專利名稱：一種基于rfid的繼電保護裝置狀態監測設備和監測方法
—種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測設備和監測方法技術領域
本申請屬于電氣系統技術領域，尤其涉及繼電保護裝置狀態監測技術，特別是一種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測方法，該方法通過手持設備狀態巡檢器和繼電保護裝置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集繼電保護裝置運行狀態信息。
背景技術：
根據《繼電保護及安全自動裝置檢驗條例》的要求，為保證電網的安全穩定運行， 電網中的繼電保護裝置、安全自動裝置及其回路接線理應具備良好的運行條件，必須進行定期檢驗，以確保設備元件、回路接線、定值及特性的正確性和準確性，達到設備管理防患于未然的目的。目前國內絕大部分微機保護裝置都具有自檢功能，比如開入開出回路檢測、 電源故障告警、PT/CT斷線等信息，這些功能都是對裝置對外接口的功能檢測，缺少對裝置內部板卡和關鍵元器件的狀態監視，無法發現隱含的故障，比如壽命、偶然告警、通信故障率高等問題。
RFID技術和傳統的條形碼、磁卡及IC卡相比，具有非接觸、速度快、壽命長、便于使用等特點，已經越來越多的用于倉儲、物流和家庭等領域，專利200810099015. 2《配有 RFID識別卡的多功能周轉包裝箱》公開了采用RFID識別卡的一種包裝箱，把無源的卡嵌入到前面板或邊板中，實現包裝箱的多次使用。從目前技術來看，用于裝置狀態監測的RFID 方案還比較缺少。
繼電保護裝置是保證電網正常運行的關鍵設備，若其本身發生故障影響巨大。目前只能依賴傳統的周期性檢修來排除裝置故障，這種方法有很多缺點一是需要停電進行檢修，影響正常生產、浪費很大人力物力；二是對裝置隱含故障不可控制，有時候剛檢修完不久的板卡就出問題了，有時把不需要更換的板卡換掉了，可能會造成新的故障點。總體來說，目前缺少對裝置運行狀態的預判，還無法達到防患于未然的目的。發明內容
為克服現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測設備及監測方法，該方法通過手持設備狀態巡檢器和繼電保護裝置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集繼電保護裝置運行狀態信息。主要解決裝置板卡和關鍵元器件狀態監測技術，實現對裝置運行狀態的預判。
本申請具體采用以下的技術方案來實現
一種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測設備，通過手持設備狀態巡檢器和繼電保護裝置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集繼電保護裝置狀態信息。其特征為
所述的繼電保護裝置液晶面板包括RFID天線、射頻匹配電路、RFID芯片、M4單片機、溫濕度傳感器、供電電壓監測電路、自檢電路、液晶顯示電路和保護板卡通信電路；
所述M4單片機連接溫濕度傳感器、供電電壓監測電路、自檢電路、液晶顯示電路和通信電路，M4單片機通過所述溫濕度傳感器周期測量并記錄繼電保護裝置內部運行溫度和濕度信息，通過所述供電電壓監測電路實時檢測繼電保護裝置的電源電壓，通過所述自檢電路檢測所述液晶面板狀態，通過所述通信電路與保護板卡通信獲得繼電保護裝置所有板卡的自檢信息；所述M4單片機與RFID芯片相連，并將所述繼電保護裝置運行狀態信息、板卡硬件狀態自檢信息、裝置運行溫濕度信息和板卡壽命信息存入RFID芯片中；所述RFID芯片、射頻匹配電路以及RFID天線順次相連，所述RFID芯片通過RFID天線與手持設備狀態巡檢器進行通信，將RFID芯片中存儲的信息傳輸至手持設備狀態巡檢器。所述RFID天線安裝在繼電保護裝置液晶面板周圍的液晶顯示區與有效顯示區之間，所述天線采用70厘米長的環形陶瓷天線。所述RFID芯片采用雙電源供電方式，即繼電保護裝置電源和超級電容兩種供電方式。所述溫濕度傳感器采用溫濕度合一芯片SHTl I，表貼封裝，安裝在靠近繼電保護裝置板卡一側。所述液晶面板和繼電保護裝置保護板卡通過扁平電纜連接，并通過扁平電纜中的RS485接口通信，保護板卡采集繼電保護裝置中所有板卡自檢及故障信息并發送給液晶面板中的M4單片機。