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淺談基于RFID技術的斷路器無線無源在線測溫系統的研究與應用

瀏覽次數：1350更新時間：2021-04-20

　　摘要：電氣設備在承載大電流或是開關接觸電阻過大時，常引起溫度過高，在未得到及時處理的情況下將導致設備損壞，甚至發生火災等惡性事故，從而造成重大經濟損失。為了盡可能避免此類安全事故的發生，研究了基于RFID技術的斷路器無線無源在線測溫系統。通過該系統，對電氣設備易出現溫升故障部位的運行狀態進行動態追蹤監測，以防止、杜絕此類事故的發生，為電力系統安全可靠性分析和科學調度提供重要的決策依據。本文詳細介紹了系統的功能與應用，并對有關問題進行了討論。目前，該系統已經在華東某供電公司投入應用，運行情況良好，體現了該系統的實用性和可推廣性。

　　關鍵詞：電氣設備；RFID；無線無源測溫；故障

　　1概述

　　隨著電網建設的高速發展和人們生活水平的不斷提高，人們對用電的安全性、可靠性要求也越來越高。溫度對于電力系統而言是一個很重要的參數。諸如電力系統高壓開關柜、環網柜、高壓電纜頭、刀閘開關等重要設備，在長期運行中可能出現老化，表面氧化、腐蝕，緊固螺栓松動等問題，加上電力設備長期高負荷運行，容易引起溫度異常。如不及時發現處理，可能引起熔融、燃燒甚至爆炸等安全事故。為盡可能避免這類電力事故的發生，同時保證電力生產工作安全有序進行，對于電力設備及電力電纜的實時監控很重要。

　　針對電力設備溫度監測，目前大都采用傳統的示法、紅外測溫法、光纖光柵測溫、電子元件測溫、聲表面波測溫的方式，但都存在許多現實的問題，如需要人工測量、傳感器有源有線、信號傳輸不穩定等缺點。因此，傳統的溫度監測方法已經無法滿足當前電力生產高效以及電力運行安全性、可靠性的要求，迫切地需要尋找在線監測技術手段，對電力設備運行溫度進行在線監測，及時發現電力設備運行溫度異常狀況，避免電力設備損壞和電力事故的發生。

　　在考慮到上述問題的前提下，對基于RFID技術的無線無源在線測溫系統進行了研究。系統采用無源RFID技術，結合4G移動傳輸技術，物聯網環境監測技術等，通過對開關柜設備關鍵節點(如動靜觸頭)溫度進行實時記錄，實現電力設備溫度的實時監控，并在大數據分析基礎上進行安全預警，為運行管理人員和決策管理層提供直接的數據依據。

　　2 系統架構與組成

　　基于RFID技術的無線無源在線測溫系統是通過無源傳感技術，RFID技術，結合低功耗技術，無線供電傳感技術、計算機網絡技術、4G移動數據通信技術等，構建了一個功能完善、信息通訊安全、伸縮擴展靈活的在線測溫系統，實現電氣設備溫度的實時監測。系統架構如圖1所示。

　　(1)硬件組成：RFID無線無源測溫標簽、射頻天線、電

　　力讀寫器、數據傳輸終端(DTU)。

　　(2)軟件組成：測溫軟件平臺、云服務程序。

圖1 系統架構示意圖

　　3 技術實現

　　(1)設計出一種無線無源溫度傳感器，將RFID通信與測溫設計，無需外掛測溫組件，具備專有的ID，超低功耗成就遠距讀取。結合低功耗技術、無線供電傳感技術，實現了免電池、免CT、數字測量、數字傳輸的無源無線測溫。排除了電池隱患，也解決了聲表面波(SAW)測溫易受干擾，易錯讀的弱點。

　　(2)無源無線測溫原理及數據通信。溫度收集器利用天線發射射頻電波，射頻電波一方面激活傳感器工作，同時也傳送測溫命令。傳感器在激活后啟動測溫電路，并將測溫結果發送給收集器，整個過程都是數字協議通信，數字傳輸，并帶CRC檢查碼糾錯，通信穩定可靠。見圖2所示。

圖2 無源無線測溫原理示意圖

　　(3)一個基本的 UHF RFID 系統包括了閱讀器(Reader)，傳感器(Tag)和天線(Antenna)。傳感器由集成電路芯片(Microchip)和天線(Antenna)組成。芯片內存儲了傳感器所附著對象的數據信息，其內部并沒有電池等能量供應源，需要從閱讀器發射的電磁波中產生感應電流提取電路工作所需的能量。閱讀器通過讀取器天線發射連續波(CW continuous wave)信號給標簽，為標簽提供能量來激活標簽的芯片工作，并向標簽發射命令信號。傳感器和閱讀器之間通過空中接口18000-6c 協議進行載波的調制和解調來進行通信。閱讀器對載波進行解調解碼得到標簽數據信息，從而實現了無源傳感器無線數據通信。如圖3所示。

