論開關(guān)柜內(nèi)電磁環(huán)境對(duì)超高頻RFID讀寫器的影響

蘇寧雁　童永強(qiáng)　邵率　戴學(xué)琰　錢偉尼

[摘要]：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于RFID的射頻識(shí)別技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。為確保長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地測(cè)量開關(guān)柜內(nèi)各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的溫度，必須考慮開關(guān)柜內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)超高頻RFID讀寫器的影響

[關(guān)鍵詞]：超高頻 RFID讀寫器 開關(guān)柜 電磁環(huán)境

一、引言

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)的重要組成部分，運(yùn)行中的電氣設(shè)備通常工作在高電壓和大電流狀態(tài)，設(shè)備中存在的某些缺陷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備部件的溫度異常升高。為了有效地監(jiān)測(cè)開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其內(nèi)部的溫度尤為重要。傳統(tǒng)的PT測(cè)溫方式暴露出了很多的缺陷，新型的RFID測(cè)溫方式開始逐步引入到開關(guān)柜的測(cè)溫中。開關(guān)柜的抗電磁干擾效果或多或少會(huì)影響RFID系統(tǒng)中讀寫器的正常生產(chǎn)運(yùn)行，因此對(duì)讀寫器進(jìn)行抗電磁干擾分析具有積極的意義。通常來說，開關(guān)柜內(nèi)讀寫器的抗電磁干擾研究包括3個(gè)方面，即干擾源、傳輸介質(zhì)、接收單元，有效解決這三個(gè)方面的問題，將左右開關(guān)柜內(nèi)電磁環(huán)境對(duì)超高頻RFID讀寫器的影響。

在基于RFID的無源無線測(cè)溫系統(tǒng)中，無源電子標(biāo)簽依靠天線接收閱讀器發(fā)射的能量。當(dāng)標(biāo)簽處在閱讀器的電磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，通過電磁場(chǎng)空間耦合，標(biāo)簽從電磁場(chǎng)中獲得能量，再用整流的方法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?，通過大電容對(duì)直流電源進(jìn)行儲(chǔ)能，在電壓累計(jì)達(dá)到啟動(dòng)電壓時(shí)，激活測(cè)溫系統(tǒng)電路，發(fā)射測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。溫度傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成溫度的傳感及量化。RFID 返回?cái)?shù)據(jù)的方式是通過控制天線接口的阻抗，由阻抗變化改變天線的反射系數(shù)，從而對(duì)載波信號(hào)完成調(diào)制。集成溫度傳感器的RFID 電子標(biāo)簽。主要由射頻前端接收電路、數(shù)字邏輯控制部分、溫度傳感及量化、存儲(chǔ)器4部分組成。

變電站端的結(jié)構(gòu)主要由多個(gè)?RFID 溫度傳感器、多個(gè)無線基站和一臺(tái)數(shù)據(jù)集中器構(gòu)成。傳感器安裝在變電站內(nèi)的各設(shè)備的需要測(cè)量點(diǎn)溫度節(jié)點(diǎn)上，通過?RFID 電子標(biāo)簽將溫度信號(hào)和其標(biāo)識(shí)信號(hào)發(fā)出，由無線基站進(jìn)行接收。在變電站內(nèi)，由于受?RFID 功耗的限制，RFID 的無線傳輸距離較短。無線基站采取覆蓋式安裝，確保安裝在變電站內(nèi)各個(gè)角落內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)都能被覆蓋讀取到，保證數(shù)據(jù)源的完整性。無線基站與?RFID 傳感器的關(guān)系是多對(duì)多關(guān)系，即 RFID 標(biāo)簽采取的是廣播發(fā)送，可由多個(gè)無線基站同時(shí)進(jìn)行接收。無線基站不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，只負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集中器通過網(wǎng)絡(luò)（UDP）或者 RS485 逐個(gè)輪詢無線基站，將其讀取到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總到數(shù)據(jù)集中器內(nèi)，然后數(shù)據(jù)集中器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、過濾、分類、匯總、處理后上傳到前置機(jī)服務(wù)器。

數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)顯示站端的當(dāng)前設(shè)備和測(cè)量點(diǎn)的情況，站點(diǎn)負(fù)責(zé)人可通過顯示界面快速讀取本站的設(shè)備的各測(cè)量點(diǎn)的溫度情況。

RFID 溫度傳感器直接貼合在被測(cè)點(diǎn)表面，安裝方便，測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)直接反映測(cè)點(diǎn)的實(shí)際溫度變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)可靠?；?RFID 溫度傳感器的開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用“無源、