所述的自檢電路包括RS485通信端口自檢、RFID芯片自檢和液晶驅動自檢；RS485通信端口自檢是通過周期性巡檢所述液晶面板是否能正確接收到繼電保護裝置管理板發送的鏈路檢查報文來確認RS485通信端口是否正常，當誤碼率到達設定的程度時就確認RS485通信口故障，發出告警并記錄到RFID芯片中；RFID芯片自檢由M4單片機先將驗證信息寫入RFID芯片的特定區域，再將該區域的數據讀出來，與之前寫入的數據進行對比校驗，驗證RFID芯片的可讀寫性；液晶驅動自檢是定期回讀液晶屏驅動電壓和背光電源電壓值確定其是否工作正常。本申請還進一步公開了一種基于上述的繼電保護裝置狀態監測設備的監測方法，可以通過所述手持設備狀態巡檢器讀取RFID芯片數據，用戶持所述手持設備狀態巡檢器靠近裝置液晶面板，打開電源，所述RFID芯片感應出2. 5V以上電壓信號，觸發M4單片機外部中斷，M4單片機停止對RFID芯片的所有操作；巡檢器獲得RFID芯片的ID號，和預先存儲在巡檢器上的ID號對比，如果不同則停止操作，如果相同，則需要進一步輸入用戶密碼；用戶密碼不符，停止操作，用戶密碼正確，則巡檢器可以讀取RFID芯片中的數據，數據的最后2個字節為CRC校驗，如果CRC校驗不正確，則重新讀取直到正確為止，如果CRC校驗正確，則通信成功，巡檢器記錄從RFID芯片讀取的數據信息；當關掉所述手持設備狀態巡檢器電源時，M4單片機恢復對RFID芯片的正常操作。本申請還進一步公開了一種基于上述的繼電保護裝置狀態監測設備的監測方法，可以通過所述手持設備狀態巡檢器改寫RFID芯片數據，用戶持巡檢器靠近裝置，打開電源，RFID芯片感應出2. 5V以上電壓信號，觸發M4單片機外部中斷，M4單片機停止對RFID芯片的所有操作；巡檢器獲得RFID芯片的ID號，和預先存儲在巡檢器上的ID號對比，如果不同則停止操作，如果相同，則需要進一步輸入用戶密碼；用戶密碼不符，停止操作，用戶密碼正確，則進一步解鎖RFID芯片中用戶數據區鎖定狀態寄存器，解鎖后再向RFID芯片寫入數據；數據寫完后，需要對用戶區鎖定狀態寄存器鎖定，防止意外改寫；然后重新讀取前面寫入的數據值，和存儲在巡檢器上的值進行校正，如果不正確，則需要重新寫入；關掉巡檢器電源時，M4單片機恢復對RFID芯片的正常操作。
本申請與背景技術中已有的技術相對比，有以下優點
I、使用RFID無線射頻技術，巡檢器可以定期的檢查繼電保護裝置運行狀態，不管裝置上電與否，巡檢器都可以迅速的獲取裝置健康狀態，每個裝置數據收集時間在3秒以內，巡檢100臺裝置時間只需要幾分鐘的時間，而且RFID通信距離可達I米，這樣可以大大節約維護的人力成本。通過數據分析可以確定板卡是否工作正常，是否有隱含的故障，提前做好檢修準備。
2、RFID芯片采用雙電源供電技術，RFID芯片采用裝置電源和超級電容同時供電。 裝置帶電的時候采用裝置提供的電源，同時裝置電源給超級電容充電，充電電壓通過M4單片機上的AD采樣管腳閉環監控；裝置斷電的時候，RFID芯片通過超級電容供電，由于芯片工作時間很短且工作電流很小，只有20uA，所以RFID芯片可以在很長時間內正常工作。
3、板卡和關鍵器件健康狀態預測技術。裝置內電源板和液晶面板是最容易損壞的部件，其運行壽命與環境溫濕度密切相關，M4單片機通過溫濕度傳感器周期獲得實際運行環境的溫度和濕度信息，通過模糊控制算法預測板卡生命周期。這樣通過每次巡檢數據可以獲知電源板和液晶面板還能正常工作多長時間，可以提前備貨，達到資源利用最優化。
4、板卡自檢技術。自檢電路包括RS485通信端口自檢、RFID芯片自檢和液晶驅動自檢。RS485通信口自檢是通過周期性巡檢命令確認是否正常，M4單片機讀寫RFID芯片驗證其讀寫正確性，液晶驅動自檢是定期回讀液晶屏驅動電壓和背光電源電壓值確定其是否工作正常。
5、隨機故障處理技術。現在對于現場很難重現的問題越來越多，這樣的問題對于工程師來說基本上束手無策，本方法可以把裝置出現的任意一次故障都記錄下來，結合裝置自檢信息、溫濕度信息及各個關鍵信號的閉環監測，對于很多問題可以定位原因，找到問題根本，根據故障點的逐一排查，可以解決很多隨機故障。
圖I為基于RFID的繼電保護裝置狀態監測電路示意圖2為手持設備巡檢器電路結構示意圖3為天線安裝示意圖4為RFID芯片和液晶驅動電壓電路圖5為讀取RFID芯片數據流程圖6為改寫RFID芯片數據流程圖。
具體實施方式
下面根據附圖和實施案例對本發明做進一步詳細說明。
