基于RFID 的开关柜温度实时监测技术研究

周 俊 汪之昊 冯国强 宋俊杰 汤兴凡

（浙江悦和科技有限公司，浙江 杭州311100）

随着国民经济的高速发展，城镇居民生活用电量、工业用电量近年来也迅猛增长。用电量的大幅增长促使电网电压等级越来越高，各个负荷节点的电网负荷也越来越高。与此同时，高电压、大容量的电力设备对电网的供电可靠性要求也越来越苛刻。在各种故障发生时，如果排除故障所需的时间越长，故障造成的经济损失也会越大。为了减少电网故障损失，需要尽一切可能提前发现并及时消除各种潜在的电力设备故障，例如通过进行在线实时监测等方式时刻观察电力设备的运行状态，一旦发现异常启用相应的自动化处理方案，特别重大的故障预警则采用人工辅助干预解决。在国家电网大力发展泛在电力物联网的时代，配电网末端设备的监测、数据采集及自动化处理成了当务之急，只有切实处理好配电网末端才能有效提高配电网的供电可靠性，保障电力系统的安全稳定运行，切实保障整个国民经济的快速发展和社会的和谐与稳定。无源无线RFID 电子标签依靠内置的天线接收阅读器通过天线发射的电磁波能量。当RFID 标签处在阅读器天线的电磁场范围内时，RFID 标签通过电磁场的空间耦合，从电磁场中获得能量，然后再通过整流将射频能量转变为直流电源的能量。通过大电容对直流电源进行储能，当其电压增长到启动电压时，激活测温系统电路，RFID 测温标签发射实际测温得到的数据。无源无线RFID 电子标签内部的温度传感器和模数转换器完成温度的传感和量化。基于RFID的开关柜无源无线温度实时监测系统主要由多个无源无线RFID 电子标签、阅读器和一台数据集中器/云端服务器构成。无源无线RFID 电子标签安装在开关柜内各设备需要测量温度的节点上，通过RFID 电子标签将温度信号及其ID 信号发出，由阅读器通过天线接收，阅读器接收到RFID 电子标签的信号后，通过MODBUS 485 通讯协议或者DTU 等方式将采集到的数据传输给数据集中器或者云端服务器。数据集中器/云端服务器负载存储开关柜内各种当前设备测量点的情况，配电网相关负责人可通过终端显示界面快速读取相应柜内设备各测量点的温度情况，从而知晓各测量点的运行状态。RFID 电子标签直接贴附在被测点表面，安装使用方便，免维护且不会引发新的危险，测得的温度数据能直接反应相应电力设备被测点的实际温度变化趋势。基于RFID 技术的开关柜温度实时监测系统采用无源、无线的测温方案，避免了有源、有线温度监测方案带来的二次安全隐患，将终端设备采集到的温度数据转化为IEC61968 格式上传至数据集中器/云端服务器，电网运维人员通过相应的显示终端即可实时查看开关柜的实时温度状况，提高了巡检的工作效率，实现了开关柜的智能化管理。

1 研究现状

1.1 开关柜运行状态

开关柜是电力系统中的重要电力设备，其安全稳定直接关系到电网的安全稳定。开关柜属于组合类设备，其内部一般由断路器、母排、电感、电容、互感器、母线、避雷器、测量设备、继电保护装置等设备组成，将它们装配在密闭的金属柜内，接受和分配配电系统中的电能。开关柜目前广泛应用于各种电压等级的电网中，对确保电力系统的安全稳定运行起着非常重要的作用。与此同时，随着开关柜被广泛应用于电网中，在实际的运行过程中它也发生了不少的故障，造成了不小的经济损失，给人民的生活和工业生产带来了极大的安全隐患。开关柜内的各种接触部位在运行过程中容易发生老化、接触不良、工作时的震动导致的接触松动等原因导致各种接触部位（如电缆头、母排节点）电阻增大，当接触部位流过大电流时，会产生大量的热量造成局部发热严重，如果不及时处理，很容易引发各种电力系统故障。为确保开关柜的安全稳定运行，必须对开关柜内的各种接触部位以及其它必要的测温点进行实时监测，从而及时发现问题防止因发热造成严重的电力事故。

1.2 开关柜测温现状

目前，开关柜常用的测温方式主要有红外热成像，CT 测温以及声表面波等。不过因为开关柜属于密闭结构，各种电力设备封闭于其中，人工红外测温获取内部温度存在局限性，不能跟踪温度异常；PT 测温不能精确反映温度，且部署成本较高。针对这些问题，在本方案中采用了基于RFID 的开关柜温度实时监测系统方案，它在有效确保实时监测效果的同时，不会引发二次隐患且部署成本较低。

