基于射頻識(shí)別技術(shù)的電力一二次融合測(cè)溫系統(tǒng)

薛 靜，楊 超，王穎舒，孫 軍，李幫勝，張 杰

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)供電局，貴州 貴陽(yáng) 550000)

近年來(lái)，發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭和室外刀閘開關(guān)等重要的設(shè)備，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，開關(guān)的觸點(diǎn)和母線連接等部位因老化或接觸電阻過(guò)大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度難以監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)測(cè)溫手段存在如下缺陷：遠(yuǎn)紅外測(cè)溫采用人工巡檢測(cè)溫，不實(shí)時(shí)，當(dāng)有元件遮擋時(shí)無(wú)法檢測(cè)；光纖測(cè)溫采用光纖溫度傳感器，不易安裝、易損壞、耐溫范圍??；聲表面波測(cè)溫時(shí)易受干擾，當(dāng)存在多個(gè)傳感器時(shí)，ID區(qū)分困難。因此，迫切需要探索一種新的方法。

文獻(xiàn)[1]為準(zhǔn)確測(cè)量電力系統(tǒng)中設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度變化,綜合考慮絕緣和電磁兼容要求，提出了一種基于脈沖轉(zhuǎn)換溫度傳感芯片的電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出一種基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的軌道交通車輛溫度監(jiān)控方法，為今后軌道交通運(yùn)用人工智能分析技術(shù)提供海量溫度傳感數(shù)據(jù)集。文獻(xiàn)[3]開發(fā)基于超高頻射頻識(shí)別技術(shù)無(wú)線無(wú)源充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓高開設(shè)備的免維護(hù)測(cè)溫,提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。文獻(xiàn)[4]提出采用聲表面波(SAW)- RFID系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)變壓器油溫。文獻(xiàn)[5]提出電力無(wú)源測(cè)溫技術(shù)，用于測(cè)量電力設(shè)備的溫度，為電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提高數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[6]基于RFID開關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供了一種新的選擇，消除了安全、體積、功耗、免維護(hù)性和成本等。

本文提出將RFID溫度傳感器應(yīng)用于一二次融合成套設(shè)備中，設(shè)計(jì)基于RFID的一二次融合測(cè)溫系統(tǒng)。通過(guò)一種自適應(yīng)功率匹配算法，提高測(cè)溫的可靠性和準(zhǔn)確性；通過(guò)將RFID技術(shù)應(yīng)用于一二次設(shè)備的融合中，結(jié)合智能診斷和運(yùn)維指導(dǎo)，可以加快配電網(wǎng)設(shè)備智能化和集成一體化的建設(shè)。

1 基于RFID的測(cè)溫總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于RFID的測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)確定測(cè)溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)?；跓o(wú)源RFID的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)如圖1所示。無(wú)源RFID溫度傳感器設(shè)置于測(cè)溫點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集終端與射頻增益天線結(jié)合，與RFID溫度傳感器具有一定的距離；計(jì)算機(jī)指具有應(yīng)用系統(tǒng)的上位機(jī)。在工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)射頻增益天線向覆蓋范圍內(nèi)的RFID溫度傳感器提供射頻能量，同時(shí)發(fā)送測(cè)溫指令；各個(gè)RFID溫度傳感器通過(guò)內(nèi)置電路完成射頻能量的收集、指令的分析處理，并對(duì)各自所在的測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，同時(shí)需要將測(cè)溫得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端；計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)采集終端接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并給出下一步指令。

(2)溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。溫度傳感器由一個(gè)高度集成射頻能量收集電路、無(wú)線射頻收發(fā)電路、通信協(xié)議處理器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路以及溫度傳感器的核心芯片和片外的天線組成，其構(gòu)架如圖2所示。