無線”超高頻射頻測(cè)溫技術(shù)，避免了“有源、有線”監(jiān)測(cè)方式帶來的二次安全隱患，將溫度傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為?IEC 61850格式上傳至主站系統(tǒng)展示、報(bào)警，提高了巡檢的工作效率，實(shí)現(xiàn)變電力系統(tǒng)智能化監(jiān)管理。

二、開關(guān)柜內(nèi)電磁干擾現(xiàn)狀

2.1、開關(guān)柜電磁干擾途徑

2.1.1、電導(dǎo)耦合

電磁干擾源與接受單元的直接耦合被稱為電導(dǎo)耦合，這種耦合方式至少產(chǎn)生2個(gè)相互耦合的電路，電路中導(dǎo)線的阻抗包括電阻、感抗與容抗。在進(jìn)行中壓柜調(diào)試時(shí)，電磁干擾源與接收單元之間回路產(chǎn)生的干擾電流為：

2.1.2、電容耦合

在電場(chǎng)作用下，相鄰電路之間會(huì)產(chǎn)生容性耦合，這主要是電路中的寄生電容引起的。在開關(guān)柜中，相鄰的兩個(gè)電路中的絕緣導(dǎo)線之間在電位差的作用下容易產(chǎn)生干擾電流，使這兩條電路形成了類似電容器模式，并且其所產(chǎn)生的耦合電容一方面會(huì)隨著兩個(gè)電路之間的距離增大而減小，另一方面耦合電容會(huì)隨著導(dǎo)線增長(zhǎng)而增大。經(jīng)過中壓開關(guān)柜調(diào)試，存在于這兩個(gè)電路之間的干擾電壓為：

2.1.3、電感耦合

電感性耦合又稱磁耦合，是由相鄰并行線路之間的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的，多發(fā)生在電纜、線束或電纜管道中的并行電路。相鄰并行電路中的一條線路如果電流發(fā)生變化，則會(huì)引起另一條線路的電磁波動(dòng)，使兩條線路中產(chǎn)生感性電壓，進(jìn)而造成干擾信號(hào)的產(chǎn)生。那么相鄰電力線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

2.1.4、混合耦合

在實(shí)際的中壓柜調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)備中電場(chǎng)耦合與磁場(chǎng)耦合通常是同時(shí)存在的，并且二者還會(huì)產(chǎn)生混合干擾，因此在實(shí)際中壓柜調(diào)試中，要特別注意混合耦合，在中壓柜調(diào)試中可先將電感性耦合與電容性耦合進(jìn)行分開分析，然后再分析其綜合干擾。

2.2、開關(guān)柜抗電磁干擾的主要技術(shù)

2.2.1、接地

接地是抗電磁干擾的一項(xiàng)重要方法，在接地線的選擇上，要充分考慮到高頻電路的趨膚效應(yīng)，因此在接地線選擇上，要選擇空心的扁平導(dǎo)線，即編制電纜。對(duì)中壓柜進(jìn)行調(diào)試，分別選擇4種接地方法，如下圖：

中壓柜調(diào)試結(jié)果顯示：a 接地對(duì)于低頻 50/60Hz 的信號(hào)傳輸較好，但不適用于高頻;b 接地使距離被縮短，效果不好;c 接地為編制扁平線，調(diào)試中獲得的接地效果最好;d 接地在兩端加裝金屬片，效果獲得提升。

2.2.2、屏蔽與隔離

屏蔽與隔離是抗電磁干擾的重要手段，其目的是隔斷干擾源與接收單元之間的干擾信號(hào)通道，使電磁場(chǎng)無法對(duì)電氣設(shè)備形成干擾。在中壓柜中存在大量不同功能的信號(hào)線，比如?I/O 信號(hào)線、通信線、CT/CV 信號(hào)線、電源線等，對(duì)這些線實(shí)施隔離與屏蔽措施能夠避免其相互干擾。中壓柜中線的屏蔽主要是小信號(hào)線，比如傳感器信號(hào)線等。在中壓柜調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，傳感器信號(hào)線采用單端接地的效果往往比雙端接地效果要好，經(jīng)調(diào)試分析知，單端接地可有效的屏蔽低頻信號(hào)，而雙端接地則可屏蔽低頻與高頻信號(hào)，但雙端接地需要使兩端接在統(tǒng)一點(diǎn)位，否則會(huì)產(chǎn)生電位差而形成環(huán)流，嚴(yán)重影響屏蔽效果。對(duì)于線的隔離，盡量使線距較遠(yuǎn)，走不通路徑，如有交叉，盡量采用十字交叉，這樣可最大限度的避免干擾。