2 RFID 测温系统设计

2.1 系统整体设计

2.1.1 系统功能

本方案中设计的基于RFID 的开关柜温度实时监测系统主要实现开关柜温度、湿度等因素的连续监测，并将监测结果实时传送至数据集中器/云端服务器。电网运维管理人员通过查阅数据集中器/云端服务器中的温度数据来进行日常管理及故障诊断。

2.1.2 系统结构

根据系统功能，设计了系统结构，如图1 所示。基于RFID 的开关柜温度实时监测系统的设计与实现主要包括开关柜和云端，开关柜内部主要包括监测节点的RFID 电子标签、读写器及通信设备。

以开关柜为单位部署监测节点，每个节点将采集到的监测数据通过RFID 发送至读写器，读写器利用Modbus485 通信协议或者DTU 模块与云端服务器通信，实现监测数据的实时上传，供电网运维人员查阅。

图1 监测系统结构图

2.2 系统硬件

2.2.1 读写器

根据开关柜测温的实际需要，选取工作频率为902～928MHz的RFID 读写器，兼容ISO18000-6C（EPC C1 Gen2）标准。该读写器的工作电压为直流12～36V，可工作于-20℃～75℃。配合5dB 圆极化天线以及电力专用标签，测温距离可达10 米。同时，该读写器拥有RS485、RJ45 数据接口，采用ModBUS RTU 接口通讯协议，带有1 路～16 路SMA 型母头，功耗不到10W，且使用寿命长达10 年以上。

图2 读写器

2.2.2 天线

系统采用 5dB 圆极化天线， 其大小仅为127mm*127mm*14mm，其耐温范围为-40～+75℃，中心频点为915MHz 3MHz，驻波比小于1.3：1，带宽大于20MHz，防护等级达IP55，采用磁吸式安装。

图3 天线

2.2.3 电力标签

在开关柜中广泛采用的标签主要有音叉标签、母排夹扣标签、梅花触头标签和堵头标签等，它们适合安装与开关柜中的不同位置。其中音叉标签适用于母排连接点处、母排夹扣标签适用于母排测温，梅花触头标签适用于断路器等的触头处测温，堵头标签适用于环网柜堵头的测温。

图4 音叉标签

图5 母排夹扣标签

图6 梅花触头标签

图7 堵头标签

2.2.4 485 通讯线及DTU

根据实际需要，RFID 标签采集到的温度数据可以本地显示，也可以传送到云端。可以直接使用485 通讯线将读写器中的数据传输至本地终端或远程云端，对于远离市中心、相对孤立的变电站等的开关柜，可以采用DTU 无线传输至云端。

2.3 系统安装与实现

2.3.1 系统安装方案

在实际的安装过程中，可根据实际布置情况及相关要求进行最优化的安装。首先是RFID 标签的确定，根据实际测温点的情况，确定电子标签的形式。一般在母排连接点处选择音叉标签，母排上选择母排夹扣标签等。

图8 系统安装方案图

对于开关柜距离较近的情况，为提高系统性价比，可采用4 口阅读器，一台读写器监测4 台开关柜的温度数据；对于开关柜比较孤立的情况，可采用单口阅读器，一台读写器监测1 台开关柜的温度数据。读写器可挂在开关柜外的墙上，也可以直接置于开关柜内。在确定好读写器的数量及安装位置后，需根据实际情况确定天线的安装位置及安装数量，天线一般放置于开关柜内的柜壁上。

最后是读写器中的温度数据与终端、云端的连接问题，如果要在本地终端显示温度数据，可以采用RS 485 直接在本地终端显示；如果需要传送至云端，可以采用RS485 或者DTU 传输，一般情况下，建议选用RS485，对于远离中心地区、比较孤立的开关柜，可以采用DTU 传输。

2.3.2 系统实现

本系统基于ISO 18000-6C（EPC C1 Gen2）标准，无源RFID 电子标签依靠内置天线接收阅读器天线发射的能量。当标签处在阅读器天线的电磁场范围内时，通过电磁场的空间耦合作用，RFID 电子标签从电磁场中获得能量，通过能量转换从而供给其传感器工作。

测温系统中开关柜端的结构主要由多个RFID 电子标签、天线和读写器构成。RFID 电子标签安装在开关柜内需要测量温度的节点上，通过RFID 电子标签将温度数据发出，由读写器天线进行接收。读写器天线根据现场实际、测量效果要求等因素进行安装，考虑测量经济性地同时确保测量效果，保证数据源的完整性。数据采集完成后，读写器通过网络（RJ 45 端口）或者RS 485 逐个轮询天线，将其读取到的数据统一汇总到读写器内，然后读写器对采集到的数据进行滤波过滤、分类分析、汇总处理后上传到数据集中器/云端服务器。电网运维人员通过本地显示终端查看开关柜内各设备的温度测量点的实际情况。