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浅谈基于RFID技术的断路器无线无源在线测温系统的研究与应用

浏览次数：1297更新时间：2021-04-20

　　摘要：电气设备在承载大电流或是开关接触电阻过大时，常引起温度过高，在未得到及时处理的情况下将导致设备损坏，甚至发生火灾等恶性事故，从而造成重大经济损失。为了尽可能避免此类安全事故的发生，研究了基于RFID技术的断路器无线无源在线测温系统。通过该系统，对电气设备易出现温升故障部位的运行状态进行动态追踪监测，以防止、杜绝此类事故的发生，为电力系统安全可靠性分析和科学调度提供重要的决策依据。本文详细介绍了系统的功能与应用，并对有关问题进行了讨论。目前，该系统已经在华东某供电公司投入应用，运行情况良好，体现了该系统的实用性和可推广性。

　　关键词：电气设备；RFID；无线无源测温；故障

　　1概述

　　随着电网建设的高速发展和人们生活水平的不断提高，人们对用电的安全性、可靠性要求也越来越高。温度对于电力系统而言是一个很重要的参数。诸如电力系统高压开关柜、环网柜、高压电缆头、刀闸开关等重要设备，在长期运行中可能出现老化，表面氧化、腐蚀，紧固螺栓松动等问题，加上电力设备长期高负荷运行，容易引起温度异常。如不及时发现处理，可能引起熔融、燃烧甚至爆炸等安全事故。为尽可能避免这类电力事故的发生，同时保证电力生产工作安全有序进行，对于电力设备及电力电缆的实时监控很重要。

　　针对电力设备温度监测，目前大都采用传统的示法、红外测温法、光纤光栅测温、电子元件测温、声表面波测温的方式，但都存在许多现实的问题，如需要人工测量、传感器有源有线、信号传输不稳定等缺点。因此，传统的温度监测方法已经无法满足当前电力生产高效以及电力运行安全性、可靠性的要求，迫切地需要寻找在线监测技术手段，对电力设备运行温度进行在线监测，及时发现电力设备运行温度异常状况，避免电力设备损坏和电力事故的发生。

　　在考虑到上述问题的前提下，对基于RFID技术的无线无源在线测温系统进行了研究。系统采用无源RFID技术，结合4G移动传输技术，物联网环境监测技术等，通过对开关柜设备关键节点(如动静触头)温度进行实时记录，实现电力设备温度的实时监控，并在大数据分析基础上进行安全预警，为运行管理人员和决策管理层提供直接的数据依据。

　　2 系统架构与组成

　　基于RFID技术的无线无源在线测温系统是通过无源传感技术，RFID技术，结合低功耗技术，无线供电传感技术、计算机网络技术、4G移动数据通信技术等，构建了一个功能完善、信息通讯安全、伸缩扩展灵活的在线测温系统，实现电气设备温度的实时监测。系统架构如图1所示。

　　(1)硬件组成：RFID无线无源测温标签、射频天线、电

　　力读写器、数据传输终端(DTU)。

　　(2)软件组成：测温软件平台、云服务程序。

图1 系统架构示意图

　　3 技术实现

　　(1)设计出一种无线无源温度传感器，将RFID通信与测温设计，无需外挂测温组件，具备专有的ID，超低功耗成就远距读取。结合低功耗技术、无线供电传感技术，实现了免电池、免CT、数字测量、数字传输的无源无线测温。排除了电池隐患，也解决了声表面波(SAW)测温易受干扰，易错读的弱点。

　　(2)无源无线测温原理及数据通信。温度收集器利用天线发射射频电波，射频电波一方面激活传感器工作，同时也传送测温命令。传感器在激活后启动测温电路，并将测温结果发送给收集器，整个过程都是数字协议通信，数字传输，并带CRC检查码纠错，通信稳定可靠。见图2所示。

