯一的,在不利的情况下,发动机曲轴要转过两周才会找到凸轮轴标记齿,使得判缸速度相对较慢。另外,由于软件是针对特定信号配置而编写的,如果换了信号盘,或发动机气缸数不同,其程序移植很麻烦。

针对以上问题,本文提出了一种基于控制标识字的判缸传感器信号配置方法,通过控制单元软件程序对测取到的曲轴信号和凸轮轴信号进行软件配置,将位置标记以软件控制字的方式来表达,从而进行判缸,以发动机在一个工作循环中的曲轴转角绝对角度位置来表达发动机工作位置。

1 传感器信号的配置

1.1 传感器信号的物理配置

传感器信号的物理配置是指曲轴信号盘和凸轮轴信号盘的均布齿数、缺齿数(或多齿数)及两信号盘之间安装的角度相对位置关系。为保证判缸的精度,曲轴信号盘齿数应比较密,而凸轮轴信号盘的齿数可以相对稀疏一些。以4缸四冲程高压共轨柴油机YN30CR为例,其曲轴信号盘的配置为(60-2)个齿,凸轮轴信号盘的配置为(4+1)个齿。也可使用其他类似的不同配置,如(36+1)的曲轴信号盘,(12+1)的凸轮轴信号盘,但不影响判缸策略的应用。

发动机在1个工作循环中,传感器采集得到的脉冲信号如图1所示。信号1为凸轮轴传感器信号,信号2为曲轴传感器信号。信号盘的安装关系以特定齿与TDC1的角度差来表达,即将曲轴缺齿与TDC1的角度差表达为φgap,将凸轮轴第一齿与TDC1的角度差表达为φofs。对以上2个角度差没有特别要求。这意味着凸轮轴信号盘和曲轴信号盘之间的相对位置,以及它们相对TDC1的位置是可以自由安装的,安装后根据装配关系对软件进行标定即可。

曲轴信号盘的标记齿并不是直接用来对应判断TDC1的,其作用有3点:(1)给出消息,以确定角度初始参考0点;(2)给出消息,以便进行曲轴信号合理性判断;(3)给出消息,以便凸轮轴模块进行信号片断的标识字特定位(bit)的控制。

1.2 传感器信号的软件配置

由于四冲程发动机在1个工作循环中曲轴转2周,凸轮轴转1周,再考虑到曲轴信号盘齿数密,凸轮轴信号盘齿数疏,判缸方法的基本原则是根据凸轮轴信号来确定发动机相位,根据曲轴信号来获得更精确的角度。

为了阐述基于标识字的判缸传感器信号配置方法,提出“信号片段”的概念。所谓信号片段,就是将凸轮轴信号分成不同的片段,片段长度由凸轮轴传感器信号边沿位置来计算。根据信号触发的方式不同(如图2所示),可有2种不同的信号片段。图2中A类型触发方式产生的信号片段为相邻2个信号上升沿与下降沿之间的信号长度,B类型触发方式产生的信号片段为相邻2个下降沿之间的信号长度。本文采用B类型触发方式产生信号片段。如图1所示,相邻2个信号下降沿构成1个片段,在1个工作循环中,凸轮轴产生了5个信号片段。并将它们进行编号。

凸轮轴产生的信号片段的长度系列、电平高低及曲轴信号中的标记齿这3个信息一起构成“信号片段标识ID字”(下文简称“信号ID字”),如图3所示。这里长度系列是指该片段长度按长度大小递减的顺序号,如最长的为0,第二长的为1,依此类推。信号片段处于高电平则位4为1,信号片段处于低电平则位4为0。如该片段位置对应着曲轴信号的标记齿,则ID字第5位为1,没有对应标记齿,则ID字第5位为0。由于凸轮轴信号片段包含了较多的信息,在引入信号ID字这一概念后,同样形状的凸轮轴信号盘就会在发动机的1个工作循环中形成不只1个独特的信号ID字。因此,根据这些独特的信号ID字进行发动机相位判断就可提高判缸的速度和准确性。按照ID字的定义,图1的5个信号片段,其ID字依次为0x02、0x01、0x20、0x00、0x20,其中有3个独特ID字:0x02、0x01、0x00,相应的信号片段编号分别为:0、1、3,它们均可作为相位判断的依据。

