淺談基于RFID技術(shù)的斷路器無(wú)線無(wú)源在線測(cè)溫系統(tǒng)的研究與應(yīng)用
瀏覽次數(shù)：1439更新時(shí)間：2021-04-20
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(shí)，常引起溫度過高，在未得到及時(shí)處理的情況下將導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)等惡性事故，從而造成重大經(jīng)濟(jì)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(wú)線無(wú)源在線測(cè)溫系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，對(duì)電氣設(shè)備易出現(xiàn)溫升故障部位的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤監(jiān)測(cè)，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(xué)調(diào)度提供重要的決策依據(jù)。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能與應(yīng)用，并對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行了討論。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在華東某供電公司投入應(yīng)用，運(yùn)行情況良好，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)用性和可推廣性。
關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備；RFID；無(wú)線無(wú)源測(cè)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(duì)用電的安全性、可靠性要求也越來越高。溫度對(duì)于電力系統(tǒng)而言是一個(gè)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(zhǎng)期運(yùn)行中可能出現(xiàn)老化，表面氧化、腐蝕，緊固螺栓松動(dòng)等問題，加上電力設(shè)備長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行，容易引起溫度異常。如不及時(shí)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(shí)保證電力生產(chǎn)工作安全有序進(jìn)行，對(duì)于電力設(shè)備及電力電纜的實(shí)時(shí)監(jiān)控很重要。
針對(duì)電力設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)，目前大都采用傳統(tǒng)的示法、紅外測(cè)溫法、光纖光柵測(cè)溫、電子元件測(cè)溫、聲表面波測(cè)溫的方式，但都存在許多現(xiàn)實(shí)的問題，如需要人工測(cè)量、傳感器有源有線、信號(hào)傳輸不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前電力生產(chǎn)高效以及電力運(yùn)行安全性、可靠性的要求，迫切地需要尋找在線監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)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(duì)基于RFID技術(shù)的無(wú)線無(wú)源在線測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了研究。系統(tǒng)采用無(wú)源RFID技術(shù)，結(jié)合4G移動(dòng)傳輸技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)等，通過對(duì)開關(guān)柜設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如動(dòng)靜觸頭)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行安全預(yù)警，為運(yùn)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(wú)線無(wú)源在線測(cè)溫系統(tǒng)是通過無(wú)源傳感技術(shù)，RFID技術(shù)，結(jié)合低功耗技術(shù)，無(wú)線供電傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、4G移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，構(gòu)建了一個(gè)功能完善、信息通訊安全、伸縮擴(kuò)展靈活的在線測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
(1)硬件組成：RFID無(wú)線無(wú)源測(cè)溫標(biāo)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(cè)溫軟件平臺(tái)、云服務(wù)程序。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)
(1)設(shè)計(jì)出一種無(wú)線無(wú)源溫度傳感器，將RFID通信與測(cè)溫設(shè)計(jì)，無(wú)需外掛測(cè)溫組件，具備專有的ID，超低功耗成就遠(yuǎn)距讀取。結(jié)合低功耗技術(shù)、無(wú)線供電傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了免電池、免CT、數(shù)字測(cè)量、數(shù)字傳輸?shù)臒o(wú)源無(wú)線測(cè)溫。排除了電池隱患，也解決了聲表面波(SAW)測(cè)溫易受干擾，易錯(cuò)讀的弱點(diǎn)。
(2)無(wú)源無(wú)線測(cè)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(shí)也傳送測(cè)溫命令。傳感器在激活后啟動(dòng)測(cè)溫電路，并將測(cè)溫結(jié)果發(fā)送給收集器，整個(gè)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(cuò)，通信穩(wěn)定可靠。見圖2所示。
圖2 無(wú)源無(wú)線測(cè)溫原理示意圖
(3)一個(gè)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(chǔ)了傳感器所附著對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，其內(nèi)部并沒有電池等能量供應(yīng)源，需要從閱讀器發(fā)射的電磁波中產(chǎn)生感應(yīng)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(hào)給標(biāo)簽，為標(biāo)簽提供能量來激活標(biāo)簽的芯片工作，并向標(biāo)簽發(fā)射命令信號(hào)。傳感器和閱讀器之間通過空中接口18000-6c 協(xié)議進(jìn)行載波的調(diào)制和解調(diào)來進(jìn)行通信。閱讀器對(duì)載波進(jìn)行解調(diào)解碼得到標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)源傳感器無(wú)線數(shù)據(jù)通信。如圖3所示。
圖3 無(wú)源傳感器無(wú)線數(shù)據(jù)通信示意圖
(4)技術(shù)勢(shì)對(duì)比表，見表1。
表1 技術(shù)勢(shì)對(duì)比表
4 在電力開關(guān)柜中的應(yīng)用
(1)將 RFID 通信與測(cè)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(wú)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(jìn)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(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)介紹與選型
安科瑞無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前無(wú)線測(cè)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(dāng)前國(guó)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(yàn)，采用面向?qū)ο蟮姆謱臃植际皆O(shè)計(jì)思想，結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)而設(shè)計(jì)的一款無(wú)線測(cè)溫軟件。
5.1 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)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(jìn)行通信(如圖5)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)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(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙設(shè)、事件報(bào)警、曲線、棒圖、報(bào)表和用戶管理功能。可以監(jiān)控?zé)o線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警響應(yīng)，預(yù)防嚴(yán)重故障發(fā)生。
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)是開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件兼容性強(qiáng)，軟件移植性好，應(yīng)用功能豐富。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的處理能力，快速的事件響應(yīng)，友好的人機(jī)界面，方便的擴(kuò)充手段。其軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)軟件工程的設(shè)計(jì)規(guī)范,模塊劃分合理，接口簡(jiǎn)捷明了，主要包括主控模塊、人機(jī)界面、圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、通信管理等幾大模塊。
圖5 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
5.2 Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)功能
■實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控軟件人機(jī)界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)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(yùn)行報(bào)表
查詢各回路設(shè)備運(yùn)行溫度報(bào)表.
