李琮琮，范學忠，張 紅，張 志，劉 瀟

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250000;2.國網(wǎng)濟南市歷城區(qū)供電公司，濟南 250000)

智能變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)中獨立節(jié)點的能量自供給技術研究

李琮琮1，范學忠2，張 紅1，張 志1，劉 瀟1

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250000;2.國網(wǎng)濟南市歷城區(qū)供電公司，濟南 250000)

對智能變電站中常見環(huán)境能量源的收集技術和特點進行了介紹，同時根據(jù)監(jiān)測傳感器節(jié)點的功耗特征設計了相應的能量自供給電路;通過LTspice仿真軟件模擬搭建了自供電節(jié)點的能量收集和功耗模型，進行了仿真分析;仿真結(jié)果表明，采用變電站環(huán)境中的太陽能、溫差能和風能收集技術，在現(xiàn)有的技術條件下可以做到一些低功耗無線傳感器節(jié)點的能量完全自供給，避免了因更換節(jié)點電池而引起的設備頻繁停電維護。

能量自供給；無線傳感器節(jié)點；輔助監(jiān)控系統(tǒng)；智能變電站

0 引言

智能變電站作為未來統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的重要基礎和節(jié)點支撐，正處于快速建設和發(fā)展時期。輔助監(jiān)控系統(tǒng)由于能實時遙測變電站的相關信息，在必要情況下遙控相關報警、控制設備，實現(xiàn)無人值班的功能，成為了變電站智能化的重要體現(xiàn)。目前，智能變電站綜合輔助監(jiān)控系統(tǒng)主要包含視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、智能控制、消防、四遙聯(lián)動等7大子系統(tǒng)。但各個子系統(tǒng)在互聯(lián)互通，設備互相兼容，協(xié)議信令一致性等方面還有很長的路要走。國內(nèi)很多學者正依靠物聯(lián)網(wǎng)技術對該技術進行標準化和進一步集成化研究，旨在降低系統(tǒng)的成本，最大限度地挖掘系統(tǒng)潛力，提高運行效率[1]。另外，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術還可以將智能發(fā)電、輸電、配電及用電環(huán)節(jié)得到的信息有效整合，提升電網(wǎng)信息化、自動化和互動化水平。結(jié)合變電站的業(yè)務特點，以各種傳感器終端設備及小型無線基站組成的無線傳感器網(wǎng)絡、電子圍欄監(jiān)控、攝像頭等采集設備成為了物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部分[2]。本文將主要討論物聯(lián)網(wǎng)感知層中大量獨立無線傳感器節(jié)點的供電問題。

目前智能變電站中，傳感器節(jié)點的供電一般為所用變供電、感應電流取能供電和電池供電3種。由于同一變電站中所用變壓器數(shù)量較少，采用這種供電方式仍需面對復雜的電源布線問題，也違背了設計無線傳感器網(wǎng)絡的首要原則；感應電流取能供電一般只能為高壓電纜附近的固定監(jiān)測設備供電，應用受到了一定限制；采用電池供電方式，一旦電池電量耗盡，將需要維護人員及時更換電池，相關設備需要處于停電檢修狀態(tài)。由于絕大部分無線傳感器節(jié)點的平均功耗非常低，因此回收環(huán)境中的能量，將其轉(zhuǎn)化成電能后再為此類傳感器節(jié)點供電成為了可能。安徽大學的劉結(jié)炎即通過回收變電站的漏磁通設計了一套無源無線測溫傳感器節(jié)點[3]。本文將針對無線傳感器網(wǎng)絡中常見的低功耗節(jié)點(如變電站無線溫濕度傳感器、無線避雷器動作次數(shù)傳感器等)供能問題，討論幾種常見的環(huán)境能量收集技術，并設計相應能量自供電系統(tǒng)中的電能存儲管理電路，結(jié)合LTspice電路仿真軟件分析其可行性。

1 環(huán)境能量收集技術

所謂能量收集，就是將環(huán)境中的各種能量源通過特定的材料、結(jié)構(gòu)等將其轉(zhuǎn)化為電能，通過專門的電路將其高效存儲下來，再經(jīng)過電源管理單元直接為后續(xù)被供電獨立裝置提供穩(wěn)定供電電壓的過程。環(huán)境能量收集技術的發(fā)電功率均比較小，在微瓦到毫瓦級別?？紤]到變電站的實際環(huán)境，自然界中可供回收的能量源主要有太陽能、溫差能和渦激振動能3種。

