論開關柜內電磁環境對超高頻RFID讀寫器的影響

蘇寧雁　童永強　邵率　戴學琰　錢偉尼

[摘要]：隨著物聯網技術的發展，基于RFID的射頻識別技術逐漸被廣泛應用于開關柜溫度監測系統中。為確保長期穩定、可靠地測量開關柜內各測量節點的溫度，必須考慮開關柜內復雜的電磁環境對超高頻RFID讀寫器的影響

[關鍵詞]：超高頻 RFID讀寫器 開關柜 電磁環境

一、引言

開關柜是電力系統的重要組成部分，運行中的電氣設備通常工作在高電壓和大電流狀態，設備中存在的某些缺陷會導致設備部件的溫度異常升高。為了有效地監測開關柜的運行狀態，實時監測其內部的溫度尤為重要。傳統的PT測溫方式暴露出了很多的缺陷，新型的RFID測溫方式開始逐步引入到開關柜的測溫中。開關柜的抗電磁干擾效果或多或少會影響RFID系統中讀寫器的正常生產運行，因此對讀寫器進行抗電磁干擾分析具有積極的意義。通常來說，開關柜內讀寫器的抗電磁干擾研究包括3個方面，即干擾源、傳輸介質、接收單元，有效解決這三個方面的問題，將左右開關柜內電磁環境對超高頻RFID讀寫器的影響。

在基于RFID的無源無線測溫系統中，無源電子標簽依靠天線接收閱讀器發射的能量。當標簽處在閱讀器的電磁場范圍內時，通過電磁場空間耦合，標簽從電磁場中獲得能量，再用整流的方法將射頻能量轉變為直流電源，通過大電容對直流電源進行儲能，在電壓累計達到啟動電壓時，激活測溫系統電路，發射測溫數據。溫度傳感器及模數轉換器完成溫度的傳感及量化。RFID 返回數據的方式是通過控制天線接口的阻抗，由阻抗變化改變天線的反射系數，從而對載波信號完成調制。集成溫度傳感器的RFID 電子標簽。主要由射頻前端接收電路、數字邏輯控制部分、溫度傳感及量化、存儲器4部分組成。

變電站端的結構主要由多個?RFID 溫度傳感器、多個無線基站和一臺數據集中器構成。傳感器安裝在變電站內的各設備的需要測量點溫度節點上，通過?RFID 電子標簽將溫度信號和其標識信號發出，由無線基站進行接收。在變電站內，由于受?RFID 功耗的限制，RFID 的無線傳輸距離較短。無線基站采取覆蓋式安裝，確保安裝在變電站內各個角落內的測量點的信號都能被覆蓋讀取到，保證數據源的完整性。無線基站與?RFID 傳感器的關系是多對多關系，即 RFID 標簽采取的是廣播發送，可由多個無線基站同時進行接收。無線基站不對數據進行過濾，只負責收集數據。數據集中器通過網絡（UDP）或者 RS485 逐個輪詢無線基站，將其讀取到的數據統一匯總到數據集中器內，然后數據集中器對采集到的數據進行解析、過濾、分類、匯總、處理后上傳到前置機服務器。

數據集中器負責顯示站端的當前設備和測量點的情況，站點負責人可通過顯示界面快速讀取本站的設備的各測量點的溫度情況。

RFID 溫度傳感器直接貼合在被測點表面，安裝方便，測得的溫度數據直接反映測點的實際溫度變化趨勢，數據可靠。基于?RFID 溫度傳感器的開關柜溫度監測系統使用“無源、

無線”超高頻射頻測溫技術，避免了“有源、有線”監測方式帶來的二次安全隱患，將溫度傳感數據轉化為?IEC 61850格式上傳至主站系統展示、報警，提高了巡檢的工作效率，實現變電力系統智能化監管理。

二、開關柜內電磁干擾現狀

2.1、開關柜電磁干擾途徑

2.1.1、電導耦合

電磁干擾源與接受單元的直接耦合被稱為電導耦合，這種耦合方式至少產生2個相互耦合的電路，電路中導線的阻抗包括電阻、感抗與容抗。在進行中壓柜調試時，電磁干擾源與接收單元之間回路產生的干擾電流為：

2.1.2、電容耦合

在電場作用下，相鄰電路之間會產生容性耦合，這主要是電路中的寄生電容引起的。在開關柜中，相鄰的兩個電路中的絕緣導線之間在電位差的作用下容易產生干擾電流，使這兩條電路形成了類似電容器模式，并且其所產生的耦合電容一方面會隨著兩個電路之間的距離增大而減小，另一方面耦合電容會隨著導線增長而增大。經過中壓開關柜調試，存在于這兩個電路之間的干擾電壓為：

