輸電線低功耗監(jiān)測設(shè)備混合供電電源設(shè)計

陳新崗，趙 蕊，馬志鵬，賈 勇，鄒越越，朱 磊，黃宇楊

(1. 重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054; 2. 重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400054)

0 引 言

輸電線路的故障不僅會對用戶供電造成極大影響，而且還可能帶來其他經(jīng)濟損失[1]。在線監(jiān)測技術(shù)能夠監(jiān)測線路的實時狀況，并能夠?qū)σ恍┌踩[患進行預(yù)警，提高運維效率。然而，在線監(jiān)測設(shè)備存在供電的持續(xù)性不高、穩(wěn)定性不足且很大程度上依賴于電池容量等問題。其有效的解決方法是利用周圍環(huán)境能量，并加以儲存，為在線監(jiān)測設(shè)備供電[2]。

該領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究主要聚焦在能量收集和能量轉(zhuǎn)換儲存兩個方面[3-4]。環(huán)境能量收集研究主要向多種環(huán)境能量采集方法的方向發(fā)展，用以改善單一環(huán)境能量供電時出現(xiàn)的輸出不穩(wěn)定與供能不足問題[5-7]。而多種環(huán)境能量的綜合利用可以通過對能量轉(zhuǎn)換儲存的研究實現(xiàn)最優(yōu)化。即通過設(shè)計最優(yōu)的能量管理電路或利用低功耗器件來減小電路損耗，從而提高轉(zhuǎn)換效率[4]。其研究重點在于能量的管理方式，既要盡可能多地采集能量又要對采集的能量進行合理地存儲和分配[8]。

文獻[9]采用雙模組振動能量收集與管理方法解決了傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在高、低功耗模式下的長期自供電，但是由于輸電線路上的振動能較少，所以振動能的收集對于輸電線路不適用。文獻[10]利用電場感應(yīng)原理能夠為輸電線上功耗為2W的視頻設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，但這種取能方式存在絕緣問題且難以解決電氣隔離問題。文獻[11]采用鋰電池和太陽能聯(lián)合供電的方式對導(dǎo)線舞動監(jiān)測系統(tǒng)進行供電，保證了監(jiān)測系統(tǒng)長期連續(xù)運行，但采用太陽能仍然存在受環(huán)境影響大等缺點。

根據(jù)以上存在的問題，并結(jié)合架空輸電線路周圍存在的環(huán)境能量特點，本文設(shè)計了磁場取能和太陽能取能的綜合能量管理電路。該電路保障了為負(fù)載提供3.3 V不間斷的供電電壓，能夠有效改善僅一種環(huán)境能量采集的供能不足和輸出不穩(wěn)定的缺陷，其能量管理方案能夠提高能源的利用率，延長鋰電池的工作周期，且有效地提高了在線監(jiān)測設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

1 電路總體方案

該整體電路主要包括4個部分：環(huán)境能量、變換電路、儲能及負(fù)載、能量管理，如圖1所示。

圖1 電路整體框圖

因為環(huán)境能量包括磁場能和太陽能兩種能量，所以變換電路也按照兩種能量來源的不同分為對應(yīng)的兩部分。變換電路能夠?qū)沫h(huán)境中采集到的不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)換為可直接為負(fù)載供電的電能。電路包括沖擊保護、過壓保護、整流濾波、MPPT控制、穩(wěn)壓等模塊。儲能及負(fù)載部分將環(huán)境中采集的能量密度低且不穩(wěn)定的電能存儲起來，保證給負(fù)載提供更加穩(wěn)定的電源。該部分主要包括電容存儲、負(fù)載、鋰電池及其充電管理等模塊。能量管理部分實現(xiàn)上述環(huán)境能量、變換電路和儲能及負(fù)載三個部分的綜合管理，實現(xiàn)負(fù)載不間斷供電、能量合理分配、供能效率有效提升的目的。

2 磁場取能原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，在通有交流電流的導(dǎo)線周圍存在變化的磁場，從而導(dǎo)致磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。即實現(xiàn)電場能到磁場能，再到電場能的轉(zhuǎn)變[12]。

