UHF RFID溫度標(biāo)簽的研究及其在開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用*

李波濤，張寶英，趙世坡，張婧，王于波，王海寶

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

0 引 言

變電站中低壓側(cè)設(shè)備多以開(kāi)關(guān)柜為主且在用量較大，其安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。開(kāi)關(guān)柜內(nèi)各接觸點(diǎn)可能因?yàn)榫o固螺栓松動(dòng)、銜接不嚴(yán)密、氧化腐蝕、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大，當(dāng)大電流流過(guò)這些觸點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高現(xiàn)象，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易引起火災(zāi)、爆炸、大面積停電等事故，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。光電互感器應(yīng)用逐漸增多，對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)環(huán)境的溫濕度提出了更高要求［1-2］。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)柜的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的智能化，對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展及開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行具有重大意義。

目前，運(yùn)維檢修人員通過(guò)示溫蠟片測(cè)溫、紅外測(cè)溫、光纖測(cè)溫、有源無(wú)線測(cè)溫、無(wú)源無(wú)線SAW測(cè)溫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的溫度監(jiān)測(cè)。其中，示溫蠟片測(cè)溫和紅外測(cè)溫［3-6］均需人工參與讀取測(cè)溫設(shè)備的溫度值，容易出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)，無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確度會(huì)收到操作人員的影響，實(shí)時(shí)性較差。光纖測(cè)溫［7-9］存在爬電距離短，安裝調(diào)試復(fù)雜，且其調(diào)制解調(diào)器成本較高等缺點(diǎn)，不利于大面積推廣［10］?，F(xiàn)有的有源無(wú)線溫度傳感器存在集成度高、自組網(wǎng)、體積小、成本低廉、安裝方便等諸多優(yōu)勢(shì)，可以黏貼在電纜接頭、銅排連接點(diǎn)、閘刀和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)等關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)［11-13］，但有源無(wú)線溫度傳感器的供電電池不適于工作在高溫惡劣環(huán)境，容易發(fā)生爆炸，引發(fā)事故，且電池可能漏液，給電力設(shè)備帶來(lái)額外的安全隱患?；诼暠砻娌y(cè)溫技術(shù)的無(wú)源無(wú)線SAW溫度傳感器，通過(guò)測(cè)量無(wú)線射頻信號(hào)的頻率變化得到溫度值［14-15］，但基于無(wú)源無(wú)線SAW溫度傳感器的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在以下缺陷：傳感器通過(guò)頻率識(shí)別ID，本身沒(méi)有電子ID；安裝距離必須大于20 cm，不適用于測(cè)溫點(diǎn)密度較大的環(huán)境；通常需要通過(guò)螺絲固定安裝，不便維護(hù)。

射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活領(lǐng)域［16-17］。在超高頻（Ultra High Frequency，UHF）RFID溫度傳感技術(shù)中，溫度傳感芯片與RFID芯片的集成設(shè)計(jì)，使得電子標(biāo)簽具有了溫度感知能力，超高頻閱讀器通過(guò)電子標(biāo)簽獲取溫度傳感信息，實(shí)現(xiàn)了溫度監(jiān)測(cè)的“無(wú)源測(cè)溫、無(wú)線傳輸”，將UHFRFID溫度標(biāo)簽用于開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)，將有效解決目前存在的問(wèn)題。本文研究了UHF RFID溫度標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)和天線設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了基于UHF RFID溫度標(biāo)簽的開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)關(guān)柜中的易發(fā)熱觸點(diǎn)進(jìn)行在線測(cè)溫，并通過(guò)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚控制器，匯聚控制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IEC 61850幀格式傳輸至主站數(shù)據(jù)庫(kù)，供主站系統(tǒng)調(diào)用，或直接將數(shù)據(jù)進(jìn)行本地顯示。