2.1.3、電感耦合

電感性耦合又稱磁耦合，是由相鄰并行線路之間的磁場作用產生的，多發生在電纜、線束或電纜管道中的并行電路。相鄰并行電路中的一條線路如果電流發生變化，則會引起另一條線路的電磁波動，使兩條線路中產生感性電壓，進而造成干擾信號的產生。那么相鄰電力線上產生的感應電壓為：

2.1.4、混合耦合

在實際的中壓柜調試過程中發現，電氣設備中電場耦合與磁場耦合通常是同時存在的，并且二者還會產生混合干擾，因此在實際中壓柜調試中，要特別注意混合耦合，在中壓柜調試中可先將電感性耦合與電容性耦合進行分開分析，然后再分析其綜合干擾。

2.2、開關柜抗電磁干擾的主要技術

2.2.1、接地

接地是抗電磁干擾的一項重要方法，在接地線的選擇上，要充分考慮到高頻電路的趨膚效應，因此在接地線選擇上，要選擇空心的扁平導線，即編制電纜。對中壓柜進行調試，分別選擇4種接地方法，如下圖：

中壓柜調試結果顯示：a 接地對于低頻 50/60Hz 的信號傳輸較好，但不適用于高頻;b 接地使距離被縮短，效果不好;c 接地為編制扁平線，調試中獲得的接地效果最好;d 接地在兩端加裝金屬片，效果獲得提升。

2.2.2、屏蔽與隔離

屏蔽與隔離是抗電磁干擾的重要手段，其目的是隔斷干擾源與接收單元之間的干擾信號通道，使電磁場無法對電氣設備形成干擾。在中壓柜中存在大量不同功能的信號線，比如?I/O 信號線、通信線、CT/CV 信號線、電源線等，對這些線實施隔離與屏蔽措施能夠避免其相互干擾。中壓柜中線的屏蔽主要是小信號線，比如傳感器信號線等。在中壓柜調試中發現，傳感器信號線采用單端接地的效果往往比雙端接地效果要好，經調試分析知，單端接地可有效的屏蔽低頻信號，而雙端接地則可屏蔽低頻與高頻信號，但雙端接地需要使兩端接在統一點位，否則會產生電位差而形成環流，嚴重影響屏蔽效果。對于線的隔離，盡量使線距較遠，走不通路徑，如有交叉，盡量采用十字交叉，這樣可最大限度的避免干擾。

2.2.3、濾波

在中壓開關柜的抗電磁干擾手段中，濾波器的使用是重要的方法之一。在進行中壓柜調試中發現，無論采用何種接地、屏蔽、隔離方法，總會有部分多余能量傳導如開關柜電氣設備中，形成電磁干擾，而在加裝?EMI 濾波器后，電磁干擾被極大的抑制，取得良好的效果。經過中壓柜調試，復雜?EMI 濾波器網絡的 A參數矩陣可進行分解，分解為多個二端口網絡級聯形式，這樣便于計算與選擇。此外對于濾波技術的運用還要準確設定濾波器的特性參數，包括額定電壓、額定電流、漏電流、插入損耗。

2.2.4、其它技術

除了以上常用技術之外，在中壓柜調試中還發現，開關頻率調制技術、PCB 布線及屏蔽接地技術、共模干擾有源抑制技術等技術均能夠產生良好的抗電磁干擾效果，可根據開關柜調試的實際結果，或者實際情況進行適當地使用。

三、電磁場對超高頻RFID讀寫器的影響

3.1、超高頻RFID讀寫器的工作原理

UHF頻段的RFID系統可分為射頻電路和基帶電路兩部分，射頻電路部分完成高頻信號的調制/解調、發射/接收，是標簽和讀寫器之間的高頻接口。基帶電路部分的主要功能就是控制射頻系統，實現對高頻信號的編解碼功能，同時也肩負著讀寫器與外部設備或者主機之間的應用接口的任務。可以說基帶部分是讀寫器的核心控制平臺，支撐著整個系統的工作，是射頻部分的后盾。

如圖3-1所示，RFID讀寫器的內部結構中2部分之間的高頻接口是指模數轉換和數模轉換，卡片解調后的信號經過高速ADC芯片采集后轉換為數字信號送入DSP芯片進行運算解碼處理。系統通過DAC芯片產生模擬基帶信號送至射頻系統后進行調制、放大，通過天線發送出去。射頻系統采用零中頻接收機方案，因此發射部分和接收部分可以共用載波頻率發生電路。基帶系統和射頻系統相輔相成，協同合作才能實現RFID讀寫器的功能。

