郭寶寧

(江蘇海事職業(yè)技術學院電氣與自動化工程學院，南京,211170)

引 言

近年來，現代電力系統(tǒng)不斷向大機組、大容量與高電壓方向發(fā)展。電力系統(tǒng)中的電纜接頭、開關觸點、消弧線圈等關鍵設備均有可能因過載、緊固松動及散熱不良等原因導致發(fā)熱嚴重，進而引起設備故障或安全事故，造成國民經濟損失。因此，對電力系統(tǒng)中的重要電力設備進行在線溫度檢測和預警十分重要。目前的在線溫度檢測方式可分為紅外測溫、分布式光纖測溫與無線測溫[1]?；诜墙佑|方式的紅外測溫技術應用較為廣泛[2]，其主要依靠工作人員手持紅外測溫儀完成，但其無法準確檢測電力設備內部的實際溫度，且易出現漏測、誤報現象，并且在極端天氣下難以及時測報。分布式光纖測溫是一種可以實時測量溫度場分布的傳感系統(tǒng)[3]，它體積小、抗電磁干擾能力強且安全可靠，但系統(tǒng)布線復雜、操作繁瑣、運維周期長以及成本較高。

無線測溫技術是近年在微電子技術、計算機技術與無線通信技術等基礎上發(fā)展起來的熱點技術。該方法直接將溫度傳感模塊以密貼方式布置于待測溫點，采集溫度后通過無線通信方式將溫度數據發(fā)送至監(jiān)測系統(tǒng)終端[4]。無線測溫方式具有監(jiān)測設備體積小、安裝維護方便、成本低及絕緣性好等優(yōu)勢。但目前絕大多數無線傳感器節(jié)點仍采用電池供電，對于無線通信頻繁的設備，經常因為存儲電量耗盡而需要更換電池，導致使用不便，因而限制其大面積推廣應用。

為解決無線傳感器節(jié)點的供電問題，收集環(huán)境能量為傳感節(jié)點供能，實現傳感節(jié)點的自供電成為重要研究方向[5]。依據所收集能量的來源，自供電電源主要通過感應電流取能[6]、壓電效應轉換[7]、同步電荷提取[8]、頻率變換匹配[9]等方式實現。綜合比較各種自供電電源的取點方式，感應電流取能方式最為成熟可靠，且成本最低。

圖1 溫度檢測節(jié)點的功能模塊結構圖 Fig.1 Structure chart of function module of temperature dete-ction node

本文主要研究了基于無線射頻通信技術的溫度智能檢測節(jié)點，并對檢測節(jié)點的功耗進行了實驗測試；設計了一種能實現無線測溫節(jié)點的自供電電源，該設計借助LTC3588-1芯片實現了基于感應電流取能的自供電電源的穩(wěn)壓輸出，從而向溫度檢測節(jié)點提供可靠的直流供電。值得指出，所用溫度檢測裝置還可與現代智能高壓電能表進行有效集成，用于檢測電能表的周圍環(huán)境參數，修正電能表因溫度等參量變化導致的計量誤差，進一步提高電能計量的精度。

1 溫度檢測節(jié)點功耗

1.1 溫度檢測節(jié)點的原理設計

本文所提的溫度檢測節(jié)點主要由超低功耗單片機PIC18LF14K50、溫度傳感器DS18B20、無線射頻收發(fā)芯片MRF49XA與電源管理單元LTC3588以及取能線圈等組成。圖1給出所提節(jié)點的功能模塊結構圖。

微控制器芯片PIC18LF14K50是Microchip公司PIC18系列中的一款超低功耗單片機，其內部集成有10位模數轉換接口，可用于接收溫度采集單元提供的實時測溫數據、監(jiān)測估算電源管理單元儲能電容兩端的存儲電壓；其看門狗定時器的可編程周期范圍為4 ms～131 s，可滿足溫度檢測節(jié)點的定時休眠喚醒，從而最大限度降低節(jié)點平均功耗。

用于溫度采集單元的DS18B20測溫范圍為-55～+125 ℃，測量精度為±0.5 ℃，可滿足電力系統(tǒng)中絕大多數電力設備的測溫需求。

無線射頻收發(fā)芯片MRF49XA來自Microchip公司，可與PIC單片機的控制相結合從而實現無線數據的收發(fā)功能。該芯片在接收/發(fā)送數據模式下的額定電流分別為11 mA和15 mA，休眠模式下的額定電流為0.3 mA。在實際硬件設計時，可通過軟件設置單片機I/O口的高、低電平控制MRF49XA芯片的工作狀態(tài)。例如，當溫度檢測節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，可設定無線射頻芯片處于斷電狀態(tài)不工作，因此無線射頻芯片的消耗電流接近0 mA。

