基于射頻識別技術的電力一二次融合測溫系統

薛 靜，楊 超，王穎舒，孫 軍，李幫勝，張 杰

(貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550000)

近年來，發電廠、變電站的高壓開關柜、母線接頭和室外刀閘開關等重要的設備，在長期運行過程中，開關的觸點和母線連接等部位因老化或接觸電阻過大而發熱，而這些發熱部位的溫度難以監測。傳統測溫手段存在如下缺陷：遠紅外測溫采用人工巡檢測溫，不實時，當有元件遮擋時無法檢測；光纖測溫采用光纖溫度傳感器，不易安裝、易損壞、耐溫范圍??；聲表面波測溫時易受干擾，當存在多個傳感器時，ID區分困難。因此，迫切需要探索一種新的方法。

文獻[1]為準確測量電力系統中設備關鍵節點的溫度變化,綜合考慮絕緣和電磁兼容要求，提出了一種基于脈沖轉換溫度傳感芯片的電力設備溫度監測系統。文獻[2]提出一種基于射頻識別技術(RFID)的軌道交通車輛溫度監控方法，為今后軌道交通運用人工智能分析技術提供海量溫度傳感數據集。文獻[3]開發基于超高頻射頻識別技術無線無源充電技術，實現高壓高開設備的免維護測溫,提高電網運行可靠性。文獻[4]提出采用聲表面波(SAW)- RFID系統在線監測變壓器油溫。文獻[5]提出電力無源測溫技術，用于測量電力設備的溫度，為電力物聯網建設提高數據支撐。文獻[6]基于RFID開關柜溫度實時監測系統，提供了一種新的選擇，消除了安全、體積、功耗、免維護性和成本等。

本文提出將RFID溫度傳感器應用于一二次融合成套設備中，設計基于RFID的一二次融合測溫系統。通過一種自適應功率匹配算法，提高測溫的可靠性和準確性；通過將RFID技術應用于一二次設備的融合中，結合智能診斷和運維指導，可以加快配電網設備智能化和集成一體化的建設。

1 基于RFID的測溫總體系統設計

1.1 基于RFID的測溫系統硬件設計

(1)確定測溫系統總體結構。基于無源RFID的無線測溫系統如圖1所示。無源RFID溫度傳感器設置于測溫點；數據采集終端與射頻增益天線結合，與RFID溫度傳感器具有一定的距離；計算機指具有應用系統的上位機。在工作時，數據采集終端通過射頻增益天線向覆蓋范圍內的RFID溫度傳感器提供射頻能量，同時發送測溫指令；各個RFID溫度傳感器通過內置電路完成射頻能量的收集、指令的分析處理，并對各自所在的測溫點進行測溫，同時需要將測溫得到的數據發送給數據采集終端；計算機將數據采集終端接收到的數據進行分析處理，并給出下一步指令。

(2)溫度傳感器硬件結構設計。溫度傳感器由一個高度集成射頻能量收集電路、無線射頻收發電路、通信協議處理器、數據儲存電路以及溫度傳感器的核心芯片和片外的天線組成，其構架如圖2所示。

圖2 RFID溫度傳感器硬件結構框圖

溫度傳感器與數據采集終端取得聯系后，通過射頻能量收集電路收集數據采集終端發射的射頻能量，后續通過倍壓整流電路等為傳感器內部芯片供電；無線射頻收發電路負責與外界通信信道進行數據交互，即接收數據采集終端的指令和發送數據給數據采集終端；通信協議處理器負責通信協議的處理，同時還負責控制儲存電路和溫度傳感芯片的工作；數據儲存電路的主要作用是，在斷電后將傳感器的編號、溫度數據和其他相關的用戶信息儲存起來，上電后自動向數據采集終端發送；溫度傳感器核心芯片負責將溫度信息轉化為便于存儲和發送的數據信號。

最終設計的無源RFID溫度傳感器示意圖如圖3所示。溫度傳感器由一個無源被動射頻天線和一塊射頻溫度傳感集成電路組成。射頻集成電路與無源被動射頻天線連接，通過射頻天線獲取來自信號采集終端的射頻能量用以供電，同時接收指令信號，對測溫點進行實時測溫。射頻集成電路將采集到的溫度信息通過無源被動射頻天線發送給數據采集終端上。

