基于RFID的电力计量系统设计与实现

徐 雷

(中油电能售电事业部东区配网营业所，黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

随着电网商业化的深入发展，对电力计量系统的要求有所提高。装置计量系统对电表发送控制命令，并将相关信息反馈给远程站点，帮助供电公司实时监控用电数据，对潜在的电力故障进行供电切断，检测电力偷窃，实现电力计费、选择性减载和盗电控制等功能[1]。传统电力系统对短路故障的检测效果不明显，为此，设计一个基于RFID的电力计量系统，从硬件和软件两方面进行设计，基于RFID，设计电力计量目标的识别流程，计算电力计量目标的有功功率，完成系统设计后，与传统系统进行对比实验。

1 基于RFID的电力计量系统设计

1.1 硬件设计

RFID技术的实现场所为RFID读写器，该硬件设备主要由RFID阅读器、电子标签和天线3个元件组成，其具体的组成结构如图1所示。

RFID阅读器的作用是用来读取电子标签中的信息，在RFID阅读器的内部包括1个微处理器和1个RFID基站芯片，电路方面包含高频电路、复位电路、通信电路、驱动电路等。而电子标签部分也被称为射频卡，射频卡由芯片和耦合元件共同组成，部分电子标签当中会包含内嵌的天线，实现RFID的读写通信。一般情况下设计的RFID读写器可以实现低频、高频、超高频和微波4个层次上的工作，从而提高RFID读写器的精度。在设计过程中需要在RFID读写器上设置接口，使用OCX空间作为中间层负责连接硬件之间的通讯。在实际系统运行过程当中，RFID读写器通过内嵌的天线发送固定频率的射频信号，当电子标签进入内嵌天线的工作区后，在RFID读写器内部产生感应电流。将自身编码信息通过内嵌天线发送出去，并通过接收天线传输到RFID阅读器当中，阅读器对采集的信号进行解调处理，针对不同的设定做出相应的处理和控制操作。

改进数据采集器的CPU和通信电路，使采集的电力能耗脉冲转换为相应的能耗值。选择AT89S52作为数据采集器的CPU，AT89S52除CPU微控制器的标准特征外，其内部RAM容量大，在电力能耗脉冲采样和数据处理过程中，将其设为静态逻辑，使多功能8位和闪速存储器组合在单个芯片，利用闲置和掉电2种节点方式，在低到零频率的工作条件下也能完成通信功能[2]。

选取SN75LBC184芯片进行电平转换，并联使用转换芯片SN75LBC184的2个使能端，利用AT89S52的1个I/O口产生控制SN75LBC184的2个使能端信号，使其符合半双工的通信标准，设计通信电路具体如图2所示。

图2 采集器通信电路图

根据DE电平的高低，确定端口数据输入和输出的状态，改变采集器的输入和输出使能，使电力能耗值由B端进行接收和发送[3]。至此完成电力计量系统的硬件设计。

1.2 基于RFID识别的电力计量目标

在系统通信采集器硬件设计完毕的基础上，根据RFID获取通信信号的电子标签，同时对多个电力计量目标的身份进行识别。将RFID电子标签与电力计量目标绑定，根据系统空中通信接口参数，对RFID的通信频率进行划分，不同频段的RFID设计相应的通信协议。根据电力体系计量要求对计量目标进行判断，过程中ID信息初始化内容要与电力计量需求保持一致，使一个电子标签仅具备一个ID信息[4]。具体识别流程如图3所示。

图3 基于RFID的电力计量目标识别流程

通讯信息输入前要进行加密处理，利用多标签防碰撞算法进行读取，实现电力计量的动态物流管理模式[5]。在确定电力计量目标后，对其平均功率进行计算。设ΔT时间内的瞬时电流为i(t)，瞬时电压为u(t)，则该时间段内的平均功率P的计算过程为

(1)

当电流和电压为正弦号交流电时，设功率因数为cosθ，电流有效值为U，电压有效值为I，则式(1)可表示为

(2)

根据获取的有功功率信号，实现用电计量数据的实时监控，至此完成电力计量系统的软件设计。结合硬件和软件设计，完成基于RFID的电力计量系统设计。

2 实验论证分析

将文中设计的系统与传统系统进行对比实验。搭建电网测试环境，电网电压有效值为10 kV高电压，满负荷时负载的功率因数大于0.9，额定负荷大于500 kVA，2个系统所连接的电能表为DSS26型的三相三线电子式多功能有功电能表，工作频率为50/60 Hz，计量精度等级为1.0。

采用不同短接导线，真实模拟电力计量装置的电能表电流线圈断线故障，利用2个系统对该故障进行检测，改变电流互感器一次侧短路时，流过互感器一次侧的实际电流，记录短路故障测试数据见表1。

表1 实验结果对比表

由表1数据可知，电力计量装置无故障测试电压值均大于短接故障下的电压值，证实了2个系统都检测出了一次侧短路故障，但相比传统系统，此文设计的系统电压差值更大，验证了文中系统优化短路故障检测方面的有效性。

设置传统的系统作为测试实验的对比系统，2个系统同时对相同的电网设备进行检测。计算2个系统的故障检测效率，并进行对比，对比结果如表2所示。

表2 系统测试对比结果

从表2中的数据可以看出，系统在执行不同的检测任务时所消耗的时间不同。综合所有的执行情况，传统系统执行一次检测任务的平均耗时为1.68 s，功能的平均通过率为94.23%；而基于RFID的电力计量系统的平均耗时和功能平均通过率分别为1.29 s和97.47%。对比而言基于RFID的电力计量系统设计与实现的检测效率高于传统的系统。

3 结 语

基于RFID设计的电力计量系统，突出了电网短路故障电压与正常电压的差值，使检测结果更为准确，完善了电力计量系统的监测功能。在实际应用过程中，可以与三相智能电表相配置，从而拓展该设计系统的适用范围。