基于RFID電力標(biāo)簽的電力工器具抗電磁干擾性能研究

摘要：射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種利用無線電波進(jìn)行識(shí)別和跟蹤的技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于各種物品和設(shè)備的標(biāo)簽中，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理和信息追蹤。本文深入探討了提高RFID電力標(biāo)簽抗電磁干擾性能的設(shè)計(jì)方法，包括合理選擇材料、優(yōu)化天線設(shè)計(jì)及采用先進(jìn)的信號(hào)調(diào)制技術(shù)等策略。通過技術(shù)措施，顯著提升RFID標(biāo)簽在電力工器具應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性，以適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境并保證電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：RFID技術(shù)；電力標(biāo)簽；電力工器具；信號(hào)調(diào)制

Study on Anti-Electromagnetic Interference Performance of Power Instruments Based on RFID Power Tags

CHEN Gang MA Gui， XU Tao，

Xiangjiaba Power Plant， China Yangtze Power Co.， Ltd.， Yibin， Sichuan Province， 644612 China

Abstract： Radio Frequency Identification （RFID） technology is a technology that utilizes radio waves for identification and tracking. It is widely used in the labeling of various items and devices to achieve automated management and information tracking. This article delves into design methods to improve the electromagnetic interference resistance of RFID power tags， including reasonable material selection， optimized antenna design， and the adoption of advanced signal modulation technology. Through technical mea/s8pgUTHHfYERSOdtdZMCiRDM1MdjqVKdDf1JZLGrRw=sures， the stability and reliability of RFID tags in the application of power tools have been significantly improved to adapt to complex electromagnetic environments and ensure efficient operation of the power system.

Key Words： RFID technology; Power tags; Power tools; Signal modulation

隨著技術(shù)的進(jìn)步，射頻識(shí)別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力工器具的跟蹤與管理中，以實(shí)現(xiàn)高效、自動(dòng)化的資產(chǎn)管理。然而，電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境充斥著各類電磁干擾，如開關(guān)電流的突變、雷電沖擊及高壓傳輸線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，這些干擾對(duì)RFID系統(tǒng)的正常運(yùn)行構(gòu)成了顯著的威脅。因此，研究電力工器具上RFID標(biāo)簽的抗電磁干擾性能不僅是提升電力設(shè)備管理精確度與可靠性的需求，更是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 RFID電力標(biāo)簽的抗電磁干擾設(shè)計(jì)

1.1材料選擇

在進(jìn)行射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）電力標(biāo)簽的抗電磁干擾設(shè)計(jì)中，材料選擇是關(guān)鍵因素，直接影響到標(biāo)簽的性能及其在高電磁干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性。電力工器具在運(yùn)行過程中，尤其是在變電站、輸電線路等關(guān)鍵區(qū)域，面臨來自雷電沖擊、開關(guān)操作等引發(fā)的電磁干擾，干擾對(duì)RFID標(biāo)簽的正常工作構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，選擇合適的材料以增強(qiáng)RFID標(biāo)簽的抗干擾能力、確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電力資產(chǎn)的有效管理成為設(shè)計(jì)中的重要考慮。

為了優(yōu)化RFID電力標(biāo)簽的抗電磁干擾性能，采用具有高電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）特性的材料，這類材料能夠有效降低電磁干擾對(duì)RFID標(biāo)簽的影響，提高其在復(fù)雜電磁環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。在選擇材料時(shí)，不僅需要考慮其電磁兼容性能，還需評(píng)估其物理性能、成本效益及環(huán)境適應(yīng)性等因素。

考慮到RFID標(biāo)簽的工作原理，其電磁響應(yīng)通過等效電路模型來描述，其中，材料的電磁參數(shù)（如相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)電率）是關(guān)鍵因素。標(biāo)簽的等效電路模型通常包括電感和并聯(lián)的電容，其共振頻率由下式給出：

其中，和的值受標(biāo)簽材料屬性的影響。為了實(shí)現(xiàn)特定的工作頻率，并優(yōu)化標(biāo)簽的讀取性能，選擇適當(dāng)?shù)牟牧鲜侵陵P(guān)重要的。

進(jìn)一步地，考慮到電磁干擾（EMI）的影響時(shí)，標(biāo)簽的抗干擾性能通過其表面電磁波吸收率（A）來衡量，該吸收率與材料的電磁參數(shù)密切相關(guān)，可由下式表示：

