針對地下電纜防破壞裝置的供電電路設(shè)計(jì)

楊霽，王濤，薛志鵬，劉林，況林杰，趙蕊

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司，重慶，401420；2.重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶，400054)

0 引言

隨著人們對城市環(huán)境美化程度要求的提高，城市配電網(wǎng)絡(luò)逐漸從架空線路的使用轉(zhuǎn)換為電力電纜的大量使用，但隨之而來將面臨電力電纜由于城市道路施工、電纜溝道沁水等情況引發(fā)的電纜線路遭受外力破壞情況。于是，能夠快速準(zhǔn)確的在故障前對電力電纜防外力破壞進(jìn)行預(yù)警顯得十分重要。

目前，感知層的電子及傳感器設(shè)備的能源供給大都依賴于傳統(tǒng)的化學(xué)電池，雖然這種能源供給方式較為穩(wěn)定，但是電纜布線復(fù)雜、繁瑣，適應(yīng)環(huán)境要求高，另外電池供電壽命有限，更換電池費(fèi)時又費(fèi)力。

為保障電力電纜防外破壞裝置能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，本文為其提供了一種可靠供電方式，采用市電、太陽能和鋰電池互補(bǔ)的方式為其負(fù)載供電，為今后對于電力電纜防外破壞的研究打下基礎(chǔ)。本次供電設(shè)計(jì)采用以下方案：當(dāng)工作環(huán)境周圍有可供使用的市電時，通過將市電經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換為可靠直流電直接給負(fù)載供電。但當(dāng)現(xiàn)場沒有可直接使用的外部電源時，采用太陽能和鋰電池結(jié)合的方式進(jìn)行供電。當(dāng)太陽能充足的時候，在給負(fù)載供電的同時也給鋰電池充電，若在太陽能不足時，則只由鋰電池為負(fù)載供電。通過靈活的供電方案，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，解決監(jiān)測系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的供電不足的難題。

1 電源總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)具有兩種供電方式。第一種供電方式為將220V市電變換為穩(wěn)定直流電為負(fù)載供電；第二種供電方式則由太陽能、鋰電池共同供電，首先對太陽能進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制，使太陽能始終于最大功率點(diǎn)輸出，來提高能量收集效率，然后通過能量管理電路判斷是否有充足的太陽能，若太陽能充足時，那么太陽能經(jīng)過穩(wěn)壓過后直接給負(fù)載供電同時又給鋰電池充電，若太陽能不充足時，則由鋰電池給負(fù)載供電。同時鋰電池不能過度充電也不能過度放電，過充和過放會對鋰電池的使用壽命產(chǎn)生影響，所以必須對鋰電池進(jìn)行過充過放保護(hù)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 市電供電電路設(shè)計(jì)

若在負(fù)載附近存在市電，則優(yōu)先考慮利用市電為負(fù)載供電。圖2為在Multisim中搭建的電路圖，該電路主要由降壓、整流濾波、穩(wěn)壓模塊構(gòu)成。市電用220V交流電壓源表示。

圖2 仿真電路圖

■2.1 降壓模塊

首先，要對220V的交流電作降壓處理，降壓后的電壓為12V。系統(tǒng)通過一個變比為18:1的變壓器實(shí)現(xiàn)降壓變換，同時起到一個隔離的作用，將市電與后面的電路隔離，保證了后面電路的安全。

■2.2 整流濾波模塊

本文仿真中采用4個二極管組成全波整流橋，將降壓后的交流電壓接變?yōu)橹绷麟姡骱蟮牟ㄐ稳鐖D3所示，由于在仿真軟件中各個器件都是理想的，所以整流后的波形為全為正的連續(xù)半波。整流后需要濾波，可以很大程度上減少雜波，可得到比較純凈的直流電[1]，本次設(shè)計(jì)采用電容濾波。

圖3 整流后波形

■2.3 穩(wěn)壓模塊

經(jīng)過整流濾波后得到的直流電相比于負(fù)載所需要的電壓仍然較大，且市電存在波動，輸出的直流電也是不穩(wěn)定的，為了給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，需經(jīng)過穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定為5V輸出。

LM2596擁有1.2V~37V的可調(diào)輸出電壓，有著3.3V，5V，12V經(jīng)典穩(wěn)壓值。LM2596的調(diào)壓誤差在4%以內(nèi)，且具有完善的保護(hù)電路，電流限制等功能，所需要的外圍器件極少。根據(jù)性能指標(biāo)，本次設(shè)計(jì)選取LM2596-5V的穩(wěn)壓電路。

關(guān)于LM2596的外圍電路，廠方已經(jīng)給出了參考電路，這里不做修改，值得注意的是，由于外圍電路存在電感，故在制作實(shí)體電路時，反饋線要盡量避免電感，減少電磁干擾。穩(wěn)壓后的波形如圖4所示。可以看出此電路可以將電壓穩(wěn)定在5V左右。

