苏宁雁　童永强　邵率　戴学琰　钱伟尼

[摘要]：随着物联网技术的发展，基于RFID的射频识别技术逐渐被广泛应用于开关柜温度监测系统中。为确保长期稳定、可靠地测量开关柜内各测量节点的温度，必须考虑开关柜内复杂的电磁环境对超高频RFID读写器的影响

[关键词]：超高频 RFID读写器 开关柜 电磁环境

一、引言

开关柜是电力系统的重要组成部分，运行中的电气设备通常工作在高电压和大电流状态，设备中存在的某些缺陷会导致设备部件的温度异常升高。为了有效地监测开关柜的运行状态，实时监测其内部的温度尤为重要。传统的PT测温方式暴露出了很多的缺陷，新型的RFID测温方式开始逐步引入到开关柜的测温中。开关柜的抗电磁干扰效果或多或少会影响RFID系统中读写器的正常生产运行，因此对读写器进行抗电磁干扰分析具有积极的意义。通常来说，开关柜内读写器的抗电磁干扰研究包括3个方面，即干扰源、传输介质、接收单元，有效解决这三个方面的问题，将左右开关柜内电磁环境对超高频RFID读写器的影响。

在基于RFID的无源无线测温系统中，无源电子标签依靠天线接收阅读器发射的能量。当标签处在阅读器的电磁场范围内时，通过电磁场空间耦合，标签从电磁场中获得能量，再用整流的方法将射频能量转变为直流电源，通过大电容对直流电源进行储能，在电压累计达到启动电压时，激活测温系统电路，发射测温数据。温度传感器及模数转换器完成温度的传感及量化。RFID 返回数据的方式是通过控制天线接口的阻抗，由阻抗变化改变天线的反射系数，从而对载波信号完成调制。集成温度传感器的RFID 电子标签。主要由射频前端接收电路、数字逻辑控制部分、温度传感及量化、存储器4部分组成。

变电站端的结构主要由多个 RFID 温度传感器、多个无线基站和一台数据集中器构成。传感器安装在变电站內的各设备的需要测量点温度节点上，通过 RFID 电子标签将温度信号和其标识信号发出，由无线基站进行接收。在变电站内，由于受 RFID 功耗的限制，RFID 的无线传输距离较短。无线基站采取覆盖式安装，确保安装在变电站内各个角落内的测量点的信号都能被覆盖读取到，保证数据源的完整性。无线基站与 RFID 传感器的关系是多对多关系，即 RFID 标签采取的是广播发送，可由多个无线基站同时进行接收。无线基站不对数据进行过滤，只负责收集数据。数据集中器通过网络（UDP）或者 RS485 逐个轮询无线基站，将其读取到的数据统一汇总到数据集中器内，然后数据集中器对采集到的数据进行解析、过滤、分类、汇总、处理后上传到前置机服务器。

数据集中器负责显示站端的当前设备和测量点的情况，站点负责人可通过显示界面快速读取本站的设备的各测量点的温度情况。

RFID 温度传感器直接贴合在被测点表面，安装方便，测得的温度数据直接反映测点的实际温度变化趋势，数据可靠。基于 RFID 温度传感器的开关柜温度监测系统使用“无源、

无线”超高频射频测温技术，避免了“有源、有线”监测方式带来的二次安全隐患，将温度传感数据转化为 IEC 61850格式上传至主站系统展示、报警，提高了巡检的工作效率，实现变电力系统智能化监管理。

二、开关柜内电磁干扰现状

2.1、开关柜电磁干扰途径

2.1.1、电导耦合

电磁干扰源与接受单元的直接耦合被称为电导耦合，这种耦合方式至少产生2个相互耦合的电路，电路中导线的阻抗包括电阻、感抗与容抗。在进行中压柜调试时，电磁干扰源与接收单元之间回路产生的干扰电流为：

2.1.2、电容耦合

在电场作用下，相邻电路之间会产生容性耦合，这主要是电路中的寄生电容引起的。在开关柜中，相邻的两个电路中的绝缘导线之间在电位差的作用下容易产生干扰电流，使这两条电路形成了类似电容器模式，并且其所产生的耦合电容一方面会随着两个电路之间的距离增大而减小，另一方面耦合电容会随着导线增长而增大。经过中压开关柜调试，存在于这两个电路之间的干扰电压为：

2.1.3、电感耦合

电感性耦合又称磁耦合，是由相邻并行线路之间的磁场作用产生的，多发生在电缆、线束或电缆管道中的并行电路。相邻并行电路中的一条线路如果电流发生变化，则会引起另一条线路的电磁波动，使两条线路中产生感性电压，进而造成干扰信号的产生。那么相邻电力线上产生的感应电压为：