1 UHF RFID溫度標(biāo)簽研究

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超高頻射頻溫度標(biāo)簽與超高頻閱讀器間的工作介質(zhì)為電磁波。在開(kāi)關(guān)柜測(cè)溫系統(tǒng)中，溫度標(biāo)簽貼于容易發(fā)生高溫故障的關(guān)鍵點(diǎn)，被測(cè)對(duì)象為金屬材料。金屬對(duì)電磁波的反射、吸收改變了電磁場(chǎng)的空間分布和場(chǎng)強(qiáng)，從而影響了溫度標(biāo)簽的性能。本文采用的RFID溫度標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，使用耐高溫柔性絕緣材料制作襯底，增加標(biāo)簽天線與被測(cè)金屬材料的距離，脫離金屬表面盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的抗金屬功能。在襯底中嵌入金屬導(dǎo)熱材料，用于待測(cè)點(diǎn)與芯片之間的熱傳導(dǎo)，使得測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)直接反映測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)可靠。芯片焊接采用倒裝焊工藝，使用各向異性導(dǎo)電膠，不影響熱傳導(dǎo)。利用具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的粘合劑將標(biāo)簽固定于開(kāi)關(guān)柜中容易產(chǎn)生發(fā)熱故障的接觸點(diǎn)。

圖1 RFID溫度標(biāo)簽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of RFID temperature tag

1.2 天線特性分析

標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)對(duì)標(biāo)簽的性能起到舉足輕重的作用，由于天線成本遠(yuǎn)低于UHF RFID溫度傳感芯片成本，所以對(duì)UHF RFID溫度傳感芯片單獨(dú)設(shè)計(jì)天線。無(wú)線功率傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）是基于整流二極管天線，這也是本文整流設(shè)計(jì)的思想，用整流二極管天線電路實(shí)現(xiàn)了從RF信號(hào)到DC信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換。

在超高頻系統(tǒng)中，天線的有效全向輻射功率為EIRP（天線增益（GT）和天線發(fā)射功率（PT）的乘積），RFID溫度標(biāo)簽天線接收到的功率為Ptag且符合Friis電磁波傳播公式，在距離天線R處自由空間中的功率密度為：

當(dāng)溫度標(biāo)簽與閱讀器天線達(dá)到最佳對(duì)準(zhǔn)和正確極化時(shí)，溫度標(biāo)簽吸收的功率與入射波的功率密度成正比，可表示為：

式中S為入射波的功率密度；Ae為溫度標(biāo)簽天線的有效接收面積，在極化匹配條件下，Ae可表示為：

式中λ為自由空間中的波長(zhǎng)；Gtag為溫度標(biāo)簽天線的增益，可得溫度標(biāo)簽天線接收到的功率為：

定義極化匹配系數(shù)p為：

式中Ei為瞬時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度；h為天線的有效矢量長(zhǎng)度；h*為h的共軛。定義標(biāo)簽的阻抗匹配系數(shù)q為：

當(dāng)天線阻抗與負(fù)載阻抗共軛匹配時(shí)，q＝1。則溫度標(biāo)簽內(nèi)部實(shí)際接收到的功率PD為：

假設(shè)天線增益Gtag為0 dBm，工作頻率帶寬為860 MHz～960 MHz，計(jì)算時(shí)采用中心頻率915 MHz。由于溫度標(biāo)簽的天線設(shè)計(jì)在UHF RFID溫度傳感芯片制造之后，所以，可通過(guò)PCB設(shè)計(jì)，達(dá)到良好的阻抗匹配，取溫度標(biāo)簽天線的極化匹配因子p與芯片的阻抗匹配因子q乘積為0.8。915 MHz天線的有效接收面積為Ae為：

當(dāng)溫度標(biāo)簽天線與超高頻閱讀器天線距離為3 m時(shí)，溫度標(biāo)簽內(nèi)部接收到的功率為：

其余功率（1-q）pPtag將會(huì)被溫度標(biāo)簽的天線反射回超高頻閱讀器，超高頻閱讀器利用反向散射調(diào)制方式獲取溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)簽與超高頻閱讀器之間的通信。超高頻閱讀器天線接收到溫度標(biāo)簽天線反射回的能量為：

根據(jù)式（10）可以得到溫度標(biāo)簽所接收能量與工作距離關(guān)系。在超高頻閱讀器的天線發(fā)射功率不變條件下，溫度標(biāo)簽獲得的能量隨超高頻閱讀器天線和溫度標(biāo)簽天線之間距離R的二次方衰減，即距離增加一倍，溫度標(biāo)簽接收到的能量下降6 dB，由于存在多徑效應(yīng)，實(shí)際功率衰減比理論值更加嚴(yán)重。超高頻閱讀器從溫度標(biāo)簽得到的反射能量隨R的四次方衰減。我們可以通過(guò)以上公式，計(jì)算得到溫度標(biāo)簽芯片功耗的極限值、工作距離等關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 超高頻閱讀器設(shè)計(jì)