圖4 穩(wěn)壓后波形

3 太陽能供電電路設(shè)計(jì)

太陽能是一種十分有潛力的清潔能源，太陽能的利用對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)有著重要意義，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能也成為了最為方便采集的環(huán)境能量之一，同時，太陽能作為市電的后備能源，可以有效地解決在惡劣環(huán)境中供電不穩(wěn)定的問題[2]。

光伏發(fā)電的基本原理是光生伏特效應(yīng)，即當(dāng)太陽光照射到光伏電池上時，利用半導(dǎo)體器件將太陽能直接轉(zhuǎn)化為直流電能，其核心組成部分是半導(dǎo)體P-N結(jié)[3]。

■3.1 太陽能數(shù)學(xué)模型

當(dāng)光伏電池被一定光照強(qiáng)度的太陽光照射時可以看作是一個理想的恒流電源，所以可以將光伏電池等效電路表示如圖5所示，用恒流源和二極管并聯(lián)表示。其中IPH為等效電流源的內(nèi)電流；RSH為內(nèi)部的等效旁路電阻，一般為千歐數(shù)量級；RS為內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻（小于1歐姆）[4]；RL表示光伏電池的等效外接負(fù)載電阻。圖6為光伏電池伏安特性曲線。ISC為光伏電池短路電流；VOC為開路電壓；圖中陰影部分面積S表示光伏電池的輸出功率。在光伏電池正常工作時，為了提高太陽能的利用率，通常讓其輸出功率達(dá)到最大，所以在輸出電壓不斷變化的過程中必定存在一個電壓Vm使光伏電池的輸出功率達(dá)到最大Pm，通常情況下該最大功率點(diǎn)的電壓Vm大概為輸出電壓VOC的80%。

圖5 光伏電池等效電路圖

圖6 光伏電池伏安特性曲線

根據(jù)光伏電池等效電路和伏安特性曲線，可將光伏電池的物理模型轉(zhuǎn)換成為數(shù)學(xué)模型，其描述如下[4]：

其中Ipn為P-N結(jié)二極管的電流；ISH為流過等效旁路電阻的電流；IS為等效二極管的逆向飽和電流，與光電材料有關(guān)，一般看作常數(shù)；k為Boltzmann常數(shù)（1.38×10-23J/K）；q為電子電荷量（1.602×10-19）；T為環(huán)境中的絕對溫度開爾文；A為光伏電池內(nèi)部P-N結(jié)的曲線常數(shù)[5]。

■3.2 MPPT控制

光伏電池的最大功率點(diǎn)位置會隨著電池在溫度或光照條件下的不同而不同，因此在光伏發(fā)電中為提高整個系統(tǒng)的效率，一個重要的方法就是使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近。MPPT控制就是根據(jù)光伏電池的輸出電壓和電流的情況來調(diào)整PWM波的占空比，改變DC/DC電路開關(guān)管的開關(guān)周期，從而改變占空比調(diào)整光伏電池的輸入阻抗，與負(fù)載阻抗產(chǎn)生動態(tài)匹配[6],當(dāng)光伏內(nèi)阻等于負(fù)載電阻時，光伏電池以最大功率輸出。目前，在光伏發(fā)電中運(yùn)用較為廣泛的最大輸出功率跟蹤方法主要有定電壓法、最優(yōu)梯度法、恒壓跟蹤法、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法等。相比其他控制方法。電導(dǎo)增量法具有精度高、快速跟蹤、穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用電導(dǎo)增量法，其控制原理如下[7]：

設(shè)光伏電池輸出功率：

將式7對V求導(dǎo)得：

如圖7電導(dǎo)增量法最大功率跟蹤控制原理圖所示，圖中Pm為最大輸出功率，Vm是最大輸出功率點(diǎn)輸出電壓；Pn是光伏電池當(dāng)前輸出功率，Vn是當(dāng)前輸出功率點(diǎn)對應(yīng)的電壓。當(dāng)時，V=Vm。

圖7 電導(dǎo)增量法最大功率跟蹤控制原理圖

分別將上述3種情況代入式（8）：

當(dāng)V

當(dāng)V>Vm時，

當(dāng)V=Vm時，

4 鋰電池管理電路

本次設(shè)計(jì)采用鋰電池對能量進(jìn)行儲存，鋰電池具有使用壽命長，充放電次數(shù)能夠達(dá)到500-1000次，存儲能量密度高，沒有記憶效應(yīng)，可隨時補(bǔ)充等優(yōu)點(diǎn)。鋰電池得安全工作電壓在3.2V~3.6V之間，所以當(dāng)電池的工作電壓高于3.6V或低于3.2V時，電池將會受到警戒，電壓繼續(xù)上升或者下降將會出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象，會影響到電池的使用性能和壽命，因此在電池的充放電過程中，需要控制電池的端電壓處于安全范圍內(nèi)[8]。

