基于声表面波技术的变压器无线温度传感器信号处理方法_吴润发.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 1 基金项目:国网辽宁省电力有限公司科技项目(2 0 2 1 Y F-1 8)作者简介:吴润发(1 9 9 6-),男,湖南省常德市人,硕士,主要从事声表面波传感器技术研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 8 2-0 7D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 6基于声表面波技术的变压器无线温度传感器信号处理方法吴润发1,鄂振伟2,付 东2,喻正直2,亓子超3,李书翔3(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海2 0 0 2 4 0;2.国网辽宁省电力有限公司抚顺供电公司,辽宁 抚顺1 1 3 0 0 6;3.山东安普瑞电气科技有限公司,山东 济南2 5 0 0 0 0)摘 要:目前配电变压器的状态监测迫切需要一种无线无源的传感监测方式,而声表面波(S AW)传感器是满足此需求的重要技术手段之一。该文以用于变压器出线端测温的S AW传感器为研究对象,提出了一种S AW传感器回波信号处理流程,设计了信号去噪、频谱分析等信号处理环节。为解决同频信号对传感器测量带来的干扰问题,研究了基于奇异谱分析和独立分量分析的单通道盲源分离算法对S AW传感器的抗干扰作用,利用搭建的信号采集平台验证了该算法在信号分离和干扰抑制上的有效性。关键词:变压器;声表面波传感器;信号处理;独立分量分析;奇异谱分析中图分类号:T N 9 8 文献标志码:A S i g n a lP r o c e s s i n gM e t h o do fW i r e l e s sT e m p e r a t u r eS e n s o r f o rT r a n s f o r m e rB a s e do nS AWT e c h n o l o g yWUR u n f a1,EZ h e n w e i2,F UD o n g2,Y UZ h e n g z h i2,Q IZ i c h a o3,L IS h u x i a n g3(1.S c h o o l o fE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,S h a n g h a i J i a oT o n gU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0,C h i n a;2.F u s h u nP o w e rS u p p l yC o m p a n y,S t a t eG r i dL i a o n i n gE l e c t r i cP o w e rC o.,L t d.,F u s h u n1 1 3 0 0 6,C h i n a;3.S h a n d o n gA n p u r u iE l e c t r i cT e c h n o l o g yC o.,L t d.,J i n a n2 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A tp r e s e n t,t h ec o n d i t i o n m o n i t o r i n go fd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ru r g e n t l yn e e d saw i r e l e s sp a s s i v es e n s i n gm o n i t o r i n gm e t h o d,a n ds u r f a c ea c o u s t i cw a v e(S AW)s e n s o r i sa ni m p o r t a n t t e c h n i c a lm e a n st om e e t t h i sd e m a n d.T a k i n gt h eS AWs e n s o ru s e d f o r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t a t t h eo u t l e t o f t r a n s f o r m e r a s t h e r e s e a r c ho b-j e c t,t h i sp a p e rp r o p o s e sa ne c h os i g n a lp r o c e s s i n gp r o c e d u r eo fS AWs e n s o r,a n dd e s i g n so t h e rs i g n a lp r o c e s s i n gp r o c e d u r e ss u c ha s t h es i g n a l d e-n o i s i n g,s p e c t r u ma n a l y s i se t c.I no r d e r t os o l v et h e i n t e r f e r e n c ep r o b l e mc a u s e db yt h es a m ef r e q u e n c ys i g n a lt ot h es e n s o rm e a s u r e m e n t,t h ea n t i-i n t e r f e r e n c ee f f e c to ft h es i n g l ec h a n n e lb l i n