图2 无源无线测温原理示意图

　　(3)一个基本的 UHF RFID 系统包括了阅读器(Reader)，传感器(Tag)和天线(Antenna)。传感器由集成电路芯片(Microchip)和天线(Antenna)组成。芯片内存储了传感器所附着对象的数据信息，其内部并没有电池等能量供应源，需要从阅读器发射的电磁波中产生感应电流提取电路工作所需的能量。阅读器通过读取器天线发射连续波(CW continuous wave)信号给标签，为标签提供能量来激活标签的芯片工作，并向标签发射命令信号。传感器和阅读器之间通过空中接口18000-6c 协议进行载波的调制和解调来进行通信。阅读器对载波进行解调解码得到标签数据信息，从而实现了无源传感器无线数据通信。如图3所示。

图3 无源传感器无线数据通信示意图

　　(4)技术势对比表，见表1。

　　表1 技术势对比表

4 在电力开关柜中的应用

　　(1)将 RFID 通信与测温传感器安装在10 kV 中置型开关柜的小车触头上；安装方式类似于橡皮套方式，安装方便，无需取电(见图4)。

图4 传感器安装在开关柜的小车触头

　　(2)在开关柜内面板上安装天线。安装方式为吸附方式。

　　(3)在柜体外安装采集器，并与天线通过射频线进行连接(见图5)

　　(4)采集器与数据终端(DTU)或者工作站相连接。

　　5 安科瑞无线测温系统介绍与选型

　　安科瑞无线测温监控系统是根据当前无线测温系统的要求，在广泛征求用户和家意见的基础上,充分吸收当前国内外厂家的成功案例，并结合安科瑞多年来的丰富经验，采用面向对象的分层分布式设计思想，结合自动化技术、计算机技术、网络技术、通信技术而设计的一款无线测温软件。

　　5.1 Acrel-2000T无线测温系统结构

　　Acrel-2000T无线测温监控系统通过RS485总线或以太网与间隔层的设备直接进行通信(如图5)，系统设计遵循标准Modbus-RTU, Modbus TCP等传输规约，可靠性和开放性都得到了很大地提高。

　　Acrel-2000T无线测温监控系统具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥设、事件报警、曲线、棒图、报表和用户管理功能。可以监控无线测温系统的设备运行状况，实现快速报警响应，预防严重故障发生。

　　Acrel-2000T无线测温监控系统主要特点是开放式系统结构，硬件兼容性强，软件移植性好，应用功能丰富。该系统具有强大的处理能力，快速的事件响应，友好的人机界面，方便的扩充手段。其软件系统的设计依据软件工程的设计规范,模块划分合理，接口简捷明了，主要包括主控模块、人机界面、图形组态、数据库管理系统、通信管理等几大模块。

图5 Acrel-2000T无线测温系统结构图

　　5.2 Acrel-2000T无线测温系统功能

　　■实时监测

　　Acrel-2000T无线测温监控软件人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示各测温节点的温度数据及有关故障、告警等信息

　　■温度查询

　　温度历史曲线(1分钟、5分钟、60分钟可选)

　　■运行报表

　　查询各回路设备运行溫度报表.

　　■实时报警

　　壁挂式无线测温监控设备具有实时报警功能，设备能够对温度越限等事件发出告警。

　　■设备提供以下凡种告式：

　　a.弹岀事件报驚窗口.

　　b.实时语音报警功能，能够对所有事件发出语音告警.

　　C.短信吿警

　　■历史告警査询

　　Acrel-2000T无线测温监控系统能够对所有吿警事件记录进行存储和管理，方便用户对系统和告警等事件进行历史追溯，查询统计、事故分析。

　　■用户权限管理

　　Acrel-2000T无线测温监控系统为保障系统稳定运行，设置了用户权限管理功能。

　　通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如数据库修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。

　　■定值设置

　　用于修改高温定值、超温定值。

　　■WEB(可选)

　　展示页面显示变电站数量、变压器数量、监测点位数量等概况信息，设备温度、通信状态，用电分析和事件记录。首页显示场站的变压器数量、回路个数、有功功率、无功功率、用电量、事件记录等概况信息，可通过实时监控、变压器、通信模块切换到需要查看的界面。