1.3 传感器信号配置的讨论

在正常的判缸模式下,一旦获得正常信号,就可进行信号ID字的计算。由图1可知,正常判缸模式下,无论信号从何相位位置开始得到,得到独特ID字的周期不超过半个工作循环。基于信号片段标识字的判缸传感器信号配置方法,可以灵活地产生很多独特信号ID字。比如采用不同的凸轮轴信号盘齿宽度,信号沿的触发方式采用图2中A类方式,使用信号片段有高低电平之分,将会产生更多独特的信号ID字。如图4所示。凸轮轴信号盘只配置了2种不同长度的信号齿,但是可以配置得到很好的独特ID字。根据图2中A类信号触发方式,图4中凸轮轴信号盘中的4个信号齿产生了8个信号片段,如图5所示。这将使4个长的信号片段形成4个独特的信号片段,其信号片段标号为:0、2、3、5,其片段ID字分别为:0x10、0x30、0x00、0x20。较多的ID字使得判缸准确性和快速性更有保障。

2 角度同步

通过曲轴脉冲信号,可以实时计算1个角度位置,称之为曲轴系统角度φcrs,计算的方法如图6所示。以曲轴信号盘参考标记为参考零点,图6中tphi时刻的曲轴角度φ为:

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式中,n为从参考点开始到当前时刻经历的曲轴脉冲数;Δφ为曲轴信号盘每齿角度;tphi为当前时刻;tn为上一脉冲下降沿;Tn-1为上一脉冲周期。

同理,也可基于曲轴齿来计算凸轮轴的片段长度。在判缸成功之前,由于曲轴参考标记消息的意义尚不明确,无法判断相位,此时的角度不能用于组织喷射。

当发现独特信号片段ID字后,由于独特信号ID字的相位是事先根据装配关系确定的,所以可以据此计算当前凸轮轴系统角度φcas,这里将凸轮轴系统角度参考零点取为TDC1,以便发动机进行系统角度同步。凸轮轴系统角度φcas的计算如图7所示,信号片段3的ID字为0x00,为独特片段,片段标号为3,则当前角度从信号片段0到信号片段3的片段长度被加到一起,再加上TDC1到信号片段0的角度φofs,以及信号片段3到当前位置的角度φtemp,结果为当前凸轮轴系统角度φcas。在图7中,角度φofs为一负值。

角度同步指的是曲轴系统角度φcrs与凸轮轴系统角度φcas的同步,在判缸之前,根据初步信号计算得到的2个系统角度存在较大差异,其原因为:(1)这2个角度系统此时的参考零点的选取方式不同,(2)曲轴角度系统的参考零点具有不确定性。判缸后两者消除差异,完成同步。角度同步完成后,曲轴角度成为发动机系统绝对角度,它可以发挥全局参考坐标的作用,不论发动机缸数是多少缸,ECU系统组织燃油喷射时,最终按各机型的相应缸号在当时工况下需要的喷射绝对角度位置来组织喷射即可。

发现凸轮轴独特信号片段ID后,同步的具体过程如下:

(1) 进行曲轴角度系统参考零点的偏移,偏移量为φgap。消除凸轮轴角度系统与曲轴角度系统的参考零点差异。

(2) 计算凸轮轴当前角度φcas。

(3) 比较凸轮轴当前角度φcas与曲轴当前角度φcrs,如果2个角度相同或者说差异在很小的范围之内,可以认为φcrs的参考零点是TDC1之前的缺齿,发动机相位就确定了。另一方面,如果2个角度差异很大,说明当前的φcrs的参考零点不是标号为0的凸轮轴信号片段之前的缺齿,那么φcrs需要偏移360 °CA,完成相位确定。

3 仿真及结果

3.1 仿真环境与程序编制

根据以上思路,在ETAS公司的ASCET软件中编程进行了判缸功能仿真测试。判缸功能模块由发动机位置计算、发动机速度计算、曲轴角度计算、凸轮轴相位计算、发动机测试喷射计算、跛行回家喷射计算等6个Module组成。各模块经单独调试确认语法无误后,导入Project中进行模块联合调试仿真。

