基于射频识别技术的电力一二次融合测温系统

薛 静，杨 超，王颖舒，孙 军，李帮胜，张 杰

(贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550000)

近年来，发电厂、变电站的高压开关柜、母线接头和室外刀闸开关等重要的设备，在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度难以监测。传统测温手段存在如下缺陷：远红外测温采用人工巡检测温，不实时，当有元件遮挡时无法检测；光纤测温采用光纤温度传感器，不易安装、易损坏、耐温范围小；声表面波测温时易受干扰，当存在多个传感器时，ID区分困难。因此，迫切需要探索一种新的方法。

文献[1]为准确测量电力系统中设备关键节点的温度变化,综合考虑绝缘和电磁兼容要求，提出了一种基于脉冲转换温度传感芯片的电力设备温度监测系统。文献[2]提出一种基于射频识别技术(RFID)的轨道交通车辆温度监控方法，为今后轨道交通运用人工智能分析技术提供海量温度传感数据集。文献[3]开发基于超高频射频识别技术无线无源充电技术，实现高压高开设备的免维护测温,提高电网运行可靠性。文献[4]提出采用声表面波(SAW)- RFID系统在线监测变压器油温。文献[5]提出电力无源测温技术，用于测量电力设备的温度，为电力物联网建设提高数据支撑。文献[6]基于RFID开关柜温度实时监测系统，提供了一种新的选择，消除了安全、体积、功耗、免维护性和成本等。

本文提出将RFID温度传感器应用于一二次融合成套设备中，设计基于RFID的一二次融合测温系统。通过一种自适应功率匹配算法，提高测温的可靠性和准确性；通过将RFID技术应用于一二次设备的融合中，结合智能诊断和运维指导，可以加快配电网设备智能化和集成一体化的建设。

1 基于RFID的测温总体系统设计

1.1 基于RFID的测温系统硬件设计

(1)确定测温系统总体结构。基于无源RFID的无线测温系统如图1所示。无源RFID温度传感器设置于测温点；数据采集终端与射频增益天线结合，与RFID温度传感器具有一定的距离；计算机指具有应用系统的上位机。在工作时，数据采集终端通过射频增益天线向覆盖范围内的RFID温度传感器提供射频能量，同时发送测温指令；各个RFID温度传感器通过内置电路完成射频能量的收集、指令的分析处理，并对各自所在的测温点进行测温，同时需要将测温得到的数据发送给数据采集终端；计算机将数据采集终端接收到的数据进行分析处理，并给出下一步指令。

(2)温度传感器硬件结构设计。温度传感器由一个高度集成射频能量收集电路、无线射频收发电路、通信协议处理器、数据储存电路以及温度传感器的核心芯片和片外的天线组成，其构架如图2所示。

图2 RFID温度传感器硬件结构框图

温度传感器与数据采集终端取得联系后，通过射频能量收集电路收集数据采集终端发射的射频能量，后续通过倍压整流电路等为传感器内部芯片供电；无线射频收发电路负责与外界通信信道进行数据交互，即接收数据采集终端的指令和发送数据给数据采集终端；通信协议处理器负责通信协议的处理，同时还负责控制储存电路和温度传感芯片的工作；数据储存电路的主要作用是，在断电后将传感器的编号、温度数据和其他相关的用户信息储存起来，上电后自动向数据采集终端发送；温度传感器核心芯片负责将温度信息转化为便于存储和发送的数据信号。

最终设计的无源RFID温度传感器示意图如图3所示。温度传感器由一个无源被动射频天线和一块射频温度传感集成电路组成。射频集成电路与无源被动射频天线连接，通过射频天线获取来自信号采集终端的射频能量用以供电，同时接收指令信号，对测温点进行实时测温。射频集成电路将采集到的温度信息通过无源被动射频天线发送给数据采集终端上。