電源管理單元與感性取能線圈相配合，從而構成溫度檢測節(jié)點的自供電電源系統(tǒng)(后文將給出詳細參數設計)。電源管理單元中核心的開關電源選用Linear Technology公司的LTC3588-1芯片，該芯片內部集成有全橋整流電路、低電壓/欠壓保護模塊等，通過搭建簡單外圍電路即可在不穩(wěn)定供電電源情況下實現穩(wěn)定輸出，從而確保節(jié)點的正常工作。

表1 節(jié)點各模塊的工作電壓范圍

Tab.1 Operating voltage range for each module of the node

功能模塊最小工作電壓/V最大工作電壓/V微控制器模塊1.83.6溫度采集模塊3.05.5無線射頻模塊2.23.8

表1給出上述各子模塊的理論工作電壓范圍。分析可知，為保證溫度檢測節(jié)點正常工作，電源管理單元的輸出供電電壓Vcc應穩(wěn)定在3.0～3.6 V之間；換言之，一旦電源管理單元的輸出超出該電壓范圍，溫度檢測節(jié)點將無法正常工作。

1.2 溫度檢測節(jié)點的功耗狀態(tài)

所提溫度檢測節(jié)點共有3種功耗狀態(tài)：休眠等待階段的功耗P1，數據采樣/處理階段的功耗P2，無線通信階段的功耗P3。

在休眠等待階段，由于PIC單片機處于超低功耗狀態(tài)(僅看門狗定時器周期工作)、無線射頻芯片斷路且無功耗，此時溫度傳感節(jié)點不工作，因此可認為休眠階段的功耗P1≈0。結合看門狗定時器的可編程周期范圍可知，休眠等待時間的范圍可設定為4 ms～131 s。

在數據采樣/處理階段，PIC單片機首先采樣儲能電容兩端電壓VDC，當計算得到的VDC平均值低于所設定最低值時，溫度檢測節(jié)點將立即進入休眠等待階段(此時功耗P1≈0)，并寄希望于自供電電源從電網線路上取能一段時間后可為溫度檢測節(jié)點的正常運行存儲足夠的電能；當計算得到的VDC平均值高于所設定的最低值時，PIC單片機將多次重復采樣溫度傳感器DS18B20輸出的電力系統(tǒng)中被測設備的溫度，并計算出多次重復采樣結果的平均值。值得指出，溫度采樣節(jié)點在數據采樣/處理階段的功耗P2主要來源于溫度數據的多次重復采樣與處理。

在無線通信階段，PIC單片機首先初始化無線射頻芯片，并將溫度采樣的平均數據通過無線射頻方式傳送給中央監(jiān)控系統(tǒng)，并接受中央監(jiān)控系統(tǒng)傳達過來的命令數據，為下次采樣配置相關信息。因此，無線通信階段包括無線射頻芯片的初始化、溫度檢測數據的發(fā)送與配置信息的接收3個步驟，其工作周期與能量消耗(即下文的E3)在溫度檢測節(jié)點正常工作時保持不變，與采樣數據以及接收的配置信息無關。一般地，在溫度采樣節(jié)點的3種功耗中，無線通信階段的功耗P3最大，數據采樣/處理階段的功耗次之。

四大工程:給長城貼瓷磚、給赤道鑲金邊、給太平洋裝欄桿、給喜馬拉雅山安電梯間;四小工程:給蒼蠅戴手套、給蚊子戴口罩、給蟑螂戴避孕套、給老鼠戴腳鐐。

1.3 溫度檢測節(jié)點的功耗建模

圖2 溫度檢測節(jié)點工作的狀態(tài)周期與功耗 Fig.2 State cycle and power consumption of temperature detection node

數據采樣/處理階段的時間tdp可由f2，N2表示

(1)

(2)

式中E2，E3，tRF均由溫度檢測節(jié)點的硬件電路決定(而與采樣或傳輸的數據本身無關)，當溫度檢測節(jié)點穩(wěn)定工作時，它們的數值均不變，其實驗測定結果為：E2=1.57 μJ，E3=2.37 mJ，tRF=392 ms。因此，式(2)中只有N2,f2,twd成為可調的設計變量，也成為決定溫度檢測節(jié)點平均功耗的關鍵參數。分別固定N2,f2,twd中的兩個參數，改變第3個參數，即可觀察溫度檢測節(jié)點平均功耗與第3個參數之間的關系，圖3給出了建立的功耗曲線。