3.2 信号发生器模块

为了验证判缸程序的正确性,设计了1个曲轴与凸轮轴同步信号模块,以便产生随发动机速度波动而变化的曲轴与凸轮轴同步信号,并将其作为判缸的原始信号。如图8所示,信号频率做正弦规律变化。上方曲线为发动机瞬时转速的调制曲线,为一无量纲信号,下方两组脉冲信号分别为曲轴信号和凸轮轴信号。

3.3 结果

正常的判缸情况下,曲轴和凸轮轴信号没有发生缺失和信号严重干扰,那么判缸时间会非常短,如图9所示。图9下方信号1为凸轮轴信号,2为曲轴信号,3为各缸上止点位置信号,4为曲轴缺齿合理性判断,5为曲轴信号合理性判断。上方为凸轮轴角度φcas和曲轴角度φcrs。曲轴信号和凸轮轴信号都由TDC1前面的曲轴缺口信号开始获得。在图9a工况1中,当得到第1个信号片段时,经计算其ID为0x02,为独特ID,则φcas和φcrs可以完成同步,两者的时间曲线同时调整为以第1缸压缩上止点为零点的同步角度,此时发动机曲轴尚未走完180 °CA,也尚未到达第1缸压缩上止点TDC1。在图9b工况2中,发现第1个独特片段0x00时,曲轴转角已经超过180 °CA,但尚未超过360 °CA,同步后第1个压缩上止点是第2缸上止点。因此,无论信号起始于TDC1前面还是TDC4前面,判缸周期均不超过360°CA。仿真结果与分析一致。

当发生信号故障或缺失时,其判缸速度不具有可比性,在此不作讨论。

设计好的判缸程序在ETAS公司的INTECRIO/ES1000上进行快速原型验证。发动机台架上的测量结果如图10所示。在时刻为1 s时起动发动机,在发动机起动的1个工作循环内,可准确地输出发动机的曲轴角度位置,完全满足高压共轨柴油机判缸的需求。

4 结论

(1) 在对曲轴信号盘和凸轮轴信号盘进行合理的硬件配置的基础上,对测取到的曲轴信号和凸轮轴信号进行进一步的软件配置,将位置标记以软件控制标识字的方式表达来实现判缸。

(2) 基于软件控制标识字的高压共轨柴油机判缸传感器信号配置,降低了信号盘的安装相位要求,并提高了判缸速度。

(3) 通过标定,基于软件控制标识字的高压共轨柴油机判缸程序具有很好的移植性,能柔性地适应不同缸数的发动机和不同的信号盘。

参考文献

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电子式互感器配置问题探讨 篇2

近年来,基于IEC61850的数字化变电站成为变电站自动化技术的发展新方向,在我国得到快速发展。电子式互感器作为数字化变电站过程层中的关键设备,具有传统电磁式互感器所不具备的众多优点[1,2],如何有效地将其应用于电力系统,替代传统电磁式互感器并实现相应功能,避免电气主接线中因互感器的配置问题而影响系统运行安全和扩大事故范围,成为亟待解决的问题。

1 电子式互感器的研究现状

电子式互感器是一大类非常规互感器的总称[3,4],按其高压侧是否需要电源,分为有源式电流/电压互感器ECT/EVT(Electronic Current/Voltage Transformer)和无源式电流/电压互感器OCT/OVT(Optical Current/Voltage Transformer),根据测量原理的不同又可细分为不同类型。其中罗氏线圈型电流互感器RCT(Rogowski Current Transformer)和低功率线圈型电流互感器LPCT(Low Power Current Transformer)因测量精度不同,通常采取两者的组合以满足测量、保护对精度的不同要求;集磁环型OCT通常用于小电流测量、故障诊断和故障定位等特殊场合,在日本应用较多[5],在我国还处于理论研究阶段。电子式互感器的分类框图如图1所示。

2 电子式互感器的配置问题

截至目前,我国已建数字化试点站80余座,其中500 kV 12座、330 kV 2座、220 kV 19座、110 kV40座、10~66 kV 8座,另外还有部分尝试IEC61850标准的常规站点。数字化变电站的实现基础体现在数据采集的稳定性、二次系统的冗余性、设备的互操作性和通信的安全性等环节[6]。电子式互感器作为电量采集的重要设备,如何通过合理选型及有效配置以实现以上要求,是数字化变电站建设中面临的重要问题。