图3 无源RFID温度传感器硬件结构示意图

(3)数据采集终端和射频增益天线设计。数据采集终端管理其覆盖范围内的温度传感器，是数据集中器和温度传感器之间的网桥，其工作方式如图4所示。传感器的温度数据通过RFID上传到数据采集终端上，小范围汇集后通过RS-485或CAN总线再上传到数据集中器上，数据集中器通过有线传输或无线传输将数据上传到计算机上位系统中。数据采集终端与射频增益天线连接，数据采集终端可以通过射频增益天线发射射频能量，扫描范围内的RFID温度传感器，向RFID温度传感器传输能量与指令，同时接收RFID温度传感器测得的温度信息。

图4 数据采集终端工作方式示意图

射频增益天线采用全向天线和定向天线的双天线设计，保证接收到的多径的衰落特性不同，以提高信号接收的可靠性。其中，定向天线可覆盖300 m、45°锥型范围，全向天线可覆盖50 m半径圆形范围。

1.2 基于RFID的测温系统软件设计

1.2.1 RFID软件系统结构图设计

RFID测温系统的软件系统结构如图5所示。RFID测温系统主要由标签操作模块、温度测量模块、终端控制模块和功率控制模块组成。RFID测温系统运行流程是：首先，通过IP地址或名称连接局域网中的数据采集终端，设置终端参数和运行模式；其次，数据采集终端通过射频增益天线发射电磁波扫描范围内的RFID温度传感器，将扫描到的RFID温度传感器显示到软件界面上，并把该传感器的电子产品代码(EPC)与数据库相比对，若数据库中没有该传感器的记录，则输入其对应的测温节点，将其加入数据库；再次，数据采集终端向温度传感器发送指令并进行温度测量；最后，通过一系列数据过滤和数据处理方法得到温度数据，显示到界面中并加入数据库。

图5 RFID测温系统的软件系统结构图

1.2.2 标签操作模块、温度测量模块和终端控制模块设计

(1)标签操作模块。RFID温度传感器的标签应符合EPC C1 G2国际标准，其存储空间包括4部分：EPC区、ID区、密码区和用户数据区。系统将温度标签与测温节点相关联，实现测温节点或被测设备的唯一标识功能。同时，温度传感器还须进行温度校准，即在一个已知温度下进行温度测量，通过得到的温度数据计算出校准码，建立起传感器数据和实际温度数据的转换参数。

(2)温度测量模块。数据采集终端通过向RFID温度传感器写入相应控制指令进行温度数据读取，通过校准码可以将温度传感器上传的数值转换为实际温度值。为了保证数据的有效性，应设计数据过滤算法，对数据缺失进行记录并进行反馈，对于明显的错误数据，自动将其删除，并进行重新测温，如依旧为错误数据，进行记录并反馈。

(3)终端控制模块。终端控制模块负责数据采集终端的连接与设置。终端设置主要包括终端发射频率设置、发射功率设置、天线接收灵敏度、是否周期性运行、是否多目标识别等。

1.2.3 基于自适应功率匹配技术的功率控制模块设计

由于本系统的RFID传感器采用无源方式，其需要通过数据采集终端发射的射频能量进行供电工作。当终端发射功率过小时，可能会导致传感器的能量不足，导致芯片无法工作；当终端发射功率过大时，可能会降低传感器的可靠性和准确性。因此，有必要将数据采集终端的发射功率调整到最优的功率，使系统处在最优工作状态。影响温度传感器最佳测温功率的因素主要是传感器与终端天线之间的距离和角度、环境干扰等，因此各个传感器的最佳功率可能不同，所以需要实时调整天线的发射功率以适应范围内不同传感器的最优测温功率。一种自适应的功率匹配算法如图6所示。

图6 自适应功率匹配算法流程图

算法的流程如下：根据终端发射功率的范围，从最小功率开始发射，每隔一段时间增加0.2 dB的发射功率，如果该功率点没有温度传感器输出温度值，则继续增加终端的发射功率。当在某一功率点能够接收到传感器处于正常温度范围的温度值时，则在该功率点进行多次测量，去除最大、最小值后求平均值，若该平均值与前2个功率点的平均温度相差小于设定阈值时，则该功率点为该温度传感器的最佳功率，该平均温度为该温度传感器在此轮功率循环的测量温度值。之后，终端继续增加功率扫描其他温度传感器，直至达到最大功率后在将功率调至最小，重新开始新的循环。