■實(shí)時(shí)報(bào)警
壁掛式無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備具有實(shí)時(shí)報(bào)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(bào)驚窗口.
b.實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警功能，能夠?qū)λ惺录l(fā)出語(yǔ)音告警.
C.短信吿警
■歷史告警査詢
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ袇叹录涗涍M(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)和告警等事件進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
■用戶權(quán)限管理
Acrel-2000T無(wú)線測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(kù)修改等)。可以定義不同級(jí)別用戶的 登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、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(yè)面顯示變電站數(shù)量、變壓器數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(yè)顯示場(chǎng)站的變壓器數(shù)量、回路個(gè)數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線可監(jiān)測(cè)各個(gè)回路的測(cè)點(diǎn)溫度、電壓、電流、功率曲線信息。
接線圖頁(yè)面通過一次圖實(shí)時(shí)反映電氣參數(shù)變化，包括測(cè)量量、信號(hào)量等信息(信號(hào)量 需要斷路器提供輔助觸點(diǎn)支持)。
能耗統(tǒng)計(jì)頁(yè)面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢(shì)曲線，電能環(huán)比，用電排名。
運(yùn)維管理\通信狀態(tài)顯示監(jiān)測(cè)接入系統(tǒng)設(shè)備的通信狀態(tài)。
■手機(jī)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(wú)線測(cè)溫終端產(chǎn)品選型
安科瑞電氣接點(diǎn)無(wú)線測(cè)溫方案由無(wú)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(dòng)觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發(fā)熱接點(diǎn)，將測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過無(wú)線射頻技術(shù)傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測(cè)溫終端或無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)(如圖6)。
圖6 電氣接點(diǎn)在線測(cè)溫結(jié)構(gòu)圖
5.3.1 安科瑞無(wú)線溫度傳感器
無(wú)線溫度傳感器共有5種，分別對(duì)應(yīng)螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對(duì)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(hào) | 參數(shù)說明 |
| 電池型無(wú)線測(cè)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(zhǎng)*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(zhǎng)*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(zhǎng)*寬*高)。 |
| CT取電型無(wú)線測(cè)溫傳感器 | ATE300 | CT感應(yīng)取電，啟動(dòng)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(zhǎng)*寬*高)。 |
| ATE400 | CT感應(yīng)取電，啟動(dòng)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(zhǎng)*寬*高)。 |
5.3.2 安科瑞無(wú)線收發(fā)器
無(wú)線測(cè)溫收發(fā)器共有3種，通過無(wú)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(hào)進(jìn)行匹配，同時(shí)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(hào) | 參數(shù)說明 |
| 無(wú)線收發(fā)器 | ATC200 | 可接收12個(gè)ATE100/200 |
| ATC400 | 可接收240個(gè)ATE300/ATE300B |
| ATC450-C | 可接收240個(gè)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(chǎng)及時(shí)查看電氣節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度的同時(shí)，也可以通過RS485或以太網(wǎng)通訊的方式在后臺(tái)系統(tǒng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況。
| 物料名稱 | 型號(hào) | 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(gè)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(gè)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(gè)ATC200/1個(gè)ATC400/1個(gè)ATC450-C。 |
| 無(wú)線測(cè)溫集中集中采集設(shè)備 | Acrel-2000T/A | 壁掛式安裝 標(biāo)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(wú)線測(cè)溫監(jiān)控設(shè)備 | Acrel-2000T/B | | | ; |
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