0 引言

    溫度是電氣設備監(jiān)測與控制的重要參數,，高壓全封閉設備的測溫難點主要包括：(1)全封閉設備,，關鍵點溫度不易測量；(2)高溫環(huán)境對測溫終端電池有要求,，且電池更換不易,，維護工作量大；(3)高壓環(huán)境下,，有線影響絕緣要求,，不利于設備運行^[1，2],。

    無線測溫技術具有測量范圍大,、準確度高、不影響設備運行,、在線實時監(jiān)測等優(yōu)點,。基于無線測溫的優(yōu)勢及全封閉設備的測溫難點,，提出了一種基于射頻識別(RFID)技術的無源無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案,。系統(tǒng)通過無線供電方式向在線監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點提供電源，具有較高的安全性和抗干擾性,；通過無線射頻信號進行非接觸式的信息交互與信息采集,，實現自動識別及遠程實時溫度監(jiān)控及管理。文中介紹了超高頻射頻識別技術的原理和架構,，指出了實現射頻識別溫度監(jiān)測的各關鍵技術,，提出了系統(tǒng)在高壓開關柜的實施方案,，并通過實驗探討了系統(tǒng)方案的可行性。

1 超高頻射頻識別技術

    溫度監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組件主要由3部分構成：溫度傳感器標簽,、讀寫器,、后臺服務器^[3]。其中后臺服務器通過RS485總線或網線連接至讀寫器,，讀寫器通過饋線與其天線相連,，標簽天線集成在標簽芯片上，標簽與讀寫器應用RFID技術實現無線通信,。

    系統(tǒng)基本工作流程如圖1所示,。首先，讀寫器產生一個載波信號并通過其天線發(fā)射出去,，當傳感標簽進入讀寫器所發(fā)射的電磁波有效覆蓋區(qū)域內時,，傳感標簽被激活，激活的標簽將存儲在芯片中的識別信息通過其內置天線發(fā)送高頻信號至讀寫器天線,，高頻信號經天線調節(jié)器傳送到讀寫器進行解調和譯碼,，然后送到上位機進行有關數據處理。上位機軟件根據邏輯運算判斷該標簽合法性,，針對不同的設定作出相應的處理和控制^[4],，如發(fā)出溫度預警信息等。

    溫度標簽安裝于配網設備內,，作為一種無線射頻識別傳感器,，每個標簽都存放有各自的識別信息，包括：EPC碼(Electronic Product Code)和溫度數據,，其中標簽EPC碼唯一且在出廠時已固定^[5],。識別信息由讀寫器讀出，根據標簽EPC碼設置安裝地址,，用戶在服務器端知道哪些特定的傳感器在發(fā)送關鍵數據,，從而知道溫度關鍵點的地址問題，達到關鍵點溫度監(jiān)測的目的,。

2 系統(tǒng)關鍵技術研究

    系統(tǒng)設計過程中,，主要考慮6種關鍵技術的研究，包括：溫度傳感器標簽及讀寫器天線的選型,、標簽抗金屬設計,、通信距離估算、防碰撞算法,、設備安裝及后臺軟件開發(fā)等,。

2.1 標簽及天線選型

    本文選取的溫度標簽^[6]參數規(guī)格如表1所示；讀寫器天線為美國LAIRD公司生產的S8658,，其參數規(guī)格如表2,。

2.2 傳感標簽抗金屬設計

    由于標簽應用于配網設備,，必須考慮金屬對標簽的影響^[7，8],。本文采用一種成本相對較低并且簡單易用的抗金屬設計方法,，使用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)封裝外殼墊高標簽并在外殼底部采用AMC結構，如圖2,。AMC結構由3部分組成,，最上層是理想電導體地板，底部是周期性排列的金屬貼片,， 兩者之間填充介質,，金屬貼片與地板之間由一個金屬過孔相連^[8]。