其中，是角頻率，是真空的電容率。通過選擇具有較高電磁波吸收率的材料，可有效提高RFID標(biāo)簽對(duì)電磁干擾的抵抗力。

為了進(jìn)一步優(yōu)化RFID標(biāo)簽在電力工器具應(yīng)用中的性能，引入一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法是必要的。這種算法基于標(biāo)簽的返回信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication， RSSI）值變化來評(píng)估電磁環(huán)境的影響，并調(diào)整標(biāo)簽的工作參數(shù)，以保持最佳性能。該算法用以下步驟表示：

測(cè)量初始RSSI值：RSSI_0。

在電磁干擾環(huán)境下測(cè)量RSSI值：RSSI_1。

計(jì)算RSSI變化量：ΔRSSI = RSSI_1 - RSSI_0。

根據(jù)ΔRSSI調(diào)整標(biāo)簽參數(shù)（如頻率、功率）以優(yōu)化性能。

此算法的核心在于實(shí)時(shí)監(jiān)控RSSI值的變化，并據(jù)此調(diào)整標(biāo)簽的工作狀態(tài)，以適應(yīng)電磁環(huán)境的變化、確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性[1]。

1.2天線設(shè)計(jì)

天線設(shè)計(jì)作為確保RFID電力標(biāo)簽在高電磁干擾環(huán)境下穩(wěn)定工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)過程不僅需要考慮電磁干擾的影響，還要確保天線能夠有效接收和發(fā)送信號(hào)[4]。針對(duì)天線設(shè)計(jì)，引入了一種基于最小二乘法的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法，以優(yōu)化天線的性能并確保其在電磁干擾環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

考慮到天線的工作頻率、電磁波的傳播速度及天線的長(zhǎng)度之間的關(guān)系，通過以下公式描述天線的基本工作條件：

在實(shí)際應(yīng)用中，通常接近光速，即≈3×108m/s，因此，對(duì)于給定的工作頻率，天線的理想長(zhǎng)度據(jù)此計(jì)算。然而，在高電磁干擾環(huán)境下，天線的有效接收能力會(huì)受到干擾的影響，導(dǎo)致接收信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量下降。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整天線的性能，引入了最小二乘法算法，通過優(yōu)化天線設(shè)計(jì)參數(shù)以最小化接收信號(hào)與理想信號(hào)之間的差異。

假設(shè)接收到的信號(hào)強(qiáng)度為，理想信號(hào)強(qiáng)度為，則定義損失函數(shù)來衡量?jī)烧咧g的差異：

最小二乘法的目標(biāo)是通過調(diào)整天線設(shè)計(jì)參數(shù)，如天線長(zhǎng)度、形狀或者材料屬性等，使得損失函數(shù)的值最小。通過求解損失函數(shù)對(duì)各設(shè)計(jì)參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零，得到一組優(yōu)化后的天線設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于天線長(zhǎng)度，其優(yōu)化條件表示為：

通過這種方法，動(dòng)態(tài)調(diào)整天線的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)電磁干擾環(huán)境下的變化，保證RFID電力標(biāo)簽的穩(wěn)定工作。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法不僅能夠優(yōu)化天線的長(zhǎng)度，還能根據(jù)電磁環(huán)境的實(shí)時(shí)變化調(diào)整其他設(shè)計(jì)參數(shù)，如天線的形狀和放置角度等，進(jìn)一步提高天線的抗干擾能力和信號(hào)傳輸效率。通過持續(xù)監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境并實(shí)時(shí)調(diào)整天線設(shè)計(jì)，顯著提升RFID電力標(biāo)簽在復(fù)雜電磁環(huán)境中的性能，確保電力工器具的有效管理和監(jiān)控[3]。

1.3信號(hào)調(diào)制技術(shù)

信號(hào)調(diào)制技術(shù)是提高RFID系統(tǒng)在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下性能的關(guān)鍵。特別是在電力系統(tǒng)中，RFID電力標(biāo)簽應(yīng)能夠在高電磁xlEedKmKIQvQog0t5jd7Nz2I3x+xNGlB9vLxrZbEB48=干擾的環(huán)境下穩(wěn)定工作，以確保電力工器具的有效監(jiān)控和管理。為此，要采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)制技術(shù)以顯著提高信號(hào)的抗干擾能力和系統(tǒng)的通信效率[4]。

