CN102983633A

CN102983633A - 一种基于rfid的继电保护装置状态监测设备和监测方法

Info

Publication number: CN102983633A
Application number: CN2012105687482A
Authority: CN
Inventors: 徐万方; 刘涛; 胡炯; 徐刚; 蒋新成; 杨志涛; 王洪亮; 王世伟
Original assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd
Current assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd; Beijing Sifang Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN102983633B

Abstract

一种基于RFID的继电保护装置状态监测设备和监测方法，通过手持设备状态巡检器定期读取装置内置RFID芯片中记录的继电保护装置状态信息，RFID天线安装在机箱的前液晶面板上，通过射频匹配电路连接到RFID芯片上。装置调试状态信息在装置出厂时由手持状态巡检器写入RFID芯片相应位置，M4单片机负责将装置运行状态信息、板卡硬件状态自检信息等周期地写入RFID芯片；同时周期地采样机箱的温湿度信息、供电电压信息，根据这些信息计算板卡寿命，并将机箱温湿度信息和板卡寿命写入RFID芯片。本申请的监测设备以及监测方法具有通用性强、性能可靠、电路简单、断电可读取等特点，可对很多难以重复的故障问题提供有力的分析依据。

Description

一种基于RFID的继电保护装置状态监测设备和监测方法

技术领域

本申请属于电气系统技术领域，尤其涉及继电保护装置状态监测技术，特别是一种基于RFID的继电保护装置状态监测方法，该方法通过手持设备状态巡检器和继电保护装置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集继电保护装置运行状态信息。

背景技术

根据《继电保护及安全自动装置检验条例》的要求，为保证电网的安全稳定运行，电网中的继电保护装置、安全自动装置及其回路接线理应具备良好的运行条件，必须进行定期检验，以确保设备元件、回路接线、定值及特性的正确性和准确性，达到设备管理防患于未然的目的。目前国内绝大部分微机保护装置都具有自检功能，比如开入开出回路检测、电源故障告警、PT/CT断线等信息，这些功能都是对装置对外接口的功能检测，缺少对装置内部板卡和关键元器件的状态监视，无法发现隐含的故障，比如寿命、偶然告警、通信故障率高等问题。

RFID技术和传统的条形码、磁卡及IC卡相比，具有非接触、速度快、寿命长、便于使用等特点，已经越来越多的用于仓储、物流和家庭等领域，专利200810099015.2《配有RFID识别卡的多功能周转包装箱》公开了采用RFID识别卡的一种包装箱，把无源的卡嵌入到前面板或边板中，实现包装箱的多次使用。从目前技术来看，用于装置状态监测的RFID方案还比较缺少。

继电保护装置是保证电网正常运行的关键设备，若其本身发生故障影响巨大。目前只能依赖传统的周期性检修来排除装置故障，这种方法有很多缺点：一是需要停电进行检修，影响正常生产、浪费很大人力物力；二是对装置隐含故障不可控制，有时候刚检修完不久的板卡就出问题了，有时把不需要更换的板卡换掉了，可能会造成新的故障点。总体来说，目前缺少对装置运行状态的预判，还无法达到防患于未然的目的。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于RFID的继电保护装置状态监测设备及监测方法，该方法通过手持设备状态巡检器和继电保护装置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集继电保护装置运行状态信息。主要解决装置板卡和关键元器件状态监测技术，实现对装置运行状态的预判。

本申请具体采用以下的技术方案来实现：

一种基于RFID的继电保护装置状态监测设备，通过手持设备状态巡检器和继电保护装置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集继电保护装置状态信息。其特征为：

所述的继电保护装置液晶面板包括RFID天线、射频匹配电路、RFID芯片、M4单片机、温湿度传感器、供电电压监测电路、自检电路、液晶显示电路和保护板卡通信电路；

所述M4单片机连接温湿度传感器、供电电压监测电路、自检电路、液晶显示电路和通信电路，M4单片机通过所述温湿度传感器周期测量并记录继电保护装置内部运行温度和湿度信息，通过所述供电电压监测电路实时检测继电保护装置的电源电压，通过所述自检电路检测所述液晶面板状态，通过所述通信电路与保护板卡通信获得继电保护装置所有板卡的自检信息；