    ABS封裝外殼的主要作用有：(1)射頻標簽溫度由有線熱敏電阻測得,，熱敏電阻安裝于關鍵點附近,，由于高壓環(huán)境不允許連接線裸露，ABS封裝外殼起到絕緣防護的作用,。(2)封裝外殼采用AMC結構,，減弱金屬對標簽的干擾，提高標簽的讀取率,；其次，由于所設計封裝外殼底部鋪設金屬層,，對于熱敏電阻測溫有很好的導熱性能,。(3)封裝后標簽便于安裝。

2.3 通信距離估算

    識別距離,，即RFID讀寫器能夠檢測到標簽反向散射信號的最大距離R,，是系統(tǒng)的重要性能指標。其由喚醒標簽芯片的最小門限功率P_th和讀寫器接收機靈敏度P_min共同決定^[9],。根據Friis方程式^[10]計算距離讀寫器r處標簽接收能量：

其中,，R₁由喚醒標簽芯片的最小門限功率P_th決定，R2由接收機靈敏度P_min決定,，最終通信距離的估算取小的那個值,。將所選設備參數代入式(4)、式(5),，得到系統(tǒng)理論通信估算通信距離為4.13 m,。

2.4 防碰撞機制

    RFID系統(tǒng)工作過程中，當有一個以上的標簽同時處在讀寫器范圍內時,，會出現通信沖突,，即碰撞。此溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要存在兩種類型的碰撞：一種是由多個標簽同時響應讀寫器引起的碰撞,；另一種是系統(tǒng)中讀寫器范圍內非溫度標簽對RFID系統(tǒng)的干擾,。針對開關柜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng),，溫度標簽的數量有限，本文在讀寫器原有的基于動態(tài)幀時隙ALOHA算法基礎上引入分組輪詢機制,，提高了識別效率,。

    首先讀寫器向標簽發(fā)送查詢命令，接收到命令的標簽獲得能量被激活,。標簽隨機從幀長度 1-F 內選擇一個時隙來傳送識別信息,，并將時隙號存在寄存器SN中。如果數據發(fā)送成功,，則該標簽進入休眠狀態(tài),，在之后的時隙不再活動；若有沖突發(fā)生,，則該標簽進入等待狀態(tài),，在下一幀中重新選擇時隙發(fā)送數據。讀寫器對標簽發(fā)送的數據進行識別信息校驗,，根據EPC將標簽分為溫度組和非溫度組,，上傳成功的溫度標簽進入休眠，此幀不再查詢,；將非溫度標簽加入黑名單,，之后都不再查詢。讀寫器不斷重復以上過程,，直到在某一幀中沒有收到任何標簽信號,，則認為所有溫度標簽均被識別。其算法流程如圖3所示,。

2.5 設備安裝

    高壓開關柜溫度脆弱點分布于母線連接處,、電纜連接處、斷路器連接處,，系統(tǒng)溫度傳感器可安裝于以上溫度關鍵點,，標簽安裝于母線連接處。讀寫器天線安裝于開關柜各功能室金屬門上,，位于開關柜內,，并在門上鉆孔引出天線導線至讀寫器。由于天線與標簽已存在射頻連接,，讀寫器安裝位置對通信距離影響不大,，讀寫器可經天線饋線安裝于開關柜外?？紤]金屬對無源標簽的干擾以及溫度節(jié)點分布于不同氣室,，采用增加冗余天線的方法擴大通信范圍。

2.6 后臺軟件開發(fā)

    本文開發(fā)的溫度在線監(jiān)測軟件基于Microsoft.NET平臺的C#編程語言。系統(tǒng)軟件具有連接讀寫器,、在線實時測溫,、溫度數據存儲、實時告警,、溫度曲線分析等功能,。系統(tǒng)實時監(jiān)測界面如圖4所示。

    界面顯示主要內容為讀寫器IP地址,、天線范圍內標簽EPC,、標簽讀取次數、實時溫度以及根據標簽EPC設置的安裝地址信息,。其中溫度數據繪制成二維曲線,，曲線坐標實時變化；如圖“柜1A相”標簽溫度顯示29.26 ℃（綠色）,，當溫度超過設定的預警閾值（75 ℃,，可設定）時，所在行變?yōu)榧t色,，實現溫度告警,；溫度信息每隔30 s（可設定）會保存在History.log文本文檔中，方便監(jiān)控人員查詢溫度歷史數據并打印報表,。以上功能很好地實現了在線實時監(jiān)測關鍵點運行時刻的溫度值,，人機交互界面方便統(tǒng)一監(jiān)控及管理。