圖3 無源RFID溫度傳感器硬件結構示意圖

(3)數據采集終端和射頻增益天線設計。數據采集終端管理其覆蓋范圍內的溫度傳感器，是數據集中器和溫度傳感器之間的網橋，其工作方式如圖4所示。傳感器的溫度數據通過RFID上傳到數據采集終端上，小范圍匯集后通過RS-485或CAN總線再上傳到數據集中器上，數據集中器通過有線傳輸或無線傳輸將數據上傳到計算機上位系統中。數據采集終端與射頻增益天線連接，數據采集終端可以通過射頻增益天線發射射頻能量，掃描范圍內的RFID溫度傳感器，向RFID溫度傳感器傳輸能量與指令，同時接收RFID溫度傳感器測得的溫度信息。

圖4 數據采集終端工作方式示意圖

射頻增益天線采用全向天線和定向天線的雙天線設計，保證接收到的多徑的衰落特性不同，以提高信號接收的可靠性。其中，定向天線可覆蓋300 m、45°錐型范圍，全向天線可覆蓋50 m半徑圓形范圍。

1.2 基于RFID的測溫系統軟件設計

1.2.1 RFID軟件系統結構圖設計

RFID測溫系統的軟件系統結構如圖5所示。RFID測溫系統主要由標簽操作模塊、溫度測量模塊、終端控制模塊和功率控制模塊組成。RFID測溫系統運行流程是：首先，通過IP地址或名稱連接局域網中的數據采集終端，設置終端參數和運行模式；其次，數據采集終端通過射頻增益天線發射電磁波掃描范圍內的RFID溫度傳感器，將掃描到的RFID溫度傳感器顯示到軟件界面上，并把該傳感器的電子產品代碼(EPC)與數據庫相比對，若數據庫中沒有該傳感器的記錄，則輸入其對應的測溫節點，將其加入數據庫；再次，數據采集終端向溫度傳感器發送指令并進行溫度測量；最后，通過一系列數據過濾和數據處理方法得到溫度數據，顯示到界面中并加入數據庫。

圖5 RFID測溫系統的軟件系統結構圖

1.2.2 標簽操作模塊、溫度測量模塊和終端控制模塊設計

(1)標簽操作模塊。RFID溫度傳感器的標簽應符合EPC C1 G2國際標準，其存儲空間包括4部分：EPC區、ID區、密碼區和用戶數據區。系統將溫度標簽與測溫節點相關聯，實現測溫節點或被測設備的唯一標識功能。同時，溫度傳感器還須進行溫度校準，即在一個已知溫度下進行溫度測量，通過得到的溫度數據計算出校準碼，建立起傳感器數據和實際溫度數據的轉換參數。

(2)溫度測量模塊。數據采集終端通過向RFID溫度傳感器寫入相應控制指令進行溫度數據讀取，通過校準碼可以將溫度傳感器上傳的數值轉換為實際溫度值。為了保證數據的有效性，應設計數據過濾算法，對數據缺失進行記錄并進行反饋，對于明顯的錯誤數據，自動將其刪除，并進行重新測溫，如依舊為錯誤數據，進行記錄并反饋。

(3)終端控制模塊。終端控制模塊負責數據采集終端的連接與設置。終端設置主要包括終端發射頻率設置、發射功率設置、天線接收靈敏度、是否周期性運行、是否多目標識別等。

1.2.3 基于自適應功率匹配技術的功率控制模塊設計

由于本系統的RFID傳感器采用無源方式，其需要通過數據采集終端發射的射頻能量進行供電工作。當終端發射功率過小時，可能會導致傳感器的能量不足，導致芯片無法工作；當終端發射功率過大時，可能會降低傳感器的可靠性和準確性。因此，有必要將數據采集終端的發射功率調整到最優的功率，使系統處在最優工作狀態。影響溫度傳感器最佳測溫功率的因素主要是傳感器與終端天線之間的距離和角度、環境干擾等，因此各個傳感器的最佳功率可能不同，所以需要實時調整天線的發射功率以適應范圍內不同傳感器的最優測溫功率。一種自適應的功率匹配算法如圖6所示。

圖6 自適應功率匹配算法流程圖

算法的流程如下：根據終端發射功率的范圍，從最小功率開始發射，每隔一段時間增加0.2 dB的發射功率，如果該功率點沒有溫度傳感器輸出溫度值，則繼續增加終端的發射功率。當在某一功率點能夠接收到傳感器處于正常溫度范圍的溫度值時，則在該功率點進行多次測量，去除最大、最小值后求平均值，若該平均值與前2個功率點的平均溫度相差小于設定閾值時，則該功率點為該溫度傳感器的最佳功率，該平均溫度為該溫度傳感器在此輪功率循環的測量溫度值。之后，終端繼續增加功率掃描其他溫度傳感器，直至達到最大功率后在將功率調至最小，重新開始新的循環。

