徐人恒，曲井致，李迪星，依溥治，郭龍弟

（哈爾濱電工儀表研究所，哈爾濱 150028）

0 引 言

資產(chǎn)全壽命周期管理作為一種先進(jìn)的決策方法和管理理念，通過(guò)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、采購(gòu)檢驗(yàn)、運(yùn)行維護(hù)與報(bào)廢清理等全過(guò)程的統(tǒng)籌管理，在滿足使用需求和資產(chǎn)安全可靠運(yùn)行的條件下，使資產(chǎn)在安全、能效、成本等方面達(dá)到整體的最優(yōu)［1］。2009年下半年至2015年上半年，國(guó)家電網(wǎng)共進(jìn)行了24次智能電能表招標(biāo)，智能電能表的招標(biāo)量超過(guò)3.3億只，由于電能表資產(chǎn)的分散性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，資產(chǎn)管理一直是電網(wǎng)企業(yè)管理的重要環(huán)節(jié)。電能表資產(chǎn)管理不僅包括對(duì)固定資產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的日常維護(hù)管理，還包括對(duì)固定資產(chǎn)存量和分布狀態(tài)的管理，并涉及到計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性［2-3］。

目前國(guó)家電網(wǎng)的電能表壽命周期管理基本上是從招標(biāo)采購(gòu)開(kāi)始，而制造環(huán)節(jié)的相關(guān)監(jiān)控管理還沒(méi)有開(kāi)展。建立從儀表設(shè)計(jì)、關(guān)鍵元件采購(gòu)、制造過(guò)程、出廠檢驗(yàn)等閉環(huán)的全壽命周期管理對(duì)電網(wǎng)企業(yè)資產(chǎn)管理有著實(shí)際的作用，同時(shí)也為電力需求側(cè)管理和智能電能表可靠性評(píng)價(jià)體系的完善提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

文中將 RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)［4］與網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)平臺(tái)［5］應(yīng)用于智能電能表全壽命周期管理系統(tǒng)中，旨在建立更加完善的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括RFID智能電能表設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造流程全過(guò)程管理、自動(dòng)校驗(yàn)裝置、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)［6］、本地?cái)?shù)據(jù)抄收系統(tǒng)、云平臺(tái)管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)將有效地提髙電能表資產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度，減少勞動(dòng)量，降低電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本［7］。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)在智能電能表生產(chǎn)過(guò)程管理、出廠檢測(cè)設(shè)置、倉(cāng)儲(chǔ)管理、用戶驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、維修報(bào)廢等幾個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理，各個(gè)環(huán)節(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)交互均通過(guò)RFID技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸。

RFID標(biāo)簽?zāi)軌蛑С挚焖僮x寫、移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位跟蹤管理等功能。通過(guò)RFID技術(shù)解決方案，可以實(shí)現(xiàn)物品跟蹤與信息共享，同時(shí)提高識(shí)別效率［3］，該技術(shù)的發(fā)展為閉環(huán)智能電能表全壽命周期管理的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)可能。

通過(guò)有源RFID芯片在儀表中的植入，賦予了智能電能表生命，可以在通電和非通電情況下，實(shí)現(xiàn)和儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，并將各個(gè)階段的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)平臺(tái)。利用RFID的防沖突機(jī)制實(shí)現(xiàn)多通道多標(biāo)簽同時(shí)讀寫，可實(shí)現(xiàn)智能電能表多參數(shù)設(shè)置、快速檢測(cè)及校準(zhǔn)、本地?cái)?shù)據(jù)抄收、在線故障診斷。有源RFID數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，具備一定距離的數(shù)據(jù)傳輸、接收能力。云平臺(tái)的搭建有助于客戶快速便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電能表全壽命周期管理，能夠?qū)崿F(xiàn)智能電能表大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、過(guò)濾提取、統(tǒng)計(jì)分析、查詢報(bào)表等。

2 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

2.1 基于有源RFID芯片設(shè)計(jì)的智能電能表

基于RFID技術(shù)的智能電能表，工作在超高頻頻段，支持無(wú)線射頻讀寫，可以通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。芯片的存儲(chǔ)區(qū)按分塊管理，可以分別鎖定和口令保護(hù)，支持密碼保護(hù)讀取控制，低功率的讀取和寫入操作，數(shù)據(jù)保存時(shí)間不少于100年，存儲(chǔ)安全性高、防篡改。符合EPC Global Class1 Gen2（V1.2.0）規(guī)范，以及ISO/IEC 18000-6C協(xié)議，全球唯一識(shí)別碼［8］。基于RFID的智能電能表具有如下功能：

各工序信息的寫入和讀出，可支持生產(chǎn)環(huán)節(jié)流程控制，通過(guò)RFID校驗(yàn)，可精簡(jiǎn)校驗(yàn)設(shè)備的器件，降低校驗(yàn)設(shè)備的成本，提供工序的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