從圖3可以看出，twd大小對節(jié)點的平均功耗影響最大，這與節(jié)點無線通信的耗能有關：twd越小，意味著無線通信越頻繁，且無線通信的單次耗能E3遠大于其他操作耗能(如E2)。由圖3(a)可知，當休眠等待時間twd大于10 s時，溫度檢測節(jié)點的絕大部分工作時間將處于休眠等待階段，這將使得無線通信與數據采樣/處理階段的耗能功率對平均功率的影響趨于穩(wěn)定。由圖3(b)可知，平均功耗隨采樣點數的增加而增加。由式(2)可知，隨采樣點數的增加，式(2)的分子項增大，但分母項也同時增大，因此采樣點數的變化對平均功率的影響不大。由圖3(c)可知，平均功耗隨采樣頻率的增加基本不變，而根據式(2)分析可知平均功耗總體應呈上升趨勢。該差異是因為實際功耗測試時僅重復采樣了20次，如此少的采樣點數使得采樣頻率對數據采樣/處理的時間影響明顯下降。綜上，本文所提的溫度檢測節(jié)點平均功耗受節(jié)點休眠等待時間影響最大。

圖3 節(jié)點平均功耗隨各參數變化的關系曲線Fig.3 Relationship curve of average power consumption of node with various parameters

2 溫度檢測節(jié)點的自供電電源設計

2.1 自供電電源的感應電流取能

感應電流取能方式是利用高壓輸電線路周圍存在的交變磁場實現安全隔離取電，并經整流濾波等電能變換環(huán)節(jié)向溫度檢測節(jié)點的各功能模塊提供穩(wěn)定可靠的直流電壓。該方式合理利用外界資源，節(jié)能環(huán)保，且取能裝置體積小、成本低、安全可靠，成為電力系統(tǒng)中廣泛使用的自供電方式。

然而在實際高壓輸電線路中，線路電流往往存在較大范圍的波動，導致感應線圈的輸出電壓與功率很不穩(wěn)定。現有基于感應取能方式的商業(yè)產品，如武漢興弘毅公司的TLPS系列輸電線路取能裝置等，其輸出功率較大，可滿足大多數功率應用場合的供能需求，然而在線路電流發(fā)生波動時，現有商業(yè)產品不可避免地出現輸出電壓不穩(wěn)、發(fā)熱嚴重等問題。因此，對感應線圈的不穩(wěn)定輸出電壓進行有效管理、從而提供穩(wěn)定可靠的直流供電電壓，成為近些年來眾多技術人員的研究方向[10]。

本文選擇感應電流取能方式作為自供電電源的能量來源。感應電流線圈的磁芯材料選用環(huán)形硅鋼片，其磁導率大，在低頻條件下的損耗小，受機械應力影響小，且具有較好的磁電性能。所設計的感應電流線圈匝數為150匝，當輸電線路電流峰峰值為30 A時，空載感應電壓峰峰值可達6.2 V；當輸電線路電流峰峰值為100 A時，感應電壓峰峰值受沖擊保護電路作用被鉗制在20 V，從而實現有效的保護。

2.2 自供電電源的穩(wěn)壓設計

溫度檢測節(jié)點需要穩(wěn)定可靠的直流供電，為此本文設計了可在輸電線路電流發(fā)生波動的工況下穩(wěn)定輸出電壓的電源管理電路?？紤]輸電線路電流的不穩(wěn)定性，例如因故障停電或雷擊時承受極大瞬間電流等，所設計的電源管理電路須具有可靠的抗沖擊保護功能。另外，電源管理電路在收集功率大于消耗功率的情況下，盡可能多地將感應電能進行存儲[11]。

LTC3588-1是一款專門針對不穩(wěn)定能量來源設計的電源管理芯片，其內部集成了降壓型DC/DC穩(wěn)壓器、低電壓損失的全橋整流電路與寬遲滯窗口比較的欠電壓保護模塊等。該芯片有4個標準輸出電壓：1.8,2.5,3.3和3.6 V。輸出電壓值Vcc可通過芯片D0,D1的引腳電平進行設置控制，如表2所示[12]。

圖4給出電源管理單元電路的原理圖，可以看出選用LTC3588-1集成芯片可大大降低設計難度，僅通過少量外圍被動元件即可實現電路功能。圖4的D0，D1引腳直接連接VIN2端口以獲得高電平信號，因此電源管理單元的輸出電壓Vcc被設定為3.6 V。值得指出，LTC3588-1芯片的最大輸出電流為100 mA，最大輸出功率高達360 mW，可遠遠滿足本文所提溫度檢測節(jié)點的功率需求。