2.2.3、濾波

在中壓開關(guān)柜的抗電磁干擾手段中，濾波器的使用是重要的方法之一。在進(jìn)行中壓柜調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，無論采用何種接地、屏蔽、隔離方法，總會(huì)有部分多余能量傳導(dǎo)如開關(guān)柜電氣設(shè)備中，形成電磁干擾，而在加裝?EMI 濾波器后，電磁干擾被極大的抑制，取得良好的效果。經(jīng)過中壓柜調(diào)試，復(fù)雜?EMI 濾波器網(wǎng)絡(luò)的 A參數(shù)矩陣可進(jìn)行分解，分解為多個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)形式，這樣便于計(jì)算與選擇。此外對(duì)于濾波技術(shù)的運(yùn)用還要準(zhǔn)確設(shè)定濾波器的特性參數(shù)，包括額定電壓、額定電流、漏電流、插入損耗。

2.2.4、其它技術(shù)

除了以上常用技術(shù)之外，在中壓柜調(diào)試中還發(fā)現(xiàn)，開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)、PCB 布線及屏蔽接地技術(shù)、共模干擾有源抑制技術(shù)等技術(shù)均能夠產(chǎn)生良好的抗電磁干擾效果，可根據(jù)開關(guān)柜調(diào)試的實(shí)際結(jié)果，或者實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)厥褂谩?/p>

三、電磁場(chǎng)對(duì)超高頻RFID讀寫器的影響

3.1、超高頻RFID讀寫器的工作原理

UHF頻段的RFID系統(tǒng)可分為射頻電路和基帶電路兩部分，射頻電路部分完成高頻信號(hào)的調(diào)制/解調(diào)、發(fā)射/接收，是標(biāo)簽和讀寫器之間的高頻接口?；鶐щ娐凡糠值闹饕δ芫褪强刂粕漕l系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的編解碼功能，同時(shí)也肩負(fù)著讀寫器與外部設(shè)備或者主機(jī)之間的應(yīng)用接口的任務(wù)。可以說基帶部分是讀寫器的核心控制平臺(tái)，支撐著整個(gè)系統(tǒng)的工作，是射頻部分的后盾。

如圖3-1所示，RFID讀寫器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中2部分之間的高頻接口是指模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，卡片解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過高速ADC芯片采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入DSP芯片進(jìn)行運(yùn)算解碼處理。系統(tǒng)通過DAC芯片產(chǎn)生模擬基帶信號(hào)送至射頻系統(tǒng)后進(jìn)行調(diào)制、放大，通過天線發(fā)送出去。射頻系統(tǒng)采用零中頻接收機(jī)方案，因此發(fā)射部分和接收部分可以共用載波頻率發(fā)生電路?；鶐到y(tǒng)和射頻系統(tǒng)相輔相成，協(xié)同合作才能實(shí)現(xiàn)RFID讀寫器的功能。

3.2、硬件抗干擾措施

從系統(tǒng)的電源、信號(hào)傳輸、印刷電路板（PCB）布局分區(qū)、布線等方面采取措施，提高系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。其中，電源通道是與外界主要的有線連接途徑，是裝置實(shí)際運(yùn)行中干擾進(jìn)入的主要渠道，因此電源系統(tǒng)的抗干擾措施是整套系統(tǒng)抗干擾的重點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，要采用可以通過電力系統(tǒng)4級(jí)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源，輸入端加電源濾波器模塊，電源方案采用獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，傳感器電源和監(jiān)測(cè)單元的電源需要2塊獨(dú)立的開關(guān)電源提供，可有效隔離電源間彼此的傳導(dǎo)干擾，電源的抗干擾措施主要包括：

①、供給傳感器工作的±12 V 電源采用電源解耦電路，有效抑制共模差模干擾。

②、電源與大地之間并接瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），構(gòu)成干擾與大地的回路。

③、選擇小容值的旁路電容和去耦電容（0.01 μF）。

④、在電源線的輸入口處串入磁珠，消除存在于傳輸線中的RF噪聲。

⑤、電源引出排線套加高性能磁環(huán)，吸收干擾。

信號(hào)的電磁抗干擾主要從電路原理設(shè)計(jì)采取措施，包括以下4個(gè)方面。

①、濾波。模擬信號(hào)采用有源濾波電路（如4階Butterworth濾波器）或簡(jiǎn)單的RC濾波器 ，開關(guān)量輸入輸出信號(hào)與信號(hào)地之間接一個(gè)20 pF～10 nF的高頻瓷片電容，給高頻噪聲提供一個(gè)低阻抗的回路來消除其干擾。