圖3 無源傳感器無線數據通信示意圖

　　(4)技術勢對比表，見表1。

　　表1 技術勢對比表

4 在電力開關柜中的應用

　　(1)將 RFID 通信與測溫傳感器安裝在10 kV 中置型開關柜的小車觸頭上；安裝方式類似于橡皮套方式，安裝方便，無需取電(見圖4)。

圖4 傳感器安裝在開關柜的小車觸頭

　　(2)在開關柜內面板上安裝天線。安裝方式為吸附方式。

　　(3)在柜體外安裝采集器，并與天線通過射頻線進行連接(見圖5)

　　(4)采集器與數據終端(DTU)或者工作站相連接。

　　5 安科瑞無線測溫系統介紹與選型

　　安科瑞無線測溫監控系統是根據當前無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款無線測溫軟件。

　　5.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構

　　Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信(如圖5)，系統設計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。

　　Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。

　　Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。

圖5 Acrel-2000T無線測溫系統結構圖

　　5.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能

　　■實時監測

　　Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息

　　■溫度查詢

　　溫度歷史曲線(1分鐘、5分鐘、60分鐘可選)

　　■運行報表

　　查詢各回路設備運行溫度報表.

　　■實時報警

　　壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。

　　■設備提供以下凡種告式：

　　a.彈岀事件報驚窗口.

　　b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.

　　C.短信吿警

　　■歷史告警査詢

　　Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

　　■用戶權限管理

　　Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統穩定運行，設置了用戶權限管理功能。

　　通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作(如數據庫修改等)。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。

　　■定值設置

　　用于修改高溫定值、超溫定值。

　　■WEB(可選)

　　展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息，設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

　　實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

　　接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化，包括測量量、信號量等信息(信號量需要斷路器提供輔助觸點支持)。

　　能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環比，用電排名。

　　運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。

　　■手機APP(可選)

　　設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫度數據以及曲線。

　　5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型

　　安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統(如圖6)。

圖6 電氣接點在線測溫結構圖

　　5.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

　　無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

物料名稱

型號

參數說明

電池型無線測溫傳感器

ATE100

電池供電，壽命≥5年；-40℃~+125℃；

2.4GHz，空曠距離10米；

102.37*47.93*23mm，φ13.5mm(長*寬*高，孔徑)。

ATE200

電池供電，壽命≥5年；-40℃~+125℃；

2.4GHz，空曠距離10米；

44.17*30*18.5mm，L=325.40mm(長*寬*高，三色表帶)。

ATE300B

電池供電，壽命≥5年；-10℃~+125℃；

470MHz，空曠距離150米；

49.95*35.95*22mm(長*寬*高)。

CT取電型無線測溫傳感器

ATE300

CT感應取電，啟動電流≥5a；-10℃~+125℃；

470MHz，空曠距離150米；

扎帶固定，合金片取電；73*33.5*16mm(長*寬*高)。

ATE400

CT感應取電，啟動電流≥5a；-50℃~125℃；

433MHz，空曠距離150米；

合金片固定、取電；三色外殼；25.82*20.42*12.8mm(長*寬*高)。

5.3.2 安科瑞無線收發器

無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

物料名稱	型號	參數說明
無線收發器	ATC200	可接收12個ATE100/200
	ATC400	可接收240個ATE300/ATE300B
	ATC450-C	可接收240個ATE400

5.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過RS485連接收發器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。

物料名稱	型號	參數說明
顯示終端	ARTM-Pn	面框969617mm，深度65mm；開孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供電；一路上行RS485接口，Modbus協議；可接收60個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
顯示終端	ASD320 ASD300	面框237.5177.515.3mm，深度67mm；開孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供電；一路上行RS485接口，Modbus協議；可接收12個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
顯示終端	ATP007 ATP010	面框226.51636mm，深度70mm；開孔215*152mm； DC24V供電；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口；可接收20個ATC200/1個ATC400/1個ATC450-C。
無線測溫集中集中采集設備	Acrel-2000T/A	壁掛式安裝標配一路485接口、一路以太網口自帶蜂鳴器告警柜體尺寸480420200 （單位mm）
無線測溫監控設備	Acrel-2000T/B		;

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淺談基于RFID技術的斷路器無線無源在線測溫系統的研究與應用