薛 靜，楊 超，王穎舒，孫 軍，李幫勝，張 杰

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550000)

近年來，發(fā)電廠、變電站的高壓開關(guān)柜、母線接頭和室外刀閘開關(guān)等重要的設(shè)備，在長期運(yùn)行過程中，開關(guān)的觸點(diǎn)和母線連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，而這些發(fā)熱部位的溫度難以監(jiān)測。傳統(tǒng)測溫手段存在如下缺陷：遠(yuǎn)紅外測溫采用人工巡檢測溫，不實(shí)時(shí)，當(dāng)有元件遮擋時(shí)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(shí)易受干擾，當(dāng)存在多個(gè)傳感器時(shí)，ID區(qū)分困難。因此，迫切需要探索一種新的方法。

文獻(xiàn)[1]為準(zhǔn)確測量電力系統(tǒng)中設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換溫度傳感芯片的電力設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[2]提出一種基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)的軌道交通車輛溫度監(jiān)控方法，為今后軌道交通運(yùn)用人工智能分析技術(shù)提供海量溫度傳感數(shù)據(jù)集。文獻(xiàn)[3]開發(fā)基于超高頻射頻識(shí)別技術(shù)無線無源充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓高開設(shè)備的免維護(hù)測溫,提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。文獻(xiàn)[4]提出采用聲表面波(SAW)- RFID系統(tǒng)在線監(jiān)測變壓器油溫。文獻(xiàn)[5]提出電力無源測溫技術(shù)，用于測量電力設(shè)備的溫度，為電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提高數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[6]基于RFID開關(guān)柜溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，提供了一種新的選擇，消除了安全、體積、功耗、免維護(hù)性和成本等。

本文提出將RFID溫度傳感器應(yīng)用于一二次融合成套設(shè)備中，設(shè)計(jì)基于RFID的一二次融合測溫系統(tǒng)。通過一種自適應(yīng)功率匹配算法，提高測溫的可靠性和準(zhǔn)確性；通過將RFID技術(shù)應(yīng)用于一二次設(shè)備的融合中，結(jié)合智能診斷和運(yùn)維指導(dǎo)，可以加快配電網(wǎng)設(shè)備智能化和集成一體化的建設(shè)。

1 基于RFID的測溫總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于RFID的測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)確定測溫系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)?；跓o源RFID的無線測溫系統(tǒng)如圖1所示。無源RFID溫度傳感器設(shè)置于測溫點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集終端與射頻增益天線結(jié)合，與RFID溫度傳感器具有一定的距離；計(jì)算機(jī)指具有應(yīng)用系統(tǒng)的上位機(jī)。在工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端通過射頻增益天線向覆蓋范圍內(nèi)的RFID溫度傳感器提供射頻能量，同時(shí)發(fā)送測溫指令；各個(gè)RFID溫度傳感器通過內(nèi)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(diǎn)進(jìn)行測溫，同時(shí)需要將測溫得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端；計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)采集終端接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并給出下一步指令。

(2)溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。溫度傳感器由一個(gè)高度集成射頻能量收集電路、無線射頻收發(fā)電路、通信協(xié)議處理器、數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(gòu)架如圖2所示。

圖2 RFID溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖

溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集終端取得聯(lián)系后，通過射頻能量收集電路收集數(shù)據(jù)采集終端發(fā)射的射頻能量，后續(xù)通過倍壓整流電路等為傳感器內(nèi)部芯片供電；無線射頻收發(fā)電路負(fù)責(zé)與外界通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即接收數(shù)據(jù)采集終端的指令和發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)采集終端；通信協(xié)議處理器負(fù)責(zé)通信協(xié)議的處理，同時(shí)還負(fù)責(zé)控制儲(chǔ)存電路和溫度傳感芯片的工作；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路的主要作用是，在斷電后將傳感器的編號、溫度數(shù)據(jù)和其他相關(guān)的用戶信息儲(chǔ)存起來，上電后自動(dòng)向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送；溫度傳感器核心芯片負(fù)責(zé)將溫度信息轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)和發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。

最終設(shè)計(jì)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(gè)無源被動(dòng)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(dòng)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(shí)接收指令信號，對測溫點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測溫。射頻集成電路將采集到的溫度信息通過無源被動(dòng)射頻天線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端上。

圖3 無源RFID溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

(3)數(shù)據(jù)采集終端和射頻增益天線設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集終端管理其覆蓋范圍內(nèi)的溫度傳感器，是數(shù)據(jù)集中器和溫度傳感器之間的網(wǎng)橋，其工作方式如圖4所示。傳感器的溫度數(shù)據(jù)通過RFID上傳到數(shù)據(jù)采集終端上，小范圍匯集后通過RS-485或CAN總線再上傳到數(shù)據(jù)集中器上，數(shù)據(jù)集中器通過有線傳輸或無線傳輸將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)上位系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集終端與射頻增益天線連接，數(shù)據(jù)采集終端可以通過射頻增益天線發(fā)射射頻能量，掃描范圍內(nèi)的RFID溫度傳感器，向RFID溫度傳感器傳輸能量與指令，同時(shí)接收RFID溫度傳感器測得的溫度信息。

