引言

　　電網(wǎng)每年因自然災(zāi)害和輸變電設(shè)備自身故障遭受巨大損失[1] ， 因此， 建立輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。傳統(tǒng)輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大都采用有線(xiàn)通信方式[2] ， 會(huì)造成布線(xiàn)復(fù)雜、成本高昂。文獻(xiàn)[3] 采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) ( wireless sensor networks， WSNs) 技術(shù)對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)， 解決了有線(xiàn)通信方式的弊端。但 WSNs 技術(shù)無(wú)法對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行精確定位， 然而射頻識(shí)別( radio frequency identification， RFID) 技術(shù)在目標(biāo)對(duì)象定位方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[4] 。

　　目前多數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的功能較為單一， 難以滿(mǎn)足輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多功能、多參數(shù)的集中監(jiān)測(cè)和故障診斷的需求[5] 。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)體系為解決狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的弊端， 提出了智能電子裝置 ( intelligent electronic device， IED) 的概念和標(biāo)準(zhǔn)[6] ， IED 可以在線(xiàn)監(jiān)測(cè)輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

　　基于 WSNs 技術(shù)與 RFID 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)， 本文提出一種輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)， 并設(shè)計(jì)了一種融合傳感器與RFID 標(biāo)簽的狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED， 通過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)完成對(duì) IED 天線(xiàn)性能、電流功耗與靈敏度的測(cè)試。

　　輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于物聯(lián)網(wǎng)( IoT) 技術(shù)的輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示， 由信息感知層、數(shù)據(jù)通信層、信息融合層和智能應(yīng)用層構(gòu)成。

　　信息感知層主要感知輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息; 數(shù)據(jù)通信層為輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道;信息融合層是以輸變電設(shè)備全景信息集成平臺(tái)為信息處理中心， 包含物聯(lián)網(wǎng)中間件，負(fù)責(zé)處理輸變電設(shè)備的 EPC 編碼; 智能應(yīng)用層以全壽命周期管理系統(tǒng)為中心， 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警。

　　狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED 的設(shè)計(jì)

　　2. 1 狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED 的結(jié)構(gòu)

　　狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED 由超低功耗的微處理器( microprocessor，MCU) 、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和一種新型有源 RFID 芯片等構(gòu)成， IED 的結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

　　MCU 是連接各個(gè)模塊的中央處理器， 控制整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED 的運(yùn)行。溫度、電流、電壓傳感器負(fù)責(zé)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境信息。為了增強(qiáng) MCU 的存儲(chǔ)能力，256 kB 電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器( electrically erasable programmable read-only memory， EEPROM ) 通 過(guò) I2C總 線(xiàn) 與MCU 連接。

　　2. 2 狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED 的實(shí)現(xiàn)

　　通過(guò)印刷技術(shù)， 介質(zhì)基板采用 FR4 介質(zhì)， 利用現(xiàn)有的低成本器件， 完成了狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED 的制作， 如圖 3 所示。

　　IED 的天線(xiàn)尺寸為 7. 5 cm × 1. 7 cm， 滿(mǎn)足了天線(xiàn)小型化的要求[7] 。MCU 融合溫度、電流、電壓傳感器的數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RFID 芯片的用戶(hù)存儲(chǔ)器中， 芯片存儲(chǔ)器的 EPC區(qū)存儲(chǔ)輸變電設(shè)備編碼、資產(chǎn)信息等。

　　溫度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器工作電壓均是5 V， 采用 TRACO 公司的 5 V 電源模塊 TMR 2—2411WI 供電。通過(guò) 3 V 電壓轉(zhuǎn)換芯片 ASMS117—3. 0， 將 5 V 電源電壓轉(zhuǎn)換為 3 V 電壓為 MCU 供電， 結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

　　IED 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3. 1 天線(xiàn)測(cè)試

　　測(cè)試環(huán)境在暗箱中， 利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)試標(biāo)簽性能。通過(guò)電磁學(xué)仿真軟件 HFSS 13， 按照天線(xiàn)的尺寸進(jìn)行建模仿真分析。天線(xiàn)的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖 4 和圖 5 所示。

　　如圖 4 所示為天線(xiàn)回波損耗的仿真與測(cè)試結(jié)果， 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果十分接近: 測(cè)試結(jié)果表明天線(xiàn)中心頻率為868. 3 MHz， S11 最小約為 - 11. 3 dB; 仿真結(jié)果表明: 天線(xiàn)中心頻率為 865. 8 MHz， S11 最小約為 - 13. 1 dB。RFID 天線(xiàn)的阻抗是否與標(biāo)簽芯片的阻抗相匹配， 決定了標(biāo)簽天線(xiàn)的供電效率和靈敏度， 將天線(xiàn)的輸入阻抗設(shè)計(jì)為標(biāo)簽芯片阻抗的共軛， 來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的最大化傳遞。圖 5( a) ，( b) 分別為天線(xiàn)輸入阻抗實(shí)部和虛部的仿真與測(cè)試結(jié)果， 實(shí)部的測(cè)試結(jié)果稍高于仿真結(jié)果， 而虛部的測(cè)試結(jié)果略低于仿真結(jié)果: 在865. 8 MHz 處， 仿真結(jié)果為 21 + j180Ω， 測(cè)試結(jié)果為 23 +j168Ω。造成仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的偏差， 主要是因?yàn)樘炀€(xiàn)基材損耗、歐姆損耗， 以及人工實(shí)驗(yàn)測(cè)試的誤差[8] 。

　　3. 2 電流功耗測(cè)試

　　在輸變電設(shè)備附近部署狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED， 用于監(jiān)測(cè)輸變電設(shè)備溫度、電流和電壓的變化， 主 IED 中加入了閱讀器模塊讀取其工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息。將供給 IED 的直流電壓固定在 3 V 時(shí)， 通 過(guò) 泰 克 數(shù) 字 示 波 器 TDS1012C—SC 檢 測(cè)1 kΩ分流電阻器的電壓降， 利用歐姆定律獲得直流電流值。

　　3. 3 靈敏度測(cè)試

　　IED 與其他融合傳感器與標(biāo)簽設(shè)備的各項(xiàng)性能如表 1所示。由表 1 可得， 本文設(shè)計(jì)的 IED 的讀寫(xiě)范圍最大。文獻(xiàn)[10] 中的設(shè)備最接近 IED 的讀寫(xiě)距離， 然而其電流功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 IED 的電流功耗。另外， SL900A 與 IED 的電流功耗相近， 但其讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 IED 讀寫(xiě)距離。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)已成為未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向， 本文提出一種分層分布式的輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 并設(shè)計(jì)一種融合傳感器與 RFID 標(biāo)簽的狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED。IED 與其他融合傳感器與 RFID 標(biāo)簽的設(shè)備相比， 在實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)范圍最大的同時(shí)保持電流功耗相對(duì)較低。因此， 將狀態(tài)監(jiān)測(cè) IED應(yīng)用于輸變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 具有很大的應(yīng)用前景。