基于RFID技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測智能電子裝置設(shè)計(jì)*

商笑妍，李　兵，何怡剛，鄧芳明（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009）

基于RFID技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測智能電子裝置設(shè)計(jì)*

商笑妍，李兵，何怡剛，鄧芳明
（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009）

針對(duì)傳統(tǒng)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)難以滿足故障定位精確、多參數(shù)集中監(jiān)測的現(xiàn)狀，提出一種新型輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，并重點(diǎn)研究了用于狀態(tài)監(jiān)測的智能電子裝置（IED）。設(shè)計(jì)了一種基于射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的狀態(tài)監(jiān)測IED，主要由微處理器、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和一種有源RFID芯片構(gòu)成。仿真與測試結(jié)果表明：IED天線回波損耗約為-13.1 dB，載波頻率為865.8 MHz時(shí)，IED最大讀寫距離為18 m，IED驅(qū)動(dòng)電流和工作電流分別為520，210 μA，性能優(yōu)于SL9000A。

輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；射頻識(shí)別；智能電子裝置；物聯(lián)網(wǎng)

0　引言

電網(wǎng)每年因自然災(zāi)害和輸變電設(shè)備自身故障遭受巨大損失［1］，因此，建立輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。傳統(tǒng)輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)大都采用有線通信方式［2］，會(huì)造成布線復(fù)雜、成本高昂。文獻(xiàn)［3］采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）技術(shù)對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測，解決了有線通信方式的弊端。但WSNs技術(shù)無法對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行精確定位，然而射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)在目標(biāo)對(duì)象定位方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)［4］。

目前多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測裝置的功能較為單一，難以滿足輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)多功能、多參數(shù)的集中監(jiān)測和故障診斷的需求［5］。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系為解決狀態(tài)監(jiān)測裝置的弊端，提出了智能電子裝置（intelligent electronic device，IED）的概念和標(biāo)準(zhǔn)［6］，IED可以在線監(jiān)測輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

基于WSNs技術(shù)與RFID技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文提出一種輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一種融合傳感器與RFID標(biāo)簽的狀態(tài)監(jiān)測IED，通過多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)完成對(duì)IED天線性能、電流功耗與靈敏度的測試。

1　輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由信息感知層、數(shù)據(jù)通信層、信息融合層和智能應(yīng)用層構(gòu)成。

圖1　輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig 1　Architecture of transmission and distribution equipment on-line monitoring system

信息感知層主要感知輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)通信層為輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道；信息融合層是以輸變電設(shè)備全景信息集成平臺(tái)為信息處理中心，包含物聯(lián)網(wǎng)中間件，負(fù)責(zé)處理輸變電設(shè)備的EPC編碼；智能應(yīng)用層以全壽命周期管理系統(tǒng)為中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警。

2　狀態(tài)監(jiān)測IED的設(shè)計(jì)

2.1狀態(tài)監(jiān)測IED的結(jié)構(gòu)

狀態(tài)監(jiān)測IED由超低功耗的微處理器（microprocessor，MCU）、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和一種新型有源RFID芯片等構(gòu)成，IED的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　狀態(tài)監(jiān)測IED結(jié)構(gòu)圖Fig 2　Structure diagram of IED for condition monitoring

MCU是連接各個(gè)模塊的中央處理器，控制整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測IED的運(yùn)行。溫度、電流、電壓傳感器負(fù)責(zé)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境信息。為了增強(qiáng)MCU的存儲(chǔ)能力，256 kB電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM）通過 I2C總線與MCU連接。

2.2狀態(tài)監(jiān)測IED的實(shí)現(xiàn)

通過印刷技術(shù)，介質(zhì)基板采用FR4介質(zhì)，利用現(xiàn)有的低成本器件，完成了狀態(tài)監(jiān)測IED的制作，如圖3所示。

圖3　狀態(tài)監(jiān)測IEDFig 3　IED for condition monitoring

IED的天線尺寸為7.5 cm×1.7 cm，滿足了天線小型化的要求［7］。MCU融合溫度、電流、電壓傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RFID芯片的用戶存儲(chǔ)器中，芯片存儲(chǔ)器的EPC區(qū)存儲(chǔ)輸變電設(shè)備編碼、資產(chǎn)信息等。

