基于RFID 技术的状态监测智能电子装置设计

　　引言

　　电网每年因自然灾害和输变电设备自身故障遭受巨大损失[1] ， 因此， 建立输变电设备在线监测系统具有重要意义。传统输变电设备在线监测系统大都采用有线通信方式[2] ， 会造成布线复杂、成本高昂。文献[3] 采用无线传感器网络 ( wireless sensor networks， WSNs) 技术对输变电设备进行在线监测， 解决了有线通信方式的弊端。但 WSNs 技术无法对故障设备进行精确定位， 然而射频识别( radio frequency identification， RFID) 技术在目标对象定位方面有着得天独厚的优势[4] 。

　　目前多数状态监测装置的功能较为单一， 难以满足输变电设备在线监测系统对多功能、多参数的集中监测和故障诊断的需求[5] 。IEC 61850 标准体系为解决状态监测装置的弊端， 提出了智能电子装置 ( intelligent electronic device， IED) 的概念和标准[6] ， IED 可以在线监测输变电设备的运行状态。

　　基于 WSNs 技术与 RFID 技术的优势， 本文提出一种输变电设备在线监测系统架构， 并设计了一种融合传感器与RFID 标签的状态监测 IED， 通过多项实验完成对 IED 天线性能、电流功耗与灵敏度的测试。

　　输变电设备在线监测系统架构

　　基于物联网( IoT) 技术的输变电设备在线监测系统架构如图 1 所示， 由信息感知层、数据通信层、信息融合层和智能应用层构成。

　　信息感知层主要感知输变电设备的运行状态信息; 数据通信层为输变电设备在线监测系统提供数据传输通道;信息融合层是以输变电设备全景信息集成平台为信息处理中心， 包含物联网中间件，负责处理输变电设备的 EPC 编码; 智能应用层以全寿命周期管理系统为中心， 实现对输变电设备运行风险进行提前预警。

　　状态监测 IED 的设计

　　2. 1 状态监测 IED 的结构

　　状态监测 IED 由超低功耗的微处理器( microprocessor，MCU) 、温度传感器、电流传感器、电压传感器和一种新型有源 RFID 芯片等构成， IED 的结构图如图 2 所示。

　　MCU 是连接各个模块的中央处理器， 控制整个状态监测 IED 的运行。温度、电流、电压传感器负责采集设备的运行状态数据和周边环境信息。为了增强 MCU 的存储能力，256 kB 电可擦可编程只读存储器( electrically erasable programmable read-only memory， EEPROM ) 通 过 I2C总 线 与MCU 连接。

　　2. 2 状态监测 IED 的实现

　　通过印刷技术， 介质基板采用 FR4 介质， 利用现有的低成本器件， 完成了状态监测 IED 的制作， 如图 3 所示。

　　IED 的天线尺寸为 7. 5 cm × 1. 7 cm， 满足了天线小型化的要求[7] 。MCU 融合温度、电流、电压传感器的数据， 并将数据存储在 RFID 芯片的用户存储器中， 芯片存储器的 EPC区存储输变电设备编码、资产信息等。

　　温度传感器、电流传感器和电压传感器工作电压均是5 V， 采用 TRACO 公司的 5 V 电源模块 TMR 2—2411WI 供电。通过 3 V 电压转换芯片 ASMS117—3. 0， 将 5 V 电源电压转换为 3 V 电压为 MCU 供电， 结构图如图 2 所示。

　　IED 性能测试实验结果与分析

　　3. 1 天线测试

　　测试环境在暗箱中， 利用标签测试仪测试标签性能。通过电磁学仿真软件 HFSS 13， 按照天线的尺寸进行建模仿真分析。天线的仿真与测试结果如图 4 和图 5 所示。

　　如图 4 所示为天线回波损耗的仿真与测试结果， 测试结果与仿真结果十分接近: 测试结果表明天线中心频率为868. 3 MHz， S11 最小约为 - 11. 3 dB; 仿真结果表明: 天线中心频率为 865. 8 MHz， S11 最小约为 - 13. 1 dB。RFID 天线的阻抗是否与标签芯片的阻抗相匹配， 决定了标签天线的供电效率和灵敏度， 将天线的输入阻抗设计为标签芯片阻抗的共轭， 来实现能量的最大化传递。图 5( a) ，( b) 分别为天线输入阻抗实部和虚部的仿真与测试结果， 实部的测试结果稍高于仿真结果， 而虚部的测试结果略低于仿真结果: 在865. 8 MHz 处， 仿真结果为 21 + j180Ω， 测试结果为 23 +j168Ω。造成仿真结果与测试结果的偏差， 主要是因为天线基材损耗、欧姆损耗， 以及人工实验测试的误差[8] 。

　　3. 2 电流功耗测试

　　在输变电设备附近部署状态监测 IED， 用于监测输变电设备温度、电流和电压的变化， 主 IED 中加入了阅读器模块读取其工作范围内的标签信息。将供给 IED 的直流电压固定在 3 V 时， 通 过 泰 克 数 字 示 波 器 TDS1012C—SC 检 测1 kΩ分流电阻器的电压降， 利用欧姆定律获得直流电流值。

　　3. 3 灵敏度测试

　　IED 与其他融合传感器与标签设备的各项性能如表 1所示。由表 1 可得， 本文设计的 IED 的读写范围最大。文献[10] 中的设备最接近 IED 的读写距离， 然而其电流功耗远远大于 IED 的电流功耗。另外， SL900A 与 IED 的电流功耗相近， 但其读写距离远远小于 IED 读写距离。

　　结束语

　　建设坚强智能电网已成为未来电网的发展方向， 本文提出一种分层分布式的输变电设备在线监测系统， 并设计一种融合传感器与 RFID 标签的状态监测 IED。IED 与其他融合传感器与 RFID 标签的设备相比， 在实现读写范围最大的同时保持电流功耗相对较低。因此， 将状态监测 IED应用于输变电设备在线监测系统， 具有很大的应用前景。