表2標準輸出電壓選擇表

Tab.2Standardoutputvoltageselectiontable

D1D0Vcc/V001.8012.5103.3113.6

圖4 電源管理單元電路的原理圖

Fig.4 Diagram of power management unit circuit

為了在收集功率大于消耗功率時盡可能多地存儲感應電能，芯片VIN端接有一個25 V/1 F的超級法拉電容作為儲能電容Cstor。電源管理單元電路在初始狀態(tài)時，Cstor的存儲電壓VDC為0，因此溫度檢測節(jié)點不工作。一旦感應取能裝置開始工作，感應線圈的輸出能量將存儲于Cstor中，直至VDC上升至欠電壓保護的上升沿觸發(fā)電壓VUV2(5.05 V)，電源管理單元電路將開始工作并向溫度檢測節(jié)點提供穩(wěn)定可靠的直流供電3.6 V，溫度檢測節(jié)點也開始正常工作。此后當輸電線路斷電導致感應取能裝置無法工作時，存儲在Cstor上的電能會作為電源管理電源電路的能量來源并維持其正常工作，從而保證向溫度檢測節(jié)點的穩(wěn)定可靠供電，直至VDC下降至欠電壓保護的下降沿觸發(fā)電壓VUV1(4.02 V)，根據式(3)可預估溫度檢測節(jié)點的穩(wěn)定工作時長t，η為LTC3588-1芯片的轉換效率[12]，可由其數據手冊中的效率曲線數據獲得。

(3)

2.3 自供電電源的實驗測試

為驗證上述自供電電源設計，本文采用220 V交流電源外接滑動變阻器(0～100 Ω)模擬輸電線路電流。設置所提溫度檢測節(jié)點休眠時間為2.048 s，采樣點數為20，采樣頻率為2 000 Hz，經計算得到溫度檢測節(jié)點的平均功耗約為1 mW。設定溫度檢測節(jié)點采樣實際VDC一旦低于4.28 V時，不再進入無線通信階段，而直接進入等待休眠階段，等待休眠階段結束后再采樣實際VDC是否有所回升，該操作可確保溫度檢測節(jié)點不會因電源管理單元的供能不足而被迫強制斷電。

設定輸電線路的電流峰峰值為30 A，電源管理單元電路的VDC及輸出電壓Vcc隨時間的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，溫度檢測節(jié)點從初始零狀態(tài)到上電啟動需要大概3 min。此后取能線圈與溫度檢測節(jié)點將繼續(xù)正常工作。測量可得空載感應電壓的峰峰值為6.2 V，因此經過全橋整流濾波的存儲電壓VDC最高值不會超過6.2 V，在12 min之后，存儲電壓VDC將趨于穩(wěn)定。當溫度檢測節(jié)點穩(wěn)定工作后，若假設某時刻取能線圈因輸電線路斷電而不工作時，根據式(3)可估算得到溫度檢測節(jié)點仍可穩(wěn)定工作53 min(電源管理芯片的轉換效率取90%)，從而充分確保溫度檢測節(jié)點在輸電線遇故障或停電檢修階段正常工作，并有充足時間發(fā)出預警。

設定輸電線路的電流峰值為100 A，電源管理單元電路的VDC及輸出電壓Vcc隨時間的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，溫度檢測節(jié)點從初始零狀態(tài)到上電啟動需要大約26 s，由于沖擊保護裝置的作用，感應線圈的輸出電壓峰峰值被限制在20 V，故存儲電壓VDC最高值不會超過20 V。若假設某時刻取能線圈因輸電線路斷電而不工作時，根據式(3)可估算得到溫度檢測節(jié)點仍可穩(wěn)定工作47 h(電源管理芯片的轉換效率取90%)，足以保證溫度檢測節(jié)點在遇到電網故障或檢修過程中仍能正常工作，直至電網恢復正常運營。

圖5 VDC與Vcc隨時間的變化曲線(輸電線路電流峰峰值為30 A)

Fig.5VDCandVccchange curve over time(Peak-peak current of transmission line is 30 A)

圖6

V

DC

與

V

cc

隨時間的變化曲線(輸電線路電流峰峰值為100 A)

Fig.6VDCandVccchange curve over time(Peak current peak of transmission line 100 A)

3 結束語

本文首先開發(fā)了一種基于無線射頻通信技術的溫度智能檢測節(jié)點，可用于電網中關鍵電力設備的溫度在線監(jiān)測。針對溫度檢測節(jié)點所用的低功耗芯片，討論了節(jié)點實際工作的電壓范圍，并通過實驗測試了溫度檢測節(jié)點的能耗參數。在此基礎上進一步建立了溫度檢測節(jié)點的平均功耗模型，研究并揭示了溫度檢測節(jié)點的基本功耗規(guī)律。本文選擇感應電流取能技術進行溫度檢測節(jié)點的自供電電源設計，利用LTC3588-1電源管理芯片實現自供電電源的穩(wěn)定輸出，并進行了實驗驗證。自供電電源的實驗結果表明，當感應電流峰峰值為100 A時，電源管理單元可在一定時間內儲滿電能，并確保自供電無線測溫節(jié)點在無任何外界能源供給的情況下穩(wěn)定工作47 h，從而保證溫度檢測的可靠進行。