磁芯取能采集器如圖2所示。磁芯和環(huán)繞在磁芯上的線圈組成了該采集器，輸電線穿過磁芯，相當(dāng)于采集器的一次繞組。

圖2 磁芯取能采集器

由電機學(xué)理論可得，二次側(cè)電動勢和磁通的表達式為：

式中：f——電網(wǎng)頻率；

E2——二次側(cè)感應(yīng)電動勢；

Φm——主磁通；

N2——線圈二次側(cè)匝數(shù)；

Bm——磁感應(yīng)強度；

S——磁芯的橫截面積；

μ——磁導(dǎo)率；

Hm——磁場強度。

由安培環(huán)路定理可得：

式中：L——磁芯平均周長；

N1——線圈一次側(cè)匝數(shù)，這里通常為1；

i1——一次側(cè)電流。

將式（2）、（3）代入到式（1）中，則二次側(cè)的感應(yīng)電動勢可寫成：

由式（3）可知，一次側(cè)中電流增大會導(dǎo)致Hm增大；由式（4）可知，二次側(cè)電壓與一次電流、二次側(cè)匝數(shù)、磁芯材料和磁芯尺寸有關(guān)，并且在磁化曲線的線性區(qū)域里，一次電流與二次側(cè)感應(yīng)電壓成近似正比關(guān)系。

為研究上述磁芯取能中二次側(cè)電壓與一次側(cè)電流的關(guān)系，利用COMSOL Multiphysics 軟件搭建了仿真模型，如圖3所示。在仿真參數(shù)設(shè)置中，保持二次側(cè)的匝數(shù)為150匝，負(fù)載電阻為50 Ω不變，改變一次側(cè)激勵電流大小。

圖3 仿真等效模型

當(dāng)給一次側(cè)施加電流激勵為10 A時，其磁芯的磁通密度如圖4(a)所示。由圖可知，磁通密度最高值在磁芯內(nèi)側(cè)，而由內(nèi)到外磁通密度依次減小。圖4(b)為二次側(cè)負(fù)載上的感應(yīng)電壓。由于一次側(cè)施加的是正弦激勵，二次側(cè)所感應(yīng)出的電壓也是類似正弦波。

圖4 一次側(cè)電流10 A

當(dāng)一次側(cè)施的電流激勵為50 A時，其磁芯磁通密度和二次側(cè)電壓波形如圖5(a)、(b)所示。與圖4對比可知，激勵電流為50 A時的磁芯密度較激勵電流為10 A時的磁通密度升高了一個數(shù)量級，二次側(cè)電壓也由3.2 V上升到10.5 V。

圖5 一次側(cè)電流50A

當(dāng)一次側(cè)施加的電流激勵為200A時，二次側(cè)感應(yīng)電壓波形已出現(xiàn)畸變，磁芯進入飽和區(qū)，如圖6所示。二次側(cè)感應(yīng)電壓與一次激勵電流不再是線性關(guān)系。

圖6 磁芯飽和時電壓波形

上述分析表明，仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)相符，在磁芯磁化曲線的線性區(qū)域內(nèi)，二次側(cè)電壓與一次側(cè)電流成正比關(guān)系，增加一次側(cè)電流的大小可以改變二次側(cè)電壓，但同時要防止磁芯進入飽和區(qū)。

圖7為實測波形。經(jīng)過多次實驗確定磁芯材料為納米晶，尺寸為內(nèi)徑50 mm，外徑80 mm，厚度為25 mm。圖7(a)、7(b)、7(c)中一次電流分別施加1 A、10 A、50 A。由此可知一次側(cè)電流為10 A較一次側(cè)電流為1 A的二次側(cè)電壓大，由1.25 V升高到1.8 V；當(dāng)一次側(cè)電流為50 A時，二次側(cè)電壓波形出現(xiàn)畸變。再一次證明了實際與理論推導(dǎo)相符。

圖7 實測波形

3 硬件電路

3.1 微處理器電路

本次設(shè)計電路采用的微處理器是STC12C5A60S2，是一款高速、低功耗的新一代8 051單片機，速度是傳統(tǒng) 51單片的 8～12倍，有兩路 PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。單片機的原理圖如圖8所示。

圖8 微處理器電路

圖中P10-P17端口為電壓監(jiān)測端口，采集監(jiān)測點的電壓，確定電源的工作狀態(tài)；P00-P04為開關(guān)控制端口，控制開關(guān)管的開合狀態(tài)，在電路中充當(dāng)開關(guān)的作用，選擇相應(yīng)的供能通路；P4.2端口為PWM波輸出端，通過單片機實現(xiàn)MPPT控制，使得光伏電池與電路能夠?qū)崟r進行動態(tài)的匹配，從而保證以最大功率輸出。