2.1 电子式互感器的选择

鉴于无源式OVT在国内尚无相关成熟产品,数字化变电站中主要选用有源式EVT实现电压量的采集与传输。出于传感元件性能与绝缘水平等方面的考虑,电阻分压型EVT[7]具有理想的测量品质和暂态响应,但消耗功率,一般应用于66 kV及以下的电压等级场合,而电容分压型EVT不存在电磁单元,主要应用于110 kV及以上的电压等级场合。

电子式电流互感器实用化产品种类较多,各自的原理与性能存在着较大差别,如表1所示。

有源式ECT由于技术实现较容易,产品实用化较早,投运站点多并积累了一定经验,长期运行的可靠性成为其一大优势;无源式OCT基于法拉第磁光效应原理,较有源式ECT彻底消除了铁心的影响,具有更快的响应速度、更宽的响应带宽以及更好的动态测量品质,绝缘性和抗电磁干扰能力也显著提高。目前工程上从技术性和经济性[8]出发,一般推荐110 kV及以上电压等级采用无源式OCT,66 kV及以下电压等级采用有源式ECT。

2.2 电子式互感器的配置

数字化变电站中,电子式互感器一方面参照传统互感器的配置原则进行配置,一方面根据“面向间隔实施监控”的思想按间隔配置,每个间隔作为一个独立的保护和监控单元,简化接线,提高保护和监控的可靠性。目前投运的EVT与常规电压互感器的结构类似,配置也基本相同;ECT与常规电流互感器的差别较大,分采集单元与合并单元2部分分别配置。

2.2.1 传统互感器的配置方式

传统互感器通过配置,在电力系统中实现以下功能:将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压(100 V)和小电流(5 A或1 A),正确反映电气设备的正常运行和故障情况;将二次设备与高压部分隔离,且互感器二次侧接地,保证设备和人身的安全。电压互感器的配置比较简单,一般根据应用场合进行配置,电流互感器配置则相对较为复杂、影响因素多。传统互感器的参考配置方式如表2所示[9]。另外,根据连接二次设备的不同要求选择不同精度:一般性测量用0.2、0.5、1或3级,特殊性测量用0.2 S或0.5 S级,暂态保护用TPX、TPY或TPZ级,稳态保护用5P或10P级。

2.2.2 电子式互感器的配置方式

IEC61850-3提出“故障弱化”要求[10],即当数字化变电站系统中任一通信元件发生故障时,变电站仍是持续可操作的,为此,电子式互感器采用冗余技术保证系统可靠性。

采集单元分为单回路和双回路配置,每一回路包括独立的传感元件、光纤信号通道和光纤电源/光源通道。主变间隔、母线间隔、220 kV及以上电压等级间隔一般按照保护双重化原则配置双回路采集单元,分别供2套保护用;110 kV及以下电压等级间隔一般配置单回路采集单元。以线圈型ECT与磁光玻璃型OCT为例,其采集单元双回路配置方式如图2所示,后者在无法保证磁光玻璃性能可靠的前提下,也可采取2块磁光玻璃通过4条光纤的方式实现双回路配置。

常规电流互感器应保护双重化的要求一般采用2台独立电流互感器串接的配置方式,而电子式电流互感器采用磁光材料代替以往的电磁绕组作为传感元件,绝缘性能好,便于集成,双回路采集单元可以集中在一根绝缘套管内,简化了互感器的配置,节省了占地空间。

合并单元MU(Merging Unit)对应采集单元进行配置,双母线接线方式下还应配置专门合并单元实现母线电压并列,经间隔合并单元切换后,供检同期功能使用。220 kV间隔的合并单元一般置于室内的合并单元屏;110 kV间隔的合并单元可以置于合并单元屏,也可根据一次设备的选型和运行习惯布置,例如与智能操作箱就地下放到气体绝缘开关设备GIS(Gas Insulated Switchgear)汇控柜内;35 kV及以下电压等级在常规站中将保护测控装置下放到开关柜,数字化变电站可延续这一方式。

3 电子式互感器的参考配置方案

文献[11]给出了电子式互感器的配置方案,并在实际中得到广泛应用。在此基础上,以双母线接线的220/110/35 kV电压等级的数字化变电站为例,表3列出了参考配置方案,主变间隔采用数字输出且性能一致的无源式OCT以及OCT与EVT相结合的组合式CVT;220 kV、110 kV间隔采用数字输出的OCT和CVT。鉴于35 kV保护测控装置已下放到开关柜,且电子式互感器在精度、绝缘和造价等方面的优势都难以体现,此时互感器按2种情况配置:涉及到跨间隔应用(如母线设备间隔),选用模拟输出的LPCT,其他情况选用常规互感器,并采用常规保护测控一体化装置的配置方案。