支持RFID本地抄表，可替代紅外抄表。不受距離、位置、光照強(qiáng)度的影響，且不必人工輸入表號(hào)（或輸入位置信息），通過(guò)RFID的自動(dòng)讀取功能，可實(shí)現(xiàn)一鍵抄收。

智能電能表在不通電的情況下，依然能夠通過(guò)RFID讀取智能電能表中的各種參數(shù)信息，如制造廠商、出廠日期、制造時(shí)間、表號(hào)、地址號(hào)、參數(shù)、等級(jí)、物品屬性（電能表屬性）、安裝位置（支持現(xiàn)場(chǎng)寫入）等。

2.2 生產(chǎn)制造流程全過(guò)程管理

在儀表制造所有環(huán)節(jié)設(shè)置RFID讀寫系統(tǒng)，使得制造設(shè)備與產(chǎn)品（RFID智能電能表）之間能夠?qū)崟r(shí)溝通，全面管控產(chǎn)品的裝配、老化、校驗(yàn)、檢驗(yàn)、倉(cāng)儲(chǔ)、維修等環(huán)節(jié)的總體情況。實(shí)現(xiàn)智能電能表在智能制造流程中的自動(dòng)定位，工序狀態(tài)設(shè)置、自動(dòng)流程管理等。

2.3 基于RFID無(wú)線通信的自動(dòng)校驗(yàn)裝置

校驗(yàn)裝置與智能電能表摒棄傳統(tǒng)的RS485和紅外通訊方式，采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能表和檢定裝置的通信，進(jìn)行電能表的校準(zhǔn)和檢驗(yàn)。每臺(tái)智能電能表在生產(chǎn)完成后，其內(nèi)部的RFID芯片都有一個(gè)全球唯一識(shí)別碼，檢定裝置通過(guò)RFID無(wú)線讀寫設(shè)備依次完成每臺(tái)電能表的準(zhǔn)確度校準(zhǔn)。校表和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)自動(dòng)檢表裝置的RFID通道傳入被檢電能表RFID芯片，為電力用戶驗(yàn)收比對(duì)提供依據(jù)。最后，將電能表相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳至云平臺(tái)。

2.4 智能電能表倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)

智能電能表倉(cāng)儲(chǔ)管理與現(xiàn)有的國(guó)家電網(wǎng)管理系統(tǒng)一致。由于有源RFID芯片的信息存儲(chǔ)量大，抗腐蝕、抵御惡劣環(huán)境強(qiáng)等特點(diǎn)，系統(tǒng)將智能電能表關(guān)鍵參數(shù)（如誤差、基準(zhǔn)電流、電壓、常數(shù)、制造廠信息等）寫入到電能表的RFID芯片中，這樣在進(jìn)出庫(kù)房時(shí)電能表存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)和庫(kù)房管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行核對(duì)，減少管理失誤［9］。同時(shí)將電能表出庫(kù)派發(fā)地信息也存入表內(nèi)芯片，提高儀表運(yùn)送安裝的安全性。

2.5 RFID智能電能表本地?cái)?shù)據(jù)抄收系統(tǒng)

普通電能表的現(xiàn)場(chǎng)抄收是基于紅外設(shè)備，局限性較多，操作不便利。RFID智能電能表在進(jìn)行本地抄收時(shí)，無(wú)需像紅外抄表一樣固定位置，只需通過(guò)電能表內(nèi)置的RFID天線（有效距離為5米）自動(dòng)識(shí)別讀寫裝置并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)通過(guò)智能手機(jī)采用藍(lán)牙轉(zhuǎn)RFID模式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，并通過(guò)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)一體化管理。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)抄收工作更簡(jiǎn)單、更快捷、并能實(shí)現(xiàn)多表集抄。

2.6 云平臺(tái)管理系統(tǒng)

完整的智能電能表全壽命周期管理系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)、智能電能表和云平臺(tái)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，包括智能電能表的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、校準(zhǔn)、倉(cāng)儲(chǔ)管理、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、維修記錄以及報(bào)廢處理等等?？蓪?shí)現(xiàn)智能電能表全壽命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)追蹤溯源。

云平臺(tái)管理系統(tǒng)包括云平臺(tái)運(yùn)行評(píng)估系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)云平臺(tái)系統(tǒng)。云平臺(tái)運(yùn)行評(píng)估系統(tǒng)對(duì)電能表整個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估狀態(tài)采取相應(yīng)的措施。實(shí)時(shí)獲取智能電能表在實(shí)際環(huán)境中相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)表法和現(xiàn)場(chǎng)周期檢驗(yàn)得到的誤差數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估復(fù)雜的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)智能電能表準(zhǔn)確性、可靠性的影響，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)分析狀態(tài)量構(gòu)成及權(quán)重，制定狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而建立運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估方法，并在此基礎(chǔ)上提出電能表檢修策略。