超高頻閱讀器是整個(gè)RFID系統(tǒng)中重要的組成部分之一，其核心為部分超高頻模塊（即閱讀器），超高頻閱讀器原理框圖如圖2所示。

圖2 超高頻閱讀器原理框圖Fig.2 Functional block diagram of UHF reader

由于RFID系統(tǒng)采用“閱讀器先說(shuō)”的工作方式，因此閱讀器就成為整個(gè)RFID系統(tǒng)的通信中心，其主要具有以下功能：采用“閱讀器先說(shuō)”的工作方式，實(shí)現(xiàn)與標(biāo)簽之間的通信功能；通過(guò)載波為標(biāo)簽提供工作所需的能量；通過(guò)基帶部分實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)標(biāo)簽中所存儲(chǔ)的信息實(shí)現(xiàn)閱讀、寫(xiě)入以及修改等功能；具有防碰撞功能，在讀寫(xiě)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽的同時(shí)識(shí)別；通過(guò)Zigbee方式與無(wú)線中繼器進(jìn)行通信。

本設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)采用的超高頻模塊，最大發(fā)射功率即ERP為2W（33 dBm），發(fā)射數(shù)據(jù)數(shù)率為40 kbps，信號(hào)調(diào)制方式為100%ASK調(diào)制，配置天線工作頻率為902 MHz～928 MHz，中心頻率為915 MHz，其增益GT為7.15 dBi，即 100.715＝5.188倍，通過(guò)天線發(fā)射出來(lái)的功率為4W～5 W。

2.1.2 無(wú)線中繼器設(shè)計(jì)

無(wú)線中繼器用于接收、匯聚周邊超高頻閱讀器接收到的溫度傳感信息。無(wú)線中繼器的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到超高頻閱讀器收集到的溫度信息后，將溫度傳感信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)電路發(fā)送給匯聚控制器?？赏ㄟ^(guò)以太網(wǎng)／USB方式升級(jí)自身程序。無(wú)線中繼器電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 無(wú)線中繼器電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Frame block diagram of wireless repeater

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于UHF RFID溫度標(biāo)簽的開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，一個(gè)開(kāi)關(guān)柜安裝一組UHF RFID溫度標(biāo)簽測(cè)量各觸點(diǎn)溫度，這組溫度標(biāo)簽信息的收發(fā)和管理由一個(gè)超高頻閱讀器統(tǒng)一完成。同一開(kāi)關(guān)室內(nèi)多個(gè)開(kāi)關(guān)柜通過(guò)無(wú)線中繼器組成無(wú)線自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的本地傳輸，再由匯聚控制器負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)室內(nèi)所有溫度傳感數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理和數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換，最終將開(kāi)關(guān)柜溫度信息上傳至監(jiān)控中心或本地顯示，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜觸點(diǎn)溫度的在線監(jiān)測(cè)。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System frame diagram

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

匯聚控制器作為本系統(tǒng)的主機(jī)，其硬件基于Intel ATOM處理器、軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線中繼器的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、本地顯示等功能。本文主要針對(duì)系統(tǒng)的軟件需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

2.3.1 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件按功能劃分為數(shù)據(jù)服務(wù)（實(shí)時(shí)庫(kù)和消息機(jī)制）、傳感器接入模塊、IEC 61850服務(wù)模塊、歷史數(shù)據(jù)處理模塊、告警應(yīng)用模塊、總線模塊（看門(mén)狗）、和匯聚控制器工具等主模塊。以及日志服務(wù)、配置文件解析等通用庫(kù)。

2.3.2 軟件功能

系統(tǒng)軟件具有如下功能：

（1）通過(guò)與感知終端的通信接口，采集感知終端數(shù)據(jù)，采用TCP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，匯聚控制器為客戶端，感知終端為服務(wù)端；

（2）通過(guò) MMS（Multimedia Messaging Service）與客戶端傳送感知終端數(shù)據(jù)，匯聚控制器完全參照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，匯聚控制器作為IEC 61850的服務(wù)器端，通過(guò)統(tǒng)一接口與客戶端相連；

