基于RFID 的開關柜溫度實時監測技術研究

周 俊 汪之昊 馮國強 宋俊杰 湯興凡

（浙江悅和科技有限公司，浙江 杭州311100）

隨著國民經濟的高速發展，城鎮居民生活用電量、工業用電量近年來也迅猛增長。用電量的大幅增長促使電網電壓等級越來越高，各個負荷節點的電網負荷也越來越高。與此同時，高電壓、大容量的電力設備對電網的供電可靠性要求也越來越苛刻。在各種故障發生時，如果排除故障所需的時間越長，故障造成的經濟損失也會越大。為了減少電網故障損失，需要盡一切可能提前發現并及時消除各種潛在的電力設備故障，例如通過進行在線實時監測等方式時刻觀察電力設備的運行狀態，一旦發現異常啟用相應的自動化處理方案，特別重大的故障預警則采用人工輔助干預解決。在國家電網大力發展泛在電力物聯網的時代，配電網末端設備的監測、數據采集及自動化處理成了當務之急，只有切實處理好配電網末端才能有效提高配電網的供電可靠性，保障電力系統的安全穩定運行，切實保障整個國民經濟的快速發展和社會的和諧與穩定。無源無線RFID 電子標簽依靠內置的天線接收閱讀器通過天線發射的電磁波能量。當RFID 標簽處在閱讀器天線的電磁場范圍內時，RFID 標簽通過電磁場的空間耦合，從電磁場中獲得能量，然后再通過整流將射頻能量轉變為直流電源的能量。通過大電容對直流電源進行儲能，當其電壓增長到啟動電壓時，激活測溫系統電路，RFID 測溫標簽發射實際測溫得到的數據。無源無線RFID 電子標簽內部的溫度傳感器和模數轉換器完成溫度的傳感和量化。基于RFID的開關柜無源無線溫度實時監測系統主要由多個無源無線RFID 電子標簽、閱讀器和一臺數據集中器/云端服務器構成。無源無線RFID 電子標簽安裝在開關柜內各設備需要測量溫度的節點上，通過RFID 電子標簽將溫度信號及其ID 信號發出，由閱讀器通過天線接收，閱讀器接收到RFID 電子標簽的信號后，通過MODBUS 485 通訊協議或者DTU 等方式將采集到的數據傳輸給數據集中器或者云端服務器。數據集中器/云端服務器負載存儲開關柜內各種當前設備測量點的情況，配電網相關負責人可通過終端顯示界面快速讀取相應柜內設備各測量點的溫度情況，從而知曉各測量點的運行狀態。RFID 電子標簽直接貼附在被測點表面，安裝使用方便，免維護且不會引發新的危險，測得的溫度數據能直接反應相應電力設備被測點的實際溫度變化趨勢。基于RFID 技術的開關柜溫度實時監測系統采用無源、無線的測溫方案，避免了有源、有線溫度監測方案帶來的二次安全隱患，將終端設備采集到的溫度數據轉化為IEC61968 格式上傳至數據集中器/云端服務器，電網運維人員通過相應的顯示終端即可實時查看開關柜的實時溫度狀況，提高了巡檢的工作效率，實現了開關柜的智能化管理。

1 研究現狀

1.1 開關柜運行狀態

開關柜是電力系統中的重要電力設備，其安全穩定直接關系到電網的安全穩定。開關柜屬于組合類設備，其內部一般由斷路器、母排、電感、電容、互感器、母線、避雷器、測量設備、繼電保護裝置等設備組成，將它們裝配在密閉的金屬柜內，接受和分配配電系統中的電能。開關柜目前廣泛應用于各種電壓等級的電網中，對確保電力系統的安全穩定運行起著非常重要的作用。與此同時，隨著開關柜被廣泛應用于電網中，在實際的運行過程中它也發生了不少的故障，造成了不小的經濟損失，給人民的生活和工業生產帶來了極大的安全隱患。開關柜內的各種接觸部位在運行過程中容易發生老化、接觸不良、工作時的震動導致的接觸松動等原因導致各種接觸部位（如電纜頭、母排節點）電阻增大，當接觸部位流過大電流時，會產生大量的熱量造成局部發熱嚴重，如果不及時處理，很容易引發各種電力系統故障。為確保開關柜的安全穩定運行，必須對開關柜內的各種接觸部位以及其它必要的測溫點進行實時監測，從而及時發現問題防止因發熱造成嚴重的電力事故。

1.2 開關柜測溫現狀

目前，開關柜常用的測溫方式主要有紅外熱成像，CT 測溫以及聲表面波等。不過因為開關柜屬于密閉結構，各種電力設備封閉于其中，人工紅外測溫獲取內部溫度存在局限性，不能跟蹤溫度異常；PT 測溫不能精確反映溫度，且部署成本較高。針對這些問題，在本方案中采用了基于RFID 的開關柜溫度實時監測系統方案，它在有效確保實時監測效果的同時，不會引發二次隱患且部署成本較低。