1.1 太陽能收集技術

對于安裝在室外陽光照射充足的設備，收集太陽能是最佳選擇。該能量收集技術有兩種方式：太陽能光發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。其中太陽能光發(fā)電能量轉(zhuǎn)換效率較高，基本工作原理是利用半導體的光生伏特效應，將光能直接轉(zhuǎn)換為靜電能。南開大學的高藝、韓蕾針對節(jié)點的自供電需求做了一定的研究工作[4-5]。圖1所示為美國TI(Texas Instruments)公司研發(fā)的微型太陽能收集板和無線傳感器節(jié)點實物圖及其原理框圖，兩電路板之間通過排針、排座互聯(lián)。該產(chǎn)品集成了溫度和射頻信號強度檢測傳感器。通過適當?shù)能洝⒂布?，更多功能的傳感器可以方便與太陽能收集板集成。該收集板能直接提供3 到3.6 V的直流電壓，用于幫助創(chuàng)建自供電無線傳感器網(wǎng)絡。

圖1 基于MSP 430微控制器的無線傳感器節(jié)點和微型太陽能收集器(TI?)

1.2 溫差能收集技術

由于現(xiàn)代電力工業(yè)不斷向著大機組、大容量和高電壓發(fā)展，即使主變能做到極少的漏磁和電渦流效應，還會產(chǎn)生大量的熱量；另外變電站中電纜接頭、開關觸點、消弧線圈等關鍵設備均有可能因為過載、緊固松動、散熱不良等原因?qū)е掳l(fā)熱，進而引起設備故障。因此對變電站相關設備的溫度進行監(jiān)測預警必不可少。正常工作時，主變繞組溫度與環(huán)境溫度會存在75℃左右的溫差，此溫差源可以常年給傳感器節(jié)點提供電能。對于其它設備的溫度監(jiān)測，如果設計成觸發(fā)式預警監(jiān)測，同樣也可以使用溫差型發(fā)電器給節(jié)點提供電源。溫差能量收集技術主要利用了溫差材料的塞貝克效應直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、工作壽命長等特點[6]。其發(fā)電效率與溫差、熱源溫度以及材料優(yōu)值正相關，由于熱源溫度不可改變，材料優(yōu)值近幾十年來也沒有明顯進展，如何增加發(fā)電器兩端溫度差就成了科研人員的主攻方向。對于微型溫差發(fā)電器，被動式散熱器成為了上述優(yōu)化的首選方式。圖2所示為德國Micropelt公司研發(fā)的一款基于溫差能收集技術的自供電無線傳感器節(jié)點，龐大的散熱器結(jié)構(gòu)用于保持發(fā)電器兩端的溫度差。當溫差發(fā)電器兩端溫度差為35時，其每年的發(fā)電量為3 628 mAh，相當于2到4節(jié)AA型堿性電池容量；而當溫度差為75時，其每年的發(fā)電量為21 207 mAh，相當于11到20節(jié)AA型堿性電池。對于低功耗的無線傳感器節(jié)點來說，上述發(fā)電量足以保證節(jié)點能夠永久連續(xù)工作。

圖2 基于MSP430微控制器的無線傳感器節(jié)點和溫差能量收集器(Micropelt?)

1.3 渦激振動能收集技術

在變電站這一特殊場合，可以巧妙地利用渦激振動結(jié)構(gòu)首先將環(huán)境中的風能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)振動能，再利用機電轉(zhuǎn)換材料(一般是壓電材料)將振動能轉(zhuǎn)化為電能。相比于利用電磁發(fā)電的渦輪結(jié)構(gòu)，微型渦激振動結(jié)構(gòu)具有設計簡單、緊湊等優(yōu)點，同時結(jié)構(gòu)布置時無需留有葉片旋轉(zhuǎn)空間，也不需要擔心因葉片損傷而引起的系統(tǒng)可靠性問題。圖3所示為英國南安普頓大學的Zhu等人設計研發(fā)的基于壓電振動能量收集技術的無線傳感器節(jié)點[7]。Zhu等人建立了壓電發(fā)電裝置理論模型，以此為依據(jù)優(yōu)化設計了一懸臂梁式的壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，該裝置在0.4 g的加速度激勵下最大會產(chǎn)生0.24 mW的發(fā)電功率，確保所設計的節(jié)點能夠按照預先設置的工作程序永久工作[7]。

圖3 基于振動能量收集技術的壓電發(fā)電裝置和無線傳感器節(jié)點

2 獨立節(jié)點能量自供給電路設計與討論

上述能量收集技術盡管工作原理各不相同，但都存在如下兩個共性：一是能量收集功率是不穩(wěn)定的甚至是斷斷續(xù)續(xù)的，因此不能實時滿足后續(xù)負載的需求，必須在能量收集系統(tǒng)中增加能量存儲介質(zhì)，以保證在任何時刻都可以為負載提供足夠的能量[5]。二是若存儲介質(zhì)選擇可充電電池，為了優(yōu)化充電效率和延長電池使用壽命，必須設計復雜高效的充電電路；若存儲介質(zhì)選擇儲能電容，為了給后續(xù)負載提供穩(wěn)定的直流供電電壓，必須設計復雜的自供電穩(wěn)壓電路。本文將選擇電容進行儲能，結(jié)合美國Linear Technology公司開發(fā)的專門針對上述3種能量源的能量收集及電源管理芯片進行仿真分析，獲得自供電無線傳感器節(jié)點能夠穩(wěn)定工作的一些關鍵參數(shù)。