圖4 數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)，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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 RFID軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

RFID測溫系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。RFID測溫系統(tǒng)主要由標(biāo)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(tǒng)運(yùn)行流程是：首先，通過IP地址或名稱連接局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集終端，設(shè)置終端參數(shù)和運(yùn)行模式；其次，數(shù)據(jù)采集終端通過射頻增益天線發(fā)射電磁波掃描范圍內(nèi)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(chǎn)品代碼(EPC)與數(shù)據(jù)庫相比對，若數(shù)據(jù)庫中沒有該傳感器的記錄，則輸入其對應(yīng)的測溫節(jié)點(diǎn)，將其加入數(shù)據(jù)庫；再次，數(shù)據(jù)采集終端向溫度傳感器發(fā)送指令并進(jìn)行溫度測量；最后，通過一系列數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)處理方法得到溫度數(shù)據(jù)，顯示到界面中并加入數(shù)據(jù)庫。

圖5 RFID測溫系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 標(biāo)簽操作模塊、溫度測量模塊和終端控制模塊設(shè)計(jì)

(1)標(biāo)簽操作模塊。RFID溫度傳感器的標(biāo)簽應(yīng)符合EPC C1 G2國際標(biāo)準(zhǔn)，其存儲(chǔ)空間包括4部分：EPC區(qū)、ID區(qū)、密碼區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)。系統(tǒng)將溫度標(biāo)簽與測溫節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測溫節(jié)點(diǎn)或被測設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)功能。同時(shí)，溫度傳感器還須進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，即在一個(gè)已知溫度下進(jìn)行溫度測量，通過得到的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算出校準(zhǔn)碼，建立起傳感器數(shù)據(jù)和實(shí)際溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(2)溫度測量模塊。數(shù)據(jù)采集終端通過向RFID溫度傳感器寫入相應(yīng)控制指令進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)讀取，通過校準(zhǔn)碼可以將溫度傳感器上傳的數(shù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值。為了保證數(shù)據(jù)的有效性，應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)過濾算法，對數(shù)據(jù)缺失進(jìn)行記錄并進(jìn)行反饋，對于明顯的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，自動(dòng)將其刪除，并進(jìn)行重新測溫，如依舊為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)行記錄并反饋。

(3)終端控制模塊。終端控制模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集終端的連接與設(shè)置。終端設(shè)置主要包括終端發(fā)射頻率設(shè)置、發(fā)射功率設(shè)置、天線接收靈敏度、是否周期性運(yùn)行、是否多目標(biāo)識(shí)別等。

1.2.3 基于自適應(yīng)功率匹配技術(shù)的功率控制模塊設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)的RFID傳感器采用無源方式，其需要通過數(shù)據(jù)采集終端發(fā)射的射頻能量進(jìn)行供電工作。當(dāng)終端發(fā)射功率過小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的能量不足，導(dǎo)致芯片無法工作；當(dāng)終端發(fā)射功率過大時(shí)，可能會(huì)降低傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，有必要將數(shù)據(jù)采集終端的發(fā)射功率調(diào)整到最優(yōu)的功率，使系統(tǒng)處在最優(yōu)工作狀態(tài)。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(huán)境干擾等，因此各個(gè)傳感器的最佳功率可能不同，所以需要實(shí)時(shí)調(diào)整天線的發(fā)射功率以適應(yīng)范圍內(nèi)不同傳感器的最優(yōu)測溫功率。一種自適應(yīng)的功率匹配算法如圖6所示。

圖6 自適應(yīng)功率匹配算法流程圖

算法的流程如下：根據(jù)終端發(fā)射功率的范圍，從最小功率開始發(fā)射，每隔一段時(shí)間增加0.2 dB的發(fā)射功率，如果該功率點(diǎn)沒有溫度傳感器輸出溫度值，則繼續(xù)增加終端的發(fā)射功率。當(dāng)在某一功率點(diǎn)能夠接收到傳感器處于正常溫度范圍的溫度值時(shí)，則在該功率點(diǎn)進(jìn)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(gè)功率點(diǎn)的平均溫度相差小于設(shè)定閾值時(shí)，則該功率點(diǎn)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(huán)的測量溫度值。之后，終端繼續(xù)增加功率掃描其他溫度傳感器，直至達(dá)到最大功率后在將功率調(diào)至最小，重新開始新的循環(huán)。

1.3 基于RFID的一二次融合測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 高防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(提高在惡劣環(huán)境下的運(yùn)行能力)