　　实时数据曲线可监测各个回路的测点温度、电压、电流、功率曲线信息。

　　接线图页面通过一次图实时反映电气参数变化，包括测量量、信号量等信息(信号量需要断路器提供辅助触点支持)。

　　能耗统计页面显示各回路的功率峰值和用电量峰值，功率、电能趋势曲线，电能环比，用电排名。

　　运维管理\通信状态显示监测接入系统设备的通信状态。

　　■手机APP(可选)

　　设备数据员面显示各设备的电參量数据、温度数据以及曲线。

　　5.3 安科瑞ARTM系列无线测温终端产品选型

　　安科瑞电气接点无线测温方案由无线温度传感器、收发器、显示单元组成。温度传感器直接安装于断路器动触头、静触头、电缆接头、母排等发热接点，将测温数据通过无线射频技术传至接收装置，再由接收器485通讯至测温终端或无线测温系统(如图6)。

图6 电气接点在线测温结构图

　　5.3.1 安科瑞无线温度传感器

　　无线温度传感器共有5种，分别对应螺栓固定、表带固定、扎带捆绑、合金片固定等安装方式。针对不同的变电站要求，可根据传感器供电方式以及安装位置的不同，考虑安装方便的因素，选择相匹配的传感器。

物料名称

型号

参数说明

电池型无线测温传感器

ATE100

电池供电，寿命≥5年；-40℃~+125℃；

2.4GHz，空旷距离10米；

102.37*47.93*23mm，φ13.5mm(长*宽*高，孔径)。

ATE200

电池供电，寿命≥5年；-40℃~+125℃；

2.4GHz，空旷距离10米；

44.17*30*18.5mm，L=325.40mm(长*宽*高，三色表带)。

ATE300B

电池供电，寿命≥5年；-10℃~+125℃；

470MHz，空旷距离150米；

49.95*35.95*22mm(长*宽*高)。

CT取电型无线测温传感器

ATE300

CT感应取电，启动电流≥5a；-10℃~+125℃；

470MHz，空旷距离150米；

扎带固定，合金片取电；73*33.5*16mm(长*宽*高)。

ATE400

CT感应取电，启动电流≥5a；-50℃~125℃；

433MHz，空旷距离150米；

合金片固定、取电；三色外壳；25.82*20.42*12.8mm(长*宽*高)。

5.3.2 安科瑞无线收发器

无线测温收发器共有3种，通过无线射频方式接收温度数据。收发器根据不同的传感器型号进行匹配，同时传感器的传输距离决定接收装置能否多柜接收。

物料名称	型号	参数说明
无线收发器	ATC200	可接收12个ATE100/200
	ATC400	可接收240个ATE300/ATE300B
	ATC450-C	可接收240个ATE400

5.3.3 安科瑞显示终端

显示装置通过RS485连接收发器，可嵌入式安装于柜体上，若柜体开孔不便，也可选择壁挂式安装于配电室内。方便操作人员现场及时查看电气节点实时温度的同时，也可以通过RS485或以太网通讯的方式在后台系统查看现场情况。

物料名称	型号	参数说明
显示终端	ARTM-Pn	面框969617mm，深度65mm；开孔92*92mm； AC85-265V或DC100-300V供电；一路上行RS485接口，Modbus协议；可接收60个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
显示终端	ASD320 ASD300	面框237.5177.515.3mm，深度67mm；开孔220*165mm； AC85-265V或DC100-300V供电；一路上行RS485接口，Modbus协议；可接收12个ATE100/200/300/400；配套ATC200/300/450。
显示终端	ATP007 ATP010	面框226.51636mm，深度70mm；开孔215*152mm； DC24V供电；一路上行RS485接口；一路下行RS485接口；可接收20个ATC200/1个ATC400/1个ATC450-C。
无线测温集中集中采集设备	Acrel-2000T/A	壁挂式安装标配一路485接口、一路以太网口自带蜂鸣器告警柜体尺寸480420200 （单位mm）
无线测温监控设备	Acrel-2000T/B		;

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