基于RFID的電力計量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐 雷

(中油電能售電事業(yè)部東區(qū)配網(wǎng)營業(yè)所，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

隨著電網(wǎng)商業(yè)化的深入發(fā)展，對電力計量系統(tǒng)的要求有所提高。裝置計量系統(tǒng)對電表發(fā)送控制命令，并將相關(guān)信息反饋給遠程站點，幫助供電公司實時監(jiān)控用電數(shù)據(jù)，對潛在的電力故障進行供電切斷，檢測電力偷竊，實現(xiàn)電力計費、選擇性減載和盜電控制等功能[1]。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對短路故障的檢測效果不明顯，為此，設(shè)計一個基于RFID的電力計量系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面進行設(shè)計，基于RFID，設(shè)計電力計量目標的識別流程，計算電力計量目標的有功功率，完成系統(tǒng)設(shè)計后，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比實驗。

1 基于RFID的電力計量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

RFID技術(shù)的實現(xiàn)場所為RFID讀寫器，該硬件設(shè)備主要由RFID閱讀器、電子標簽和天線3個元件組成，其具體的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

RFID閱讀器的作用是用來讀取電子標簽中的信息，在RFID閱讀器的內(nèi)部包括1個微處理器和1個RFID基站芯片，電路方面包含高頻電路、復(fù)位電路、通信電路、驅(qū)動電路等。而電子標簽部分也被稱為射頻卡，射頻卡由芯片和耦合元件共同組成，部分電子標簽當(dāng)中會包含內(nèi)嵌的天線，實現(xiàn)RFID的讀寫通信。一般情況下設(shè)計的RFID讀寫器可以實現(xiàn)低頻、高頻、超高頻和微波4個層次上的工作，從而提高RFID讀寫器的精度。在設(shè)計過程中需要在RFID讀寫器上設(shè)置接口，使用OCX空間作為中間層負責(zé)連接硬件之間的通訊。在實際系統(tǒng)運行過程當(dāng)中，RFID讀寫器通過內(nèi)嵌的天線發(fā)送固定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標簽進入內(nèi)嵌天線的工作區(qū)后，在RFID讀寫器內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。將自身編碼信息通過內(nèi)嵌天線發(fā)送出去，并通過接收天線傳輸?shù)絉FID閱讀器當(dāng)中，閱讀器對采集的信號進行解調(diào)處理，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制操作。

改進數(shù)據(jù)采集器的CPU和通信電路，使采集的電力能耗脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的能耗值。選擇AT89S52作為數(shù)據(jù)采集器的CPU，AT89S52除CPU微控制器的標準特征外，其內(nèi)部RAM容量大，在電力能耗脈沖采樣和數(shù)據(jù)處理過程中，將其設(shè)為靜態(tài)邏輯，使多功能8位和閃速存儲器組合在單個芯片，利用閑置和掉電2種節(jié)點方式，在低到零頻率的工作條件下也能完成通信功能[2]。

選取SN75LBC184芯片進行電平轉(zhuǎn)換，并聯(lián)使用轉(zhuǎn)換芯片SN75LBC184的2個使能端，利用AT89S52的1個I/O口產(chǎn)生控制SN75LBC184的2個使能端信號，使其符合半雙工的通信標準，設(shè)計通信電路具體如圖2所示。

圖2 采集器通信電路圖

根據(jù)DE電平的高低，確定端口數(shù)據(jù)輸入和輸出的狀態(tài)，改變采集器的輸入和輸出使能，使電力能耗值由B端進行接收和發(fā)送[3]。至此完成電力計量系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

1.2 基于RFID識別的電力計量目標

在系統(tǒng)通信采集器硬件設(shè)計完畢的基礎(chǔ)上，根據(jù)RFID獲取通信信號的電子標簽，同時對多個電力計量目標的身份進行識別。將RFID電子標簽與電力計量目標綁定，根據(jù)系統(tǒng)空中通信接口參數(shù)，對RFID的通信頻率進行劃分，不同頻段的RFID設(shè)計相應(yīng)的通信協(xié)議。根據(jù)電力體系計量要求對計量目標進行判斷，過程中ID信息初始化內(nèi)容要與電力計量需求保持一致，使一個電子標簽僅具備一個ID信息[4]。具體識別流程如圖3所示。

圖3 基于RFID的電力計量目標識別流程

通訊信息輸入前要進行加密處理，利用多標簽防碰撞算法進行讀取，實現(xiàn)電力計量的動態(tài)物流管理模式[5]。在確定電力計量目標后，對其平均功率進行計算。設(shè)ΔT時間內(nèi)的瞬時電流為i(t)，瞬時電壓為u(t)，則該時間段內(nèi)的平均功率P的計算過程為

(1)

當(dāng)電流和電壓為正弦號交流電時，設(shè)功率因數(shù)為cosθ，電流有效值為U，電壓有效值為I，則式(1)可表示為

(2)

根據(jù)獲取的有功功率信號，實現(xiàn)用電計量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，至此完成電力計量系統(tǒng)的軟件設(shè)計。結(jié)合硬件和軟件設(shè)計，完成基于RFID的電力計量系統(tǒng)設(shè)計。

2 實驗論證分析

將文中設(shè)計的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行對比實驗。搭建電網(wǎng)測試環(huán)境，電網(wǎng)電壓有效值為10 kV高電壓，滿負荷時負載的功率因數(shù)大于0.9，額定負荷大于500 kVA，2個系統(tǒng)所連接的電能表為DSS26型的三相三線電子式多功能有功電能表，工作頻率為50/60 Hz，計量精度等級為1.0。

采用不同短接導(dǎo)線，真實模擬電力計量裝置的電能表電流線圈斷線故障，利用2個系統(tǒng)對該故障進行檢測，改變電流互感器一次側(cè)短路時，流過互感器一次側(cè)的實際電流，記錄短路故障測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗結(jié)果對比表

由表1數(shù)據(jù)可知，電力計量裝置無故障測試電壓值均大于短接故障下的電壓值，證實了2個系統(tǒng)都檢測出了一次側(cè)短路故障，但相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，此文設(shè)計的系統(tǒng)電壓差值更大，驗證了文中系統(tǒng)優(yōu)化短路故障檢測方面的有效性。

設(shè)置傳統(tǒng)的系統(tǒng)作為測試實驗的對比系統(tǒng)，2個系統(tǒng)同時對相同的電網(wǎng)設(shè)備進行檢測。計算2個系統(tǒng)的故障檢測效率，并進行對比，對比結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試對比結(jié)果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在執(zhí)行不同的檢測任務(wù)時所消耗的時間不同。綜合所有的執(zhí)行情況，傳統(tǒng)系統(tǒng)執(zhí)行一次檢測任務(wù)的平均耗時為1.68 s，功能的平均通過率為94.23%；而基于RFID的電力計量系統(tǒng)的平均耗時和功能平均通過率分別為1.29 s和97.47%。對比而言基于RFID的電力計量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的檢測效率高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

基于RFID設(shè)計的電力計量系統(tǒng)，突出了電網(wǎng)短路故障電壓與正常電壓的差值，使檢測結(jié)果更為準確，完善了電力計量系統(tǒng)的監(jiān)測功能。在實際應(yīng)用過程中，可以與三相智能電表相配置，從而拓展該設(shè)計系統(tǒng)的適用范圍。