圖2 RFID溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖

溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集終端取得聯(lián)系后，通過(guò)射頻能量收集電路收集數(shù)據(jù)采集終端發(fā)射的射頻能量，后續(xù)通過(guò)倍壓整流電路等為傳感器內(nèi)部芯片供電；無(wú)線射頻收發(fā)電路負(fù)責(zé)與外界通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即接收數(shù)據(jù)采集終端的指令和發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)采集終端；通信協(xié)議處理器負(fù)責(zé)通信協(xié)議的處理，同時(shí)還負(fù)責(zé)控制儲(chǔ)存電路和溫度傳感芯片的工作；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路的主要作用是，在斷電后將傳感器的編號(hào)、溫度數(shù)據(jù)和其他相關(guān)的用戶信息儲(chǔ)存起來(lái)，上電后自動(dòng)向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送；溫度傳感器核心芯片負(fù)責(zé)將溫度信息轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)和發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。

最終設(shè)計(jì)的無(wú)源RFID溫度傳感器示意圖如圖3所示。溫度傳感器由一個(gè)無(wú)源被動(dòng)射頻天線和一塊射頻溫度傳感集成電路組成。射頻集成電路與無(wú)源被動(dòng)射頻天線連接，通過(guò)射頻天線獲取來(lái)自信號(hào)采集終端的射頻能量用以供電，同時(shí)接收指令信號(hào)，對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫。射頻集成電路將采集到的溫度信息通過(guò)無(wú)源被動(dòng)射頻天線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端上。

圖3 無(wú)源RFID溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

(3)數(shù)據(jù)采集終端和射頻增益天線設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集終端管理其覆蓋范圍內(nèi)的溫度傳感器，是數(shù)據(jù)集中器和溫度傳感器之間的網(wǎng)橋，其工作方式如圖4所示。傳感器的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)RFID上傳到數(shù)據(jù)采集終端上，小范圍匯集后通過(guò)RS-485或CAN總線再上傳到數(shù)據(jù)集中器上，數(shù)據(jù)集中器通過(guò)有線傳輸或無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)上位系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集終端與射頻增益天線連接，數(shù)據(jù)采集終端可以通過(guò)射頻增益天線發(fā)射射頻能量，掃描范圍內(nèi)的RFID溫度傳感器，向RFID溫度傳感器傳輸能量與指令，同時(shí)接收RFID溫度傳感器測(cè)得的溫度信息。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端工作方式示意圖

射頻增益天線采用全向天線和定向天線的雙天線設(shè)計(jì)，保證接收到的多徑的衰落特性不同，以提高信號(hào)接收的可靠性。其中，定向天線可覆蓋300 m、45°錐型范圍，全向天線可覆蓋50 m半徑圓形范圍。

1.2 基于RFID的測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 RFID軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

RFID測(cè)溫系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。RFID測(cè)溫系統(tǒng)主要由標(biāo)簽操作模塊、溫度測(cè)量模塊、終端控制模塊和功率控制模塊組成。RFID測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行流程是：首先，通過(guò)IP地址或名稱連接局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集終端，設(shè)置終端參數(shù)和運(yùn)行模式；其次，數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)射頻增益天線發(fā)射電磁波掃描范圍內(nèi)的RFID溫度傳感器，將掃描到的RFID溫度傳感器顯示到軟件界面上，并把該傳感器的電子產(chǎn)品代碼(EPC)與數(shù)據(jù)庫(kù)相比對(duì)，若數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有該傳感器的記錄，則輸入其對(duì)應(yīng)的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，將其加入數(shù)據(jù)庫(kù)；再次，數(shù)據(jù)采集終端向溫度傳感器發(fā)送指令并進(jìn)行溫度測(cè)量；最后，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)過(guò)濾和數(shù)據(jù)處理方法得到溫度數(shù)據(jù)，顯示到界面中并加入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 RFID測(cè)溫系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 標(biāo)簽操作模塊、溫度測(cè)量模塊和終端控制模塊設(shè)計(jì)

(1)標(biāo)簽操作模塊。RFID溫度傳感器的標(biāo)簽應(yīng)符合EPC C1 G2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其存儲(chǔ)空間包括4部分：EPC區(qū)、ID區(qū)、密碼區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)。系統(tǒng)將溫度標(biāo)簽與測(cè)溫節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)或被測(cè)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)功能。同時(shí)，溫度傳感器還須進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，即在一個(gè)已知溫度下進(jìn)行溫度測(cè)量，通過(guò)得到的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出校準(zhǔn)碼，建立起傳感器數(shù)據(jù)和實(shí)際溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(2)溫度測(cè)量模塊。數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)向RFID溫度傳感器寫入相應(yīng)控制指令進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)讀取，通過(guò)校準(zhǔn)碼可以將溫度傳感器上傳的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值。為了保證數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)過(guò)濾算法，對(duì)數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行記錄并進(jìn)行反饋，對(duì)于明顯的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，自動(dòng)將其刪除，并進(jìn)行重新測(cè)溫，如依舊為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)行記錄并反饋。