智能電能表的數(shù)據(jù)規(guī)模大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)聯(lián)度高，使用簡(jiǎn)單的腳本語(yǔ)言預(yù)處理已無(wú)法解析過(guò)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法做到有效監(jiān)控。大數(shù)據(jù)云平臺(tái)支持海量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［10］，提供豐富的數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)手段，具有靈活的數(shù)據(jù)整合能力和安全訪問(wèn)機(jī)制，能提供高性能數(shù)據(jù)分析處理等服務(wù)。

3 RFID智能電能表設(shè)計(jì)

RFID智能電能表是以智能電能表為基礎(chǔ)，加入RFID數(shù)據(jù)通信模塊，以實(shí)現(xiàn)智能電能表的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)高頻無(wú)線傳輸?shù)哪康?。主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，RFID模塊通過(guò)I2C總線與主控模塊相連，RFID模塊包括RFID射頻芯片與RFID射頻天線。

RFID模塊的具體工作流程如圖2所示。當(dāng)RFID天線接收到外界讀寫設(shè)備發(fā)來(lái)的讀寫指令時(shí)，判斷該指令是否與本臺(tái)電能表相關(guān)，如果不相關(guān)，不采取任何操作，如果相關(guān)，則按照該指令查詢相應(yīng)的信息，再通過(guò)RFID天線將信息發(fā)送到外部讀寫設(shè)備。

此外，RFID芯片自有協(xié)議及相應(yīng)的存儲(chǔ)空間高效利用，也是RFID智能電能表的研究重點(diǎn)。為整合信息節(jié)約存儲(chǔ)空間，RFID芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)根據(jù)功能要求分為參數(shù)區(qū)、電量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、制造環(huán)節(jié)信息存儲(chǔ)區(qū)。參數(shù)區(qū)保存如下數(shù)據(jù)：生產(chǎn)廠商、表號(hào)、規(guī)格、出廠日期等。電量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保存如下數(shù)據(jù)：當(dāng)前組合有功總、供電電壓、供電電流、費(fèi)率時(shí)段等。制造環(huán)節(jié)信息存儲(chǔ)區(qū)保存如下數(shù)據(jù)：保存制造工序各環(huán)節(jié)的所有信息。

4 試驗(yàn)測(cè)試

因?yàn)镽FID智能電能表增加了無(wú)線通信模塊，所以電磁兼容性的測(cè)試是非常必要的。

圖1 RFID智能電能表主要結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Main structure block diagram of RFID smart meters

圖2 RFID智能電能表射頻部分工作流程圖Fig.2 RF partial work flow chart of RFID smart meters

將基于RFID射頻芯片的智能電能表進(jìn)行電磁兼容實(shí)驗(yàn)，主要是進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)抗干擾實(shí)驗(yàn)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17215.321-2008中的要求，進(jìn)行80 MHz到1 000 MHz的測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如圖3所示，RFID智能電能表在80 MHz到1 000 MHz的電磁干擾下，實(shí)際相對(duì)誤差改變均小于0.3%，符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不大于3.0%的要求，表明增加的RFID通信模塊對(duì)電能表影響不大。

對(duì)RFID智能電能表中的RFID天線通訊可能引發(fā)的對(duì)計(jì)量模塊的影響也進(jìn)行了測(cè)試。由于RFID天線在沒(méi)有外部讀寫器通信時(shí)并不工作，所以只需檢測(cè)外部讀寫器與RFID電表距離不同時(shí)，對(duì)RFID電表誤差的影響。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖3 RFID智能電能表的射頻電磁場(chǎng)抗干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of RF electromagnetic field immunity test for RFID smart meters

表1 RFID通訊干擾測(cè)試Tab.1 RFID communication interference testing

在5組測(cè)試中，將外部讀寫器分別放置于RFID電表的0.1 m，0.5 m，1.0 m，2.0 m，3.0 m，4.0 m以及∞處（關(guān)閉讀寫器），測(cè)試結(jié)果為RFID電能表的誤差基本處于0.068% ～0.074%之間，關(guān)閉讀寫器之后，誤差并無(wú)明顯變化，說(shuō)明外部讀寫器與內(nèi)置RFID天線的通信不會(huì)對(duì)RFID智能電能表的測(cè)量誤差造成影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中運(yùn)用RFID技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，構(gòu)建了智能電能表從生產(chǎn)制造到維修報(bào)廢的全壽命周期管理系統(tǒng)。并且對(duì)RFID智能電能表進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明RFID智能電能表符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

文中重點(diǎn)研究了應(yīng)用RFID無(wú)線技術(shù)進(jìn)行儀表誤差的校準(zhǔn)、本地多表數(shù)據(jù)采集等技術(shù)問(wèn)題，很多方面的技術(shù)成果正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本系統(tǒng)對(duì)加強(qiáng)電網(wǎng)企業(yè)的電力需求側(cè)管理及智能電能表可靠性評(píng)價(jià)體系的完善具有重要作用。