1.3 基于RFID的一二次融合測溫系統設計

1.3.1 高防護結構設計(提高在惡劣環境下的運行能力)

為了弱化一二次分界，采用高防護結構設計，溫度傳感器的高防護結構如圖7所示。滿足戶外惡劣環境運行，適用于不同的一次設備。RFID溫度傳感器的結構包括母板和外殼，在母板上面設置有絕緣導熱層，在絕緣導熱層上方設置有無源被動射頻天線，溫度傳感集成電路置于無源被動射頻天線之上。外殼設于絕緣導熱層、無源被動射頻天線、集成電路的外部，并且與母板可以相合，扣在一起。母板可以采用銅鍍鉻，能夠進行溫度傳遞，并起到固定作用。

圖7 溫度傳感器的高防護結構圖

該設計結構與材料的熱傳遞性能、物理強度等均可以適應電力系統中不同的測溫環境。外殼采用高強度外殼，可以起到防潮、防塵、防靜電等作用，保護內部測溫電路不受損壞。同時，由于溫度傳感器芯片采用了集成化設計，其體積小，易于安裝，為與不同的一次設備安裝融合提供了基礎。

1.3.2 根據傳感器采集數據提供智能診斷與運維指導

在RFID測溫系統的應用中，將其與被測一次設備的其他測量結合，如一次設備的電壓與電流等，可進行智能診斷。

智能診斷具體步驟如下：首先提取溫度傳感器得到的特征量，如實時溫度、歷史最高溫度、過溫時長、溫度變化率等；其次按照加權算法，綜合考慮這些特征量的影響，給出一個值為0～1的預警值(見表1)，預警值落在相應的區間則有對應的預警等級。當預警等級不為“正常”時，結合一次電壓和電流，快速判斷可能的故障原因或部位，并通過上位機顯示并發送給監管者。同時，采用嵌入式Webserver技術提高運維能力，就地運維App與終端業務App軟件上完全獨立，硬件上分別采用物理獨立端口，保障維護功能與核心業務的安全隔離。

表1 預警等級對應表

2 應用測試

為驗證設計測溫系統的測量準確性與工作穩定性，在實驗室內布置了3臺傳感器并進行了10個周期的測量，3個傳感器的測試結果如表2所示，環境溫度為18.9℃。

表2 系統測試結果 ℃

由表2可知，本系統的測溫誤差在±1%以內。進一步將本文設計的溫度測溫系統布置在貴陽市某10 kV變電站開關室內，以測試測溫系統對開關柜溫度異常的監測效果。測試開關柜型號為SFN2-10，額定電壓10 kV，額定電流400 A，主母線額定電流3 000 A，4 s熱穩定電流31.5 kA，動穩定電流80 kA，額定開斷電流31.5 kA。根據運行經驗，該型號開關柜正常工作時溫度范圍通常為35～40℃。對于開關室內F15，F17，F19，F21，F23這5臺開關柜的監測數據如表3所示。

表3 開關柜溫度監測數據 ℃

在監測時段內，F21柜溫度數據明顯高于正常運行范圍，17:35時刻測溫系統上位機給出F21柜溫度預警等級達到“異?！钡燃壍木瘓蟆：蠼洐z查發現，斷路器觸指緊固彈簧墊損壞所致。經更換維修后，該柜運行溫度恢復正常。

3 結語

(1)將溫度傳感器嵌入無源超高頻RFID中以用于一次設備的溫度監測，能夠自動實時監控溫度，實現設備狀態的在線監測。相比于其他傳統溫度監測方法，基于RFID溫度標簽的溫度監測具有能夠身份識別、測溫節點體積小、成本低和壽命長等優點。

(2)數據采集終端通過射頻信號為各無源RFID溫度傳感器提供測溫所需的能量，能夠實現傳感器無源測溫。數據采集終端從溫度傳感器實時讀取溫度數據，通過無線傳輸，減少布線，增強一二次側的融合。

(3)本文設計基于RFID的電力一二次融合測溫系統在實際開關室內對于開關柜溫度檢測具有較好的效果，可以有效及時地發現開關柜異常溫升狀況，并發出預警。