(3)終端控制模塊。終端控制模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集終端的連接與設(shè)置。終端設(shè)置主要包括終端發(fā)射頻率設(shè)置、發(fā)射功率設(shè)置、天線接收靈敏度、是否周期性運(yùn)行、是否多目標(biāo)識(shí)別等。

1.2.3 基于自適應(yīng)功率匹配技術(shù)的功率控制模塊設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)的RFID傳感器采用無(wú)源方式，其需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端發(fā)射的射頻能量進(jìn)行供電工作。當(dāng)終端發(fā)射功率過(guò)小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的能量不足，導(dǎo)致芯片無(wú)法工作；當(dāng)終端發(fā)射功率過(guò)大時(shí)，可能會(huì)降低傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，有必要將數(shù)據(jù)采集終端的發(fā)射功率調(diào)整到最優(yōu)的功率，使系統(tǒng)處在最優(yōu)工作狀態(tài)。影響溫度傳感器最佳測(cè)溫功率的因素主要是傳感器與終端天線之間的距離和角度、環(huán)境干擾等，因此各個(gè)傳感器的最佳功率可能不同，所以需要實(shí)時(shí)調(diào)整天線的發(fā)射功率以適應(yīng)范圍內(nèi)不同傳感器的最優(yōu)測(cè)溫功率。一種自適應(yīng)的功率匹配算法如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)功率匹配算法流程圖

算法的流程如下：根據(jù)終端發(fā)射功率的范圍，從最小功率開始發(fā)射，每隔一段時(shí)間增加0.2 dB的發(fā)射功率，如果該功率點(diǎn)沒(méi)有溫度傳感器輸出溫度值，則繼續(xù)增加終端的發(fā)射功率。當(dāng)在某一功率點(diǎn)能夠接收到傳感器處于正常溫度范圍的溫度值時(shí)，則在該功率點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，去除最大、最小值后求平均值，若該平均值與前2個(gè)功率點(diǎn)的平均溫度相差小于設(shè)定閾值時(shí)，則該功率點(diǎn)為該溫度傳感器的最佳功率，該平均溫度為該溫度傳感器在此輪功率循環(huán)的測(cè)量溫度值。之后，終端繼續(xù)增加功率掃描其他溫度傳感器，直至達(dá)到最大功率后在將功率調(diào)至最小，重新開始新的循環(huán)。

1.3 基于RFID的一二次融合測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 高防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(提高在惡劣環(huán)境下的運(yùn)行能力)

為了弱化一二次分界，采用高防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溫度傳感器的高防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。滿足戶外惡劣環(huán)境運(yùn)行，適用于不同的一次設(shè)備。RFID溫度傳感器的結(jié)構(gòu)包括母板和外殼，在母板上面設(shè)置有絕緣導(dǎo)熱層，在絕緣導(dǎo)熱層上方設(shè)置有無(wú)源被動(dòng)射頻天線，溫度傳感集成電路置于無(wú)源被動(dòng)射頻天線之上。外殼設(shè)于絕緣導(dǎo)熱層、無(wú)源被動(dòng)射頻天線、集成電路的外部，并且與母板可以相合，扣在一起。母板可以采用銅鍍鉻，能夠進(jìn)行溫度傳遞，并起到固定作用。

圖7 溫度傳感器的高防護(hù)結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與材料的熱傳遞性能、物理強(qiáng)度等均可以適應(yīng)電力系統(tǒng)中不同的測(cè)溫環(huán)境。外殼采用高強(qiáng)度外殼，可以起到防潮、防塵、防靜電等作用，保護(hù)內(nèi)部測(cè)溫電路不受損壞。同時(shí)，由于溫度傳感器芯片采用了集成化設(shè)計(jì)，其體積小，易于安裝，為與不同的一次設(shè)備安裝融合提供了基礎(chǔ)。