所述M4单片机与RFID芯片相连，并将所述继电保护装置运行状态信息、板卡硬件状态自检信息、装置运行温湿度信息和板卡寿命信息存入RFID芯片中；

所述RFID芯片、射频匹配电路以及RFID天线顺次相连，所述RFID芯片通过RFID天线与手持设备状态巡检器进行通信，将RFID芯片中存储的信息传输至手持设备状态巡检器。

所述RFID天线安装在继电保护装置液晶面板周围的液晶显示区与有效显示区之间，所述天线采用70厘米长的环形陶瓷天线。

所述RFID芯片采用双电源供电方式，即继电保护装置电源和超级电容两种供电方式。

所述温湿度传感器采用温湿度合一芯片SHT11，表贴封装，安装在靠近继电保护装置板卡一侧。

所述液晶面板和继电保护装置保护板卡通过扁平电缆连接，并通过扁平电缆中的RS485接口通信，保护板卡采集继电保护装置中所有板卡自检及故障信息并发送给液晶面板中的M4单片机。

所述的自检电路包括RS485通信端口自检、RFID芯片自检和液晶驱动自检；

RS485通信端口自检是通过周期性巡检所述液晶面板是否能正确接收到继电保护装置管理板发送的链路检查报文来确认RS485通信端口是否正常，当误码率到达设定的程度时就确认RS485通信口故障，发出告警并记录到RFID芯片中；

RFID芯片自检由M4单片机先将验证信息写入RFID芯片的特定区域，再将该区域的数据读出来，与之前写入的数据进行对比校验，验证RFID芯片的可读写性；

液晶驱动自检是定期回读液晶屏驱动电压和背光电源电压值确定其是否工作正常。本申请还进一步公开了一种基于上述的继电保护装置状态监测设备的监测方法，可以通过所述手持设备状态巡检器读取RFID芯片数据，用户持所述手持设备状态巡检器靠近装置液晶面板，打开电源，所述RFID芯片感应出2.5V以上电压信号，触发M4单片机外部中断，M4单片机停止对RFID芯片的所有操作；巡检器获得RFID芯片的ID号，和预先存储在巡检器上的ID号对比，如果不同则停止操作，如果相同，则需要进一步输入用户密码；用户密码不符，停止操作，用户密码正确，则巡检器可以读取RFID芯片中的数据，数据的最后2个字节为CRC校验，如果CRC校验不正确，则重新读取直到正确为止，如果CRC校验正确，则通信成功，巡检器记录从RFID芯片读取的数据信息；当关掉所述手持设备状态巡检器电源时，M4单片机恢复对RFID芯片的正常操作。

本申请还进一步公开了一种基于上述的继电保护装置状态监测设备的监测方法，可以通过所述手持设备状态巡检器改写RFID芯片数据，用户持巡检器靠近装置，打开电源，RFID芯片感应出2.5V以上电压信号，触发M4单片机外部中断，M4单片机停止对RFID芯片的所有操作；巡检器获得RFID芯片的ID号，和预先存储在巡检器上的ID号对比，如果不同则停止操作，如果相同，则需要进一步输入用户密码；用户密码不符，停止操作，用户密码正确，则进一步解锁RFID芯片中用户数据区锁定状态寄存器，解锁后再向RFID芯片写入数据；数据写完后，需要对用户区锁定状态寄存器锁定，防止意外改写；然后重新读取前面写入的数据值，和存储在巡检器上的值进行校正，如果不正确，则需要重新写入；关掉巡检器电源时，M4单片机恢复对RFID芯片的正常操作。

本申请与背景技术中已有的技术相对比，有以下优点：

1、使用RFID无线射频技术，巡检器可以定期的检查继电保护装置运行状态，不管装置上电与否，巡检器都可以迅速的获取装置健康状态，每个装置数据收集时间在3秒以内，巡检100台装置时间只需要几分钟的时间，而且RFID通信距离可达1米，这样可以大大节约维护的人力成本。通过数据分析可以确定板卡是否工作正常，是否有隐含的故障，提前做好检修准备。