注:110 kV间隔的出线若为有源线,则其A相增配1台EVT(0.2,同期用),含1路独立输出回路和1个采集单元。

图3和图4描绘了电子式互感器在220 kV下的单相配置与35 kV下的三相配置情况。母线EVT的输出既用于母线保护,又作为线路重合闸检同期元件的电压输入。当线路保护的重合闸采用检同期方式时,需进行电压切换,母线间隔的合并单元(MU5,MU6)将并列后的电压传送到各间隔合并单元(MU1~MU4)内,根据线路隔离刀闸的位置在其中完成电压切换,并同时接收本间隔的电流、电压量,最后将所有的采集信息转换成IEC61850-9-1/2格式输出至二次设备;当线路保护的重合闸采用不检重合,则不需进行电压切换;另外,对于如变压器保护等没有重合闸功能的装置,由于本间隔已有完整的电流、电压量,因而无需进行电压切换[12,13]。35 kV侧的就地采集单元按双重化配置,当某回路异常时,只会影响本间隔,而不影响其他间隔。

4 故障案例分析

4.1 江陵换流站差动保护动作跳闸事件

江陵换流站在其直流系统以及交流滤波器中大量采用了有源式ECT,由于使用经验不足,导致在2004年至2005年试运行期间发生多起交流滤波器差动保护动作跳闸事件[14]。原因之一就是有源式ECT中使用了大量的电子元器件,电子回路的集成度不高,当某一元件发生故障时会导致整个电路板不能正常工作。

4.2 富村站变差动速断保护误动事件

110 kV富村站一次系统引入了有源式ECT和EVT代替传统的电磁式互感器。2008年4月,处于冷备用状态的高压侧桥开关,由于C相采集单元的采样回路中滤波电路元件虚开或虚短引入高电平而导致A/D芯片输入端电位异常,从而错误传输异常信号,导致主变差动速段保护误动作[15]。

5 结语

传感器配置 篇3

随着无线传感网研究的不断深入和应用的普及,研究学者开始重新审视有关无线传感网的基本配置模型假设[1,2]。目前大多数文献都是基于无线传感网由大量同构、微小、资源受限、随机分布在未经分割的感兴趣区域、使用一次性能源供给、不可移动的节点按照自组织方式构建网络的假设前提下进行各种协议的研究的。但是,当无线传感网真正面向实际应用时,人们发现在短期内传感节点的成本无法忽略不计。事实上,当无线传感网应用环境中各物理特征量非均匀分布,且在分布密度上具有较大的差异时(相比之下,这是一种更为普遍的状况),往往会存在对于某些物理特征量感知的传感模块价格,远远高出传感节点其余部分之和的情况[3]。针对以上问题,提出一种异构分布配置模型(Wireless Sensor Network HEterogeneous DePloyment Model,WSNHEDPM),以减少传统文献中对于无线传感网所有物理特征量在空间上均匀分布的简单、粗略的假设所带来的节点配置冗余和信息冗余,降低无线传感网的配置成本。

1无线传感网异构配置方案与成本分析

无线传感网配置方案受到传感网中诸多因素的影响,同时又反过来对传感网的系统结构、话务流量、通信协议和网络性能等诸多方面产生重大影响。一般地,无线传感网络的配置方案与配置成本受到以下因素影响:

① 配置区域:通常由兴趣区域确定,可以是一维、二维甚至三维空间;

② 异构性:指网络由同构节点或异构节点组成;

③ 配置密度:由单位空间测度(长度、面积或体积)内传感器的数量确定;

④ 配置分布模式:指节点在空间的分布模式,通常按同构、均匀、随机播撒配置方案进行配置,也可在指定位置按异构非均匀方案(手动)配置,还有二者的混合形式。

假设被观测物理量为:

式中,(x,y,z)表示传感节点所在空间位置(即观测物理矢量所对应的空间位置),观测各物理量可用彼此正交的信号量(s1,s2,…,sm)表征,它们都随时间和空间位置变化。假定I(x,y,z,t)在兴趣空间S中均匀随机分布,且第i个物理特征分量在空间分布的频谱具有一定的最大空间分布频率分量(fxci,fyci,fzci),1≤i≤m。

按照传统文献中有关无线传感网同构均匀随机撒播配置所需的传感器数量下界为:

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式中,Δximin、Δyimin、Δzimin分别代表在不同轴向上物理特征量最小空间抽样间隔;fxcimax、fycimax、fzcimax分别为在不同轴向上物理特征量最大空间分布频率。

针对不同物理特征分量采用不同传感节点进行异构化配置的无线传感网所需的m种传感节点的数量总和下界为:

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根据图1所示无线传感网传感节点的结构模型,可以求出在同构配置方案下,每个传感节点由相同的传感模块构成、以统一的轮询唤醒方式进行工作、按照相同的、具有冗余的空间分布方式进行配置。每个传感节点的成本组成为:

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式中,Cpw为电源模块的成本;Cmp为微处理器的成本;Ccm为通信模块的成本;Csmi为针对第i个物理特征量进行感知的传感模块的成本。

对于分布在由[xmin,ymin,zmin),(xmax,ymax,zmax)]确定边界的兴趣空间S中的观测物理量I(x,y,z,t)进行观测所需要的均匀配置、随机播撒配置方案下的无线传感网节点成本总和为:

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式中,Kp为考虑随机播撒配置下播撒所造成损失的节点预配置因子,Kp≥1。

在本文所提出的WSNHEDPM配置模型下,传感节点按照观测物理量的空间分布进行配置,按照硬件模块化设计思想,由不同数量、不同种类的传感模块构成,传感节点根据本节点传感模块构成根据实际物理量实际时间分布特征进行轮询调度。由此,根据无线传感网物理特征量空间分布特征特制的针对第i类物理特征量进行感知的传感节点的成本为:

Csni=Cpw+Cmp+Ccm+Csmi。 (6)

而以本文所提出的异构节点按指定位置配置方案下的无线传感网节点成本总和为:

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在传统的无线传感网同构的假设下,通常假定通过硬件技术的发展,传感节点成本Csnho或Csnhe很小,可以到忽略不计的地步。但如果仔细分析传感节点成本的构成式(4)和式(5)可以发现,其中微处理器的成本Cmp可以按照摩尔定律每18个月减小1倍,通信模块的成本Ccm中的一大部分(基带处理与信号处理部分)也将服从摩尔定律有望不断减小。但是从IC产业的发展规律来看,有关模拟器件的价格在过去50年内变化却不大,而且在短期内这种状况也不可能得到明显改观[1],这意味着有关电源部分和传感器部分的价格在短期内不可能指望按照摩尔定律下降。事实上,当各物理特征量非均匀分布,且在分布密度上具有较大的差异时(相比之下,这是一种更为普遍的状况),往往会存在对于某些物理特征量感知的传感模块价格,远远高出传感节点其余部分之和的情况。因此,根据物理特征量的分布特性,选择传感模块进行异构配置将是实际工程项目的必然选择。

2仿真结果

根据以上分析,进行仿真验证。假设兴趣小区为L m× L m的方形区域。观测3个物理特征量,特征量1所需的最小抽样间隔为10 m×10 m,特征量2所需的最小抽样间隔为20 m×20 m,特征量3所需的最小抽样间隔为50 m×50 m。同构随机配置方案下节点数按系数最小抽样间隔所需传感节点数的Kp=1.3倍配置(同时集成3个物理特征量的传感模块于同一个传感节点上)。各种配置方案在地理上的分布比较如图2所示。

比较图2(a)与图2(b)可以看出,同构配置下节点数明显多于异构节点数,同时由于随机播撒同时保证传感信息密度分布的需要,同构配置下存在不必要的节点冗余。参考目前实际器件价格,假定无线传感网传感节点电源模块成本为5元,处理器模块成本为20元,传感模块1成本为5元,传感模块2成本为20元,传感模块3成本为300元,则可求得无线传感网同构节点与各种异构节点的价格如表1所示。