3.2 磁場取能變換電路

圖9為磁場取能的變換電路，該電路包含沖擊保護模塊、整流濾波模塊、過壓保護模塊和穩(wěn)壓模塊。

圖9 磁場取能變換電路

為防止線路上因雷擊或其他原因突然產(chǎn)生大電流，感應(yīng)出的瞬間大電壓破壞后續(xù)電路的安全，需在電路前端設(shè)計沖擊保護電路，該模塊由瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)和壓敏電阻組成。

為給負(fù)載提供所需的直流電，需將磁場感應(yīng)出的交流電進行二極管整流并經(jīng)過電容做濾波處理。

由于整流電壓會隨著母線電流的增大而增大，為防止電壓超過后面芯片的最大電壓，需將電壓限制在安全的工作范圍內(nèi)。如圖9所示，過壓保護電路由觸發(fā)二極管DB3、MOSFET和大功率的小電阻組成。當(dāng)整流電壓較大時使觸發(fā)二極管導(dǎo)通，從而觸發(fā)MOSEFT導(dǎo)通，使電路中大部分電流流過小電阻和MOS管，從而使后面電路電壓下降；當(dāng)整流電壓較低時，觸發(fā)二極管則不能夠?qū)ǎ虼嗽撾娐凡粫ぷ鳎膊粫绊懞竺骐娐冯妷骸?/p>

線路上的低功耗傳感設(shè)備需要的供電電壓一般是低壓直流，而整流濾波后的電壓可能大于設(shè)備所需電壓，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3.3 V輸出，同時要滿足低功耗、體積小、外圍電路簡單等特點。本文穩(wěn)壓電路采用的芯片是降壓型LM317。輸出電壓可根據(jù)需要調(diào)節(jié)兩個外接電阻即可，其輸出電壓由下式計算可得：

3.3 太陽能取能變換電路

圖10為太陽能取能的變換電路，該電路由DC/DC模塊和穩(wěn)壓模塊組成。

圖10 太陽能取能變換電路

不同的溫度和光照條件會影響光伏電池的最大功率點[13]。因此，為使太陽能取能始終以最大功率輸出，本次設(shè)計MPPT控制（最大功率點追蹤）利用BOOST電路實現(xiàn)。即通過控制MOS管的開通周期，以實現(xiàn)光伏電池與電路之間的動態(tài)負(fù)載匹配，從而控制輸出電壓的大小[14]，其輸出電壓可由式(6)計算獲取，其中D為占空比。

此部分電路中的穩(wěn)壓電路與上述磁場取能部分變換電路的穩(wěn)壓電路一樣，故不再贅述。

3.4 電能儲存電路

圖11所示為電能儲存電路，該部分由電容儲存、鋰電池、負(fù)載和鋰電池充電管理模塊組成。

圖11 儲存電路

本文采用BL4056芯片構(gòu)成充電電路。該芯片可對電池進行恒流和恒壓充電，當(dāng)溫度超過限定溫度時，芯片會自動降低充電電流。BL4056包含兩個輸出狀態(tài)指示端，CHRG表示正在充電，STDBY表示充電完成。

從環(huán)境中采集到的能量功率低且不穩(wěn)定，因此需要用電容將每次采集到的環(huán)境能量收集起來。當(dāng)環(huán)境能量采集到一定值后，再向負(fù)載釋放能量，以保證給負(fù)載提供更加穩(wěn)定的電源。

在整個電路中，單片機始終由鋰電池提供穩(wěn)定電壓。另外，當(dāng)環(huán)境能量不夠時，鋰電池充當(dāng)后備電源給輸電線上低功耗傳感設(shè)備供電。

4 能量管理

整個電路系統(tǒng)中的能量管理方案由單片機控制來實現(xiàn)。其控制流程如圖12所示。圖中UL為取能變換電路達到工作條件的最小開啟電壓。

圖12 路徑選擇及能量管理流程圖

一般鋰電池充電電壓不能超過4.2 V，放電電壓不能低于3.2 V。因此，電源的工作狀態(tài)被設(shè)計為3種類型：

1)鋰電池電壓小于4.2 V。當(dāng)磁場取能功率大于太陽能取能功率時，磁場能給負(fù)載供電，同時由太陽能給鋰電池充電；當(dāng)磁場取能功率小于太陽能取能功率時，太陽能給負(fù)載供電，磁場能給鋰電池充電；當(dāng)磁場取能和太陽能都無法滿足負(fù)載工作時，由鋰電池給負(fù)載供電。