本發明提供一種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測設備，如圖I所示為基于RFID的繼電保護裝置狀態監測電路示意圖。該方法通過手持設備狀態巡檢器和繼電保護裝置液晶面板上的RFID芯片通信，定期收集繼電保護裝置運行狀態信息。液晶面板和繼電保護裝置保護板卡通過扁平電纜連接，扁平電纜包括電源和RS485信號，所有板卡自檢及故障信息都會由保護板卡發送給液晶面板的M4單片機，由M4單片機處理后把數據存入RFID芯片中。繼電保護裝置液晶面板包括RFID天線、射頻匹配電路、RFID芯片、M4單片機、溫濕度傳感器、供電電壓監測電路、自檢電路和液晶顯示電路。M4單片機采用Cortex M4架構處理器，功耗低、速度快，集成SPI、I2C、以太網、ADC采樣等功能，采用單片模式，保證FLASH和RAM不會出錯，增加可靠性。M4單片機連接溫濕度傳感器、供電電壓監測電路、自檢電路和液晶顯示電路。溫濕度傳感器采用溫濕度合一芯片SHT11，表貼安裝在靠近板卡一側，保證測量的溫濕度值和實際機箱內部溫濕度一致，采用I2C接口連接M4單片機。測量溫度范圍-40°C 120°C，測量濕度范圍O 100%，誤差小于1°C。M4單片機通過模糊控制算法預測板卡生命周期，模糊控制算法根據不同的因素對板卡壽命的影響劃分不同的權重。影響因子有自檢信息、溫度信息、濕度信息、運行時間、板卡啟動次數和電源電壓大小。液晶面板自檢信息通過自檢電路得到，其它保護板卡自檢信息通過通信獲得，溫度、濕度信息通過周期讀取溫濕度傳感器獲得，電源電壓通過電壓檢測電路獲得，運行時間和啟動次數通過M4單片機計數器記錄，根據這些影響因子權重大小計算液晶壽命、電源壽命和其它關鍵器件壽命，根據自檢信息記錄板卡故障，提供維修告警。每個影響因子對應一個模糊控制規則表，模糊控制規則表是通過理論計算和專家經驗獲得，根據不同環境情況查表可以選擇不同的系數，由于溫度對電源和液晶影響最大，所以這里給出環境溫度模糊控制規則表如表I所示，溫度和時間的語言值均分為13個語言值_6 6，隸屬度函數采用靈敏性強的三角函數。根據不同溫度下運行時間查到一個值，這個值去模糊化后得到一個系數，這個系數乘以運行時間，然后再乘以影響因子系數，得到已經消耗的電源壽命，從而可以得到電源剩余壽命，比如電源板在正常情況(25°C，70%濕度、每月啟動一次，紋波小于5%)下工作時間為40000小時，在70°C溫度情況下工作了 1000小時，那么電源剩余壽命為40000-1000*4 (去模糊化系數)*0. 6 (溫度影響因子系數)=37600小時。表I環境溫度模糊控制規則
權利要求
1.一種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測設備，包括手持設備狀態巡檢器、繼電保護裝置液晶面板；其特征為 所述的繼電保護裝置液晶面板包括RFID天線、射頻匹配電路、RFID芯片、單片機、溫濕度傳感器、供電電壓監測電路、液晶顯示電路和通信電路； 所述單片機連接溫濕度傳感器、供電電壓監測電路、液晶顯示電路和通信電路，單片機通過所述溫濕度傳感器周期測量并記錄繼電保護裝置內部運行溫度和濕度信息，通過所述供電電壓監測電路實時檢測繼電保護裝置的電源電壓，通過所述通信電路與繼電保護裝置中的保護板卡通信獲得保護板卡采集到的繼電保護裝置中所有板卡的自檢信息； 所述單片機與RFID芯片相連，并將所述繼電保護裝置運行狀態信息、繼電保護裝置中所有板卡的硬件狀態自檢信息、繼電保護裝置內部運行溫濕度信息寫入RFID芯片中； 所述RFID芯片、射頻匹配電路以及RFID天線順次相連，所述RFID芯片通過RFID天線與手持設備狀態巡檢器進行通信，將RFID芯片中存儲的信息傳輸至手持設備狀態巡檢器。
2.根據權利要求I所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述RFID天線安裝在繼電保護裝置液晶面板周圍的液晶顯示區與有效顯示區之間，所述天線采用70厘米長的環形陶瓷天線。
3.根據權利要求I所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述RFID芯片采用雙電源供電方式，即繼電保護裝置電源和超級電容兩種供電方式。
4.根據權利要求I所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述單片機為采用Cortex M4架構處理器的M4單片機。