2.1.4、混合耦合

在实际的中压柜调试过程中发现，电气设备中电场耦合与磁场耦合通常是同时存在的，并且二者还会产生混合干扰，因此在实际中压柜调试中，要特别注意混合耦合，在中压柜调试中可先将电感性耦合与电容性耦合进行分开分析，然后再分析其综合干扰。

2.2、开关柜抗电磁干扰的主要技术

2.2.1、接地

接地是抗电磁干扰的一项重要方法，在接地线的选择上，要充分考虑到高频电路的趋肤效应，因此在接地线选择上，要选择空心的扁平导线，即编制电缆。对中压柜进行调试，分别选择4种接地方法，如下图：

中压柜调试结果显示：a 接地对于低频 50/60Hz 的信号传输较好，但不适用于高频;b 接地使距离被缩短，效果不好;c 接地为编制扁平线，调试中获得的接地效果最好;d 接地在两端加装金属片，效果获得提升。

2.2.2、屏蔽与隔离

屏蔽与隔离是抗电磁干扰的重要手段，其目的是隔断干扰源与接收单元之间的干扰信号通道，使电磁场无法对电气设备形成干扰。在中压柜中存在大量不同功能的信号线，比如 I/O 信号线、通信线、CT/CV 信号线、电源线等，对这些线实施隔离与屏蔽措施能够避免其相互干扰。中压柜中线的屏蔽主要是小信号线，比如传感器信号线等。在中压柜调试中发现，传感器信号线采用单端接地的效果往往比双端接地效果要好，经调试分析知，单端接地可有效的屏蔽低频信号，而双端接地则可屏蔽低频与高频信号，但双端接地需要使两端接在统一点位，否则会产生电位差而形成环流，严重影响屏蔽效果。对于线的隔离，尽量使线距较远，走不通路径，如有交叉，尽量采用十字交叉，这样可最大限度的避免干扰。

2.2.3、滤波

在中压开关柜的抗电磁干扰手段中，滤波器的使用是重要的方法之一。在进行中压柜调试中发现，无论采用何种接地、屏蔽、隔离方法，总会有部分多余能量传导如开关柜电气设备中，形成电磁干扰，而在加装 EMI 滤波器后，电磁干扰被极大的抑制，取得良好的效果。经过中压柜调试，复杂 EMI 滤波器网络的 A参数矩阵可进行分解，分解为多个二端口网络级联形式，这样便于计算与选择。此外对于滤波技术的运用还要准确设定滤波器的特性参数，包括额定电压、额定电流、漏电流、插入损耗。

2.2.4、其它技术

除了以上常用技术之外，在中压柜调试中还发现，开关频率调制技术、PCB 布线及屏蔽接地技术、共模干扰有源抑制技术等技术均能够产生良好的抗电磁干扰效果，可根据开关柜调试的实际结果，或者实际情况进行适当地使用。

三、电磁场对超高频RFID读写器的影响

3.1、超高频RFID读写器的工作原理

UHF频段的RFID系统可分为射频电路和基带电路两部分，射频电路部分完成高频信号的调制/解调、发射/接收，是标签和读写器之间的高频接口。基带电路部分的主要功能就是控制射频系统，实现对高频信号的编解码功能，同时也肩负着读写器与外部设备或者主机之间的应用接口的任务。可以说基带部分是读写器的核心控制平台，支撑着整个系统的工作，是射频部分的后盾。

如图3-1所示，RFID读写器的内部结构中2部分之间的高频接口是指模数转换和数模转换，卡片解调后的信号经过高速ADC芯片采集后转换为数字信号送入DSP芯片进行运算解码处理。系统通过DAC芯片产生模拟基带信号送至射频系统后进行调制、放大，通过天线发送出去。射频系统采用零中频接收机方案，因此发射部分和接收部分可以共用载波频率发生电路。基带系统和射频系统相辅相成，协同合作才能实现RFID读写器的功能。

3.2、硬件抗干扰措施

从系统的电源、信号传输、印刷电路板（PCB）布局分区、布线等方面采取措施，提高系统抗电磁干扰的能力。其中，电源通道是与外界主要的有线连接途径，是装置实际运行中干扰进入的主要渠道，因此电源系统的抗干扰措施是整套系统抗干扰的重点。