（3）轉(zhuǎn)發(fā)MMS客戶端對(duì)感知終端的下行命令；

（4）記錄時(shí)間日志：日志分類便于查看（如：錯(cuò)誤日志、異常日志、通信日志、操作日志等）；日志記錄格式清晰，便于錯(cuò)誤定位；日志錯(cuò)誤提示要通俗易懂；

（5）按IEC 61850建立感知終端的信息模型；

（6）過(guò)濾冗余數(shù)據(jù)功能，要求匯聚控制器對(duì)數(shù)據(jù)具有預(yù)處理能力，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)變化率閥值過(guò)濾冗余數(shù)據(jù)；

（7）告警功能，告警功能作為獨(dú)立模塊，單獨(dú)進(jìn)程處理告警信息；

（8）安全功能：實(shí)現(xiàn)匯聚控制器的設(shè)備身份認(rèn)證功能，防止非法設(shè)備接入信息安全系統(tǒng)；對(duì)聚控制器與信息安全接入系統(tǒng)間的傳輸數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)機(jī)密性和數(shù)據(jù)完整性保護(hù)功能，避免傳輸數(shù)據(jù)的泄漏、篡改和偽造。

2.3.3 軟件運(yùn)行流程

系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如下：

（1）裝置啟動(dòng)，操作系統(tǒng)啟動(dòng)看門(mén)狗定時(shí)器；

（2）啟動(dòng)實(shí)時(shí)庫(kù)模塊，實(shí)時(shí)庫(kù)檢測(cè)到異常則啟動(dòng)異常自恢復(fù)處理，若異常無(wú)法恢復(fù)則裝置停運(yùn)，告警待檢；

（3）啟動(dòng)用戶進(jìn)程管理模塊，檢測(cè)實(shí)時(shí)庫(kù)啟動(dòng)完成，如未完成則等待；

（4）按配置啟動(dòng)IEC 61850服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)處理、告警應(yīng)用和傳感器接入等模塊；

（5）檢測(cè)啟動(dòng)信息，有異常產(chǎn)生告警，無(wú)異常裝置進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。

系統(tǒng)軟件流程圖，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 System program flow chart

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文研究的系統(tǒng)在冀北張家口供電公司趙川220 kV變電站35 kV 4-9、5-9 PT柜安裝部署，溫度標(biāo)簽安裝在電纜室銅排上，監(jiān)測(cè)到A、B、C三相銅排的溫度數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

從表1和表2可以看出不同時(shí)間點(diǎn)PT柜A、B、C三相銅排溫度值。早上由于用電量小、環(huán)境溫度較低，銅排溫度較低；隨著用電量的增加和環(huán)境溫度的升高，下午銅排溫度值升高；晚上用電量和環(huán)境溫度均處于早上和下午的中間，銅排溫度適中。從測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)看，PT柜的電纜室銅排處于正常運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PT柜銅排溫度的在線監(jiān)測(cè)。

表1 4-9 PT柜銅排溫度數(shù)據(jù)表Tab.1 Temperature data of 4-9 PT cabinet

表2 5-9 PT柜銅排溫度數(shù)據(jù)表Tab.2 Temperature data of 5-9 PT cabinet

4 結(jié)束語(yǔ)

每張UHF RFID溫度標(biāo)簽都具有全球唯一的EPC編碼作為身份識(shí)別，將特定EPC碼與特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，則監(jiān)測(cè)可以定位到每一個(gè)具體的點(diǎn)，發(fā)生異常，可以立即確定異常點(diǎn)；UHF RFID溫度標(biāo)簽自身不攜帶電池，依靠接收來(lái)自讀寫(xiě)器的電磁波轉(zhuǎn)換成電能后以超低功耗工作，不存在電池、爬電等二次安全隱患；UHF RFID溫度標(biāo)簽直接貼合在被測(cè)點(diǎn)表面，安裝方便，測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)直接反映測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)可靠?；赨HF RFID溫度標(biāo)簽的開(kāi)關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用“無(wú)源、無(wú)線”超高頻射頻測(cè)溫技術(shù)，避免了“有源、有線”監(jiān)測(cè)方式帶來(lái)的二次安全隱患，開(kāi)發(fā)的匯聚控制器可本地在線顯示、告警，也可將溫度傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為IEC 61850幀格式上傳至主站系統(tǒng)，提高了巡檢的工作效率，有利于智能電網(wǎng)的發(fā)展。