基于RFID技术的变压器油温监测系统的研究

刘杨杰，张佳南，刘超男

（1.国网福建石狮市供电有限公司，福建 石狮 362700 2.国网技术学院，山东 济南 250002）

0 引言

变压器的运行油温可以直接反应变压器的运行状况，变压器的油温过高不仅影响变压器的使用寿命，还可能会破坏变压器的安全稳定运行，解决油温过高这个问题也一直是运行和制造部门亟待解决的问题。为了保证变压器能够安全的为用户持续供电，必须使油温控制在一定范围之内，所以对变压器油温的监测也就显得十分重要。现阶段变压器的油温监测主要还是通过温度计，不能实现对油温的数据记录。本文针对该问题，提出了一种基于RFID技术的解决系统，它能够以一个固定时间为节点记录变压器运行时的油温，然后通过无线射频技术读取其数据。

1 RFID系统介绍

RFID无线射频技术是一种非接触式自动识别技术，它工作原理是通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现非接触式的信息传递，并通过所传递的信息实现识别物体并获取相关信息的目的，利用的是自然界普遍存在的电磁能量。

RFID系统主要由天线、电子标签、阅读器三部分组成。天线的主要任务就是在阅读器和标签之间传递无线信号；电子标签由存储芯片和耦合单元组成，其一般附着在被识别物体的表面，负责存储该物体的相关信息，每一个电子标签都具有一个唯一的电子编码；阅读器的作用就是读取标签里面的信息，从而识别其代表的物体信息。无线射频系统的主要特点有：

1）非接触性，识别过程无需任何人工干预，能够实现完全自动化；且写距离比较大，最大可以达到几十米。

2）数据的速度快，可同时读取数个RFID标签。

3）好的保密性，没有允许几乎不可能复制和修改数据。

4）可以实现高速运动目标的识别。

5）重复使用，方便信息的更新。

6）隔有物体的情况下也能对其进行读取。

2 系统总体设计

2.1 系统实现

本变压器油温监控系统主要由温度传感器、数据处理单元、电子标签以及阅读器几部分构成。

在需要监测的变压器内置一个温度传感器以及在其表面附着一个数据处理单元和一个电子标签，由数据处理单元采集传感器的数据，并对数据进行处理，然后将处理后的数据传送到电子标签内进行存储。只要通过手持式阅读器对各个电子标签进行阅读，既能读取被监控变压器的油温历史数据，进而对数据进行分析，通过一系列措施改善变压器的运行状况。

2.2 系统设计

系统的基本结构如图1。

图1 系统结构图

2.2.1 温度传感器

该温度传感器可以采用光纤传感器，其主要的特点如下：

1）体积小重量轻，可以方便的安装在设备内部，例如变压器油箱内。

2）利用光波作为传感信号，测量不受外界电磁场的干扰，可以在高压电磁场下进行长期监测，特别适合对变压器的温度监测。

3）传输光缆完全不带电，具有本质安全，适合高压电力监测。

2.2.2 数据处理单元

该数据处理单元由数据采集模块、A／D转换模块以及数据传输模块组成：

1）数据采集模块：负责采集光纤传感器的数据，通过光电耦合器将光信号转换为电信号。

2）A／D转换模块：由于数据采集单元采集的数据都是模拟量数据，而电子标签存储量都是数字量，所以必须将模拟量装换为数据量，该模块就起到此作用，可以根据需要数据的精度，合适的选用8位、16位或者32位A／D转换芯片。

3）数据传输模块：其主要作用是将转换后的数据传输到电子标签内进行存储。

2.2.3 电子标签

电子标签的主要作用是存储变压器的基本信息（包括户号、型号、容量等等），以及接受和存储数据处理单元传送过来的温度数据。每一台被监测变压器上都附着一个电子标签。

电子标签还承担着与阅读器传输信息的任务，根据其传输方式的不同，分为有源式和无源式。其工作原理为：芯片内含有一个LC串联谐振电路，其震荡频率与阅读器发送的电磁波频率一样，在电磁波的刺激下，标签中的LC谐振电路将产生共振，使电容内产生电荷，然后用一个单向导通的电子泵，将产生的电荷送到另外一个电容中存储，当电荷积累到一定数量时，就可以为芯片电路工作提供工作电压，发射或接受数据。

由于电子标签需要存储变压器油温的历史记录，所以应该采用可写入式芯片进行标签的选择与设计。

2.2.4 阅读器

阅读器的作用是读取电子标签里面的存储信息，该阅读器采取手持式进行设计，可以更加方便、可靠的读取信息。其主要包括主控电路、电源电路、存储电路、射频电路、射频前端电路、显示电路、USB通讯电路以及天线几部分组成。

射频芯片的选择：选用某公司生产的MF RC531射频芯片，该芯片是一种应用于13.56 MHz的非接触式通信的高集成射频芯片，运用的调制、解调概念处于当今世界的领先水平，它可以完全集成13.56 MHz下所有被动非接触式协议类型和通信方式。其内部结构图如图2。

图2 MF RC531内部结构图

3 扩大阅读距离的研究

由于高压变压器具有对其安全距离的特殊要求，所以在用手持式阅读器读取电子标签信息时不宜距离变压器太近，这就对RFID系统的阅读距离提出了特殊要求，所以尽可能提高阅读距离也就是本系统的一个研究重点。本研究给出了以下几种解决方法：

1）对标签进行改进，在条件允许的情况下，选择大号标签。

2）对天线进行改进，可以增加天线的数量，这样可以大大增加阅读距离；还可以增加天线增益；还可以改变天线形状和尺寸来增加阅读范围。

3）对阅读器的设计进行改进，通过改进对天线匹配电路的设计，设法增加输出功率。可以在设计中增加一个功率放大的功率放大器，一是放大接收信号，二是放大发射信号。将功率放大器加在发射部分和天线之间，增大发射功率，市场上各个频率的功率放大芯片都有很多，只要配合一些简单的滤波电路就可以使用，其基本示意图如图3。

图3 功率放大电路示意图

4 结论

基于RFID技术的变压器油温监测系统具有操作简单安全的特点，能够以一定时间为节点将变压器油温进行存储和阅读，对变压器运行中油温的变化作出详细的记录，通过对油温数据的分析，可以对变压器运行的状况进行诊断，然后采取一系列措施，改善变压器的运行安全、提高变压器的运行寿命，具有一定的实用价值。