UHF RFID温度标签的研究及其在开关柜温度监测系统中的应用*

李波涛，张宝英，赵世坡，张婧，王于波，王海宝

（1.国网冀北电力有限公司张家口供电公司，河北 张家口 075000；2.北京智芯微电子科技有限公司，北京 100192）

0 引 言

变电站中低压侧设备多以开关柜为主且在用量较大，其安全稳定运行至关重要。开关柜内各接触点可能因为紧固螺栓松动、衔接不严密、氧化腐蚀、电弧冲击等原因造成接触电阻增大，当大电流流过这些触点时，会出现温度过高现象，如不及时发现，容易引起火灾、爆炸、大面积停电等事故，直接和间接经济损失巨大。光电互感器应用逐渐增多，对开关柜内环境的温湿度提出了更高要求［1-2］。因此，对开关柜的温度进行在线监测，实现开关柜的智能化，对智能电网发展及开关柜的安全运行具有重大意义。

目前，运维检修人员通过示温蜡片测温、红外测温、光纤测温、有源无线测温、无源无线SAW测温等技术实现开关柜的温度监测。其中，示温蜡片测温和红外测温［3-6］均需人工参与读取测温设备的温度值，容易出现误报、漏报，无法进行监测，且监测精度和准确度会收到操作人员的影响，实时性较差。光纤测温［7-9］存在爬电距离短，安装调试复杂，且其调制解调器成本较高等缺点，不利于大面积推广［10］。现有的有源无线温度传感器存在集成度高、自组网、体积小、成本低廉、安装方便等诸多优势，可以黏贴在电缆接头、铜排连接点、闸刀和开关触点等关键测温点［11-13］，但有源无线温度传感器的供电电池不适于工作在高温恶劣环境，容易发生爆炸，引发事故，且电池可能漏液，给电力设备带来额外的安全隐患。基于声表面波测温技术的无源无线SAW温度传感器，通过测量无线射频信号的频率变化得到温度值［14-15］，但基于无源无线SAW温度传感器的温度监测系统存在以下缺陷：传感器通过频率识别ID，本身没有电子ID；安装距离必须大于20 cm，不适用于测温点密度较大的环境；通常需要通过螺丝固定安装，不便维护。

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术已广泛应用于工业和生活领域［16-17］。在超高频（Ultra High Frequency，UHF）RFID温度传感技术中，温度传感芯片与RFID芯片的集成设计，使得电子标签具有了温度感知能力，超高频阅读器通过电子标签获取温度传感信息，实现了温度监测的“无源测温、无线传输”，将UHFRFID温度标签用于开关柜在线监测，将有效解决目前存在的问题。本文研究了UHF RFID温度标签的结构和天线设计方案，设计了基于UHF RFID温度标签的开关柜温度监测系统，对开关柜中的易发热触点进行在线测温，并通过通信系统将数据传输至汇聚控制器，汇聚控制器将数据转换为IEC 61850帧格式传输至主站数据库，供主站系统调用，或直接将数据进行本地显示。

1 UHF RFID温度标签研究

1.1 结构设计

超高频射频温度标签与超高频阅读器间的工作介质为电磁波。在开关柜测温系统中，温度标签贴于容易发生高温故障的关键点，被测对象为金属材料。金属对电磁波的反射、吸收改变了电磁场的空间分布和场强，从而影响了温度标签的性能。本文采用的RFID温度标签的结构，如图1所示，使用耐高温柔性绝缘材料制作衬底，增加标签天线与被测金属材料的距离，脱离金属表面盲区，实现标签的抗金属功能。在衬底中嵌入金属导热材料，用于待测点与芯片之间的热传导，使得测得的温度数据直接反映测点的实际温度变化趋势，数据可靠。芯片焊接采用倒装焊工艺，使用各向异性导电胶，不影响热传导。利用具有优良导热性能的粘合剂将标签固定于开关柜中容易产生发热故障的接触点。

图1 RFID温度标签结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of RFID temperature tag

1.2 天线特性分析

标签天线的设计对标签的性能起到举足轻重的作用，由于天线成本远低于UHF RFID温度传感芯片成本，所以对UHF RFID温度传感芯片单独设计天线。无线功率传输（Wireless Power Transmission，WPT）是基于整流二极管天线，这也是本文整流设计的思想，用整流二极管天线电路实现了从RF信号到DC信号的能量转换。