溫度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器工作電壓均是5 V，采用TRACO公司的5 V電源模塊TMR 2—2411WI供電。通過3 V電壓轉(zhuǎn)換芯片ASMS117—3.0，將5 V電源電壓轉(zhuǎn)換為3 V電壓為MCU供電，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3　IED性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1天線測試

測試環(huán)境在暗箱中，利用標(biāo)簽測試儀測試標(biāo)簽性能。通過電磁學(xué)仿真軟件HFSS 13，按照天線的尺寸進(jìn)行建模仿真分析。天線的仿真與測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4　天線回波損耗Fig 4　Return loss of antenna

圖5　天線輸入阻抗Fig 5　Input impedance of antenna

如圖4所示為天線回波損耗的仿真與測試結(jié)果，測試結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近：測試結(jié)果表明天線中心頻率為868.3 MHz，S11最小約為-11.3 dB；仿真結(jié)果表明：天線中心頻率為865.8 MHz，S11最小約為-13.1 dB。RFID天線的阻抗是否與標(biāo)簽芯片的阻抗相匹配，決定了標(biāo)簽天線的供電效率和靈敏度，將天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)為標(biāo)簽芯片阻抗的共軛，來實(shí)現(xiàn)能量的最大化傳遞。圖5（a），（b）分別為天線輸入阻抗實(shí)部和虛部的仿真與測試結(jié)果，實(shí)部的測試結(jié)果稍高于仿真結(jié)果，而虛部的測試結(jié)果略低于仿真結(jié)果：在865.8 MHz處，仿真結(jié)果為21+j180Ω，測試結(jié)果為23+ j168Ω。造成仿真結(jié)果與測試結(jié)果的偏差，主要是因?yàn)樘炀€基材損耗、歐姆損耗，以及人工實(shí)驗(yàn)測試的誤差［8］。

3.2電流功耗測試

在輸變電設(shè)備附近部署狀態(tài)監(jiān)測IED，用于監(jiān)測輸變電設(shè)備溫度、電流和電壓的變化，主IED中加入了閱讀器模塊讀取其工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息。將供給IED的直流電壓固定在3 V時(shí)，通過泰克數(shù)字示波器TDS1012C—SC檢測1 kΩ分流電阻器的電壓降，利用歐姆定律獲得直流電流值。由圖6可得，MCU的驅(qū)動(dòng)電流 Isetup=520 μA，休眠電流Isleep=5 μA，工作電流Iactive=210 μA。IED的使用壽命可通過式（1）計(jì)算

式中C為電池容量；D為占空比，MCU工作時(shí)表示狀態(tài)“0”，休眠時(shí)表示狀態(tài)“1”，且“0”和“1”出現(xiàn)的概率相同均為0.5，取占空比D=0.5。

圖6　IED電流功耗Fig 6　Current power consumption of IED

3.3靈敏度測試

將IED與軟件無線電（software defined radio，SDR）設(shè)備連接，設(shè)置載波頻率從830 MHz以2 MHz步長增長到930 MHz。閱讀器天線放置在距離 IED天線 d=1 m處（Greader=5.5 dBi），閱讀器的發(fā)射功率為Preader，Monza X—2K的靈敏度Schip=-24 dBm。IED的靈敏度基于自由空間Friis公式獲得

式中EIRPon=Preader·Greader為等效全向輻射功率（equivalent isotropically radiated power，EIPR）。GIED取IED的最大天線增益為1.8 dBi，λ為波長，τ為閱讀器天線與IED天線的極化損耗因子。如圖7所示，IED靈敏度 SIED與 Schip在865.8 MHz頻率附近基本上一致。

IED的最大讀寫距離由式（3）計(jì)算得出

中國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定EIPRmax=2W是閱讀器的最大等效全向輻射功率。如圖8所示，在865.8 MHz時(shí)dmax≈18 m。