卡爾曼濾波是一種有效的線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)估計(jì)方法，其通過對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的連續(xù)預(yù)測(cè)和更新來優(yōu)化系統(tǒng)性能。在信號(hào)調(diào)制中，將卡爾曼濾波算法應(yīng)用于動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)制參數(shù)，如調(diào)制深度和頻率，以適應(yīng)電磁環(huán)境的變化?？紤]到RFID系統(tǒng)中信號(hào)的調(diào)制過程表述為線性系統(tǒng)，其狀態(tài)方程和觀測(cè)方程分別為：

其中：表示在第時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)（包括信號(hào)的調(diào)制參數(shù)）；和分別是系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和控制輸入矩陣，是控制輸入（即環(huán)境因素的變化）；是過程噪聲；是在第時(shí)刻的觀測(cè)值；是觀測(cè)矩陣；是觀測(cè)噪聲。

基于卡爾曼濾波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)制策略的關(guān)鍵在于通過實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)值以適應(yīng)環(huán)境的變化。這個(gè)過程包括兩個(gè)主要步驟：預(yù)測(cè)和更新。在預(yù)測(cè)步驟中，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和控制輸入預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的狀態(tài)：

然后，在更新步驟中，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的觀測(cè)值調(diào)整狀態(tài)的估計(jì)值：

其中，是卡爾曼增益，用于權(quán)衡預(yù)測(cè)和觀測(cè)值之間的差異，通過以下公式計(jì)算：

在此，是預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差，是觀測(cè)噪聲協(xié)方差。

通過應(yīng)用卡爾曼濾波算法，實(shí)時(shí)調(diào)整RFID信號(hào)的調(diào)制參數(shù)，以最小化由電磁干擾引起的信號(hào)失真和傳輸錯(cuò)誤，這種方法不僅提高了RFID系統(tǒng)在電力工器具管理中的可靠性和效率，而且增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)制策略，RFID系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持穩(wěn)定的通信性能，從而確保電力工器具的有效監(jiān)控和管理，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的技術(shù)支撐[5]。

2.技術(shù)測(cè)試

數(shù)據(jù)集是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過設(shè)置不同級(jí)別的電磁干擾，由研究團(tuán)隊(duì)利用專業(yè)設(shè)備對(duì)RFID電力標(biāo)簽的響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度及誤碼率進(jìn)行的詳細(xì)的測(cè)試與記錄。數(shù)據(jù)的收集過程嚴(yán)格遵循實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，見表1。此次實(shí)驗(yàn)的目的在于驗(yàn)證卡爾曼濾波算法對(duì)RFID電力標(biāo)簽在抗電磁干擾性能上的優(yōu)化效果，因此，所選數(shù)據(jù)集是完全基于實(shí)際測(cè)量得到，未涉及任何網(wǎng)絡(luò)公開數(shù)據(jù)集或其他來源。

測(cè)試指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度和誤碼率三項(xiàng)。響應(yīng)時(shí)間是指RFID標(biāo)簽接收到讀寫器信號(hào)并成功回傳信息所需的時(shí)間長(zhǎng)度，反映了RFID系統(tǒng)的反應(yīng)速度；信號(hào)強(qiáng)度表示通信過程中信號(hào)的平均功率水平，與通信的可靠性和遠(yuǎn)程讀取能力直接相關(guān)；誤碼率則是衡量通信過程中信息準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo)，指在總傳輸數(shù)據(jù)中出錯(cuò)的比例。這三個(gè)指標(biāo)共同構(gòu)成了評(píng)估RFID電力標(biāo)簽在電磁干擾環(huán)境下性能的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，該文研究了RFID電力標(biāo)簽的抗電磁干擾性能，旨在通過系統(tǒng)化的分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證探索出一套針對(duì)電力系統(tǒng)在特定環(huán)境下的RFID標(biāo)簽的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，包括分析電力環(huán)境下的電磁干擾特性?；诖耍瑢?duì)RFID標(biāo)簽的天線進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其接收和傳輸信號(hào)的能力。同時(shí)，選用能夠抵御高電磁場(chǎng)影響的材料，以及采用高效的信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)其在電力工器具管理中的高效應(yīng)用。

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