在超高频系统中，天线的有效全向辐射功率为EIRP（天线增益（GT）和天线发射功率（PT）的乘积），RFID温度标签天线接收到的功率为Ptag且符合Friis电磁波传播公式，在距离天线R处自由空间中的功率密度为：

当温度标签与阅读器天线达到最佳对准和正确极化时，温度标签吸收的功率与入射波的功率密度成正比，可表示为：

式中S为入射波的功率密度；Ae为温度标签天线的有效接收面积，在极化匹配条件下，Ae可表示为：

式中λ为自由空间中的波长；Gtag为温度标签天线的增益，可得温度标签天线接收到的功率为：

定义极化匹配系数p为：

式中Ei为瞬时电场强度；h为天线的有效矢量长度；h*为h的共轭。定义标签的阻抗匹配系数q为：

当天线阻抗与负载阻抗共轭匹配时，q＝1。则温度标签内部实际接收到的功率PD为：

假设天线增益Gtag为0 dBm，工作频率带宽为860 MHz～960 MHz，计算时采用中心频率915 MHz。由于温度标签的天线设计在UHF RFID温度传感芯片制造之后，所以，可通过PCB设计，达到良好的阻抗匹配，取温度标签天线的极化匹配因子p与芯片的阻抗匹配因子q乘积为0.8。915 MHz天线的有效接收面积为Ae为：

当温度标签天线与超高频阅读器天线距离为3 m时，温度标签内部接收到的功率为：

其余功率（1-q）pPtag将会被温度标签的天线反射回超高频阅读器，超高频阅读器利用反向散射调制方式获取温度信息，从而实现温度标签与超高频阅读器之间的通信。超高频阅读器天线接收到温度标签天线反射回的能量为：

根据式（10）可以得到温度标签所接收能量与工作距离关系。在超高频阅读器的天线发射功率不变条件下，温度标签获得的能量随超高频阅读器天线和温度标签天线之间距离R的二次方衰减，即距离增加一倍，温度标签接收到的能量下降6 dB，由于存在多径效应，实际功率衰减比理论值更加严重。超高频阅读器从温度标签得到的反射能量随R的四次方衰减。我们可以通过以上公式，计算得到温度标签芯片功耗的极限值、工作距离等关键参数指标。

2 系统设计

2.1 数据传输模块设计

2.1.1 超高频阅读器设计

超高频阅读器是整个RFID系统中重要的组成部分之一，其核心为部分超高频模块（即阅读器），超高频阅读器原理框图如图2所示。

图2 超高频阅读器原理框图Fig.2 Functional block diagram of UHF reader

由于RFID系统采用“阅读器先说”的工作方式，因此阅读器就成为整个RFID系统的通信中心，其主要具有以下功能：采用“阅读器先说”的工作方式，实现与标签之间的通信功能；通过载波为标签提供工作所需的能量；通过基带部分实现相关协议标准；对标签中所存储的信息实现阅读、写入以及修改等功能；具有防碰撞功能，在读写范围内实现多标签的同时识别；通过Zigbee方式与无线中继器进行通信。

本设计预计采用的超高频模块，最大发射功率即ERP为2W（33 dBm），发射数据数率为40 kbps，信号调制方式为100%ASK调制，配置天线工作频率为902 MHz～928 MHz，中心频率为915 MHz，其增益GT为7.15 dBi，即 100.715＝5.188倍，通过天线发射出来的功率为4W～5 W。

2.1.2 无线中继器设计

无线中继器用于接收、汇聚周边超高频阅读器接收到的温度传感信息。无线中继器的Zigbee网络协调器接收到超高频阅读器收集到的温度信息后，将温度传感信息转换为以太网数据格式，并通过工业以太网电路发送给汇聚控制器。可通过以太网／USB方式升级自身程序。无线中继器电路结构框图如图3所示。

图3 无线中继器电路结构框图Fig.3 Frame block diagram of wireless repeater

2.2 系统结构设计

基于UHF RFID温度标签的开关柜温度监测系统结构如图4所示，一个开关柜安装一组UHF RFID温度标签测量各触点温度，这组温度标签信息的收发和管理由一个超高频阅读器统一完成。同一开关室内多个开关柜通过无线中继器组成无线自组网进行数据的本地传输，再由汇聚控制器负责开关室内所有温度传感数据的采集、存储、管理和数据帧格式转换，最终将开关柜温度信息上传至监控中心或本地显示，实现开关柜触点温度的在线监测。

