UHF RFID溫度標簽的研究及其在開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的應用*

李波濤，張寶英，趙世坡，張婧，王于波，王海寶

（1.國網(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)設備多以開關柜為主且在用量較大，其安全穩(wěn)定運行至關重要。開關柜內(nèi)各接觸點可能因為緊固螺栓松動、銜接不嚴密、氧化腐蝕、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大，當大電流流過這些觸點時，會出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，如不及時發(fā)現(xiàn)，容易引起火災、爆炸、大面積停電等事故，直接和間接經(jīng)濟損失巨大。光電互感器應用逐漸增多，對開關柜內(nèi)環(huán)境的溫濕度提出了更高要求［1-2］。因此，對開關柜的溫度進行在線監(jiān)測，實現(xiàn)開關柜的智能化，對智能電網(wǎng)發(fā)展及開關柜的安全運行具有重大意義。

目前，運維檢修人員通過示溫蠟片測溫、紅外測溫、光纖測溫、有源無線測溫、無源無線SAW測溫等技術實現(xiàn)開關柜的溫度監(jiān)測。其中，示溫蠟片測溫和紅外測溫［3-6］均需人工參與讀取測溫設備的溫度值，容易出現(xiàn)誤報、漏報，無法進行監(jiān)測，且監(jiān)測精度和準確度會收到操作人員的影響，實時性較差。光纖測溫［7-9］存在爬電距離短，安裝調(diào)試復雜，且其調(diào)制解調(diào)器成本較高等缺點，不利于大面積推廣［10］。現(xiàn)有的有源無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，可以黏貼在電纜接頭、銅排連接點、閘刀和開關觸點等關鍵測溫點［11-13］，但有源無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，給電力設備帶來額外的安全隱患。基于聲表面波測溫技術的無源無線SAW溫度傳感器，通過測量無線射頻信號的頻率變化得到溫度值［14-15］，但基于無源無線SAW溫度傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在以下缺陷：傳感器通過頻率識別ID，本身沒有電子ID；安裝距離必須大于20 cm，不適用于測溫點密度較大的環(huán)境；通常需要通過螺絲固定安裝，不便維護。

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術已廣泛應用于工業(yè)和生活領域［16-17］。在超高頻（Ultra High Frequency，UHF）RFID溫度傳感技術中，溫度傳感芯片與RFID芯片的集成設計，使得電子標簽具有了溫度感知能力，超高頻閱讀器通過電子標簽獲取溫度傳感信息，實現(xiàn)了溫度監(jiān)測的“無源測溫、無線傳輸”，將UHFRFID溫度標簽用于開關柜在線監(jiān)測，將有效解決目前存在的問題。本文研究了UHF RFID溫度標簽的結構和天線設計方案，設計了基于UHF RFID溫度標簽的開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)，對開關柜中的易發(fā)熱觸點進行在線測溫，并通過通信系統(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，供主站系統(tǒng)調(diào)用，或直接將數(shù)據(jù)進行本地顯示。

1 UHF RFID溫度標簽研究

1.1 結構設計

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

圖1 RFID溫度標簽結構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of RFID temperature tag

1.2 天線特性分析

標簽天線的設計對標簽的性能起到舉足輕重的作用，由于天線成本遠低于UHF RFID溫度傳感芯片成本，所以對UHF RFID溫度傳感芯片單獨設計天線。無線功率傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）是基于整流二極管天線，這也是本文整流設計的思想，用整流二極管天線電路實現(xiàn)了從RF信號到DC信號的能量轉(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：

當溫度標簽與閱讀器天線達到最佳對準和正確極化時，溫度標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；Gtag為溫度標簽天線的增益，可得溫度標簽天線接收到的功率為：

定義極化匹配系數(shù)p為：

式中Ei為瞬時電場強度；h為天線的有效矢量長度；h*為h的共軛。定義標簽的阻抗匹配系數(shù)q為：

當天線阻抗與負載阻抗共軛匹配時，q＝1。則溫度標簽內(nèi)部實際接收到的功率PD為：

假設天線增益Gtag為0 dBm，工作頻率帶寬為860 MHz～960 MHz，計算時采用中心頻率915 MHz。由于溫度標簽的天線設計在UHF RFID溫度傳感芯片制造之后，所以，可通過PCB設計，達到良好的阻抗匹配，取溫度標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：

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

其余功率（1-q）pPtag將會被溫度標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，從而實現(xiàn)溫度標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簽天線反射回的能量為：

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

2 系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

2.1.1 超高頻閱讀器設計

超高頻閱讀器是整個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”的工作方式，因此閱讀器就成為整個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”的工作方式，實現(xiàn)與標簽之間的通信功能；通過載波為標簽提供工作所需的能量；通過基帶部分實現(xiàn)相關協(xié)議標準；對標簽中所存儲的信息實現(xiàn)閱讀、寫入以及修改等功能；具有防碰撞功能，在讀寫范圍內(nèi)實現(xiàn)多標簽的同時識別；通過Zigbee方式與無線中繼器進行通信。