無線傳感器節(jié)點正常工作時主要存在3種功耗狀態(tài)：空閑等待階段P1、數(shù)據(jù)采樣階段P2和無線通信階段P3。假設節(jié)點工作周期為T，則節(jié)點的平均功耗可以用式(1)表示，ti(i= 1, 2, 3)表示單位周期內(nèi)各階段的具體執(zhí)行時間。

(1)

一般情況下P1和P2功耗較低，P3功耗特別大，因此在實際仿真中采用圖4所示的負載電路模擬無線傳感器節(jié)點功耗。阻值為3.3 kΩ的電阻Rload1直接接入穩(wěn)壓芯片的輸出端(Vout為3.3 V)，模擬P1和P2的功耗；阻值為330 Ω的電阻Rload2通過控制開關周期性地接入芯片輸出端，與Rload1并聯(lián)模擬P3的功耗。周期T為0.1 s,t3為1 ms,模擬實際無線傳感器節(jié)點工作時，每隔0.1 s采集刷新一次數(shù)據(jù)。根據(jù)公式(1)可知，節(jié)點平均功耗為3.63 mW。以此功耗為參考，討論在特定的環(huán)境能量收集技術中能量自供給電路各關鍵參數(shù)的設計。

圖4 模擬負載電路原理圖

2.1 基于LTC3105的太陽能自供給電路

太陽能收集功率的最大特點是斷斷續(xù)續(xù)，且功率變化大。考慮到夜晚及連續(xù)陰雨天氣的影響，該能量收集系統(tǒng)必須在白天收集功率較大的時候存儲足夠多的能量，確保在沒有收集功率的情況下能長時間保持穩(wěn)定工作?？紤]到在陽光直射條件下，太陽能電池板每平方厘米的發(fā)電功率在10-1W到100W之間，遠大于節(jié)點平均消耗功率，因此上述想法可以實現(xiàn)。LTC3105是一款專門用于微型太陽能收集的電源管理芯片，其輸入端電壓變化范圍為225 mV～5 V。處于沒有收集功率的極端環(huán)境時，系統(tǒng)最多可以消耗的存儲能可以用式(2)表示，η表示自供給電路電源轉(zhuǎn)換效率。

(2)

假設要求節(jié)點在無能量收集的情況下堅持12小時，根據(jù)式(2)可預估存儲電容應大于12.57 F。目前市場上有額定電壓5.5 V容量4.0 F的超級法拉電容出售，4組并聯(lián)即可獲得16.0 F的電容容量，外形尺寸參數(shù)為52 mm×26 mm×23 mm，體積與2節(jié)AA型堿性電池相當。根據(jù)LTC3105芯片數(shù)據(jù)手冊，搭建如圖5所示的仿真電路，最終獲得存儲電容兩端電壓VDC，輸出端電壓Vout及輸出端電流Iout的波形圖如圖6所示。存儲電壓VDC在2 s內(nèi)下降了0.27 mV，消耗電能8.6 mJ(其中負載消耗7.26 mJ，此階段電源轉(zhuǎn)換效率為84.4%)。由此推算，12小時自供給電路系統(tǒng)將消耗電能185.76 J，假設初始階段電容處于充滿狀態(tài)，則法拉電容內(nèi)總共有199.6 J電量，滿足設計要求。

圖5 太陽能收集的能量自供給系統(tǒng)電路圖

圖6 自供給電路電壓、電流波形圖

2.2 基于LTC3108-1的溫差能自供給電路

在變電站除了主變能提供持續(xù)熱源外，其它設備關鍵部位一般只在特殊狀況下大量發(fā)熱，此時往往需要監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時檢測、預警。LTC3108-1是一款專門用于溫差能量收集的芯片，內(nèi)部集成有高頻開關配合小型的升壓變壓器能將低至20 mV的輸入電壓轉(zhuǎn)換成一般集成電路所需的直流供電電壓。另外芯片還集成有儲能端口，當回收功率大于消耗功率時多余的電能會被存儲起來。