2)鋰電池電壓小于3.2 V。當(dāng)磁場取能功率大于太陽能取能功率時，磁場能給負(fù)載供電，同時太陽能給鋰電池充電；當(dāng)磁場取能小于太陽能取能功率時，太陽能給負(fù)載供電，磁場能給鋰電池充電。

3)鋰電池電壓大于4.2 V。當(dāng)磁場取能功率大于太陽能取能功率時，由磁場能給負(fù)載供電；當(dāng)磁場取能功率小于太陽能取能功率時，由太陽能給負(fù)載供電；當(dāng)兩種能量都能夠滿足給負(fù)載供電并且穩(wěn)壓后兩種能量也相等時，將兩種能量并聯(lián)起來一起為負(fù)載供電；當(dāng)兩種能量都不能滿足負(fù)載工作時，由鋰電池給負(fù)載供電。

通過上述能量管理方案，將采集到的兩種環(huán)境能量同鋰電池相結(jié)合，并進行合理的能量分配，以達到給低功耗在線監(jiān)測設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源和提高能量的利用率的目的。

5 實驗驗證

本文所搭建實驗平臺如圖13所示。利用該平臺可對上訴能量管理方案和硬件電路進行驗證。磁場取能部分，輸電線路由大電流發(fā)生器代替，磁芯采用納米晶材料。太陽能取能部分，用塊柔性光伏電池板并聯(lián)。實驗中，采用白熾燈(220 V/200 W)來模擬光照，通過改變與光伏板的距離來控制光照強度。鋰電池選用的容量為11 200 mAh，輸出電壓為3.7 V。若低功耗在線監(jiān)測設(shè)備平均功率消耗為500 mW,當(dāng)線路停電并且沒有太陽能輸入時，僅采用該電池供電，可為負(fù)載供電73.92 h。

圖13 實驗平臺

對整個電源進行測試。經(jīng)過實驗測試可得當(dāng)白熾燈離光伏板距離為15 cm時即可為鋰電池充電并為負(fù)載供電，如圖14所示，綠燈亮表示鋰電池正在充電；當(dāng)白熾燈離光伏板距離為25 cm時不能夠為鋰電池充電且負(fù)載電壓不足，綠燈不亮，取能端不夠給電池充電。當(dāng)一次電流為20 A時取能端既可以給電池充電又可以為負(fù)載供電，如圖15所示，綠燈亮。當(dāng)一次電流為2 A時取能端不能夠為鋰電池充電，負(fù)載電壓也不足，綠燈不亮。當(dāng)電池電壓為4.2 V時，黃燈亮，表明鋰電池為滿電狀態(tài)無需充電。

圖14 太陽能取能

圖15 磁場取能

對整個能量管理方案進行測試，實驗測試結(jié)果如表1所示。其中LED1為變換電路中綠燈，LED2為變換電路中黃燈，LED1亮表示正在給電池充電，LED2亮表示充電完成。表中磁場取能僅選一次電流2 A和20 A的情況，太陽能取能離光伏板的距離僅選15 cm和25 cm的情況，分別代表取能功率足夠和不足夠的情況。

表1 電源測試數(shù)據(jù)

測試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)有一環(huán)境能量足夠時，就能夠?qū)崿F(xiàn)給負(fù)載供電；當(dāng)兩種環(huán)境能量都不滿足給負(fù)載供電的需求時，鋰電池可穩(wěn)定單獨為負(fù)載供電；當(dāng)環(huán)境能量都足夠，鋰電池也不需充電時，兩種環(huán)境能量一起給負(fù)載供電，能夠提高整個電路的供電穩(wěn)定性。這說明該電源設(shè)計達到了預(yù)期效果，即該電源可為輸電線路上的低功耗在線監(jiān)測設(shè)備不間斷提供穩(wěn)定可靠的電能。

6 結(jié)束語

針對輸電線路上低功耗在線監(jiān)測設(shè)備的供電問題，本文設(shè)計了一種將磁場取能、太陽能取能與鋰電池相結(jié)合的混合供電電源電路，并提出了一種融合三種供電方式的能量管理方案。實驗表明，該電路能夠為負(fù)載提供3.3 V不間斷的供電電壓，提高了供電穩(wěn)定性，有效延長了鋰電池的工作周期，并且該管理方案提高了供電穩(wěn)定性和能量利用率。實驗中磁場取能磁芯雖僅采用了納米晶，但延伸到其他磁芯材料同樣適用。