3.2、硬件抗干擾措施

從系統的電源、信號傳輸、印刷電路板（PCB）布局分區、布線等方面采取措施，提高系統抗電磁干擾的能力。其中，電源通道是與外界主要的有線連接途徑，是裝置實際運行中干擾進入的主要渠道，因此電源系統的抗干擾措施是整套系統抗干擾的重點。

在實際應用中，要采用可以通過電力系統4級電磁兼容性標準的開關電源，輸入端加電源濾波器模塊，電源方案采用獨立模塊化設計，傳感器電源和監測單元的電源需要2塊獨立的開關電源提供，可有效隔離電源間彼此的傳導干擾，電源的抗干擾措施主要包括：

①、供給傳感器工作的±12 V 電源采用電源解耦電路，有效抑制共模差模干擾。

②、電源與大地之間并接瞬態電壓抑制器（TVS），構成干擾與大地的回路。

③、選擇小容值的旁路電容和去耦電容（0.01 μF）。

④、在電源線的輸入口處串入磁珠，消除存在于傳輸線中的RF噪聲。

⑤、電源引出排線套加高性能磁環，吸收干擾。

信號的電磁抗干擾主要從電路原理設計采取措施，包括以下4個方面。

①、濾波。模擬信號采用有源濾波電路（如4階Butterworth濾波器）或簡單的RC濾波器 ，開關量輸入輸出信號與信號地之間接一個20 pF～10 nF的高頻瓷片電容，給高頻噪聲提供一個低阻抗的回路來消除其干擾。

②、電氣隔離。信號的采集均是通過電氣隔離手段完成的，如溫度通過光纖傳輸，泄漏電流采用引流環和電流互感器配合使用采集，分合閘電流采用霍爾電流傳感器采集等;數字信號（如開關量輸入輸出、中斷信號等）隔離，通過光耦 TLP 521 實現;485通訊信號的隔離使用高速光耦6N137隔離;模擬信號的隔離傳輸，通過隔離運算放大器ISO 124實現，并在信號調理板的PCB上刻槽形成隔離帶，可以起到隔離地線的作用。

③、屏蔽。各類機箱采用全金屬外殼屏蔽，使用時外殼接地;鑲嵌在裝置前面板上的液晶模塊，出廠時四周已經有金屬屏蔽框罩住，為了增強其可靠性，液晶模塊也從后面加以屏蔽;?機箱內開關電源雖然已經屏蔽，安全起見，和其他?PCB 板之間加一層鋼板屏蔽。

④、接地。裝置安全良好接地;開關電源外殼均接地;液晶為了穩定工作，防止靜電積累，金屬邊框或屏蔽罩接地。

3.3、軟件抗干擾措施

軟件抗干擾的本質是在有干擾存在的情況下利用編程技術來抵消其影響，同時還必須保證系統程序連續正確穩定地運行。?在軟件設計中，可采取以下抗干擾措施：

①、對采集的泄漏電流、觸頭位移、分合閘線圈電流等數據去毛刺處理。

②、設計數字濾波器對采集的信號進行濾波處理。

③、采用看門狗也是一種很好的抗干擾措施。?軟件看門狗是在硬件看門狗定時器的基礎上，采用的一種軟件容錯技術。?由于程序在運行的時候有可能出現跑飛的現象，它能使系統程序在跑飛之后自動復位并開始運行。

射頻識別系統是一種實時系統。在軟件結構上，可以分成2部分：主程序、中斷程序。主程序的主要任務是不斷進行系統自檢，和等待上位機發送信息包，若收到正確的數據包，則進行相應的處理，一般為啟動RFID操作標簽流程。若沒有接收到有效的命令，則繼續循環等待。RFID系統一般為一個多中斷的實時系統，本文按照RS232/485，USB，網絡接口的順序中斷優先級由高到低，處理上位機發送過來的指令。

上圖所示為RFID讀寫器程序模塊結構。射頻識別系統對上下行編碼信號的同步性和精確度要求相當苛刻，尤其對上行信號而言，若占空比漂移超過了目標電子標簽所容忍的限度，一則會使電子標簽無法識別上行信號所包含的信息，二則會對下行信號的準確性帶來隱患。因此對上行卡片信號的底層軟件設計就顯得尤為重要。

四、結論

在通常情況下，開關柜內的電磁環境對超高頻RFID讀寫器的正常工作確實存在一定影響，不過通過采用本文介紹的相關措施，完全可以將其干擾降低到可忽略的程度，采取合理的優化方案，完全可以確保超高頻RFID讀寫器在開關柜內電磁環境下正常工作。

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