5.根據權利要求I所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述溫濕度傳感器采用溫濕度合一芯片SHTl I，表貼封裝，安裝在靠近繼電保護裝置板卡一側。
6.根據權利要求I所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述液晶面板和繼電保護裝置保護板卡通過扁平電纜連接，并通過扁平電纜中的RS485接口通信，保護板卡采集繼電保護裝置中所有板卡自檢及故障信息并發送給液晶面板中的單片機。
7.根據權利要求1-6任一權利要求所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述繼電保護裝置液晶面板還進一步包括自檢電路，并將自檢信息寫入RFID芯片； 所述自檢電路包括RS485通信端口自檢、RFID芯片自檢和液晶驅動自檢功能； RS485通信端口自檢是通過周期性巡檢所述液晶面板是否能正確接收到繼電保護裝置管理板發送的鏈路檢查報文來確認RS485通信端口是否正常，當誤碼率到達設定的程度時就確認RS485通信口故障，發出告警并記錄到RFID芯片中； RFID芯片自檢由M4單片機先將驗證信息寫入RFID芯片的特定區域，再將該區域的數據讀出來，與之前寫入的數據進行對比校驗，驗證RFID芯片的可讀寫性； 液晶驅動自檢是定期回讀液晶屏驅動電壓和背光電源電壓值確定其是否工作正常。
8.根據權利要求7所述的繼電保護裝置狀態監測設備，其特征在于所述單片機通過模糊控制算法根據板卡硬件狀態自檢信息、繼電保護裝置內部運行溫度和濕度信息、繼電保護裝置的電源電壓信息，以及繼電保護裝置的運行時間和啟動次數計算板卡壽命，并將板卡壽命寫入RFID芯片。
9.根據權利要求1-8所述的繼電保護裝置狀態監測設備的監測方法，其特征在于通過所述手持設備狀態巡檢器讀取RFID芯片數據，用戶持所述手持設備狀態巡檢器靠近裝置液晶面板，打開電源，所述RFID芯片感應出2. 5V以上電壓信號，觸發單片機外部中斷，單片機停止對RFID芯片的所有操作；巡檢器獲得RFID芯片的ID號，和預先存儲在巡檢器上的ID號對比，如果不同則停止操作，如果相同，則需要進一步輸入用戶密碼；用戶密碼不符，停止操作，用戶密碼正確，則巡檢器可以讀取RFID芯片中的數據，數據的最后2個字節為CRC校驗，如果CRC校驗不正確，則重新讀取直到正確為止，如果CRC校驗正確，則通信成功，巡檢器記錄從RFID芯片讀取的數據信息；當關掉所述手持設備狀態巡檢器電源時，單片機恢復對RFID芯片的正常操作。
10.根據權利要求1-8所述的繼電保護裝置狀態監測設備的監測方法，其特征在于通過所述手持設備狀態巡檢器改寫RFID芯片數據，用戶持巡檢器靠近裝置，打開電源，RFID芯片感應出2. 5V以上電壓信號，觸發單片機外部中斷，單片機停止對RFID芯片的所有操作；巡檢器獲得RFID芯片的ID號，和預先存儲在巡檢器上的ID號對比，如果不同則停止操作，如果相同，則需要進一步輸入用戶密碼；用戶密碼不符，停止操作，用戶密碼正確，則進一步解鎖RFID芯片中用戶數據區鎖定狀態寄存器后，再向RFID芯片寫入數據；數據寫完后，對用戶區鎖定狀態寄存器鎖定，防止意外改寫；然后重新讀取前面寫入的數據值，和存儲在巡檢器上的值進行校正，如果不正確，則需要重新寫入；關掉巡檢器電源時，單片機恢復對RFID芯片的正常操作。
全文摘要
一種基于RFID的繼電保護裝置狀態監測設備和監測方法，通過手持設備狀態巡檢器定期讀取裝置內置RFID芯片中記錄的繼電保護裝置狀態信息，RFID天線安裝在機箱的前液晶面板上，通過射頻匹配電路連接到RFID芯片上。裝置調試狀態信息在裝置出廠時由手持狀態巡檢器寫入RFID芯片相應位置，M4單片機負責將裝置運行狀態信息、板卡硬件狀態自檢信息等周期地寫入RFID芯片；同時周期地采樣機箱的溫濕度信息、供電電壓信息，根據這些信息計算板卡壽命，并將機箱溫濕度信息和板卡壽命寫入RFID芯片。本申請的監測設備以及監測方法具有通用性強、性能可靠、電路簡單、斷電可讀取等特點，可對很多難以重復的故障問題提供有力的分析依據。
文檔編號G06K19/07GK102983633SQ201210568748
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者徐萬方, 劉濤, 胡炯, 徐剛, 蔣新成, 楊志濤, 王洪亮, 王世偉 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司