基于RFID 技術的狀態(tài)監(jiān)測智能電子裝置設計

　　引言

　　電網每年因自然災害和輸變電設備自身故障遭受巨大損失[1] ， 因此， 建立輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。傳統(tǒng)輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)大都采用有線通信方式[2] ， 會造成布線復雜、成本高昂。文獻[3] 采用無線傳感器網絡 ( wireless sensor networks， WSNs) 技術對輸變電設備進行在線監(jiān)測， 解決了有線通信方式的弊端。但 WSNs 技術無法對故障設備進行精確定位， 然而射頻識別( radio frequency identification， RFID) 技術在目標對象定位方面有著得天獨厚的優(yōu)勢[4] 。

　　目前多數狀態(tài)監(jiān)測裝置的功能較為單一， 難以滿足輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)對多功能、多參數的集中監(jiān)測和故障診斷的需求[5] 。IEC 61850 標準體系為解決狀態(tài)監(jiān)測裝置的弊端， 提出了智能電子裝置 ( intelligent electronic device， IED) 的概念和標準[6] ， IED 可以在線監(jiān)測輸變電設備的運行狀態(tài)。

　　基于 WSNs 技術與 RFID 技術的優(yōu)勢， 本文提出一種輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構， 并設計了一種融合傳感器與RFID 標簽的狀態(tài)監(jiān)測 IED， 通過多項實驗完成對 IED 天線性能、電流功耗與靈敏度的測試。

　　輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

　　基于物聯(lián)網( IoT) 技術的輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖 1 所示， 由信息感知層、數據通信層、信息融合層和智能應用層構成。

　　信息感知層主要感知輸變電設備的運行狀態(tài)信息; 數據通信層為輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)提供數據傳輸通道;信息融合層是以輸變電設備全景信息集成平臺為信息處理中心， 包含物聯(lián)網中間件，負責處理輸變電設備的 EPC 編碼; 智能應用層以全壽命周期管理系統(tǒng)為中心， 實現(xiàn)對輸變電設備運行風險進行提前預警。

　　狀態(tài)監(jiān)測 IED 的設計

　　2. 1 狀態(tài)監(jiān)測 IED 的結構

　　狀態(tài)監(jiān)測 IED 由超低功耗的微處理器( microprocessor，MCU) 、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和一種新型有源 RFID 芯片等構成， IED 的結構圖如圖 2 所示。

　　MCU 是連接各個模塊的中央處理器， 控制整個狀態(tài)監(jiān)測 IED 的運行。溫度、電流、電壓傳感器負責采集設備的運行狀態(tài)數據和周邊環(huán)境信息。為了增強 MCU 的存儲能力，256 kB 電可擦可編程只讀存儲器( electrically erasable programmable read-only memory， EEPROM ) 通 過 I2C總 線 與MCU 連接。

　　2. 2 狀態(tài)監(jiān)測 IED 的實現(xiàn)

　　通過印刷技術， 介質基板采用 FR4 介質， 利用現(xiàn)有的低成本器件， 完成了狀態(tài)監(jiān)測 IED 的制作， 如圖 3 所示。

　　IED 的天線尺寸為 7. 5 cm × 1. 7 cm， 滿足了天線小型化的要求[7] 。MCU 融合溫度、電流、電壓傳感器的數據， 并將數據存儲在 RFID 芯片的用戶存儲器中， 芯片存儲器的 EPC區(qū)存儲輸變電設備編碼、資產信息等。

　　溫度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器工作電壓均是5 V， 采用 TRACO 公司的 5 V 電源模塊 TMR 2—2411WI 供電。通過 3 V 電壓轉換芯片 ASMS117—3. 0， 將 5 V 電源電壓轉換為 3 V 電壓為 MCU 供電， 結構圖如圖 2 所示。

　　IED 性能測試實驗結果與分析

　　3. 1 天線測試

　　測試環(huán)境在暗箱中， 利用標簽測試儀測試標簽性能。通過電磁學仿真軟件 HFSS 13， 按照天線的尺寸進行建模仿真分析。天線的仿真與測試結果如圖 4 和圖 5 所示。

　　如圖 4 所示為天線回波損耗的仿真與測試結果， 測試結果與仿真結果十分接近: 測試結果表明天線中心頻率為868. 3 MHz， S11 最小約為 - 11. 3 dB; 仿真結果表明: 天線中心頻率為 865. 8 MHz， S11 最小約為 - 13. 1 dB。RFID 天線的阻抗是否與標簽芯片的阻抗相匹配， 決定了標簽天線的供電效率和靈敏度， 將天線的輸入阻抗設計為標簽芯片阻抗的共軛， 來實現(xiàn)能量的最大化傳遞。圖 5( a) ，( b) 分別為天線輸入阻抗實部和虛部的仿真與測試結果， 實部的測試結果稍高于仿真結果， 而虛部的測試結果略低于仿真結果: 在865. 8 MHz 處， 仿真結果為 21 + j180Ω， 測試結果為 23 +j168Ω。造成仿真結果與測試結果的偏差， 主要是因為天線基材損耗、歐姆損耗， 以及人工實驗測試的誤差[8] 。

　　3. 2 電流功耗測試

　　在輸變電設備附近部署狀態(tài)監(jiān)測 IED， 用于監(jiān)測輸變電設備溫度、電流和電壓的變化， 主 IED 中加入了閱讀器模塊讀取其工作范圍內的標簽信息。將供給 IED 的直流電壓固定在 3 V 時， 通 過 泰 克 數 字 示 波 器 TDS1012C—SC 檢 測1 kΩ分流電阻器的電壓降， 利用歐姆定律獲得直流電流值。

　　3. 3 靈敏度測試

　　IED 與其他融合傳感器與標簽設備的各項性能如表 1所示。由表 1 可得， 本文設計的 IED 的讀寫范圍最大。文獻[10] 中的設備最接近 IED 的讀寫距離， 然而其電流功耗遠遠大于 IED 的電流功耗。另外， SL900A 與 IED 的電流功耗相近， 但其讀寫距離遠遠小于 IED 讀寫距離。

　　結束語

　　建設堅強智能電網已成為未來電網的發(fā)展方向， 本文提出一種分層分布式的輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)， 并設計一種融合傳感器與 RFID 標簽的狀態(tài)監(jiān)測 IED。IED 與其他融合傳感器與 RFID 標簽的設備相比， 在實現(xiàn)讀寫范圍最大的同時保持電流功耗相對較低。因此， 將狀態(tài)監(jiān)測 IED應用于輸變電設備在線監(jiān)測系統(tǒng)， 具有很大的應用前景。