一种开关柜无线无源测温方法及系统与流程

本发明涉及电力设备状态监测，具体为一种开关柜无线无源测温方法及系统。

背景技术：

1、开关柜是电力系统中承担电能分配、电路控制和保护功能的核心设备，其内部触头、母线连接点、断路器触点等部位在长期运行中容易因接触电阻过大、过载运行等原因产生异常发热。这些发热隐患如果不能被及时发现和处理，会逐步导致绝缘材料老化失效，最终引发短路、设备烧毁甚至大面积停电事故。无线无源测温技术无需外部供电、安装维护简便、电气绝缘性好，能够适应开关柜内部高压、强电磁的特殊环境，已成为开关柜温度监测的主流技术方向。

2、现有无线无源测温系统在实际运行中，无源声表面波测温传感器的基片与被测金属表面之间存在热传导路径差异，同时传感器基片还会与周围空气进行热交换。当被测点温度发生快速变化时，传感器基片的温度变化会滞后于被测点的真实温度变化，形成动态热滞后误差。这种误差的大小并非恒定值，而是会随着被测点温度变化速率、开关柜内部空气流动速度、传感器与被测表面的接触压力等多种因素动态变化。在开关柜发生局部短路前兆等快速温升故障场景下，这种动态热滞后误差会急剧增大，导致系统测量到的温度值远低于实际温度值，从而延误故障预警时机，造成严重的电力安全事故。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种开关柜无线无源测温方法及系统，解决了现有无线无源测温系统动态热滞后误差难以准确补偿，快速温升场景下测温精度不足易延误故障预警的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种开关柜无线无源测温方法，包括：

3、预先建立多模式热响应数据库，所述多模式热响应数据库中存储有不同工况下瑞利波、剪切水平波以及兰姆波三种声表面波模式的热响应参数；

4、向传感器发射宽带射频激励信号，并接收所述传感器返回的包含所述三种声表面波模式传播信息的混合谐振信号；

5、从所述混合谐振信号中分离出三种声表面波模式各自的谐振频率，并转换为对应的第一温度值、第二温度值以及第三温度值；

6、将所述第一温度值、第二温度值以及第三温度值输入多模式热响应数据库，通过非线性方程组求解算法解算出被测点的当前温度、温度变化速率、空气对流换热系数以及接触热阻；

7、利用解算出的所述当前温度、温度变化速率、空气对流换热系数以及接触热阻构建多物理场耦合热传导模型，重构从被测金属表面到传感器基片的温度场分布；

8、根据重构的所述温度场分布计算当前时刻的动态热滞后误差值，并利用所述动态热滞后误差值对所述当前温度进行修正，获得补偿后的目标温度值。

9、进一步地，所述预先建立多模式热响应数据库的步骤具体包括：在实验室环境下将所述传感器置于可控温、可控风速以及可控接触压力的试验平台上，模拟开关柜运行过程中的不同热传导与热对流工况。

10、进一步地，记录所述三种声表面波模式在不同温度变化率、不同风速以及不同接触压力下的频率漂移数据，将提取的热响应特征参数关联存储。

11、进一步地，所述从所述混合谐振信号中分离出三种声表面波模式各自的谐振频率的步骤中，采用快速傅里叶变换算法将时域混合谐振信号转换为频域信号，再通过多尺度小波分解算法对频域信号进行多层分解，得到不同频率尺度的子带信号。

12、进一步地，分析各子带信号的能量分布特征以识别瑞利波、剪切水平波以及兰姆波对应的频率区间，通过峰值检测算法提取各模式的谐振频率，并采用小波阈值去噪方法滤除所述混合谐振信号中的环境电磁干扰杂波。

13、进一步地，所述利用解算出的所述当前温度、温度变化速率、空气对流换热系数以及接触热阻构建多物理场耦合热传导模型的步骤中，通过所述接触热阻表征传感器基片与被测金属表面之间的接触紧密程度，通过所述空气对流换热系数表征开关柜内部空气流速对传感器基片的热交换影响，结合所述温度变化速率量化传感器热惯性引起的测量滞后量。

14、进一步地，所述获得补偿后的目标温度值之后还包括：判断所述温度变化速率是否超过预设的温升阈值，在所述温度变化速率超过所述温升阈值时，自动缩短所述宽带射频激励信号的发射周期，提高传感器数据的采集频率，以捕捉开关柜内部局部短路前兆阶段的瞬态温度变化。

15、进一步地，所述方法还包括在线自校准步骤：当系统运行处于稳态工况时，自动启动所述在线自校准步骤。

16、进一步地，采集所述三种声表面波模式的频率数据，对比所述多模式热响应数据库中的初始特征参数，根据频率偏移量修正所述多模式热响应数据库中的映射关系，补偿由于传感器老化、安装位置偏移以及基片表面污染导致的性能漂移。

17、进一步地，所述传感器采用一体化压电基片，在所述一体化压电基片上设置有一组叉指换能器。

18、进一步地，所述一体化压电基片上还设置有三组不同周期的反射栅，所述叉指换能器在所述宽带射频激励信号作用下同时激发所述瑞利波、剪切水平波以及兰姆波，三组所述反射栅分别与所述三种声表面波模式的谐振频率对应。

19、进一步地，所述补偿后的目标温度值通过以太网传输至上位机监控单元，所述上位机监控单元根据所述目标温度值、所述温度变化速率、所述空气对流换热系数以及所述接触热阻进行多维趋势分析，并判断是否触发声光报警信号，同时评估开关柜内部件的电气连接状态。

20、进一步地，所述非线性方程组求解算法在执行时，通过迭代运算使所述多模式热响应数据库输出的预测温度值与实测的所述第一温度值、第二温度值以及第三温度值的残差平方和达到最小，从而收敛得到所述当前温度、温度变化速率、空气对流换热系数以及接触热阻。

21、本发明还提供了一种开关柜无线无源测温系统，包括：

22、传感器阵列，固定在开关柜内部的待测温度点，用于受激产生并反射包含瑞利波、剪切水平波以及兰姆波三种声表面波模式传播信息的混合谐振信号；

23、阅读器，用于向所述传感器阵列发射宽带射频激励信号，并接收所述混合谐振信号，对所述混合谐振信号进行分离处理以获取三个模式温度值，并利用多模式热响应数据库解算出被测点的当前温度、温度变化速率、空气对流换热系数以及接触热阻，进而通过构建多物理场耦合热传导模型重构温度场分布，并修正所述当前温度，获得补偿后的目标温度值；

24、监控单元，与所述阅读器连接，用于接收、存储并显示所述目标温度值。

25、相比现有技术，本发明的有益效果为：

26、本发明通过同时利用瑞利波、剪切水平波以及兰姆波三种不同声表面波模式的热响应特性，建立覆盖不同工况的多模式热响应数据库，解算出被测点当前温度、温度变化速率、空气对流换热系数以及接触热阻等多个影响测温精度的关键物理参数，构建多物理场耦合热传导模型重构从被测金属表面到传感器基片的温度场分布，实现动态热滞后误差的实时定量计算与修正，有效解决了现有技术中动态热滞后误差随多种因素动态变化且难以准确补偿的问题，在开关柜发生局部短路前兆等快速温升场景下能够大幅减小测温误差，准确测量被测点真实温度，及时捕捉故障前兆阶段的瞬态温度变化，避免延误故障预警时机。系统可在稳态工况下自动修正热响应映射关系，长期保持测温精度，同时能够基于解算得到的多维度物理参数评估开关柜内部件的电气连接状态，为电力设备安全运行提供全面可靠的监测数据。