1.3.2 根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)提供智能診斷與運(yùn)維指導(dǎo)

在RFID測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用中，將其與被測(cè)一次設(shè)備的其他測(cè)量結(jié)合，如一次設(shè)備的電壓與電流等，可進(jìn)行智能診斷。

智能診斷具體步驟如下：首先提取溫度傳感器得到的特征量，如實(shí)時(shí)溫度、歷史最高溫度、過(guò)溫時(shí)長(zhǎng)、溫度變化率等；其次按照加權(quán)算法，綜合考慮這些特征量的影響，給出一個(gè)值為0～1的預(yù)警值(見表1)，預(yù)警值落在相應(yīng)的區(qū)間則有對(duì)應(yīng)的預(yù)警等級(jí)。當(dāng)預(yù)警等級(jí)不為“正?！睍r(shí)，結(jié)合一次電壓和電流，快速判斷可能的故障原因或部位，并通過(guò)上位機(jī)顯示并發(fā)送給監(jiān)管者。同時(shí)，采用嵌入式Webserver技術(shù)提高運(yùn)維能力，就地運(yùn)維App與終端業(yè)務(wù)App軟件上完全獨(dú)立，硬件上分別采用物理獨(dú)立端口，保障維護(hù)功能與核心業(yè)務(wù)的安全隔離。

表1 預(yù)警等級(jí)對(duì)應(yīng)表

2 應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性與工作穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布置了3臺(tái)傳感器并進(jìn)行了10個(gè)周期的測(cè)量，3個(gè)傳感器的測(cè)試結(jié)果如表2所示，環(huán)境溫度為18.9℃。

表2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 ℃

由表2可知，本系統(tǒng)的測(cè)溫誤差在±1%以內(nèi)。進(jìn)一步將本文設(shè)計(jì)的溫度測(cè)溫系統(tǒng)布置在貴陽(yáng)市某10 kV變電站開關(guān)室內(nèi)，以測(cè)試測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)開關(guān)柜溫度異常的監(jiān)測(cè)效果。測(cè)試開關(guān)柜型號(hào)為SFN2-10，額定電壓10 kV，額定電流400 A，主母線額定電流3 000 A，4 s熱穩(wěn)定電流31.5 kA，動(dòng)穩(wěn)定電流80 kA，額定開斷電流31.5 kA。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該型號(hào)開關(guān)柜正常工作時(shí)溫度范圍通常為35～40℃。對(duì)于開關(guān)室內(nèi)F15，F(xiàn)17，F(xiàn)19，F(xiàn)21，F(xiàn)23這5臺(tái)開關(guān)柜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) ℃

在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，F(xiàn)21柜溫度數(shù)據(jù)明顯高于正常運(yùn)行范圍，17:35時(shí)刻測(cè)溫系統(tǒng)上位機(jī)給出F21柜溫度預(yù)警等級(jí)達(dá)到“異?！钡燃?jí)的警報(bào)。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，斷路器觸指緊固彈簧墊損壞所致。經(jīng)更換維修后，該柜運(yùn)行溫度恢復(fù)正常。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)將溫度傳感器嵌入無(wú)源超高頻RFID中以用于一次設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)，能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。相比于其他傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)方法，基于RFID溫度標(biāo)簽的溫度監(jiān)測(cè)具有能夠身份識(shí)別、測(cè)溫節(jié)點(diǎn)體積小、成本低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)射頻信號(hào)為各無(wú)源RFID溫度傳感器提供測(cè)溫所需的能量，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器無(wú)源測(cè)溫。數(shù)據(jù)采集終端從溫度傳感器實(shí)時(shí)讀取溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳輸，減少布線，增強(qiáng)一二次側(cè)的融合。

(3)本文設(shè)計(jì)基于RFID的電力一二次融合測(cè)溫系統(tǒng)在實(shí)際開關(guān)室內(nèi)對(duì)于開關(guān)柜溫度檢測(cè)具有較好的效果，可以有效及時(shí)地發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜異常溫升狀況，并發(fā)出預(yù)警。