无源多传感器系统

无源多传感器系统（精选3篇）

无源多传感器系统 篇1

0 引言

电力设备的安全稳定是电力系统安全稳定运行的重要基础。对电力设备运行状态进行监测, 能够及时发现问题, 减少故障的发生。电力设备发热监测监控技术是在工业设备的温度监控技术上发展出来的, 主要经历了热电偶技术、固定粘贴式示温蜡片 (纸) 测温技术、非接触式远红外测温技术、光纤测温技术、有源无线测温技术以及SAW传感器无源无线测温技术等发展阶段[1]。近年来, 国外相继开发了一些基于不同检测原理的电气设备温度在线监测装置, 为满足安全可靠及实用性要求, 各国开始趋向于采用无源无线测温方式。

声表面波 (Surface Acoustic Wave, 简称SAW) 是沿物体表面传播的一种弹性波。SAW谐振型传感器主要由天线和附有反射栅、叉指转换器的压电基片组成。叉指换能器通过逆压电效应将接收到的查询电磁波转换为一定频率的声表面波 (SAW) , 声表面波被左右两个周期性反射栅条反射至叉指换能器处产生特定谐振频率的电磁波, 并通过天线向外输出[2]。

目前, 无线无源测温系统已有许多研究成果。文献[3-4]研究了SAW传感器的设计;文献[5]研究了温度采集器的设计;在从测温网关向监控中心传输数据方式的研究方面, 文献[6]采用无源透明的EPON网络组建环网柜无源无线测温管理系统, 文献[7]采用RS485实现本地传输, 以太网实现数据远程传输。

本文给出了设计方案, 介绍了无线无源测温系统的总体架构, 重点介绍了能够汇集并上传温度信息的测温网关硬件设计以及温度监测系统的软件设计。本方案的一个突出特点是测温网关可以将数据通过以太网、RS485或GPRS等多种方式上传到监控系统, 可根据实际情况进行配置。

1 测温系统架构及硬件设计

1.1 测温系统工作原理

基于SAW传感器的无线无源测温系统由监测管理主站及软件、温度监测集中器 (网关) 、测温采集器、SAW温度传感器等部分构成。系统的工作原理是SAW传感器测量各触点温度, 采集器完成对传感器测量的温度信息的收发和管理, 一个采集器可接收6个SAW传感器的温度信息。同一区域 (如一个变电站) 内多个开关柜通过采集器之间组成CAN总线网络或RS485组网进行数据的本地传输, 再由测温网关统一进行本区域内所有开关柜温度监控信息的采集、存储和管理。测温网关可以通过以太网、GPRS或RS485按照指定的标准规约传入监控中心, 实现远程在线温度监测、分析以及预警。监测系统总体架构如图1所示。

采集器从SAW传感器获取温度信息的过程是:采集器间歇地发射一定频率的正弦信号, 传感器接收到采集器发出的信号, 当传感器的谐振频率与激励信号频率相同时, 输出响应信号功率最大。此时, 响应信号是一个指数衰减的振荡信号, 振荡频率即谐振频率。采集器接收到这个信号并进行处理, 分析谐振频率, 计算出对应的温度并发送回温度监测集中器[8]。

测温网关主要负责传感器/采集器档案管理、参数设定、温度数据的存储, 并提供与自动化系统或测温平台的数据接口。测温网关将采集器上的温度数据读入之后, 首先通过自身的储存模块将温度信号保存下来, 然后通过外部接口将数据传送至上位机系统中, 与上位机系统的通讯接口主要包括以太网、RS485接口或GPRS接口, 通讯协议采用103/61850/Modbus等标准规约通信, 也可通过自定义规约进行通讯。

1.2 测温网关设计

网关的硬件系统由7大部分组成, 分别为主控单元、GPRS通信单元、以太网通信单元、2路RS485通信接口、1路调试RS232接口、1路CAN通信接口和电源单元 (GPRS和以太网设计成选配单元, 可根据不同的需求配不同的功能模块) 。主控单元是整个通信模块的主控中心, 由一块ARM芯片组成, 主要用于以太网协议栈的解析和参数的配置。GPRS通信单元通过GPRS模块和移动运营商的GPRS网络实现远程数据的采集。以太网通信电源采用工业级的以太网通信模块和主站进行数据通信。一路RS485用于和主站或其他设备通信, 另一路RS485主要和测温采集器通信。RS232通信接口设计成USB口, 主要用于参数设置和后续的串口升级。CAN通信接口主要用于和测温采集器通信。图2是网关硬件结构框图。

1.3 硬件设备安装

测温系统的硬件设备主要包括温度传感器、温度采集器及其天线和测温网关。安装时, 应根据现场实际情况制定安装方案。温度传感器是直接安装在被测物体表面的接触式测温元件, 采集器与传感器配套使用。传感器与采集器距离应该在有效测量范围内, 一般不超过5 m, 以避免信号衰减导致测量误差。