■4.1 鋰電池充電管理

本次設(shè)計(jì)中，充電管理電路如圖8所示，其中充放電控制芯片為BL4056B。BL4056B內(nèi)部集成了恒壓、恒流、防倒灌和熱保護(hù)等諸多功能，在大功率和高溫環(huán)境下對芯片溫度加以限制，其充電電流可以通過外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且，在充電電流達(dá)到最終浮充電壓之后將至設(shè)定值1/10時，BL4056B將自動停止充電。

圖8 鋰電池充電管理電路

電池充電時，7管腳輸出低電平，D4燈亮，表示充電正在進(jìn)行，充電電流由2管腳與地之間的電阻決定，當(dāng)充電結(jié)束時，7管腳輸出高阻態(tài)，6管腳輸出低電平，D3燈亮。

■4.2 鋰電池保護(hù)電路

如果鋰電池在充滿的狀態(tài)下繼續(xù)充電的話將會導(dǎo)致電池的正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如果電池一直處于過放電狀態(tài)，會使電池內(nèi)部發(fā)熱，同時使電池正負(fù)極活性物的可逆性受到損壞，除此之外鋰電池在使用的過程中還必須考慮過溫和過流的情況，不管是哪一種情況都會對鋰電池造成不好的影響，所以必須對鋰電池進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，從而提高電池的使用壽命。

鋰電池保護(hù)電路如圖9所示。本次設(shè)計(jì)采用R5421芯片對鋰電池進(jìn)行保護(hù)，該芯片能夠?qū)︿囯姵剡M(jìn)行過充、過放保護(hù)，同時還可以防止外部短路電流過大。Dout為過放保護(hù)輸出腳，Cout為過充保護(hù)輸出腳，當(dāng)檢測到電池電壓高于一個閾值的時候，Cout腳就會轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑珻MOS管將不會導(dǎo)通，將電源與電池?cái)嚅_；當(dāng)檢測到電壓低于另一個閾值時，Dout將會轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瑢㈦娫磁c電池連接，給電池充電。當(dāng)檢測到過電流時，將負(fù)載與電池分離，Dout電平切換為高電平。

圖9 鋰電池保護(hù)電路

■4.3 能量管理電路

能量管理電路采用兩路電源自動切換電路，第一路為當(dāng)太陽能的能量足夠的時候，太陽能經(jīng)穩(wěn)壓電路后既給負(fù)載供電又給鋰電池充電，此時電池不給負(fù)載供電；當(dāng)太陽能的能量不夠的時候自動切換到第二路，則只由電池給負(fù)載供電。在兩路電源的自動切換過程中需保證無震蕩，并且具有較小的能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)對電能的管理,使負(fù)載得到長期穩(wěn)定的供電。

本次設(shè)計(jì)采用比較器來判斷太陽能是否有足夠的能量給負(fù)載供電。其設(shè)計(jì)方案如圖10所示：首先采集光伏電池兩端的輸出電壓，與參考電壓Vref作比較，當(dāng)光伏電池的輸出高于Vref時，比較器輸出高電平，使三極管Q1導(dǎo)通，太陽能經(jīng)過穩(wěn)壓過后給負(fù)載供電同時又給鋰電池充電，這里的穩(wěn)壓電路與上述市電穩(wěn)壓模塊電路一樣，故不再贅述，比較器輸出高電平后經(jīng)過一個反相器使三極管Q2截止，鋰電池不再向負(fù)載供電；當(dāng)光伏電池的輸出電壓小于Vref時，則比較器輸出低電平，三極管Q1不能導(dǎo)通，同時比較器的輸出經(jīng)過一個反相器輸出為高電平，使三極管Q2導(dǎo)通，鋰電池給負(fù)載供電。

圖10 能量管理電路

5 結(jié)束語

本文為地下電纜防破壞裝置感知層中的電子及傳感器設(shè)計(jì)了一種可靠的供電電路，采用市電、太陽能和鋰電池互補(bǔ)的方式為其負(fù)載供電。當(dāng)現(xiàn)場有可用市電時，優(yōu)先考慮市電供電，當(dāng)沒有可用市電時，采用太陽能和鋰電池供電，利用MPPT控制技術(shù)，提高能源的利用率，通過能量管理，從而使負(fù)載得到長期穩(wěn)定供電，保障了電纜的安全運(yùn)行，通過對鋰電池的充放電及保護(hù)電路設(shè)計(jì)，保證了鋰電池的安全，延長了其工作周期。該設(shè)計(jì)具有實(shí)用性強(qiáng)、安全可靠性高、成本低，具有較好的推廣性的優(yōu)點(diǎn)，能夠給一些低功耗設(shè)備提供長期穩(wěn)定的電源。