王 崢，綦 銳，劉宗杰，龐振江，李 鵬

（1.北京智芯微電子科技有限公司北京 100192；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司，山東濟(jì)寧 272000；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是當(dāng)今輸電網(wǎng)絡(luò)中一種應(yīng)用廣泛的電氣設(shè)備。與傳統(tǒng)的敞開式設(shè)備相比較，GIS 具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、安全性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，但由于其采用全封閉結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生故障，影響范圍大并且難以準(zhǔn)確定位及快速搶修，將會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此對GIS 設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測十分必要[1]。在2019 年第五屆開關(guān)設(shè)備應(yīng)用發(fā)展與運(yùn)維檢修技術(shù)交流會(huì)上，就總結(jié)出近5 年330 千伏及以上新投斷路器故障占總數(shù)的56%，GIS 設(shè)備初期故障占比達(dá)到80%；開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域仍然存在諸多問題沒有解決的技術(shù)問題，缺乏有效的在線監(jiān)測技術(shù)手段[2]。

該文提出的是一種有效的GIS 設(shè)備監(jiān)測方案及系統(tǒng)。針對電力檢測設(shè)備無源無線的要求，在工程設(shè)計(jì)上引入了電磁波取能、UHF RFID 和藍(lán)牙通信技術(shù)，這樣可以很好地解決能量獲取、低功耗喚醒和數(shù)據(jù)通信問題。在GIS 設(shè)備監(jiān)測技術(shù)上，振動(dòng)法作為一種常規(guī)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方法，已經(jīng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中得到應(yīng)用；振動(dòng)作為電力設(shè)備GIS的一項(xiàng)固有屬性，既能反映機(jī)械故障引起的低頻振動(dòng)，也能反映絕緣故障引起的高頻振動(dòng)[3-7]。文中在這幾項(xiàng)技術(shù)組合的基礎(chǔ)上闡述原理、方案及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果。

1 原理與設(shè)計(jì)

該文提出的基于無線電磁波取能的供電方案，可以讓能量密度較大的風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備遠(yuǎn)離GIS 設(shè)備并且給聲學(xué)指紋傳感器供電。傳感系統(tǒng)電路中只保留微小的電量，這樣可以確保相關(guān)設(shè)備足夠安全，而且也能長時(shí)間穩(wěn)定工作。振動(dòng)信息由設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理后，可得到一些特殊的譜圖，例如三維譜圖或二維譜圖，通過分析譜圖或?qū)⒆V圖和已知的標(biāo)準(zhǔn)圖形作對比，從而判斷設(shè)備的（絕緣）狀態(tài)，稱為“指紋診斷”[8]。

1.1 總體方案

結(jié)合上述提出的兩個(gè)研究方向以及無線通信技術(shù)，文中提出圖1 所示的總體方案。

圖1 總體方案圖

如圖1 所示，系統(tǒng)定義成四大塊：GIS 聲學(xué)指紋傳感器、電磁波取能及低功耗處理電路、UHF 無線供能器和GIS 聲學(xué)指紋數(shù)據(jù)采集設(shè)備。GIS 傳感器安裝在GIS 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)上，在GIS 設(shè)備沒有動(dòng)作時(shí)處于極低功耗狀態(tài)；當(dāng)有GIS 機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)才會(huì)被喚醒并采集相應(yīng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。電磁波取能及低功耗處理電路有兩部分功能：1）電磁波取能，實(shí)現(xiàn)UHF 電磁波轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的3.3 V 電量供給；2）低功耗處理電路，它平時(shí)處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)有外部UHF RFID 信號喚醒后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及協(xié)調(diào)通信狀態(tài)。UHF 無線供能器要實(shí)現(xiàn)的功能就是產(chǎn)生UHF 信號，通過放大后向發(fā)射天線提供足夠強(qiáng)的UHF 功率信號；UHF 功率信號通過天線向外輻射能量，實(shí)現(xiàn)無線能量發(fā)射。GIS 聲學(xué)指紋數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含有UHF RFID 和2.4G 藍(lán)牙通信模塊的智能終端設(shè)備，它可以是手持機(jī)或是電腦，用它來采集傳感器數(shù)據(jù)以及進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