2、RFID芯片采用双电源供电技术，RFID芯片采用装置电源和超级电容同时供电。装置带电的时候采用装置提供的电源，同时装置电源给超级电容充电，充电电压通过M4单片机上的AD采样管脚闭环监控；装置断电的时候，RFID芯片通过超级电容供电，由于芯片工作时间很短且工作电流很小，只有20uA，所以RFID芯片可以在很长时间内正常工作。

3、板卡和关键器件健康状态预测技术。装置内电源板和液晶面板是最容易损坏的部件，其运行寿命与环境温湿度密切相关，M4单片机通过温湿度传感器周期获得实际运行环境的温度和湿度信息，通过模糊控制算法预测板卡生命周期。这样通过每次巡检数据可以获知电源板和液晶面板还能正常工作多长时间，可以提前备货，达到资源利用最优化。

4、板卡自检技术。自检电路包括RS485通信端口自检、RFID芯片自检和液晶驱动自检。RS485通信口自检是通过周期性巡检命令确认是否正常，M4单片机读写RFID芯片验证其读写正确性，液晶驱动自检是定期回读液晶屏驱动电压和背光电源电压值确定其是否工作正常。

5、随机故障处理技术。现在对于现场很难重现的问题越来越多，这样的问题对于工程师来说基本上束手无策，本方法可以把装置出现的任意一次故障都记录下来，结合装置自检信息、温湿度信息及各个关键信号的闭环监测，对于很多问题可以定位原因，找到问题根本，根据故障点的逐一排查，可以解决很多随机故障。

附图说明

图1为基于RFID的继电保护装置状态监测电路示意图；

图2为手持设备巡检器电路结构示意图；

图3为天线安装示意图；

图4为RFID芯片和液晶驱动电压电路图；

图5为读取RFID芯片数据流程图；

图6为改写RFID芯片数据流程图。

具体实施方式

下面根据附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种基于RFID的继电保护装置状态监测设备，如图1所示为基于RFID的继电保护装置状态监测电路示意图。该方法通过手持设备状态巡检器和继电保护装置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集继电保护装置运行状态信息。液晶面板和继电保护装置保护板卡通过扁平电缆连接，扁平电缆包括电源和RS485信号，所有板卡自检及故障信息都会由保护板卡发送给液晶面板的M4单片机，由M4单片机处理后把数据存入RFID芯片中。

继电保护装置液晶面板包括RFID天线、射频匹配电路、RFID芯片、M4单片机、温湿度传感器、供电电压监测电路、自检电路和液晶显示电路。M4单片机采用Cortex M4架构处理器，功耗低、速度快，集成SPI、I2C、以太网、ADC采样等功能，采用单片模式，保证FLASH和RAM不会出错，增加可靠性。M4单片机连接温湿度传感器、供电电压监测电路、自检电路和液晶显示电路。温湿度传感器采用温湿度合一芯片SHT11，表贴安装在靠近板卡一侧，保证测量的温湿度值和实际机箱内部温湿度一致，采用I2C接口连接M4单片机。测量温度范围-40℃～120℃，测量湿度范围0～100%，误差小于1℃。

M4单片机通过模糊控制算法预测板卡生命周期，模糊控制算法根据不同的因素对板卡寿命的影响划分不同的权重。影响因子有自检信息、温度信息、湿度信息、运行时间、板卡启动次数和电源电压大小。液晶面板自检信息通过自检电路得到，其它保护板卡自检信息通过通信获得，温度、湿度信息通过周期读取温湿度传感器获得，电源电压通过电压检测电路获得，运行时间和启动次数通过M4单片机计数器记录，根据这些影响因子权重大小计算液晶寿命、电源寿命和其它关键器件寿命，根据自检信息记录板卡故障，提供维修告警。每个影响因子对应一个模糊控制规则表，模糊控制规则表是通过理论计算和专家经验获得，根据不同环境情况查表可以选择不同的系数，由于温度对电源和液晶影响最大，所以这里给出环境温度模糊控制规则表如表1所示，温度和时间的语言值均分为13个语言值：-6～6，隶属度函数采用灵敏性强的三角函数。根据不同温度下运行时间查到一个值，这个值去模糊化后得到一个系数，这个系数乘以运行时间，然后再乘以影响因子系数，得到已经消耗的电源寿命，从而可以得到电源剩余寿命，比如电源板在正常情况（25℃，70%湿度、每月启动一次，纹波小于5%）下工作时间为40000小时，在70℃温度情况下工作了1000小时，那么电源剩余寿命为40000-1000*4（去模糊化系数）*0.6（温度影响因子系数）=37600小时。

