基于RFID的電力計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐 雷

(中油電能售電事業(yè)部東區(qū)配網(wǎng)營(yíng)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(duì)電力計(jì)量系統(tǒng)的要求有所提高。裝置計(jì)量系統(tǒng)對(duì)電表發(fā)送控制命令，并將相關(guān)信息反饋給遠(yuǎn)程站點(diǎn)，幫助供電公司實(shí)時(shí)監(jiān)控用電數(shù)據(jù)，對(duì)潛在的電力故障進(jìn)行供電切斷，檢測(cè)電力偷竊，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)費(fèi)、選擇性減載和盜電控制等功能[1]。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對(duì)短路故障的檢測(cè)效果不明顯，為此，設(shè)計(jì)一個(gè)基于RFID的電力計(jì)量系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于RFID，設(shè)計(jì)電力計(jì)量目標(biāo)的識(shí)別流程，計(jì)算電力計(jì)量目標(biāo)的有功功率，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1 基于RFID的電力計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

RFID技術(shù)的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)所為RFID讀寫(xiě)器，該硬件設(shè)備主要由RFID閱讀器、電子標(biāo)簽和天線3個(gè)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(lái)讀取電子標(biāo)簽中的信息，在RFID閱讀器的內(nèi)部包括1個(gè)微處理器和1個(gè)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(dòng)電路等。而電子標(biāo)簽部分也被稱(chēng)為射頻卡，射頻卡由芯片和耦合元件共同組成，部分電子標(biāo)簽當(dāng)中會(huì)包含內(nèi)嵌的天線，實(shí)現(xiàn)RFID的讀寫(xiě)通信。一般情況下設(shè)計(jì)的RFID讀寫(xiě)器可以實(shí)現(xiàn)低頻、高頻、超高頻和微波4個(gè)層次上的工作，從而提高RFID讀寫(xiě)器的精度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要在RFID讀寫(xiě)器上設(shè)置接口，使用OCX空間作為中間層負(fù)責(zé)連接硬件之間的通訊。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，RFID讀寫(xiě)器通過(guò)內(nèi)嵌的天線發(fā)送固定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入內(nèi)嵌天線的工作區(qū)后，在RFID讀寫(xiě)器內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。將自身編碼信息通過(guò)內(nèi)嵌天線發(fā)送出去，并通過(guò)接收天線傳輸?shù)絉FID閱讀器當(dāng)中，閱讀器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制操作。

改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中，將其設(shè)為靜態(tài)邏輯，使多功能8位和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片，利用閑置和掉電2種節(jié)點(diǎn)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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并聯(lián)使用轉(zhuǎn)換芯片SN75LBC184的2個(gè)使能端，利用AT89S52的1個(gè)I/O口產(chǎn)生控制SN75LBC184的2個(gè)使能端信號(hào)，使其符合半雙工的通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(jìn)行接收和發(fā)送[3]。至此完成電力計(jì)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1.2 基于RFID識(shí)別的電力計(jì)量目標(biāo)

在系統(tǒng)通信采集器硬件設(shè)計(jì)完畢的基礎(chǔ)上，根據(jù)RFID獲取通信信號(hào)的電子標(biāo)簽，同時(shí)對(duì)多個(gè)電力計(jì)量目標(biāo)的身份進(jìn)行識(shí)別。將RFID電子標(biāo)簽與電力計(jì)量目標(biāo)綁定，根據(jù)系統(tǒng)空中通信接口參數(shù)，對(duì)RFID的通信頻率進(jìn)行劃分，不同頻段的RFID設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信協(xié)議。根據(jù)電力體系計(jì)量要求對(duì)計(jì)量目標(biāo)進(jìn)行判斷，過(guò)程中ID信息初始化內(nèi)容要與電力計(jì)量需求保持一致，使一個(gè)電子標(biāo)簽僅具備一個(gè)ID信息[4]。具體識(shí)別流程如圖3所示。

圖3 基于RFID的電力計(jì)量目標(biāo)識(shí)別流程

通訊信息輸入前要進(jìn)行加密處理，利用多標(biāo)簽防碰撞算法進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量的動(dòng)態(tài)物流管理模式[5]。在確定電力計(jì)量目標(biāo)后，對(duì)其平均功率進(jìn)行計(jì)算。設(shè)ΔT時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)電流為i(t)，瞬時(shí)電壓為u(t)，則該時(shí)間段內(nèi)的平均功率P的計(jì)算過(guò)程為

(1)

當(dāng)電流和電壓為正弦號(hào)交流電時(shí)，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(hào)，實(shí)現(xiàn)用電計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，至此完成電力計(jì)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成基于RFID的電力計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

將文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。搭建電網(wǎng)測(cè)試環(huán)境，電網(wǎng)電壓有效值為10 kV高電壓，滿負(fù)荷時(shí)負(fù)載的功率因數(shù)大于0.9，額定負(fù)荷大于500 kVA，2個(gè)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(jì)量精度等級(jí)為1.0。

采用不同短接導(dǎo)線，真實(shí)模擬電力計(jì)量裝置的電能表電流線圈斷線故障，利用2個(gè)系統(tǒng)對(duì)該故障進(jìn)行檢測(cè)，改變電流互感器一次側(cè)短路時(shí)，流過(guò)互感器一次側(cè)的實(shí)際電流，記錄短路故障測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

由表1數(shù)據(jù)可知，電力計(jì)量裝置無(wú)故障測(cè)試電壓值均大于短接故障下的電壓值，證實(shí)了2個(gè)系統(tǒng)都檢測(cè)出了一次側(cè)短路故障，但相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，此文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電壓差值更大，驗(yàn)證了文中系統(tǒng)優(yōu)化短路故障檢測(cè)方面的有效性。

設(shè)置傳統(tǒng)的系統(tǒng)作為測(cè)試實(shí)驗(yàn)的對(duì)比系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)相同的電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。計(jì)算2個(gè)系統(tǒng)的故障檢測(cè)效率，并進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)試對(duì)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(cè)任務(wù)時(shí)所消耗的時(shí)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(cè)任務(wù)的平均耗時(shí)為1.68 s，功能的平均通過(guò)率為94.23%；而基于RFID的電力計(jì)量系統(tǒng)的平均耗時(shí)和功能平均通過(guò)率分別為1.29 s和97.47%。對(duì)比而言基于RFID的電力計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)效率高于傳統(tǒng)的系統(tǒng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于RFID設(shè)計(jì)的電力計(jì)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(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，完善了電力計(jì)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以與三相智能電表相配置，從而拓展該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的適用范圍。