圖7　IED靈敏度測試Fig 7　Sensitivity measurement of IED

圖8　IED讀寫距離測試Fig 8　Measurement of reading and writing distance of IED

IED與其他融合傳感器與標(biāo)簽設(shè)備的各項(xiàng)性能如表1所示。由表1可得，本文設(shè)計(jì)的IED的讀寫范圍最大。文獻(xiàn)［10］中的設(shè)備最接近IED的讀寫距離，然而其電流功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IED的電流功耗。另外，SL900A與IED的電流功耗相近，但其讀寫距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IED讀寫距離。

表1　融合傳感器與標(biāo)簽設(shè)備的比較Tab 1　Comparison of fused sensor and tag devices

4　結(jié)束語

建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)已成為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，本文提出一種分層分布式的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)一種融合傳感器與RFID標(biāo)簽的狀態(tài)監(jiān)測IED。IED與其他融合傳感器與RFID標(biāo)簽的設(shè)備相比，在實(shí)現(xiàn)讀寫范圍最大的同時(shí)保持電流功耗相對(duì)較低。因此，將狀態(tài)監(jiān)測IED應(yīng)用于輸變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，具有很大的應(yīng)用前景。

［1］宿志一.霧霾天氣對(duì)輸變電設(shè)備外絕緣的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（8）：2284-2290.

［2］黃新波，唐書霞，劉家兵，等.青?！鞑亟恢绷髀?lián)網(wǎng)工程輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2013，39（11）：2589-2596.

［3］趙增華，石高濤，韓雙立，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（19）：80-84.

［4］Zhang M，Li P.RFID application strategy in agri-food supply chain based on safety and benefit analysis［J］.Physics Procedia，2012，25：636-642.

［5］李鵬，黃新波，趙隆，等.智能輸電線路狀態(tài)監(jiān)測代理的研究與設(shè)計(jì)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（16）：153-161.

［6］孟振宇.高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)智能電子裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014：24-28.

［7］Alien RFID［EB/OL］.［2013—12—27］，http：∥www.alentechnology.com/tags/.

［8］Fernandez Salmeron Jose，Molina-Lopez Francisco，Rivadeneyra Almudena，et al.Design and development of sensing RFID tags on flexible foil compatible with EPC gen 2［J］.IEEE Sensor Journal，2014，14（12）：4361-4371.

［9］Unander Tomas，Siden Johan，Nilsson Hans-Erik.Designing of RFID-based sensor solution for packaging surveillance applications［J］.IEEE Sensors Journal，2011，11（11）：3009-3018.

［10］ Li Tzu Hao，Borisenko Alexey，Bolic Miodrag.Open platform semi-passive RFID tag［C］∥The 11th International Conference on Ad-Hoc Networks and Wireless，Belgrade，Serbia，2012：249-259.

李兵，通訊作者，E—mail：libinghnu@163.com。

Design of IED for condition monitoring based on RFID technology*

SHANG Xiao-yan，LI Bing，HE Yi-gang，DENG Fang-ming
（School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Aiming at problem that the existing transmission and distribution equipment on-line monitoring system is not satisfied with accurate malfunction locating and intensive monitoring of multi-parameter，present a new type of transmission and distribution equipment on-line monitoring system architecture and focus on intelligent electronic device（IED）for condition monitoring.Design a IED for condition monitoring that is based on RFID，the IED mainly consists of MCU，temperature sensor，current sensor，voltage sensor，and a battery-assisted RFID chip. Results of simulation and test show that，return loss of antenna of IED is about-13.1 dB，the maximum reading and writing range of IED is 18 m when the carrier frequency is 865.8 MHz，drive current and working current of IED is 520 μA and 210 μA，property of IED is better than SL9000A.

transmission and distribution equipment on-line monitoring system；WSNs；RFID；intelligent electronic device（IED）；Internet of things（IoT）

TM73；TN806

A

1000—9787（2016）06—0093—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0093—03

2015—07—16

安徽省自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（1508085MF112）；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目（313018）；中國博士后基金面上資助項(xiàng)目（2014M561820）；湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014FJ6017）

商笑妍（1992-），女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)。