表1环境温度模糊控制规则

如图2为手持设备状态巡检器电路示意图。巡检器电路包括RFID天线、射频匹配电路、RFID读写芯片、M4单片机、显示电路、按键电路、数据存储FLASH电路、USB和以太网接口电路。RFID天线、设频匹配电路、RFID读写芯片、M4单片机依次相连，巡检器通过RFID部分电路可以与液晶面板上进行信息交换。M4单片机连接显示电路、按键电路、数据存储FLASH电路，USB和以太网电路。用户通过按键电路下发操作命令，显示电路向用户显示巡检器的当前状态以及用户的操作命令信息，FLASH存储电路用于存储巡检器读取的来自液晶面板的装置运行状态信息，USB和以太网电路用于巡检器与上位机进行通信。

如图3所示为天线安装示意图，采用环形陶瓷天线安装到继电保护装置面板液晶周围，放置在液晶屏的显示区和有效显示区之间的位置，所以不会影响液晶屏的正常显示。天线总长度可到70厘米，信号传输距离可达1米，RFID芯片放在液晶控制板上，其接天线的焊盘和天线距离越近越好。

如图4所示为RFID芯片和液晶驱动电压电路图，RFID芯片采用铁电公司的WM72016，其支持有源和无源两种模式，支持EPC ISO18000-6C RFID接口协议，UHF载波频率920MHz，工业级温度范围，集成2KB F-RAM存储器，保存数据长达20年，无限次读写寿命。RFID芯片采用双电源供电技术，即装置电源和超级电容同时供电，装置带电的时候采用装置提供的电源3.3V，同时装置电源3.3V通过二极管和10欧电阻给超级电容充电，二极管压降在0.3～0.4V，充电电流最大为30mA，充电电压通过M4单片机上的AD采样管脚闭环监控，装置断电的时候，RFID芯片通过超级电容供电，由于芯片工作时间很短且工作电流很小，只有20uA，所以RFID芯片可以在很长时间内正常工作。WM72016和M4单片机通过DSPI接口通信，速率1MHz，M4单片机每24小时采集一次各板卡自检信息，包括液晶板的温度、湿度、自检及运行故障信息，对信息处理后写入WM72016F-RAM中，如果遇到巡检器也要和WM72016通信时，PIN6RF_INT信号会变为高电平，触发M4单片机外部中断，中断程序会暂停DSPI通信数据，巡检器通信结束后，PIN6RF_INT信号会变为低电平，主程序重新把要更新的数据发送给WM72016。

自检电路包括RS485通信端口自检、RFID芯片自检和液晶驱动自检。RS485为主从通信模式，继电保护装置管理板为主，液晶面板为从，为了实现自检功能，管理板会每隔0.5秒给液晶板发送链路检查报文，液晶面板收到后回复相应报文。如果液晶面板能在每个周期内正确接收到链路检查报文，则证明RS485自检正常，否则认为通信有误码，当误码率到达一定的程度时确定RS485通信故障，发出告警并记录到RFID芯片中。图4中M4单片机通过ADC采样通道每隔0.5秒采集一次液晶背光电源电压LED_MONI、驱动电压DRIVER_MONI、电源电压VCC_MONI、RFID芯片供电电压RF_VIN，采集的电压和程序中预存的电压范围对比，如果超过正常电压的10%即认为有故障，就认为是电路隐性故障，记录1次故障信息到RFID芯片中，如果连续或累计多次采集到电压异常，则发出告警信息并记录到RFID芯片中。这样即使装置无法正常工作时，还可以通过巡检器读取到故障状态，给工程和检修人员提供丰富的故障分析数据。对于电源电压正常工作时为5V，当其低于4.8V时会触发一个中断，中断程序中会把重要的数据包括板卡健康数据存储到RFID芯片中，由于芯片电源是经过5V到3.3V的LDO转换得到，所以电源电压在4V以上都能正常工作，从4.8V到4V会有10mS的时间用于数据存储。

