RFID技术在互感器防窃电上的应用

文/寇喆

RFID系统根据应用对象不同，其组成会有所不同，但基本都由射频标签、读写终端和数据交换与管理系统三大部分组成。

互感器是电力行业、电网企业不可缺少的重要计量基础数据采集设备，其安全性关系到计量的准确性和电力公司的财产安全。

在智能电表普及后，窃电对象逐步从电表转向互感器，通过偷换大变比互感器的窃电现象越来越多。

窃电者在偷换互感器的同时更换互感器铭牌，该类窃电手法一般比较隐蔽，难以被用电检查人员发现。在用电检查人员巡检工作中，为了发现此类窃电行为，往往需要靠近互感器进行仔细检查，容易发生重大人身伤害事故。

随着物联网技术的不断发展，RFID( radio frequency identification，射频识别) 技术的应用范围也在不断扩展,通过在互感器本体内加装RFID电子标签,巡检人员可以使用手持终端对互感器进行识别，快速发现互感器被偷换等问题，防止窃电行为的发生。

鉴于低压电流互感器防伪造、防触电等安全方面的要求，国家电网计量中心修订了《计量用低压电流互感器技术规范》，新技术规范里提出了低压电流互感器电子标签的技术要求：标签与铭牌合为一体注塑到互感器本体、标签采用SM1或SM7国密算法、所用密钥应纳入用电信息密钥管理体系的管理。本文介绍了一种符合新技术规范的低压电流互感器电子标签制造及应用方案。

RFID技术

国际电联在2005年的报告中提出，物联网主要有四个关键性的应用技术:RFID、传感器、智能技术以及纳米技术。射频识别(RFID)技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID电子标签能够支持快速读写、移动识别、多目标识别、定位跟踪管理，通过RFID技术可以实现物品跟踪与信息共享，同时提高识别效率。

RFID系统根据应用对象不同，其组成会有所不同，但基本都由射频标签、读写终端和数据交换与管理系统三大部分组成。装有射频标签的计量设备与读写终端的作用距离在一定范围相互感应，实现非接触自动识别。读写终端与数据交换与管理系统的交互则可以针对不同应用对射频标签内存储的数据进行相应的处理。

其中，射频模块包括电源模块、时钟模块、谐振模块、调制模块、解调模块和复位模块。电源模块为射频电子标签供电；时钟模块为射频电子标签提供时钟；谐振模块用于产生传输RFID射频信号的基波；调制模块用于将射频电子标签发送给标签读写设备的射频电子标签相关信息、低压互感器相关信息、用于身份认证和信息加密的随机数与基波融合，调制成标签读写设备可接收频率的RFID射频信号；解调模块用于将标签读写设备发送给射频电子标签的执行命令信息和射频电子标签参数设置信息解调成射频电子标签可接收频率的RFID射频信号；复位模块用于实现射频电子标签的上电复位和下电复位。

低压电流互感器用电子标签

计量用低压电流互感器的使用环境相对复杂，尤其是户外使用环境更加恶劣，需要考虑的环境因素主要涉及：温度、湿度、强电场、强磁场、无源金属屏蔽性等。

低压电流互感器制造过程包括线圈绕制、装配、压制、喷塑、出厂测试、包装等流程，用于互感器的电子标签需要具有制造全过程的信息追溯功能。同时考虑到互感器制造工艺中的极限环境（高温、应力）、互感器信息保密等环节，现有的RFID射频标签已不能满足当前需求，需研制计量用低压电流互感器专用的高性能、高保密性和高可靠性的电子标签。

目前市面上应用较多的通用电子标签一般采用PET或吸波材料加工制成，通过粘贴方式附着于被标识物表面，在遇到高温、潮湿等特殊环境时，标签容易污损、脱落、失效；且容易被随便篡改和仿制。

互感器专用电子标签针对互感器生产加工和使用环境的特殊情况进行专用设计，使得互感器电子标签与普通电子标签相比具有许多特性。

低压电流互感器电子标签采用超高频RFID射频芯片和可植入式标签天线，支持ISO/IEC 18000-6C通信协议。为保护电子标签内的数据安全，标签芯片具备SM7安全算法的硬件加密模块，在安全级别和硬件资源之间进行折中，不但实现了数据传输过程中必要的加密操作，而且满足了超高频RFID标签芯片对功耗的苛刻要求。互感器专用电子标签设计为与铭牌合为一体的形式，表面为原有铭牌信息，内部嵌入电子标签芯片和天线，注塑到互感器本体。互感器标签结构设计中采用黑色包封胶将芯片包封在互感器标签背面，芯片所处位置有黑胶凸起，在互感器注塑过程中，将互感器专用射频标签植入互感器本身，注塑完成后与互感器本体紧密结合，保证互感器被外力破坏后，芯片功能失效，不能再恢复，将有利于减少偷换互感器本体及更换铭牌的现象发生。