无线传感网配置方案成本比较如图3所示。从图3中可以看出,随着无线传感网配置区域的扩大,异构配置方案下和同构配置方案下无线传感网传感节点成本总和的差异逐渐明显。在300 m×300 m的区域上,成本总和的比值即达到4倍,差异值即达到30 000元。说明在目前实用阶段,不能忽视这种差异的存在。

3结束语

通过上述分析和仿真说明,目前一般文献中有关使用大量同构、微小、资源受限、随机分布在未经分割的感兴趣区域、使用一次性能源供给、不可移动的传感节点按照自组织方式构建无线传感网络的网络同构配置方案不具有通用性和实用性,而采用本文提出的根据观测信息场信息分布构造的异构配置模型可达到节省成本的目的,是更适合于未来无线传感网面向实际应用要求的通用结构配置方案。

摘要：根据对无线传感节点组成与无线传感网应用环境中各物理特征量非均匀分布,且在分布密度上具有较大差异的情况分析,提出一种异构分布配置模型,在网络配置时采用与感知物理特征量空间分布特征相适应的异构节点配置方法。由此减少节点配置冗余和信息冗余,降低无线传感网的配置成本。仿真实验证明,该模型可节省成本,是更适合于未来无线传感网实际应用要求的通用结构配置模型。

关键词：无线传感网,配置模型,异构,成本

参考文献

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传感器配置 篇4

1 电子式互感器优势及分类

现有变电站中的常规互感器已经越来越不适应发展需求, 主要表现如:

1) 电磁式电流互感器二次绕组回路接有测量、继电保护及自动控制装置, 利用高、低绕组之间的电磁耦合原理将信号从一次侧传到二次侧。随着电网电压等级的升高, 为保证其低压设备与高电压相隔离, 互感器内部绝缘层结构将越来越复杂, 相应设备的造价也越来越高;

2) 电磁式互感器的输出为模拟信号, 无法实现数字信号的输出;

3) 电磁式互感器均采用充油的油浸绝缘结构, 隐含潜在的易燃、易爆等危险;

4) 电磁式互感器被测信号与二次线圈之间通过铁芯耦合, 存在磁饱和及铁磁谐振等问题[1]。

目前, 伴随微电子技术、传感技术及光纤通信技术等的发展, 国内外电子式互感器的出现是互感器传感精确化、传输光纤化和输出数字化开展趋向的重要体现之一, 电子式互感器的蓬勃发展基于其具有体积小、无饱和现象或磁滞效应、抗电磁干扰性能优、无油化等诸多优点。

电子式互感器一般由传感模块和合并单元两部分构成, 根据电子式互感器中一次传感器部分是否需要电源, 又可分为有源式和无源式两类。各种互感器原理已在诸多文献中进行过详细论述, 在此不再赘述。

2 电子式互感器的选择及配置方案比较

无源式电子互感器是指高压侧传感头部分不需要供电电源的电子式互感器, 而有源式电子互感器是指传感头部分需要供电电源的电子式互感器。在我国, 有源式电子互感器的研究与应用已走在无源式的前面, 许多电子式互感器产品已在国内多个变电站中具有了几年的投运经验, 运行状况良好, 可满足用户对于保护和计量测量的多种要求[2]。

根据国内工程实际应用情况, 以电流互感器为例, 电流互感器可考虑三种方案:

方案1是采用常规互感器, 加装合并单元, 以将模拟信号转换为数字光纤信号;方案2是采用有源电子式互感器;方案3是采用无源全光纤互感器或磁光玻璃式互感器。

其各方面性能对比见表1。

综合上述比较及国内互感器研发应用现状来看, 无源电子式互感器在技术难度方面, 其温度稳定性等一直是阻碍发展推广的关键问题, 就设备投资成本而言, 光学无源式互感器的造价约是同电压等级有源式互感器的2倍左右。

3 电子式互感器推广应用需解决的问题

根据目前变电站中已投运的电子式互感器运行情况及所掌握的资料, 电子式互感器在全面推广及应用中需解决如下问题。

3.1 环境温度对电子式互感器的影响

在电子式互感器光学器件方面, 对于磁光玻璃电子式电流互感器而言, 其传感部件Verdet常数随温度变化较大;全光纤电流互感器本体的Verdet常数随温度变化较小, 但光纤内的线性双折射对温度变化是十分敏感的, 从而将影响其测量准确度及精度[4]。