為了弱化一二次分界，采用高防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溫度傳感器的高防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。滿足戶外惡劣環(huán)境運(yùn)行，適用于不同的一次設(shè)備。RFID溫度傳感器的結(jié)構(gòu)包括母板和外殼，在母板上面設(shè)置有絕緣導(dǎo)熱層，在絕緣導(dǎo)熱層上方設(shè)置有無源被動(dòng)射頻天線，溫度傳感集成電路置于無源被動(dòng)射頻天線之上。外殼設(shè)于絕緣導(dǎo)熱層、無源被動(dòng)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(jìn)行溫度傳遞，并起到固定作用。

圖7 溫度傳感器的高防護(hù)結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與材料的熱傳遞性能、物理強(qiáng)度等均可以適應(yīng)電力系統(tǒng)中不同的測溫環(huán)境。外殼采用高強(qiáng)度外殼，可以起到防潮、防塵、防靜電等作用，保護(hù)內(nèi)部測溫電路不受損壞。同時(shí)，由于溫度傳感器芯片采用了集成化設(shè)計(jì)，其體積小，易于安裝，為與不同的一次設(shè)備安裝融合提供了基礎(chǔ)。

1.3.2 根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)提供智能診斷與運(yùn)維指導(dǎo)

在RFID測溫系統(tǒng)的應(yīng)用中，將其與被測一次設(shè)備的其他測量結(jié)合，如一次設(shè)備的電壓與電流等，可進(jìn)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(shí)時(shí)溫度、歷史最高溫度、過溫時(shí)長、溫度變化率等；其次按照加權(quán)算法，綜合考慮這些特征量的影響，給出一個(gè)值為0～1的預(yù)警值(見表1)，預(yù)警值落在相應(yīng)的區(qū)間則有對應(yīng)的預(yù)警等級。當(dāng)預(yù)警等級不為“正?！睍r(shí)，結(jié)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(jī)顯示并發(fā)送給監(jiān)管者。同時(shí)，采用嵌入式Webserver技術(shù)提高運(yùn)維能力，就地運(yùn)維App與終端業(yè)務(wù)App軟件上完全獨(dú)立，硬件上分別采用物理獨(dú)立端口，保障維護(hù)功能與核心業(yè)務(wù)的安全隔離。

表1 預(yù)警等級對應(yīng)表

2 應(yīng)用測試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)測溫系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性與工作穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布置了3臺(tái)傳感器并進(jìn)行了10個(gè)周期的測量，3個(gè)傳感器的測試結(jié)果如表2所示，環(huán)境溫度為18.9℃。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果 ℃

由表2可知，本系統(tǒng)的測溫誤差在±1%以內(nèi)。進(jìn)一步將本文設(shè)計(jì)的溫度測溫系統(tǒng)布置在貴陽市某10 kV變電站開關(guān)室內(nèi)，以測試測溫系統(tǒng)對開關(guān)柜溫度異常的監(jiān)測效果。測試開關(guān)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(wěn)定電流31.5 kA，動(dòng)穩(wěn)定電流80 kA，額定開斷電流31.5 kA。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該型號開關(guān)柜正常工作時(shí)溫度范圍通常為35～40℃。對于開關(guān)室內(nèi)F15，F(xiàn)17，F(xiàn)19，F(xiàn)21，F(xiàn)23這5臺(tái)開關(guān)柜的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 開關(guān)柜溫度監(jiān)測數(shù)據(jù) ℃

在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)，F(xiàn)21柜溫度數(shù)據(jù)明顯高于正常運(yùn)行范圍，17:35時(shí)刻測溫系統(tǒng)上位機(jī)給出F21柜溫度預(yù)警等級達(dá)到“異常”等級的警報(bào)。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，斷路器觸指緊固彈簧墊損壞所致。經(jīng)更換維修后，該柜運(yùn)行溫度恢復(fù)正常。

3 結(jié)語

(1)將溫度傳感器嵌入無源超高頻RFID中以用于一次設(shè)備的溫度監(jiān)測，能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測。相比于其他傳統(tǒng)溫度監(jiān)測方法，基于RFID溫度標(biāo)簽的溫度監(jiān)測具有能夠身份識(shí)別、測溫節(jié)點(diǎn)體積小、成本低和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)傳感器無源測溫。數(shù)據(jù)采集終端從溫度傳感器實(shí)時(shí)讀取溫度數(shù)據(jù)，通過無線傳輸，減少布線，增強(qiáng)一二次側(cè)的融合。

(3)本文設(shè)計(jì)基于RFID的電力一二次融合測溫系統(tǒng)在實(shí)際開關(guān)室內(nèi)對于開關(guān)柜溫度檢測具有較好的效果，可以有效及時(shí)地發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜異常溫升狀況，并發(fā)出預(yù)警。