RFID芯片F-RAM区共有1KB，对于装置状态数据来说可以分为2类，1类是定性数据，1类是定量的数据，每个装置内板卡最多15个，对于定性数据，数据存储格式为：

板卡号（1字节），工作温度（1字节），工作湿度（1字节），上电次数（1字节），故障次数（1字节），运行时间（2字节），剩余时间（2字节）

对于定量的数据存储格式为：

板卡号（1字节），工作温度1（1字节），运行时间1（2字节），工作温度2（1字节），运行时间2（2字节），工作温度3（1字节），运行时间3（2字节），上电次数（1字节），故障次数（1字节），故障类型（5字节），运行时间（2字节），剩余时间（2字节）

M4单片机记录最长的3个运行温度时间记录，对于隐性故障最多记录5个，RFID芯片支持带电读取方式和断电读取方式，这样可以保证检修人员在任意时间收集装置状态信息。

RFID芯片中的存储区分为现场只读区和现场读写区。现场只读区是在装置出厂前，由装置生产厂家使用RFID读写器将所有板卡以及装置的生产、调试信息写入RFID芯片存储区的相应的位置，该区域在运营现场只能由巡检器或者通用读卡器进行读信息，不能由RFID读写器或者M4单片机向其写入任何信息，也不能擦除，从而保证装置出厂信息的准确性。现场读写区，由M4单片机根据现场装置的运行情况定期刷新相应的状态信息，由运营人员使用巡检器或者通用读卡器对该部分信息进行读操作。

本申请还进一步公开了所述的继电保护装置状态监测设备的监测方法，可以通过所述手持式设备状态巡检器读取继电保护装置中的RFID芯片数据，以及改写RFID芯片数据。具体如下：

如图5所示为读取RFID芯片数据流程图：用户持所述手持设备状态巡检器靠近装置液晶面板，打开电源，所述RFID芯片感应出2.5V以上电压信号，触发M4单片机外部中断，M4单片机停止对RFID芯片的所有操作；巡检器获得RFID芯片的ID号，和预先存储在巡检器上的ID号对比，如果不同则停止操作，如果相同，则需要进一步输入用户密码；用户密码不符，停止操作，用户密码正确，则巡检器可以读取RFID芯片中的数据，数据的最后2个字节为CRC校验，如果CRC校验不正确，则重新读取直到正确为止，如果CRC校验正确，则通信成功，巡检器记录从RFID芯片读取的数据信息；当关掉所述手持设备状态巡检器电源时，M4单片机恢复对RFID芯片的正常操作。

如图6所示为改写RFID芯片数据流程图：用户持巡检器靠近装置，打开电源，RFID芯片感应出2.5V以上电压信号，触发M4单片机外部中断，M4单片机停止对RFID芯片的所有操作；巡检器获得RFID芯片的ID号，和预先存储在巡检器上的ID号对比，如果不同则停止操作，如果相同，则需要进一步输入用户密码；用户密码不符，停止操作，用户密码正确，则进一步解锁RFID芯片中用户数据区锁定状态寄存器，解锁后再向RFID芯片写入数据；数据写完后，需要对用户区锁定状态寄存器锁定，防止意外改写；然后重新读取前面写入的数据值，和存储在巡检器上的值进行校正，如果不正确，则需要重新写入；关掉巡检器电源时，M4单片机恢复对RFID芯片的正常操作。