1.2 GIS聲學(xué)指紋傳感器

如上所述，GIS 聲學(xué)指紋傳感器需要具有超低功耗功能，然而單一器件的超低功耗振動(dòng)傳感器帶寬往往滿足不了系統(tǒng)指標(biāo)需求。為了設(shè)計(jì)出符合系統(tǒng)帶寬和功耗要求的傳感器，首先對傳感器的振動(dòng)頻率進(jìn)行研究，然后提出設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案。

1.2.1 傳感參數(shù)分析

GIS 正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)主要由電磁力與磁致伸縮引起[9-10]。正常情況下，磁致GIS 設(shè)備伸縮加速度可以式（1）表示[3]：

其中，導(dǎo)電桿電流i0=I0cos(ωt)，ω為工頻角頻率，εs為薄殼的飽和磁致伸縮率，u0為真空磁導(dǎo)率，R為GIS 圓柱殼外徑，Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。根據(jù)上述分析，在理想情況下，在電磁力及磁致伸縮效應(yīng)的穩(wěn)定作用下，GIS 外殼將以2 倍工頻為基頻發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)。根據(jù)推導(dǎo)和實(shí)測可得出，GIS 機(jī)械裝置的加速度約為1 000 m/s2，即100 g 加速度量級[3]。

GIS故障包括機(jī)械故障及絕緣故障，機(jī)械狀態(tài)的改變引起的振動(dòng)往往是低頻異常振動(dòng)，集中在1 000 Hz以下；但是局部放電引起的振動(dòng)頻率都在2 kHz 以上，與機(jī)械故障引起振動(dòng)的頻率特征有著顯著差異[3]，因此較高帶寬的振動(dòng)信號監(jiān)測GIS 運(yùn)行狀態(tài)能夠兼顧機(jī)械故障與絕緣故障。

1.2.2 低功耗處理

從有代表性的MEMS 加速度傳感器參數(shù)對比中，不難發(fā)現(xiàn)大部分的低功耗器件帶寬都在10 kHz以下。在傳感加速度范圍和帶寬上較符合需求的器件有ADXL1004，但是它的功耗在1 mA 左右，而且是模擬信號輸出。結(jié)合器件各自的特點(diǎn)，該文提出了一種雙MEMS 系統(tǒng)方案，其中一個(gè)MEMS 作為低功耗輔助器件，工作流程如圖2 所示。

如圖2 所示，輔助MEMS 長時(shí)間處于低功耗監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)它監(jiān)測到一定強(qiáng)度的振動(dòng)信號后，會(huì)輸出中斷信號喚醒正在睡眠的MCU；當(dāng)MCU 被喚醒之后，它會(huì)發(fā)起一系列流程，實(shí)現(xiàn)主MEMS 的振動(dòng)信號采集；完成主信號采集后輔助MEMS 繼續(xù)監(jiān)控振動(dòng)情況，MCU 重新進(jìn)入睡眠。

1.2.3 傳感器硬件設(shè)計(jì)

圖2 傳感器工作流程

在上述分析的基礎(chǔ)上，傳感器的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示。鑒于傳感器小體積這一需求，在主控選型上傾向于集成ADC 的芯片，結(jié)合ADC 采樣精度、速率指標(biāo)，選擇ADUCM355 這顆MCU 比較符合實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)這款MCU 的SAM 大小是64 kB，方便采樣數(shù)據(jù)緩沖。主傳感器ADXL1004 的功耗需求在1 mA 左右，采用MCU GPIO 直接供電即可實(shí)現(xiàn)程控通斷電功能，使得電路非常簡潔。由于ADXL1004的輸出電壓范圍是0～VDD，它超出了ADUCM355 ADC 的0.2～2.1 V 動(dòng)態(tài)，因此需要采用電阻分壓的方式，把ADXL1004 的輸出電壓范圍調(diào)節(jié)到合適的動(dòng)態(tài)范圍。輔助MEMS 采用LIS2DH，它在工作的時(shí)候功耗可以低至2 μA，它的INT1 作為中斷輸出給MCU 用作喚醒信號。輔助MEMS 和Flash 芯片GD25Q40B 共用SPI 總線接入到MCU，實(shí)現(xiàn)各自的功能。傳感器向外部引出SWD 程序下載口和UART 通信接口（P0.10 和P0.11）。