在电子式互感器电子器件方面, A/D转换器件、电容等的电气参数也会随着温度的变化而发生偏移。

另外, 对于实际工程中电子式互感器的订货环节, 应明确要求厂家提供设备满足当地气候条件的试验报告, 满足在可能出现的最高、低温度范围内安全稳定运行, 同时最大温度差变化也不应影响设备的各方面正常使用寿命和功能。

3.2 电磁兼容对电子式互感器的影响

在电子式互感器分类中, 无源式互感器的主要优势就在于其电磁兼容性能优秀, 但无源式电子式互感器的技术难度、制造工艺及造价等均明显高于有源式互感器, 且目前无源式互感器仅有电流, 无电压式, 小负荷时的测量精度是难以保证的, 这些都限制了其在变电站中的大规模实际应用。

对于有源型电流互感器, 由于采集器位于高压侧, 存在电磁兼容问题, 需解决及建议的改进措施有:提高机箱的屏蔽功能, 尤其应注意电源、信号外接端口的滤波接入设计方案;通过改变其接地方式的设计克服地电位压差和高频信号干扰;通过改变电路结构, 减少敏感回路在传到和辐射方面的高频影响等。

3.3 震动对电子式互感器的影响

在光学器件方面, 外部震动或应力会导致电子式互感器中光学器件内的线性双折射, 这将降低电流测量灵敏度, 并使整个传感头的灵敏度随偏振面方位的改变而周期性改变。对于导体位置的震动, 对于空心线圈的测量精度也存在一定的影响。

在独立支柱安装的电子式互感器设备抗震问题上, 要求应等同于常规互感器, 此处不再赘述。

3.4 电子式电流互感器小电流测量问题

光学电子式互感器由于存在白噪声的影响, 会导致其一次电流值为零, 合并单元数字量输出非零。该问题主要出现在全光纤原理的电流互感器, 是由于互感器白噪声对测试结果的干扰所造成。从噪声机理和试验中发现, 对测量准确度影响较大的噪声大多数集中在几百Hz范围内, 且由于产品在设计和制造工艺上的区别, 也可导致误差结果的差异性。因此根据已有相关研究建议, 应对全光纤互感器白噪声的产生机理、特性进行深入分析, 并设法提高产品设计和制造的工艺水平, 在其准确度测试方法、对电能计量及继电保护方面的影响也应进行全面的分析与研究。

3.5 电子式电压互感器的频率响应特性

对于电容分压原理的电压互感器而言, 其在频率响应特性方面不优于电磁式电压互感器, 但出于可以避免铁磁谐振的考虑, 在220kV及以上电压等级广泛采用。另外, 当前基于Pockels效应的电子式电压互感器造价约为同等级常规互感器造价的1.5~3倍, 目前在测量精度和频率响应特性方面还较少运行数据。

基于电容分压原理的电子式电压互感器在造价方面与常规互感器大致相同, 频率响应特性也与电容式电压互感器相当。现阶段, 造价是限制电子式电压互感器技术发展的主要原因。

3.6 传感器电源供电方式对互感器的影响

在一次传感器供电方式方面, 对有源式电子互感器的影响主要针对独立支柱电子式互感器的一次传感器, 组合电器及罐式断路器配套的有源式电子式互感器不存在相应问题, 为开关设备本体供电方式。

一次传感器采用激光供电时, 光纤熔接质量、LED激光电源老化都会对供电可靠性产生影响;一次传感器采用取能CT和激光供电切换方案时, 应避免切换死区或激光电源的频繁切换。

4 结论

目前, 有源式电子互感器的应用已走在无源式的前面, 其具有便于标准化和工业化批量生产, 实用性、适用性良好等特点, 这也是目前有源式电子互感器在工程中被广泛使用的原因之一。无源电子式互感器近几年也逐步开始了初期应用, 相信随着其稳定性和工艺一致性等技术问题的逐一解决, 其具有的明显技术优势会获得更大的发展空间与应用前景。

参考文献

[1]钱进, 胡海燕.电子式互感器的应用及市场前景浅析[J].长江工程职业技术学院学报, 2011 (2) .

[2]杨武志, 潘济猛.500kV电子式互感器工程应用研究[J].南方电网技术, 2011 (6) .

[3]李世良, 刘海英.电子式互感器配置问题分析[J].科技资讯, 2011 (32) .