低压电流互感器电子标签关键技术

超高频无源RFID技术由于读取距离较远、成本较低、读取速率快等多种因素而被广泛关注，但是，超高频RFID技术目前许多应用尚不成熟，其原因不完全在于稍高的成本，很大程度上在于标签对于不同商品应用环境的适应性存在的技术问题造成的。在RFID领域没有千篇一律的标签，所以开发和生产各个用途的标签是解决问题的关键。

其中，金属物体对超高频RFID标签性能的影响很大。超高频抗金属标签是一种针对金属物体而使用的无源超高频RFID标签，也称为抗金属标签，仿金属标签或金属附着型电子标签。

对于普通的无源电子标签，当贴在金属表面时，由于标签天线的阻抗匹配，辐射效率，方向性都发生了变化，标签的读取距离迅速降低，甚至难以被读取。因此，需要对其进行特殊处理或采用特殊标签，以使其可以在金属表面应用。

一般有三种方法可以采用：

1.采用吸波材料贴于金属表面克服金属的反射效果。

2.将标签垫高一定的高度，减少金属的边界条件影响。

3.采用专门的抗金属标签天线设计方法。针对以上方法分别对电子标签进行了抗金属设计。

1）电子标签的基板采用绝缘材料，基板的背面涂上金属层，使其成为反射面，从而使得金属不但不会影响标签的性能，反而使得金属反射的电磁场与标签天线的场在垂直标签的远场实现叠加，达到使标签的读出距离进一步提高的效果，实现了电子标签可以直接贴装在金属表面使用的功能。

2）将标签中引入电磁带隙EBG结构，该结构是一种周期性的结构，可以控制电磁场的传播，通过正确的选择介质的尺寸、材料和形状，让一种介质在另一种介质中周期排列组成周期结构，可以使得电磁波在某些频段不能传播，并可以提升天线的效率和增益。

3）加入人工磁导体结构，可在某些频段呈现高阻抗特性，这种结构由一个方形贴片和连接贴片与地板的过孔或者导线组成。此结构应用于缝耦合微带天线，可以使得天线的背瓣降低，增益上升。

互感器标签基板材料选用硬质的环氧树脂基PE-3材料，采用SOT的形式封装到基板表面，并使用黑胶进行保护。该标签具有抗金属特性，能够满足二次加工、运输等过程的要求；同时具备能够耐受高温，满足一体化注塑的要求；能够满足铭牌的基本特征要求：承载可视化信息、加工灵活等方面可靠性高。

低压电流互感器电子标签安全防伪设计

1.标签基材、天线、黑胶的材质和尺寸已多次试验和天线阻抗相匹配，保证标签整体的电特性。

2.在标签的注塑过程中，互感器的红色树脂浇筑至标签黑胶树脂表面时，其液体状态的红色树脂会渗透到黑胶的表面分子空隙中，在固化过程中便形成了一种机械结合的锚固力。在受热的环境下，树脂内由于羟基和醚基的极性，使得环氧树脂分子和相邻表面之间产生电磁吸力，而且环氧基与含有活泼氢的金属表面起反应而生成化学勾健，即在胶层间产生分子结合，形成共渗胶膜，且黑胶属于环氧树脂，属于一次固化成型，不会随着温度的增加而变软溶解等。

3.如果互感器标签被施加外力，直接从标签表面进行破坏，则会对标签造成直接性破坏。而试图将互感器标签从互感器上取下时，由于共渗层膜的机械拉力将造成互感器标签黑胶树脂的破坏，凸起脱落，从而造成芯片损毁，功能失效。该标签将不会再被非法冒用，在物理特性上保障了安全防伪。

4.低压电流互感器电子标签内置国密加密认证算法，标签与阅读器双向认证流程符合《采用SM7密码算法的电子标签芯片规范》，在认证过程中采用分组加密算法SM7来完成鉴别报文数据的加密与解密，SM7模块同时支持加密和解密功能。

低压电流互感器电子标签应用设计

低压电流互感器电子标签伴随互感器注塑、入库、检定、出库、现场安装、巡检、拆除、报废等全寿命周期管理环节，实现各环节数据采集的电子化、智能化。

在现场用电检查环节，通过使用互感器电子标签，使相关工作人员不用靠近配电箱、开关柜等带电设备，就可实现互感器变比等设备信息的远距离识别，保证工作人员安全。

由于互感器标签的防拆设计，当互感器被破坏或铭牌被拆除时，标签即自动失效。用电检查人员可及时发现现场互感器异常现象，达到防窃电的目的。

在互感器铭牌内放置RFID电子标签，内置国密加密算法。在互感器生产时将铭牌标签与互感器注塑在一起，拆卸铭牌将破坏电子标签，使得标签不可读取，实现互感器的防拆换，起到防窃电的作用。通过带有防伪功能电子标签的互感器，可以大幅度降低电力公司因窃电造成的经济损失。

互感器电子标签具有远距离识读的特性，可在1米的距离内进行识读，使巡检人员远离带电设备，保护工作人员人身安全，提高工作效率。

在互感器铭牌内植入电子标签，使得互感器具有了物联网感知特性，可实现互感器的智能化检定与出入库管理，提高企业生产效率。