1.3 電磁波取能及低功耗處理電路

接下來討論可以驅(qū)動(dòng)GIS 聲學(xué)指紋傳感器的主控模塊：電磁波取能及低功耗處理電路，這個(gè)模塊通過UHF 電磁波取得電能，負(fù)責(zé)給自身及GIS 傳感器供電，并且實(shí)現(xiàn)低功耗時(shí)序控制和通信管理。接下來從獲取能量、電路架構(gòu)和控制時(shí)序這三點(diǎn)進(jìn)行論述。

圖3 傳感器硬件架構(gòu)

1.3.1 電磁波取能

UHF 電磁波取能是該研究的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，由于分布參數(shù)對天線各項(xiàng)指標(biāo)影響比較復(fù)雜，以下將會(huì)從理論和實(shí)測兩個(gè)方面相向推導(dǎo)計(jì)算出各參數(shù)指標(biāo)。首先對電磁波能量傳輸給出如下定義：

其中，ηt是天線的發(fā)射效率，ηr是天線的接收效率，假設(shè)發(fā)送和接收是同一款天線，它們存在ηt=ηr關(guān)系，ηc是自由空間的傳輸效率。式（3）給出了接收點(diǎn)單位面積接收功率S0的計(jì)算方法：

式（3）中，Gt是發(fā)送天線的增益，Pt是發(fā)射天線的輸出功率，d為收發(fā)天線之間的距離。接收天線有效面積與天線增益G關(guān)系如下[6]：

Gr是接收天線的增益結(jié)，Ar是接收天線的有效面積，λ是能量信號的波長。結(jié)合式（3）和式（4），可以得出：

在7 dBi 圓極化天線(Gt=Gr≈5)、922 MHz 工作頻率，1 m 距離的環(huán)境下，從式（5）中可以計(jì)算出ηc≈1.68%。表1 給出了實(shí)驗(yàn)室在此情況下實(shí)測的數(shù)據(jù)。

結(jié)合理論和1 m 距離的實(shí)測數(shù)據(jù)，不難得出發(fā)送和接收天線的轉(zhuǎn)換效率ηt=ηr≈78.3%。同時(shí)系統(tǒng)在此天線環(huán)境相距3 m 的情況下，電路有將近1 mW的功率供UHF 取能芯片使用。

表1 天線收發(fā)效率實(shí)測數(shù)據(jù)

1.3.2 取能及處理電路設(shè)計(jì)

從功能需求和模塊功能劃分角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出UHF 電磁取能和低功耗處理電路架構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 取能處理電路架構(gòu)

從圖4 可知，電磁波取能及低功耗處理電路主要包括以下部分：ANT1 是UHF 天線，它負(fù)責(zé)電磁波能量的接收和UHF 通信，其中電磁波能量頻段為840～845 MHz，UHF 通信頻段是920～925 MHz；UHF IC（ROCKY100）是電磁波整流取能芯片，這部分電路的輸入需要引入840 MHz 頻段的帶通濾波器；DC/DC（MP3120）是低功耗升降壓電路，它可以實(shí)現(xiàn)寬電壓0.9～5 V 的輸入并且穩(wěn)定3.3 V 電壓輸出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的供電，為了保證系統(tǒng)的突發(fā)供電能力，它的輸出會(huì)并聯(lián)一個(gè)大的法拉電容C1；UHF IC（UCODE IIC）是UHF 通信芯片，它的天線輸入需要加入920 MHz 頻段的帶通濾波器，它平時(shí)處于極低功耗狀態(tài)，UHF 通信可以喚醒它并且指定輸出中斷信號來喚醒MCU，這個(gè)芯片同時(shí)可以是UHF 的PHY 芯片實(shí)現(xiàn)MCU 的UHF 通信；MCU&BT（nRF52810）是帶有藍(lán)牙功能的MCU 芯片，它可以實(shí)現(xiàn)低功能時(shí)序處理及藍(lán)牙通信，這部分電路也帶有自己的2.4G 藍(lán)牙天線ANT2。