对于开关柜测温, 将测温系统安装在断路器上, 每个断路器各一套测温系统。传感器安装在断路器上下端触臂上, 采集器天线安装在开关柜断路器手车室, 通讯装置箱安装在开关柜仪表室。图3是断路器上下端触臂上传感器安装情况。

对于变压器测温, 基于对变压器的高压侧电流较小、发热不明显、安装难度高和远距离无线信号稳定性等方面的考虑, 测温系统只安装在变压器低压侧。传感器安装在变压器低压侧与离相封闭母线软连接处, 采集器天线安装在离相封闭母线外壳上, 通讯装置箱安装在变压器本身上。

2 温度监测系统软件设计

温度监测管理系统的应用软件主要功能包括各温度传感器设备运行状态监视、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。根据实际情况, 这些应用功能可以作为电力自动化系统的一个功能模块存在 (将温度信息通过标准数据接口接入电力自动化系统) , 也可以单独作为一套环网柜温度监测的主站系统。各类运行管理人员可通过远程访问及时准确地监控开关柜温度情况。

本系统采用分布式多层结构, 软件架构由上至下分为表现层、服务层、数据层, 其结构图如图4所示。表现层即面向用户的层级, 实现人机交互功能, 以前端页面展示为表现形式, 用户通过浏览器登录系统, 查看设备的实时温度, 设定用户权限, 设定报警条件和报警推送功能等。服务层程序架设在服务器上, 对数据中的实时温度数据进行分析处理, 经过处理之后保存到数据库, 接收表现层的请求并给予响应。数据层接收测温设备测量的数据, 存储在数据库中。

系统设计的整体流程图如图5所示。

传感器测量的温度经采集器和网关上传到服务器, 保存在数据层的数据库中。服务层程序对数据进行处理分析, 将实时数据在表现层前端页面进行展示。如果温度异常, 就会进行报警, 并分析温度异常的原因, 向手机发送报警消息。本系统具有以下特点:

(1) 多种温度监测方式。用户可以设定时间区间、指定监控对象进行历史温度信息的查询。

(2) 完备的告警机制。温度的绝对值或温度的变化率超过上限, 系统为运行管理人员提供声音、光电、短信等多种方式的告警信息。

(3) 丰富的数据展现。在监控对象上, 可以选定一个开关柜的一组传感器或一个区域的多个开关柜温度信息进行监控。对于历史温度信息, 系统提供列表、曲线等多种展现方式。

(4) 完善的系统参数设置。管理温度监测相关设备档案。指定开关柜或一个具体的温度传感器进行参数的远程下发, 包括传感器温度校准、各类预警值、时间、温度采集频率、传感器发射功率、信号接收门限等。

本系统能够对测温数据进行深入分析, 得出温度异常原因, 并进行预测。具体分析方法如下:

(1) 高温原因分析。根据载流量的增大测量温度会持续走高, 当温度超过预设范围后, 进行两种原因判定。载流量过大:出线高温预警后, 根据历史温度变化趋势判定, 定时读取中国天气网对测温区域的温度数据。统计当前测量点与环境的历史温度差异, 根据每日平均温差形成温差走势, 如果温差不呈上升趋势, 则判定为载流量过大。设备老化或者接触不良:判定原理同上, 判断条件为温差呈上升趋势时, 判定设备老化或者接触不良。

(2) 温度预测分析。根据已有的温度数据及其变化规律, 按照既定的预测算法为用户提供温度预测结果, 并将预测值与预警值进行比较, 发现有异常的可能时发送温度告警信息。

(3) 对设备老化情况进行分析。以整点采集的温度和实时天气温度做差值, 将一天的所有差值取平均, 以月为分析单位, 将一个月内的所有日平均差值再取平均统计出月平均差值。平均温差作为衡量设备老化水平的分析依据, 当差值不断增大时, 预测为设备状况不佳, 可能存在老化现象。

(4) 对薄弱环节进行检测。薄弱点分析采用同级比较的方法, 根据普遍运行状况筛选出特殊运行状况。以用电高峰期作为时间节点, 统计用电高峰时段测量点温度增长情况, 将同级别的每个测量点在本时段的温度差值记录下来, 并计算出所有测量点温差平均值, 然后将超过温差平均值的测量点按照差值大小进行排名;以月为统计单位, 统计超过平均温差排在前三名之内的次数, 按照次数多少来排列薄弱点。

3 设计方案的实现

下面给出了测温系统安装后温度监测软件的运行情况。图6是采集器视图界面, 能够显示该采集器下所有传感器的温度情况。根据温度信息, 运行人员能够及时掌握设备的运行状况。如果出现温度异常, 系统会发出告警信息, 保障运行人员能及时发现问题并进行处理。