②、電氣隔離。信號(hào)的采集均是通過電氣隔離手段完成的，如溫度通過光纖傳輸，泄漏電流采用引流環(huán)和電流互感器配合使用采集，分合閘電流采用霍爾電流傳感器采集等;數(shù)字信號(hào)（如開關(guān)量輸入輸出、中斷信號(hào)等）隔離，通過光耦 TLP 521 實(shí)現(xiàn);485通訊信號(hào)的隔離使用高速光耦6N137隔離;模擬信號(hào)的隔離傳輸，通過隔離運(yùn)算放大器ISO 124實(shí)現(xiàn)，并在信號(hào)調(diào)理板的PCB上刻槽形成隔離帶，可以起到隔離地線的作用。

③、屏蔽。各類機(jī)箱采用全金屬外殼屏蔽，使用時(shí)外殼接地;鑲嵌在裝置前面板上的液晶模塊，出廠時(shí)四周已經(jīng)有金屬屏蔽框罩住，為了增強(qiáng)其可靠性，液晶模塊也從后面加以屏蔽;?機(jī)箱內(nèi)開關(guān)電源雖然已經(jīng)屏蔽，安全起見，和其他?PCB 板之間加一層鋼板屏蔽。

④、接地。裝置安全良好接地;開關(guān)電源外殼均接地;液晶為了穩(wěn)定工作，防止靜電積累，金屬邊框或屏蔽罩接地。

3.3、軟件抗干擾措施

軟件抗干擾的本質(zhì)是在有干擾存在的情況下利用編程技術(shù)來抵消其影響，同時(shí)還必須保證系統(tǒng)程序連續(xù)正確穩(wěn)定地運(yùn)行。?在軟件設(shè)計(jì)中，可采取以下抗干擾措施：

①、對(duì)采集的泄漏電流、觸頭位移、分合閘線圈電流等數(shù)據(jù)去毛刺處理。

②、設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

③、采用看門狗也是一種很好的抗干擾措施。?軟件看門狗是在硬件看門狗定時(shí)器的基礎(chǔ)上，采用的一種軟件容錯(cuò)技術(shù)。?由于程序在運(yùn)行的時(shí)候有可能出現(xiàn)跑飛的現(xiàn)象，它能使系統(tǒng)程序在跑飛之后自動(dòng)復(fù)位并開始運(yùn)行。

射頻識(shí)別系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在軟件結(jié)構(gòu)上，可以分成2部分：主程序、中斷程序。主程序的主要任務(wù)是不斷進(jìn)行系統(tǒng)自檢，和等待上位機(jī)發(fā)送信息包，若收到正確的數(shù)據(jù)包，則進(jìn)行相應(yīng)的處理，一般為啟動(dòng)RFID操作標(biāo)簽流程。若沒有接收到有效的命令，則繼續(xù)循環(huán)等待。RFID系統(tǒng)一般為一個(gè)多中斷的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，本文按照RS232/485，USB，網(wǎng)絡(luò)接口的順序中斷優(yōu)先級(jí)由高到低，處理上位機(jī)發(fā)送過來的指令。

上圖所示為RFID讀寫器程序模塊結(jié)構(gòu)。射頻識(shí)別系統(tǒng)對(duì)上下行編碼信號(hào)的同步性和精確度要求相當(dāng)苛刻，尤其對(duì)上行信號(hào)而言，若占空比漂移超過了目標(biāo)電子標(biāo)簽所容忍的限度，一則會(huì)使電子標(biāo)簽無法識(shí)別上行信號(hào)所包含的信息，二則會(huì)對(duì)下行信號(hào)的準(zhǔn)確性帶來隱患。因此對(duì)上行卡片信號(hào)的底層軟件設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

四、結(jié)論

在通常情況下，開關(guān)柜內(nèi)的電磁環(huán)境對(duì)超高頻RFID讀寫器的正常工作確實(shí)存在一定影響，不過通過采用本文介紹的相關(guān)措施，完全可以將其干擾降低到可忽略的程度，采取合理的優(yōu)化方案，完全可以確保超高頻RFID讀寫器在開關(guān)柜內(nèi)電磁環(huán)境下正常工作。

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