2 RFID 測溫系統設計

2.1 系統整體設計

2.1.1 系統功能

本方案中設計的基于RFID 的開關柜溫度實時監測系統主要實現開關柜溫度、濕度等因素的連續監測，并將監測結果實時傳送至數據集中器/云端服務器。電網運維管理人員通過查閱數據集中器/云端服務器中的溫度數據來進行日常管理及故障診斷。

2.1.2 系統結構

根據系統功能，設計了系統結構，如圖1 所示。基于RFID 的開關柜溫度實時監測系統的設計與實現主要包括開關柜和云端，開關柜內部主要包括監測節點的RFID 電子標簽、讀寫器及通信設備。

以開關柜為單位部署監測節點，每個節點將采集到的監測數據通過RFID 發送至讀寫器，讀寫器利用Modbus485 通信協議或者DTU 模塊與云端服務器通信，實現監測數據的實時上傳，供電網運維人員查閱。

圖1 監測系統結構圖

2.2 系統硬件

2.2.1 讀寫器

根據開關柜測溫的實際需要，選取工作頻率為902～928MHz的RFID 讀寫器，兼容ISO18000-6C（EPC C1 Gen2）標準。該讀寫器的工作電壓為直流12～36V，可工作于-20℃～75℃。配合5dB 圓極化天線以及電力專用標簽，測溫距離可達10 米。同時，該讀寫器擁有RS485、RJ45 數據接口，采用ModBUS RTU 接口通訊協議，帶有1 路～16 路SMA 型母頭，功耗不到10W，且使用壽命長達10 年以上。

圖2 讀寫器

2.2.2 天線

系統采用 5dB 圓極化天線， 其大小僅為127mm*127mm*14mm，其耐溫范圍為-40～+75℃，中心頻點為915MHz 3MHz，駐波比小于1.3：1，帶寬大于20MHz，防護等級達IP55，采用磁吸式安裝。

圖3 天線

2.2.3 電力標簽

在開關柜中廣泛采用的標簽主要有音叉標簽、母排夾扣標簽、梅花觸頭標簽和堵頭標簽等，它們適合安裝與開關柜中的不同位置。其中音叉標簽適用于母排連接點處、母排夾扣標簽適用于母排測溫，梅花觸頭標簽適用于斷路器等的觸頭處測溫，堵頭標簽適用于環網柜堵頭的測溫。

圖4 音叉標簽

圖5 母排夾扣標簽

圖6 梅花觸頭標簽

圖7 堵頭標簽

2.2.4 485 通訊線及DTU

根據實際需要，RFID 標簽采集到的溫度數據可以本地顯示，也可以傳送到云端。可以直接使用485 通訊線將讀寫器中的數據傳輸至本地終端或遠程云端，對于遠離市中心、相對孤立的變電站等的開關柜，可以采用DTU 無線傳輸至云端。

2.3 系統安裝與實現

2.3.1 系統安裝方案

在實際的安裝過程中，可根據實際布置情況及相關要求進行最優化的安裝。首先是RFID 標簽的確定，根據實際測溫點的情況，確定電子標簽的形式。一般在母排連接點處選擇音叉標簽，母排上選擇母排夾扣標簽等。

圖8 系統安裝方案圖

對于開關柜距離較近的情況，為提高系統性價比，可采用4 口閱讀器，一臺讀寫器監測4 臺開關柜的溫度數據；對于開關柜比較孤立的情況，可采用單口閱讀器，一臺讀寫器監測1 臺開關柜的溫度數據。讀寫器可掛在開關柜外的墻上，也可以直接置于開關柜內。在確定好讀寫器的數量及安裝位置后，需根據實際情況確定天線的安裝位置及安裝數量，天線一般放置于開關柜內的柜壁上。

最后是讀寫器中的溫度數據與終端、云端的連接問題，如果要在本地終端顯示溫度數據，可以采用RS 485 直接在本地終端顯示；如果需要傳送至云端，可以采用RS485 或者DTU 傳輸，一般情況下，建議選用RS485，對于遠離中心地區、比較孤立的開關柜，可以采用DTU 傳輸。

2.3.2 系統實現

本系統基于ISO 18000-6C（EPC C1 Gen2）標準，無源RFID 電子標簽依靠內置天線接收閱讀器天線發射的能量。當標簽處在閱讀器天線的電磁場范圍內時，通過電磁場的空間耦合作用，RFID 電子標簽從電磁場中獲得能量，通過能量轉換從而供給其傳感器工作。

測溫系統中開關柜端的結構主要由多個RFID 電子標簽、天線和讀寫器構成。RFID 電子標簽安裝在開關柜內需要測量溫度的節點上，通過RFID 電子標簽將溫度數據發出，由讀寫器天線進行接收。讀寫器天線根據現場實際、測量效果要求等因素進行安裝，考慮測量經濟性地同時確保測量效果，保證數據源的完整性。數據采集完成后，讀寫器通過網絡（RJ 45 端口）或者RS 485 逐個輪詢天線，將其讀取到的數據統一匯總到讀寫器內，然后讀寫器對采集到的數據進行濾波過濾、分類分析、匯總處理后上傳到數據集中器/云端服務器。電網運維人員通過本地顯示終端查看開關柜內各設備的溫度測量點的實際情況。