图7是传感器视图界面, 能够显示该传感器在一定时段内的温度曲线。该曲线能够反映温度变化趋势, 运行人员可以通过曲线及时发现设备老化等问题。

4 结语

今后对电力设备安全稳定的要求必然越来越高, 对设备温度进行监测, 能够及时发现异常情况, 减少设备故障。基于SAW传感器的无线无源测温系统安装灵活方便、运行可靠, 有广阔的发展前景。本文给出了无线无源测温系统的硬件、软件设计方案, 并应用在断路器触头温度监测上。由温度监测系统软件运行情况可知, 该系统能及时有效地监测传感器安装处的温度, 实现准确测温、及时告警的功能。当然, 无线无源测温设备还存在成本较高的问题, 值得深入研究。

参考文献

[1]邓世杰.中置式开关柜的无线测温方法[J].高压电器, 2010, 46 (11) :99-102.

[2]李平, 文玉梅, 黄尚廉.声表面波谐振器型无源无线温度传感器[J].仪器仪表学报, 2003, 24 (4) :403-405.

[3]卢小荣.无源无线声表面波温度传感器及应用方案设计[D].武汉:武汉邮电科学研究院, 2012.

[4]王磊, 刘文, 卢小荣.面向电网应用的SAW温度传感器设计[J].压电与声光, 2012, 34 (6) :817-819.

[5]宿元斌, 宿筱, 何建廷.高压开关柜无源无线温度监测系统的研究[J].制造业自动化, 2013, 35 (3) :32-35.

[6]霍富强, 雷振锋, 路进升.环网柜无源无线测温管理系统设计[J].科学技术与工程, 2013, 13 (25) :7516-7520.

[7]覃奇, 陈金, 鄢芬, 等.嵌入式协议转换器在无源无线测温系统中的应用[J].电气技术, 2012 (12) :53-56, 62.

[8]鄢芬.声表面波温度传感器信号检测系统的研究[D].武汉:武汉邮电科学研究院, 2012.

无源多传感器系统 篇2

多传感器信息融合技术与无人机PHM系统

通过分析多传感器数据融合技术故障诊断方法,针对无人机的特点,在不增加系统硬件的.情况下,充分利用无人机现有传感器获取的信号,提高无人机故障预测与健康管理(PHM)系统状态监测、健康评估和故障预测推理的准确性,并确定推理结果的置信度.

作 者：陈伟 罗华 作者单位：解放军炮兵学院刊 名：航空科学技术英文刊名：AERONAUTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：2009“”(6)分类号：V2关键词：无人机 故障预测与健康管理 信息融合技术

无源多传感器系统 篇3

关键词：室内分布,无源器件,高性能

1 高性能无源器件产生背景

室内分布系统是移动网络的重要组成部分,具有由单系统、低载波向多载波、多系统合路发展的趋势。但是现有无源器件在室分系统扩容时面临两大问题:基站载波数量增加,容量变大,超出器件所能承受的界限;很多室分系统建设年限较长,器件已经老化,指标恶化。在多系统共分布场景下同样面临两大问题:混合互调、系统隔离实现难度大,造成多系统间相互干扰;器件承受的峰值功率更高,易打火,产生宽带噪声,导致上行干扰。在此情形下,开发具有承载功率更大,互调指标更优的高性能无缘器件势在必行。

2 高性能无源器件定位

高性能无源器件旨在解决现存的室分系统扩容问题和多系统共分布问题。

干扰是无线通信领域的一个永恒话题,当多系统共用后不可避免地会存在系统内的互调干扰,系统共用后会加大互调产物干扰系统的概率,其原因可分为以下两个方面:首先,原来单系统工作时,可能无需关心互调问题,现在由于共享后,有可能互调产物落到另一个系统接受频段内,并通过共用通道干扰另一个运营商的接收。特别是TD-LTE相关产业的飞速发展、LTE的演进路线、移动市场业务开拓的需求、运营发展的激烈竞争等,都需要运营商对此早作准备。随着TD-LTE网络开始部署,他将会与其他室分系统在同一地点建设,TD-LTE与其他系统间的干扰将会成为一个关键问题,传统无源器件已无法解决这一问题。所以器件的无源互调在共享系统中显得尤为重要。

高性能无源器件与传统无源器件最大的差别就是:带宽更宽,承受功率更大,互调指标更优。首先,超宽频段范围不但满足现有2G/3G/WLAN的应用还可以满足新系统LTE室分网络的建设需求。其次,更大的承受功率,解决了在室分系统扩容中产品功率容量隐患问题,可以满足未来4G室分网络的建设需求。第三,低互调可解决在多系统共分布场景下降低整个室分系统的干扰水平,一定程度上提升了话务吸收能力。从而解决深度覆盖问题,提高用户感知度。