1.3 基于RFID的一二次融合测温系统设计

1.3.1 高防护结构设计(提高在恶劣环境下的运行能力)

为了弱化一二次分界，采用高防护结构设计，温度传感器的高防护结构如图7所示。满足户外恶劣环境运行，适用于不同的一次设备。RFID温度传感器的结构包括母板和外壳，在母板上面设置有绝缘导热层，在绝缘导热层上方设置有无源被动射频天线，温度传感集成电路置于无源被动射频天线之上。外壳设于绝缘导热层、无源被动射频天线、集成电路的外部，并且与母板可以相合，扣在一起。母板可以采用铜镀铬，能够进行温度传递，并起到固定作用。

图7 温度传感器的高防护结构图

该设计结构与材料的热传递性能、物理强度等均可以适应电力系统中不同的测温环境。外壳采用高强度外壳，可以起到防潮、防尘、防静电等作用，保护内部测温电路不受损坏。同时，由于温度传感器芯片采用了集成化设计，其体积小，易于安装，为与不同的一次设备安装融合提供了基础。

1.3.2 根据传感器采集数据提供智能诊断与运维指导

在RFID测温系统的应用中，将其与被测一次设备的其他测量结合，如一次设备的电压与电流等，可进行智能诊断。

智能诊断具体步骤如下：首先提取温度传感器得到的特征量，如实时温度、历史最高温度、过温时长、温度变化率等；其次按照加权算法，综合考虑这些特征量的影响，给出一个值为0～1的预警值(见表1)，预警值落在相应的区间则有对应的预警等级。当预警等级不为“正常”时，结合一次电压和电流，快速判断可能的故障原因或部位，并通过上位机显示并发送给监管者。同时，采用嵌入式Webserver技术提高运维能力，就地运维App与终端业务App软件上完全独立，硬件上分别采用物理独立端口，保障维护功能与核心业务的安全隔离。

表1 预警等级对应表

2 应用测试

为验证设计测温系统的测量准确性与工作稳定性，在实验室内布置了3台传感器并进行了10个周期的测量，3个传感器的测试结果如表2所示，环境温度为18.9℃。

表2 系统测试结果 ℃

由表2可知，本系统的测温误差在±1%以内。进一步将本文设计的温度测温系统布置在贵阳市某10 kV变电站开关室内，以测试测温系统对开关柜温度异常的监测效果。测试开关柜型号为SFN2-10，额定电压10 kV，额定电流400 A，主母线额定电流3 000 A，4 s热稳定电流31.5 kA，动稳定电流80 kA，额定开断电流31.5 kA。根据运行经验，该型号开关柜正常工作时温度范围通常为35～40℃。对于开关室内F15，F17，F19，F21，F23这5台开关柜的监测数据如表3所示。

表3 开关柜温度监测数据 ℃

在监测时段内，F21柜温度数据明显高于正常运行范围，17:35时刻测温系统上位机给出F21柜温度预警等级达到“异常”等级的警报。后经检查发现，断路器触指紧固弹簧垫损坏所致。经更换维修后，该柜运行温度恢复正常。

3 结语

(1)将温度传感器嵌入无源超高频RFID中以用于一次设备的温度监测，能够自动实时监控温度，实现设备状态的在线监测。相比于其他传统温度监测方法，基于RFID温度标签的温度监测具有能够身份识别、测温节点体积小、成本低和寿命长等优点。

(2)数据采集终端通过射频信号为各无源RFID温度传感器提供测温所需的能量，能够实现传感器无源测温。数据采集终端从温度传感器实时读取温度数据，通过无线传输，减少布线，增强一二次侧的融合。

(3)本文设计基于RFID的电力一二次融合测温系统在实际开关室内对于开关柜温度检测具有较好的效果，可以有效及时地发现开关柜异常温升状况，并发出预警。