由于電磁波取能和低功耗處理電路的體積和安裝位置都有一定的要求，它和GIS 設(shè)備需要監(jiān)測點(diǎn)的位置也不一致，因此它會(huì)和GIS 振動(dòng)傳感器分開，如圖1 和圖4 所示，它們之間采用一根電源數(shù)據(jù)線連接。

1.3.3 處理電路時(shí)序

為了讓電磁取能和低功耗處理電路以及GIS 振動(dòng)傳感器有電源，系統(tǒng)需要UHF 無線供能器一直發(fā)送30 dBm、840 MHz 的能量信號，該設(shè)備可通過一體化UHF 讀寫器設(shè)置之后即可實(shí)現(xiàn)，因此該文不再過多敘述UHF 無線供能器。在取能處理電路和GIS 傳感器都正常供電且處于低功耗休眠的情況下，圖5給出了如何通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)取能處理電路的喚醒和數(shù)據(jù)采集。

圖5 GIS指紋傳感系統(tǒng)工作流程

如圖5 所示，左半部分是帶有UHF、藍(lán)牙模塊的終端或PC 需要實(shí)現(xiàn)的流程，右半部分是取能及處理電路的流程，UHF 模塊在這里起到了喚醒和藍(lán)牙配對信息交付的作用，藍(lán)牙是傳感數(shù)據(jù)傳遞的途徑。其中讀振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)這個(gè)流程需要通過GIS 振動(dòng)傳感器配合，它們之間是通過UART 進(jìn)行通信的，UART 通信可以觸發(fā)GIS 傳感器退出睡眠進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

至此，一種基于電磁波取能的GIS 操動(dòng)機(jī)構(gòu)的聲學(xué)指紋無源傳感器原理與設(shè)計(jì)完成論述。

2 實(shí)現(xiàn)與測試

在原理與方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對所述系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，如圖6 所示，即為圖1 方案的實(shí)驗(yàn)室測試場景圖。在室驗(yàn)室環(huán)境下，UHF 無線供能器一直處于上電狀態(tài)，它發(fā)射出來的電磁波通過自身的天線把能量輻射到1.5 m 距離處的電磁波取能及低功耗處理電路模塊上；電磁波取能及低功耗處理電路接收到無線能量后，會(huì)把射頻能量轉(zhuǎn)換成直流電壓儲(chǔ)存到法拉電容，供自身及GIS 聲學(xué)指紋傳感器使用。當(dāng)電磁波取能完成啟動(dòng)后，低功耗處理電路和GIS聲學(xué)傳感器也隨之啟動(dòng)，快速初始化后立即進(jìn)入低功耗，等待GIS 設(shè)備振動(dòng)或外部UHF 手持機(jī)信號喚醒執(zhí)行相關(guān)操作。

圖6 GIS指紋傳感系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試場景

在圖6 場景中，實(shí)測手持機(jī)可以按圖5 所設(shè)計(jì)的工作流程實(shí)現(xiàn)GIS 設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取。經(jīng)過實(shí)測，GIS指紋傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了表2 所示的關(guān)鍵指標(biāo)。

表2 GIS聲學(xué)指紋傳感系統(tǒng)實(shí)測參數(shù)

在表2 參數(shù)測試中，由于無線供能器采用的法拉電容存在一定的漏電情況（約40 μA），因此啟動(dòng)時(shí)間會(huì)比理想中的時(shí)間要長一些，算上漏電流帶來的影響，實(shí)測的啟動(dòng)時(shí)間是正常的。GIS 傳感器的采集范圍是采用ADC 有效采集電壓范圍推導(dǎo)出來的結(jié)果，真實(shí)數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步實(shí)測。