基于利用溫差能發(fā)電的無線測溫傳感器設計思想，要求在實際工作時一旦設備關鍵部位超出室溫75 ℃，監(jiān)測系統(tǒng)在3 s內(nèi)發(fā)出預警。利用目前相對成熟的溫差能發(fā)電器，在上述溫差下一般能獲得不低于75 mV的電壓。根據(jù)LTC3108-1芯片數(shù)據(jù)手冊，可知儲能電容的最大存儲電壓為5.25 V，當電壓低至2.5 V時不再輸出功率，搭建如圖7所示的仿真電路進行分析。通過分析發(fā)現(xiàn)選擇額定電壓6.3 V，容量100 μF的電解電容存儲電能，自供給系統(tǒng)將在3 s內(nèi)上電重啟無線節(jié)點，并穩(wěn)定運行2個周期，使監(jiān)測系統(tǒng)及時獲得預警。存儲電壓VDC，輸出端電壓Vout及電流Iout波形圖如圖8所示。

圖7 溫差能收集的能量自供給系統(tǒng)電路圖

圖8 自供給電路電壓、電流波形圖

2.3 基于LTC3588-1的振動能自供給電路

振動能量收集的主要特點是回收功率連續(xù)但不穩(wěn)定，因此能量自供給電路設計較為復雜，它要求當回收功率大于消耗功率時，收集能量盡可能多的存儲下來；一旦回收功率低于消耗功率，存儲在電容中的電能應及時補充系統(tǒng)回收功率的不足。LTC3588-1是一款特別適用于壓電振動能量收集的電源管理芯片，芯片內(nèi)部集成有低導通電壓的全橋整理器，用于將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，并首先經(jīng)VIN端口將電能存儲于電容中，為保護芯片安全，VIN端口和GND之間并聯(lián)有穩(wěn)壓二極管，保證存儲電壓不超過20 V。芯片內(nèi)部還集成有低電壓欠壓(UVLO)保護功能，避免穩(wěn)壓器因為輸入電壓過低而出現(xiàn)輸出不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此UVLO功能極大地方便了開發(fā)者在振動能量收集技術下，相應自供電電路的設計和研發(fā)。

基于上述分析，能量自供給電路應在極端條件下(回收功率長時間小于消耗功率)確保無線傳感器節(jié)點能穩(wěn)定工作1到2個周期，將極端條件的信息傳遞給終端輔助監(jiān)測系統(tǒng)，使監(jiān)測系統(tǒng)有所預警。同時要求在平均回收功率較低的情況下，節(jié)點掉電休眠時間應不超過2 s。結(jié)合數(shù)據(jù)手冊，可推導滿足此要求的儲能電容大于120 μF即可，因此可選擇常見的額定電壓25 V，容量220 μF的電解電容產(chǎn)品，外形尺寸僅為Φ8×11.5 mm。根據(jù)LTC3588-1芯片數(shù)據(jù)手冊，搭建如圖9所示的仿真電路，最終獲得儲能電容兩端電壓VDC，輸出端電壓Vout及電流Iout波形圖如圖10所示。當回收功率較低時，能量自供給系統(tǒng)能夠在1.1 s之內(nèi)上電重啟，確保節(jié)點能穩(wěn)定工作2個完整周期。

圖9 壓電振動能收集的能量自供給電路圖

圖10 自供給電路電壓、電流波形圖

3 結(jié)論

本文搭建了智能變電站輔助監(jiān)測系統(tǒng)中典型無線傳感器節(jié)點的功耗模型及相關環(huán)境能量收集技術的回收功率模型，在此基礎上討論了不同能量自供給電路的主要參數(shù)設計。研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有技術條件下，若直接采用Linear Technology公司提供的自供電電源管理芯片，能夠滿足一般無線傳感器節(jié)點的能量自供給需求。

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Investigation on a Self-powered Technology Applied to the Autonomous Nodes in the Auxiliary Monitoring System of Smart Substations

Li Congcong1, Fan Xuezhong2, Zhang Hong1, Zhang Zhi1, Liu Xiao1

(1.Electric Power Research Institute, Shandong Electric Power Company, Jinan 250000,China; 2.Licheng District Power Supply Company of Jinan City, Jinan 250000,China)

The environment energy harvesting techniques and their major characteristics in smart substations were introduced, the corresponding self-powered circuits were also designed based on the power consumption of the monitoring sensor nodes. The simulation research through the LTspice software was proposed based on the harvested and consumed power models of the sensor node. The results indicated that the low-power wireless sensor nodes can be totally self-powered under the existing technology if the solar, thermal and wind energies were well collected. These approaches avoid the high maintenance due to the power cut and the change of batteries.

self-powered; wireless sensor node; auxiliary monitoring system; smart substation

2016-06-20；

2016-07-28。

李琮琮(1985-)，女，山東濱州人，工程師，主要從事數(shù)字化變電站方向的研究。

1671-4598(2016)12-0059-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.017

TM91

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