本設計預計采用的超高頻模塊，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，通過天線發(fā)射出來的功率為4W～5 W。

2.1.2 無線中繼器設計

無線中繼器用于接收、匯聚周邊超高頻閱讀器接收到的溫度傳感信息。無線中繼器的Zigbee網(wǎng)絡協(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，并通過工業(yè)以太網(wǎng)電路發(fā)送給匯聚控制器。可通過以太網(wǎng)／USB方式升級自身程序。無線中繼器電路結構框圖如圖3所示。

圖3 無線中繼器電路結構框圖Fig.3 Frame block diagram of wireless repeater

2.2 系統(tǒng)結構設計

基于UHF RFID溫度標簽的開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖4所示，一個開關柜安裝一組UHF RFID溫度標簽測量各觸點溫度，這組溫度標簽信息的收發(fā)和管理由一個超高頻閱讀器統(tǒng)一完成。同一開關室內(nèi)多個開關柜通過無線中繼器組成無線自組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的本地傳輸，再由匯聚控制器負責開關室內(nèi)所有溫度傳感數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理和數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換，最終將開關柜溫度信息上傳至監(jiān)控中心或本地顯示，實現(xiàn)開關柜觸點溫度的在線監(jiān)測。

圖4 系統(tǒng)結構圖Fig.4 System frame diagram

2.3 系統(tǒng)軟件設計

匯聚控制器作為本系統(tǒng)的主機，其硬件基于Intel ATOM處理器、軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對無線中繼器的數(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。本文主要針對系統(tǒng)的軟件需求進行開發(fā)設計。

2.3.1 軟件結構

系統(tǒng)軟件按功能劃分為數(shù)據(jù)服務（實時庫和消息機制）、傳感器接入模塊、IEC 61850服務模塊、歷史數(shù)據(jù)處理模塊、告警應用模塊、總線模塊（看門狗）、和匯聚控制器工具等主模塊。以及日志服務、配置文件解析等通用庫。

2.3.2 軟件功能

系統(tǒng)軟件具有如下功能：

（1）通過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)絡通信協(xié)議，匯聚控制器為客戶端，感知終端為服務端；

（2）通過 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標準，匯聚控制器作為IEC 61850的服務器端，通過統(tǒng)一接口與客戶端相連；

（3）轉(zhuǎn)發(fā)MMS客戶端對感知終端的下行命令；

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

（5）按IEC 61850建立感知終端的信息模型；

（6）過濾冗余數(shù)據(jù)功能，要求匯聚控制器對數(shù)據(jù)具有預處理能力，通過設置數(shù)據(jù)變化率閥值過濾冗余數(shù)據(jù)；

（7）告警功能，告警功能作為獨立模塊，單獨進程處理告警信息；

（8）安全功能：實現(xiàn)匯聚控制器的設備身份認證功能，防止非法設備接入信息安全系統(tǒng)；對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)機密性和數(shù)據(jù)完整性保護功能，避免傳輸數(shù)據(jù)的泄漏、篡改和偽造。

2.3.3 軟件運行流程

系統(tǒng)軟件運行流程如下：

（1）裝置啟動，操作系統(tǒng)啟動看門狗定時器；

（2）啟動實時庫模塊，實時庫檢測到異常則啟動異常自恢復處理，若異常無法恢復則裝置停運，告警待檢；

（3）啟動用戶進程管理模塊，檢測實時庫啟動完成，如未完成則等待；

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

（5）檢測啟動信息，有異常產(chǎn)生告警，無異常裝置進入運行態(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 實驗驗證

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，溫度標簽安裝在電纜室銅排上，監(jiān)測到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可以看出不同時間點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。從測得的溫度數(shù)據(jù)看，PT柜的電纜室銅排處于正常運行狀態(tài)，系統(tǒng)實現(xiàn)了PT柜銅排溫度的在線監(jiān)測。

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 結束語

每張UHF RFID溫度標簽都具有全球唯一的EPC編碼作為身份識別，將特定EPC碼與特定監(jiān)測點相關聯(lián)，則監(jiān)測可以定位到每一個具體的點，發(fā)生異常，可以立即確定異常點；UHF RFID溫度標簽自身不攜帶電池，依靠接收來自讀寫器的電磁波轉(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溫度標簽直接貼合在被測點表面，安裝方便，測得的溫度數(shù)據(jù)直接反映測點的實際溫度變化趨勢，數(shù)據(jù)可靠。基于UHF RFID溫度標簽的開關柜溫度監(jiān)測系統(tǒng)使用“無源、無線”超高頻射頻測溫技術，避免了“有源、有線”監(jiān)測方式帶來的二次安全隱患，開發(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。