3 高性能无源器件功率研究

3.1 传输链路损耗计算

研究表明,合理使用不同级别无源器件的判断依据是由无源器件实际承受的平均功率大小决定的。

无源器件实际承受的平均功率=信源总功率-传输路径损耗。

传输路径损耗主要由馈线损耗、无源器件总损耗和转接头损耗三部分组成。

3.2 各种无源器件功率分析

结合传输路径计算方法及现网站点载波分布特点,对常用无源器件(电桥、合路器、耦合器和功分器)的使用原则和使用场景进行分析研究

(1)电桥功率分析

电桥的主要作用为同频系统合路,也可作为异频系统合路。后期同频系统合路均可用邻频合路器进行合路。

结论:电桥的主要应用场景下最大输入功率为140W。因此,电桥可以考虑不使用500W高性能电桥。对于以上邻频合路场景,后期使用邻频合路器,更没有必要使用500W高性能电桥。

(2)合路器分析

合路器的功率容量定义的是每个通道的功率上限。通常合路器每个通道表示一个宽频频段;

合路器的端口数一般不超过5个,如果有5个频段以上的系统合路使用POI;

合路器每个端口承受的最大功率主要跟该端口频段内载波数有关;

1800MHz和2100MHz频段主要是宽带系统,载波数一般较少;800/900MHz

频段属于GSM窄带系统,载波数较多,但也不会超过10载波。

结论:合路器每个通道承受的最大功率不会超过200W。因此,合路器可以考虑不使用500W高性能合路器。除了个别特殊站点,如VIP站点、重点保障站点,可根据实际情况考虑使用500W高性能合路器。

(3)耦合器、功分器功率分析

耦合器/功分器的功率分析可根据实际网络拓扑结构参考下面的分析方法,如图1,图2。

各部分损耗说明:

①③⑤的路径损耗包含馈线损耗和转接头损耗,假设为5米1/2馈线和2个转接头,其损耗约为0.2+0.5=0.7d B;

②的路径损耗为合路器插入损耗,约为0.6d B;

④⑥为耦合器/功分器1、2,路径损耗与具体型号有关,假设④⑥分别为5d B耦合器和二功分,则④⑥的损耗分别为1.65d B和3.5d B。

结论:

若信源载波数<16载波,功分器/耦合器1建议使用300W高性能器件;功分器/耦合器2建议根据承受功率是否大于33d Bm决定使用300W高性能器件还是普通器件;其余均使用普通器件。

若信源载波数>16载波,功分器/耦合器1建议使用500W高性能器件;功分器/耦合器2建议使用300W高性能器件;其余按照以下原则:若大于33d Bm建议使用300W高性能器件,若小于33d Bm建议使用普通器件。

因此高性能无源器件在未来室分系统中的需求越来越低。

2/3G网络主要承载语音业务且带宽窄、载波数多,造成了室分发射功率偏高。随着网络发展,Vo LTE将逐步取代CS域传统解决方案。届时,2/3G可考虑逐步退网,室分功率可能也将逐步下降。

随着4G网络的推广应用,4G用户数与日俱增,用户对数据业务的要求也越来越高。现有载波数可能不足以满足用户需求。届时,2/3G频段将考虑逐步重耕,而4G网络属于宽带系统,系统总载波数也将呈下降趋势。

未来4.5G和5G移动通信网络的演进趋势逐渐向着宽带化、小功率、高频段的方向发展。总体来说,未来移动通信网络的载波数及功率将可能更小。

4 研究结论及建议

(1)室内场景使用原则(防护等级IP60)

电桥:无需考虑使用500W高性能电桥,建议使用300W高性能电桥;

合路器:除了个别特殊站点可考虑使用500W高性能合路器,其余站点建议使用300W高性能无源器件;

耦合器/功分器:

①若载波数<16,耦合器/功分器1建议使用300W,其余全部建议使用普通无源器件;

②若载波数>16,耦合器/功分器1建议使用500W,耦合器/功分器2建议使用300W,其余按照功率大于33d Bm使用300W,小于33d Bm使用普通器件。

以上建议仅适用于普通站点,对于VIP站点、重要保障站点及高流量/高话务等站点可考虑大部分或全部使用300W/500W高性能无源器件,具体按照实际情况论证、分析后决定。

(2)室外场景使用原则(防护等级IP65)

室外环境恶劣(高温、潮湿、多尘、腐蚀物等),建议使用室外型300W/500W高性能器件;尤其高铁、地铁场景环境恶劣以及维护困难,建议全部使用500W高性能器件。

参考文献

[1]丁海.高性能无源器件功率测试平台方案[J]IT时代周刊,2015,(315):33