ds o u r c es e p a r a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns i n g u l a rs p e c t r u ma n a l y s i sa n di n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i so nt h eS AWs e n s o r i ss t u d i e d.T h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi ns i g n a ls e p a r a t i o na n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni sv e r i f i e db yt h eb u i l t s i g n a l a c q u i s i t i o np l a t f o r m.K e yw o r d s:t r a n s f o r m e r;s u r f a c e a c o u s t i cw a v e s e n s o r;s i g n a l p r o c e s s i n g;i n d e p e n d e n t c o m p o n e n t a n a l y s i s;s i n-g u l a r s p e c t r u ma n a l y s i s 0 引言近年来,随着经济的发展,用电负荷与日俱增,配电网络变得日趋庞大和复杂。为确保配电网的安全稳定运行以及满足用电质量的要求,需要对配电变压器等关键设备的运行状态进行智能化监测。由于配电变压器直接与用户负荷相连,而用户负荷不平衡的问题无法从根本上得到解决,导致变压器零序电流升高,铁芯发热,油温过高等现象频发,在变压器外部则表现为出线端温度急剧上升。因此,通过对油温、出线端等部位的测温可以反映出变压器的运行状态。在配电变压器高达1 0k V的复杂、恶劣电力应用场景,常规的有源有线测温传感器具有一定的安全隐患,而光纤、红外等测温方式因安装部署难度大、成本高等因素而不适用,因此需要一种具有无线无源特征的传感器来满足配网变压器温度监测的安全性、低成本的要求。声表面波(S AW)传感器是一种基于压电材料的无线无源传感器,其结构简单,内部不含任何形式的电源,仅由外部电磁波的激励获取能量。传感信号无线传输避免了传感器应用现场布线的问题。基于无线无源,安全性高,寿命长,免维护的特点,S AW传感器在高温、高电压、高速转动等复杂恶劣应用环境中具有极大优势,因此,其在电力、机械轴承、汽车等领域备受关注1-4。用于配电变压器测温的S AW传感器大多处于室外工作环境,电磁环境随机变化。频率位于S AW传感器工作频段外的其他信号将被阅读器带通滤波滤除,而当环境中出现与传感器同频段的无线信号,且信号强度与传感器信号强度相当时,天线将可能同时采集到传感器和干扰信号的混合信号,两者将同时出现在回波信号频谱中,干扰信号将影响到传感器谐振频率判断的准确度,进而影响温度测量的准确度。因此,在S AW传感器测量过程中需考虑其他同频段信号对传感器频率检测的干扰作用。常用的一种方法是在测量数据端剔除干扰值,比如对温度数据进行卡尔曼滤波5,但此方法通常耗时较长,且对于长时间存在的干扰不再适用。本文从信号处理角度出发,对传感器和干扰的混合信号进行分离和判别,从而达到抗干扰的效果。1 S AW无线传感系统S AW无线传感系统由阅读器、天线及S AW传感器构成,如图1所示。其中,阅读器主要完成产生传感器激励信号、传感器回波信号处理、数据计算、通信及控制等功能。S AW无线传感器工作所需的能量由电磁波提供,其回波信号以无线电磁波形式传输。S AW传感器按其敏感器件不同的工作模式可分为谐振型S AW传感器和延迟线型S AW传感器。其中谐振型S AW传感系统的测量目标是准确获取传感器敏感器件(S AW谐振器)的谐振频率。图1 S AW无线传感系统S AW谐振器主要由叉指换能器(I D T)、反射栅和压电基片组成。I D T是沉积在压电基片上形如叉指形状的金属电极,它将传感器天线接收到的激励电信号通过逆压电效应转换为声表面波,并在I D T与反射栅之间形成驻波以产生谐振。其谐振频率因受温度、力、电场、质量加载等效应影响而发生相应地改变6。阅读器发射一段中心频率位于传感器工作频段的窄带短脉冲信号来激励S AW传感器,S AW传感器天线接收信号后激励谐振器产生谐振。激励停止后,谐振器开始释放激励过程中存储的谐振能量,谐振器利用压电效应将谐振S AW信号转换为电信号,并通过传感器天线发射。阅读器接收传感器回波信号并通过信号处理解析得到谐振器谐振频率,再通过传感器固有的频率-温度(频率-力)等关系式解算得到温度或力等物理量。2 S AW传感器回波信号处理2.1 回波信号处理过程S AW传感器回波信号处理过程如图2所示。阅读器停止发射激励信号后,立即打开天线接收通道接收传感器回波信号。传感器回波信号进入阅读器后经带通滤波、功率放大、下变频解调等模拟信号处理过程,得到便于采样处理的低频信号,低频信号经过模数转换得到数字信号。对数字信号的处理过程主要包括去噪、快速傅里叶变换(F F T)和频谱分析。通过数字信号处理可获得回波信号主频率,即传感器的谐振频率。图2 S AW传感器回波信号处理过程2.2 时频转换及频谱分析S AW传感器通过获取信号谐振频率值来计算传感量,所以需要对采样后的回波数字信号进行时频转换和频谱分析。时频转换一般采用快速傅里叶变换获得信号频谱,再通过对频谱峰值的查找和筛选判定回波信号中的谐振频率成分。实际传感器回波信号及其快速傅里叶变换后的频谱如图3所示。由于在阅读器天线接收过程中,激励已经停止,传感器处于能量释放过程,因此,其回波信号呈现衰减振荡的特征。3