3 實驗及可行性分析

3.1 傳感標簽靈敏度試驗

    RFID標簽芯片的靈敏度是芯片被激活所需的最小能量,，靈敏度是標簽芯片最重要的性能指標,，大小直接影響標簽的性能，如讀寫距離等,。在某一頻段內絕大多數芯片廠商僅僅給出芯片一個靈敏度值，而沒有標識出芯片靈敏度隨頻率的變化情況,。本文標簽靈敏度曲線如圖5所示,。

    所測標簽在860 MHz~960 MHz頻率區(qū)間內靈敏度趨于穩(wěn)定，維持在-4 dBm左右,，在950 MHz標簽靈敏度最高,。對應我國RFID頻段，所測標簽靈敏度為-4.1 dBm,。

3.2 傳感標簽讀取率試驗

    考慮開關柜金屬對標簽通信的影響,，在標簽標準通信2 m范圍內，將讀寫器天線分別置于標簽0~2 m處,，標簽貼附于20 cm×20 cm金屬板上,，標簽與金屬板方向均為平行于讀寫器天線，以達到最佳射頻耦合,。其標簽讀取率實驗與無金屬隔板條件下對比如表3所示,。

    根據實驗數據,，1 m時可以看出金屬隔板對讀寫器的場會有反射和屏蔽的作用，使標簽讀取率降低,，但并非完全無法讀取,。根據2 m的實驗數據，當有金屬隔板時,，金屬吸收射頻能量轉換成電場能,，減弱原有射頻場強的總能量，導致標簽無法正常工作,。金屬板的干擾降低了標簽的通信距離,，達不到標簽2 m的標準，但1.5 m的讀寫距離足以滿足設備的安裝及溫度監(jiān)測,。

3.3 測溫性能實驗

    為測試溫度標簽的測溫性能,，在同一時間測量不同環(huán)境溫度，并與水銀溫度計進行對比,，對比數據見表4,。

    標簽測溫性能實驗的結果表明，該溫度標簽的測溫結果比水銀溫度計的測溫結果普遍略高,，但非常接近,，標簽與溫度計差值均小于0.5 ℃。據開關柜日常運行維護與檢修人員的經驗,，電氣聯接頭的正常溫度為30 ℃~60 ℃,，如果出現過熱現象則溫度可達 75 ℃以上， 無線測溫以0.5 ℃的偏差值,， 足以反映開關柜的健康狀況,。

3.4 開關柜測溫試驗

    實驗在校高壓實驗室10 kV高壓開關柜進行，傳感標簽安裝于開關柜斷路器A相觸頭連接處,，本文選取其24 h溫度記錄數據,，反映全天的開關柜溫度變化，如圖6,。通過對24 h觸頭溫度的記錄分析可以看出,，RFID溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠正常運行且不影響開關柜工作，其記錄數據正確反應了觸頭溫度與環(huán)境溫度之間的關系,，說明此溫度監(jiān)測系統(tǒng)的方案可行,。

4 結語

    配網設備溫度監(jiān)測對設備安全穩(wěn)定運行具有重要意義，RFID溫度在線監(jiān)測方案利用無源無線傳感器標簽采集溫度,，傳感器節(jié)點無需電源供電,；通過無線數據傳輸實現了多節(jié)點溫度的在線監(jiān)測。系統(tǒng)在監(jiān)測過程中具有以下優(yōu)點：(1)設備體積小，便于安裝,；(2)低成本,、無維護費用；(3)不影響配網設備運行,，不易受環(huán)境因素影響,；(4)在線實時監(jiān)測；(5)PC提供良好的人機界面,，操作簡便,， 具有很好的應用前景。

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作者信息:

關志遠,，張周勝

（上海電力學院 電氣工程學院，上海200090）