图4 系统结构图Fig.4 System frame diagram

2.3 系统软件设计

汇聚控制器作为本系统的主机，其硬件基于Intel ATOM处理器、软件基于嵌入式Linux操作系统，实现对无线中继器的数据接入、数据帧格式转换、数据处理、本地显示等功能。本文主要针对系统的软件需求进行开发设计。

2.3.1 软件结构

系统软件按功能划分为数据服务（实时库和消息机制）、传感器接入模块、IEC 61850服务模块、历史数据处理模块、告警应用模块、总线模块（看门狗）、和汇聚控制器工具等主模块。以及日志服务、配置文件解析等通用库。

2.3.2 软件功能

系统软件具有如下功能：

（1）通过与感知终端的通信接口，采集感知终端数据，采用TCP网络通信协议，汇聚控制器为客户端，感知终端为服务端；

（2）通过 MMS（Multimedia Messaging Service）与客户端传送感知终端数据，汇聚控制器完全参照IEC 61850标准，汇聚控制器作为IEC 61850的服务器端，通过统一接口与客户端相连；

（3）转发MMS客户端对感知终端的下行命令；

（4）记录时间日志：日志分类便于查看（如：错误日志、异常日志、通信日志、操作日志等）；日志记录格式清晰，便于错误定位；日志错误提示要通俗易懂；

（5）按IEC 61850建立感知终端的信息模型；

（6）过滤冗余数据功能，要求汇聚控制器对数据具有预处理能力，通过设置数据变化率阀值过滤冗余数据；

（7）告警功能，告警功能作为独立模块，单独进程处理告警信息；

（8）安全功能：实现汇聚控制器的设备身份认证功能，防止非法设备接入信息安全系统；对聚控制器与信息安全接入系统间的传输数据，提供数据机密性和数据完整性保护功能，避免传输数据的泄漏、篡改和伪造。

2.3.3 软件运行流程

系统软件运行流程如下：

（1）装置启动，操作系统启动看门狗定时器；

（2）启动实时库模块，实时库检测到异常则启动异常自恢复处理，若异常无法恢复则装置停运，告警待检；

（3）启动用户进程管理模块，检测实时库启动完成，如未完成则等待；

（4）按配置启动IEC 61850服务、历史数据处理、告警应用和传感器接入等模块；

（5）检测启动信息，有异常产生告警，无异常装置进入运行态。

系统软件流程图，如图5所示。

图5 系统软件流程图Fig.5 System program flow chart

3 实验验证

本文研究的系统在冀北张家口供电公司赵川220 kV变电站35 kV 4-9、5-9 PT柜安装部署，温度标签安装在电缆室铜排上，监测到A、B、C三相铜排的温度数据如表1、表2所示。

从表1和表2可以看出不同时间点PT柜A、B、C三相铜排温度值。早上由于用电量小、环境温度较低，铜排温度较低；随着用电量的增加和环境温度的升高，下午铜排温度值升高；晚上用电量和环境温度均处于早上和下午的中间，铜排温度适中。从测得的温度数据看，PT柜的电缆室铜排处于正常运行状态，系统实现了PT柜铜排温度的在线监测。

表1 4-9 PT柜铜排温度数据表Tab.1 Temperature data of 4-9 PT cabinet

表2 5-9 PT柜铜排温度数据表Tab.2 Temperature data of 5-9 PT cabinet

4 结束语

每张UHF RFID温度标签都具有全球唯一的EPC编码作为身份识别，将特定EPC码与特定监测点相关联，则监测可以定位到每一个具体的点，发生异常，可以立即确定异常点；UHF RFID温度标签自身不携带电池，依靠接收来自读写器的电磁波转换成电能后以超低功耗工作，不存在电池、爬电等二次安全隐患；UHF RFID温度标签直接贴合在被测点表面，安装方便，测得的温度数据直接反映测点的实际温度变化趋势，数据可靠。基于UHF RFID温度标签的开关柜温度监测系统使用“无源、无线”超高频射频测温技术，避免了“有源、有线”监测方式带来的二次安全隐患，开发的汇聚控制器可本地在线显示、告警，也可将温度传感数据转化为IEC 61850帧格式上传至主站系统，提高了巡检的工作效率，有利于智能电网的发展。