Claims

1.一种基于RFID的继电保护装置状态监测设备，包括手持设备状态巡检器、继电保护装置液晶面板；其特征为：

所述的继电保护装置液晶面板包括RFID天线、射频匹配电路、RFID芯片、单片机、温湿度传感器、供电电压监测电路、液晶显示电路和通信电路；

所述单片机连接温湿度传感器、供电电压监测电路、液晶显示电路和通信电路，单片机通过所述温湿度传感器周期测量并记录继电保护装置内部运行温度和湿度信息，通过所述供电电压监测电路实时检测继电保护装置的电源电压，通过所述通信电路与继电保护装置中的保护板卡通信获得保护板卡采集到的继电保护装置中所有板卡的自检信息；

所述单片机与RFID芯片相连，并将所述继电保护装置运行状态信息、继电保护装置中所有板卡的硬件状态自检信息、继电保护装置内部运行温湿度信息写入RFID芯片中；

2.根据权利要求1所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述RFID天线安装在继电保护装置液晶面板周围的液晶显示区与有效显示区之间，所述天线采用70厘米长的环形陶瓷天线。

3.根据权利要求1所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述RFID芯片采用双电源供电方式，即继电保护装置电源和超级电容两种供电方式。

4.根据权利要求1所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述单片机为采用Cortex M4架构处理器的M4单片机。

5.根据权利要求1所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述温湿度传感器采用温湿度合一芯片SHT11，表贴封装，安装在靠近继电保护装置板卡一侧。

6.根据权利要求1所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述液晶面板和继电保护装置保护板卡通过扁平电缆连接，并通过扁平电缆中的RS485接口通信，保护板卡采集继电保护装置中所有板卡自检及故障信息并发送给液晶面板中的单片机。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述继电保护装置液晶面板还进一步包括自检电路，并将自检信息写入RFID芯片；

所述自检电路包括RS485通信端口自检、RFID芯片自检和液晶驱动自检功能；

液晶驱动自检是定期回读液晶屏驱动电压和背光电源电压值确定其是否工作正常。

8.根据权利要求7所述的继电保护装置状态监测设备，其特征在于：所述单片机通过模糊控制算法根据板卡硬件状态自检信息、继电保护装置内部运行温度和湿度信息、继电保护装置的电源电压信息，以及继电保护装置的运行时间和启动次数计算板卡寿命，并将板卡寿命写入RFID芯片。

9.根据权利要求1-8所述的继电保护装置状态监测设备的监测方法，其特征在于：通过所述手持设备状态巡检器读取RFID芯片数据，用户持所述手持设备状态巡检器靠近装置液晶面板，打开电源，所述RFID芯片感应出2.5V以上电压信号，触发单片机外部中断，单片机停止对RFID芯片的所有操作；巡检器获得RFID芯片的ID号，和预先存储在巡检器上的ID号对比，如果不同则停止操作，如果相同，则需要进一步输入用户密码；用户密码不符，停止操作，用户密码正确，则巡检器可以读取RFID芯片中的数据，数据的最后2个字节为CRC校验，如果CRC校验不正确，则重新读取直到正确为止，如果CRC校验正确，则通信成功，巡检器记录从RFID芯片读取的数据信息；当关掉所述手持设备状态巡检器电源时，单片机恢复对RFID芯片的正常操作。

10.根据权利要求1-8所述的继电保护装置状态监测设备的监测方法，其特征在于：通过所述手持设备状态巡检器改写RFID芯片数据，用户持巡检器靠近装置，打开电源，RFID芯片感应出2.5V以上电压信号，触发单片机外部中断，单片机停止对RFID芯片的所有操作；巡检器获得RFID芯片的ID号，和预先存储在巡检器上的ID号对比，如果不同则停止操作，如果相同，则需要进一步输入用户密码；用户密码不符，停止操作，用户密码正确，则进一步解锁RFID芯片中用户数据区锁定状态寄存器后，再向RFID芯片写入数据；数据写完后，对用户区锁定状态寄存器锁定，防止意外改写；然后重新读取前面写入的数据值，和存储在巡检器上的值进行校正，如果不正确，则需要重新写入；关掉巡检器电源时，单片机恢复对RFID芯片的正常操作。