淺談基于RFID技術(shù)的斷路器無線無源在線測溫系統(tǒng)的研究與應用
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摘要：電氣設(shè)備在承載大電流或是開關(guān)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(shè)備損壞，甚至發(fā)生火災等惡性事故，從而造成重大經(jīng)濟損失。為了盡可能避免此類安全事故的發(fā)生，研究了基于RFID技術(shù)的斷路器無線無源在線測溫系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，對電氣設(shè)備易出現(xiàn)溫升故障部位的運行狀態(tài)進行動態(tài)追蹤監(jiān)測，以防止、杜絕此類事故的發(fā)生，為電力系統(tǒng)安全可靠性分析和科學調(diào)度提供重要的決策依據(jù)。本文詳細介紹了系統(tǒng)的功能與應用，并對有關(guān)問題進行了討論。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在華東某供電公司投入應用，運行情況良好，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的實用性和可推廣性。
關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；RFID；無線無源測溫；故障
1概述
隨著電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)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(tǒng)而言是一個很重要的參數(shù)。諸如電力系統(tǒng)高壓開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、高壓電纜頭、刀閘開關(guān)等重要設(shè)備，在長期運行中可能出現(xiàn)老化，表面氧化、腐蝕，緊固螺栓松動等問題，加上電力設(shè)備長期高負荷運行，容易引起溫度異常。如不及時發(fā)現(xiàn)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(fā)生，同時保證電力生產(chǎn)工作安全有序進行，對于電力設(shè)備及電力電纜的實時監(jiān)控很重要。
針對電力設(shè)備溫度監(jiān)測，目前大都采用傳統(tǒng)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(xiàn)實的問題，如需要人工測量、傳感器有源有線、信號傳輸不穩(wěn)定等缺點。因此，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測方法已經(jīng)無法滿足當前電力生產(chǎn)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(jiān)測技術(shù)手段，對電力設(shè)備運行溫度進行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備運行溫度異常狀況，避免電力設(shè)備損壞和電力事故的發(fā)生。
在考慮到上述問題的前提下，對基于RFID技術(shù)的無線無源在線測溫系統(tǒng)進行了研究。系統(tǒng)采用無源RFID技術(shù)，結(jié)合4G移動傳輸技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)等，通過對開關(guān)柜設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(如動靜觸頭)溫度進行實時記錄，實現(xiàn)電力設(shè)備溫度的實時監(jiān)控，并在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)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(shù)據(jù)依據(jù)。
2 系統(tǒng)架構(gòu)與組成
基于RFID技術(shù)的無線無源在線測溫系統(tǒng)是通過無源傳感技術(shù)，RFID技術(shù)，結(jié)合低功耗技術(shù)，無線供電傳感技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、4G移動數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，構(gòu)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(tǒng)，實現(xiàn)電氣設(shè)備溫度的實時監(jiān)測。系統(tǒng)架構(gòu)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(shù)據(jù)傳輸終端(DTU)。
(2)軟件組成：測溫軟件平臺、云服務(wù)程序。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
3 技術(shù)實現(xiàn)
(1)設(shè)計出一種無線無源溫度傳感器，將RFID通信與測溫設(shè)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(jié)合低功耗技術(shù)、無線供電傳感技術(shù)，實現(xiàn)了免電池、免CT、數(shù)字測量、數(shù)字傳輸?shù)臒o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(shù)據(jù)通信。溫度收集器利用天線發(fā)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(jié)果發(fā)送給收集器，整個過程都是數(shù)字協(xié)議通信，數(shù)字傳輸，并帶CRC檢查碼糾錯，通信穩(wěn)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(tǒng)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(nèi)存儲了傳感器所附著對象的數(shù)據(jù)信息，其內(nèi)部并沒有電池等能量供應源，需要從閱讀器發(fā)射的電磁波中產(chǎn)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(fā)射連續(xù)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(fā)射命令信號。傳感器和閱讀器之間通過空中接口18000-6c 協(xié)議進行載波的調(diào)制和解調(diào)來進行通信。閱讀器對載波進行解調(diào)解碼得到標簽數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)了無源傳感器無線數(shù)據(jù)通信。如圖3所示。
圖3 無源傳感器無線數(shù)據(jù)通信示意圖
(4)技術(shù)勢對比表，見表1。
表1 技術(shù)勢對比表
4 在電力開關(guān)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(guān)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(guān)柜的小車觸頭
(2)在開關(guān)柜內(nèi)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(shù)據(jù)終端(DTU)或者工作站相連接。
5 安科瑞無線測溫系統(tǒng)介紹與選型
安科瑞無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當前無線測溫系統(tǒng)的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎(chǔ)上,充分吸收當前國內(nèi)外廠家的成功案例，并結(jié)合安科瑞多年來的豐富經(jīng)驗，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計思想，結(jié)合自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計的一款無線測溫軟件。
5.1 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設(shè)備直接進行通信(如圖5)，系統(tǒng)設(shè)計遵循標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規(guī)約，可靠性和開放性都得到了很大地提高。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能?？梢员O(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計依據(jù)軟件工程的設(shè)計規(guī)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(tài)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
圖5 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
5.2 Acrel-2000T無線測溫系統(tǒng)功能
■實時監(jiān)測
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)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(jié)點的溫度數(shù)據(jù)及有關(guān)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(shè)備運行溫度報表.
■實時報警
壁掛式無線測溫監(jiān)控設(shè)備具有實時報警功能，設(shè)備能夠?qū)囟仍较薜仁录l(fā)出告警。
■設(shè)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?qū)λ惺录l(fā)出語音告警.
C.短信吿警
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)和告警等事件進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
■用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。
通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如數(shù)據(jù)庫修改等)?？梢远x不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。
■定值設(shè)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(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測點位數(shù)量等概況信息， 設(shè)備溫度、通信狀態(tài)，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數(shù)量、回路個數(shù)、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(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實時數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)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(shù)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(tǒng)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(huán)比，用電排名。
運維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
■手機APP(可選)
設(shè)備數(shù)據(jù)員面顯示各設(shè)備的電參量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)以及曲線。
5.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產(chǎn)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(fā)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(fā)熱接點，將測溫數(shù)據(jù)通過無線射頻技術(shù)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(tǒng)(如圖6)。
圖6 電氣接點在線測溫結(jié)構(gòu)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(jù)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(shù)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(fā)器
無線測溫收發(fā)器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數(shù)據(jù)。收發(fā)器根據(jù)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(shù)說明 |
| 無線收發(fā)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(fā)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(nèi)。方便操作人員現(xiàn)場及時查看電氣節(jié)點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺系統(tǒng)查看現(xiàn)場情況。
| 物料名稱 | 型號 | 參數(shù)說明 |
| 顯示終端 | ARTM-Pn | 面框96*96*17mm，深度65mm；開孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 可接收60個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
| 顯示終端 | ASD320 ASD300 | 面框237.5*177.5*15.3mm，深度67mm；開孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供電； 一路上行RS485接口，Modbus協(xié)議； 可接收12個ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。 |
| 顯示終端 | ATP007 ATP010 | 面框226.5*163*6mm，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(shè)備 | Acrel-2000T/A | 壁掛式安裝 標配一路485接口、一路以太網(wǎng)口 自帶蜂鳴器告警 柜體尺寸480*420*200 （單位mm） |
| 無線測溫監(jiān)控設(shè)備 | Acrel-2000T/B | | | ; |
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