為了證明設(shè)計(jì)的GIS 聲學(xué)指紋傳感器能真實(shí)有效地采集原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，并且初步評估其數(shù)據(jù)的性能指標(biāo)，把本次設(shè)計(jì)傳感器和傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)做了對比測試，圖7 是GIS 設(shè)備機(jī)械裝置的傳感器安裝圖。

圖7 GIS傳感器對比測試安裝圖

如圖7 所示，采用該文論述方案并實(shí)現(xiàn)的新傳感器和傳統(tǒng)的老式傳感器安裝在GIS 設(shè)備裝置的同一機(jī)械位置上，新傳感器是在睡眠模式下通過機(jī)械振動(dòng)喚醒采集數(shù)據(jù)，老傳感器是使用數(shù)據(jù)采集卡監(jiān)測數(shù)據(jù)。它們在同一次機(jī)械動(dòng)作情況下得到的數(shù)據(jù)，如圖8 所示，然后進(jìn)行FFT 分析，得到圖9 所示的頻譜圖。

圖8 GIS傳感器實(shí)測波形對比圖

圖9 GIS傳感器FFT對比圖

圖8 的上圖是新設(shè)計(jì)的傳感器在一次GIS 設(shè)備機(jī)械動(dòng)作時(shí)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)域波形，圖8 下圖是用作對比的傳統(tǒng)傳感器采集的數(shù)據(jù)時(shí)域波形，從波形現(xiàn)象來看雖然新傳感器采集數(shù)據(jù)的開啟時(shí)間會(huì)比振動(dòng)來得遲一些，但是大幅度的振動(dòng)情況都已經(jīng)采集到了（GIS 機(jī)械動(dòng)作之前的其他設(shè)備的預(yù)處理振動(dòng)動(dòng)作可喚醒新傳感器）；雖然新傳感器的存儲(chǔ)采樣點(diǎn)數(shù)有限，不過它基本上覆蓋了整個(gè)有效振動(dòng)時(shí)間。圖9 上圖是本次設(shè)計(jì)的新傳感器采集數(shù)據(jù)FFT波形，圖9 下圖是傳統(tǒng)的舊傳感器采集數(shù)據(jù)的FFT 波形，通過對比不難看出由于新傳感器采用的加速度傳感器帶寬更寬，它有更高的頻率細(xì)節(jié)可以體現(xiàn)出來。因?yàn)樾碌膫鞲衅鞴牡汀捀?，?dòng)態(tài)范圍更大，更能收集出GIS 機(jī)械振動(dòng)的細(xì)節(jié)，因此它適用于低功耗甚至是電池供電、對振動(dòng)信號采集細(xì)節(jié)要求更高的系統(tǒng)。

3 結(jié)論

該文論述并且實(shí)現(xiàn)了基于UHF 電磁波取能的GIS 聲學(xué)指紋傳感系統(tǒng)，通過實(shí)測證明了方案、理論和實(shí)際電路的一致性。通過實(shí)測數(shù)據(jù)表明，UHF 電磁波取能對于一些采集系統(tǒng)的供電（甚至是有突發(fā)幾十毫安級別的）具有一定的可行性。不過由于無線供電和取電的天線體積過大，會(huì)占用一定的空間，而且效率過低，儲(chǔ)能元件體積大，且漏電相對較嚴(yán)重，因此UHF 電磁波取能在這種幾十毫安級別突發(fā)的耗電系統(tǒng)中應(yīng)用并不是較優(yōu)解，一些安全等級較高的電池供電方案或室內(nèi)太陽能取電也許會(huì)優(yōu)于UHF電磁波取能，這點(diǎn)需要進(jìn)一步展開相關(guān)研究工作。

文中設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)的GIS 聲學(xué)指紋傳感器具有體積小、低功耗、帶寬高、寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，在此類傳感器中屬于較為新穎的器件，它可以與其他外圍的供電及采集電路相結(jié)合，設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)競爭力的GIS 設(shè)備監(jiān)測裝置。