在实际应用中，要采用可以通过电力系统4级电磁兼容性标准的开关电源，输入端加电源滤波器模块，电源方案采用独立模块化设计，传感器电源和监测单元的电源需要2块独立的开关电源提供，可有效隔离电源间彼此的传导干扰，电源的抗干扰措施主要包括：

①、供给传感器工作的±12 V 电源采用电源解耦电路，有效抑制共模差模干扰。

②、电源与大地之间并接瞬态电压抑制器（TVS），构成干扰与大地的回路。

③、选择小容值的旁路电容和去耦电容（0.01 μF）。

④、在电源线的输入口处串入磁珠，消除存在于传输线中的RF噪声。

⑤、电源引出排线套加高性能磁环，吸收干扰。

信号的电磁抗干扰主要从电路原理设计采取措施，包括以下4個方面。

①、滤波。模拟信号采用有源滤波电路（如4阶Butterworth滤波器）或简单的RC滤波器 ，开关量输入输出信号与信号地之间接一个20 pF～10 nF的高频瓷片电容，给高频噪声提供一个低阻抗的回路来消除其干扰。

②、电气隔离。信号的采集均是通过电气隔离手段完成的，如温度通过光纤传输，泄漏电流采用引流环和电流互感器配合使用采集，分合闸电流采用霍尔电流传感器采集等;数字信号（如开关量输入输出、中断信号等）隔离，通过光耦 TLP 521 实现;485通讯信号的隔离使用高速光耦6N137隔离;模拟信号的隔离传输，通过隔离运算放大器ISO 124实现，并在信号调理板的PCB上刻槽形成隔离带，可以起到隔离地线的作用。

③、屏蔽。各类机箱采用全金属外壳屏蔽，使用时外壳接地;镶嵌在装置前面板上的液晶模块，出厂时四周已经有金属屏蔽框罩住，为了增强其可靠性，液晶模块也从后面加以屏蔽; 机箱内开关电源虽然已经屏蔽，安全起见，和其他 PCB 板之间加一层钢板屏蔽。

④、接地。装置安全良好接地;开关电源外壳均接地;液晶为了稳定工作，防止静电积累，金属边框或屏蔽罩接地。

3.3、软件抗干扰措施

软件抗干扰的本质是在有干扰存在的情况下利用编程技术来抵消其影响，同时还必须保证系统程序连续正确稳定地运行。 在软件设计中，可采取以下抗干扰措施：

①、对采集的泄漏电流、触头位移、分合闸线圈电流等数据去毛刺处理。

②、设计数字滤波器对采集的信号进行滤波处理。

③、采用看门狗也是一种很好的抗干扰措施。 软件看门狗是在硬件看门狗定时器的基础上，采用的一种软件容错技术。 由于程序在运行的时候有可能出现跑飞的现象，它能使系统程序在跑飞之后自动复位并开始运行。

射频识别系统是一种实时系统。在软件结构上，可以分成2部分：主程序、中断程序。主程序的主要任务是不断进行系统自检，和等待上位机发送信息包，若收到正确的数据包，则进行相应的处理，一般为启动RFID操作标签流程。若没有接收到有效的命令，则继续循环等待。RFID系统一般为一个多中断的实时系统，本文按照RS232/485，USB，网络接口的顺序中断优先级由高到低，处理上位机发送过来的指令。

上图所示为RFID读写器程序模块结构。射频识别系统对上下行编码信号的同步性和精确度要求相当苛刻，尤其对上行信号而言，若占空比漂移超过了目标电子标签所容忍的限度，一则会使电子标签无法识别上行信号所包含的信息，二则会对下行信号的准确性带来隐患。因此对上行卡片信号的底层软件设计就显得尤为重要。

四、结论

在通常情况下，开关柜内的电磁环境对超高频RFID读写器的正常工作确实存在一定影响，不过通过采用本文介绍的相关措施，完全可以将其干扰降低到可忽略的程度，采取合理的优化方案，完全可以确保超高频RFID读写器在开关柜内电磁环境下正常工作。

参考文献

[1]  邓亚峰，李烽，张绪鹏，史鹏飞.  基于电磁感应式无线供电系统的信号传输[J].  机械设计与制造.2010，11（11）：34-36

[2] 侯磊.10kV 高压开关柜无线测温技术研究[D].厦门：厦门大学，2014.

[3] 李美， 王小华. 中压开关柜状态在线监测装置电磁兼容性能研究[J]. 高压电器，2011.

[4] 黎鹏， 黄道春.10kV 开关柜开断对二次智能设备的电磁干扰[J].电网技术，2015.

[5] 叶高文. 开关柜的抗电磁干扰技术[J]. 电气时代，2011.