李德建

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.清華大學(xué) 集成電路學(xué)院，北京 100084）

0 引言

在過去的十多年里，計算、存儲和通信等技術(shù)領(lǐng)域得到飛速發(fā)展，但是電池技術(shù)進步的速度要慢得多[1-2]。具體而言，無線通信和集成電路領(lǐng)域的豐碩成果，使得傳感器節(jié)點在尺寸上越來越小。傳統(tǒng)電池在體積和能量密度上的劣勢越來越明顯。此外，電池可用壽命一般為3～5 年時間，同時還會發(fā)生漏液等安全問題。因此，無源無線網(wǎng)絡(luò)的能源供給需求迫切。目前，國際上對能量收集技術(shù)的研究已經(jīng)持續(xù)多年[3-4]，國內(nèi)也開展了許多能量收集相關(guān)技術(shù)研究[5-7]。

以智能電網(wǎng)為例，為實現(xiàn)信息的快速、廣泛、準(zhǔn)確采集，需要研究低成本、低冗余、高可靠、可擴展、可定制的新型海量信息采集技術(shù)體系架構(gòu)與高效傳輸處理核心技術(shù)[8]。電力傳感器作為新型海量信息采集技術(shù)體系的“神經(jīng)末梢”，是感知電網(wǎng)運行狀態(tài)的基礎(chǔ)單元。其長時間穩(wěn)定運行，需要持續(xù)可靠的電源保障。通過能量收集技術(shù)，將電力應(yīng)用場景中的振動、溫差、光伏、電磁等能量收集、累積下來提供給電力傳感器，是有效解決電力應(yīng)用中傳感器供電問題的重要途徑之一。

隨著智能電網(wǎng)中電力傳感器的廣泛應(yīng)用，對能量收集技術(shù)的需求也愈顯迫切，有必要對兩者間的耦合進行更加深入的研究。本文首先對智能電網(wǎng)對能量收集技術(shù)的迫切需求進行分析；其次，分析能量收集技術(shù)及相關(guān)集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀；最后，根據(jù)能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的不足，提出適用于智能電網(wǎng)的能量收集技術(shù)研究方向。

1 智能電網(wǎng)對能量收集技術(shù)的迫切需求

1.1 電力傳感器在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用

發(fā)電廠、變電站是智能電網(wǎng)的重要節(jié)點，其中部署有高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)等重要設(shè)備。溫度在線監(jiān)測是保證高壓設(shè)備安全運行的重要手段。以高壓開關(guān)柜為例，該設(shè)備通常要能承受最高達到10 000 A 的工作電流，在長期運行過程中，開關(guān)的觸點和母線、電纜連接點等因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，溫升超過規(guī)定值，會加速動、靜觸頭等接觸點氧化，氧化結(jié)果又導(dǎo)致接觸電阻值增加，促使發(fā)熱更加嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)。開關(guān)柜內(nèi)有裸露高壓，空間封閉狹小，無法進行人工巡查測溫，所以對傳感器有剛性需求。

大型電力變壓器是智能電網(wǎng)中的樞紐設(shè)備。變壓器油溫關(guān)系到變壓器絕緣材料的壽命，過高的溫度會加速絕緣材料老化。當(dāng)系統(tǒng)絕緣性無法滿足變壓器需求時，繞組就會發(fā)生故障，甚至造成變壓器損壞。根據(jù)文獻[9]研究，變壓器繞組正常工作溫度為60 ℃～70 ℃之間。對于按照GB1094 設(shè)計的變壓器，98 ℃條件下相對熱老化率為1，溫度每增加6 ℃，相對老化率增加一倍。在線監(jiān)測繞組溫升，對變壓器壽命預(yù)測和故障分析有重要意義。

電線桿塔是輸電環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛部署在野外、鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)。為提高巡檢的準(zhǔn)確性和時效性，輸電線路的在線監(jiān)測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，且監(jiān)測的對象和范圍越來越廣，如電力線的溫度、覆冰狀態(tài)及舞動、電暈、桿塔的傾斜度等。傳感器的部署能夠及時發(fā)現(xiàn)輸配環(huán)節(jié)的問題并觸發(fā)人工或自動的調(diào)節(jié)乃至修復(fù)。根據(jù)國家電網(wǎng)官網(wǎng)顯示，截止到2020 年底，國家電網(wǎng)配網(wǎng)架空線路已超過300 萬公里，按電力線桿塔間隔300～500 m 來估算，桿塔數(shù)量達600 萬以上，對傳感器需求巨大。

電力電纜線路是輸配電的另一重要組成部分。隨著電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，電纜接頭數(shù)量劇增，經(jīng)常出現(xiàn)引流線夾、耐張線夾過熱問題，由此引發(fā)的故障和事故也日益嚴(yán)重。當(dāng)線路處于重負荷條件下，經(jīng)常需要采用人工對輸電線路逐個巡檢，使用紅外測溫儀對引流線夾、耐張線夾進行溫度測試，不僅局限性大而且檢測效率非常低。

綜上，智能電網(wǎng)對實時狀態(tài)監(jiān)測有強烈需求，傳感器的穩(wěn)定工作對于電網(wǎng)安全運行有著直接影響。通常監(jiān)測傳感器采用低壓直流供電，且要求電源具有較高的穩(wěn)定性。實際的應(yīng)用場景往往不能滿足這些要求。例如，部署在高壓線路的在線監(jiān)測傳感器，受環(huán)境條件、絕緣以及電氣隔離等安全因素的限制，很難通過線纜直接獲取低壓直流電源。多方面研究表明，雖然電網(wǎng)中廣泛存在電能資源，但是在面向電力傳感器的供電應(yīng)用方面仍然存在一定的局限性，供電問題已成為制約電力傳感器應(yīng)用發(fā)展的瓶頸問題[10]。

電池供能是目前最常用的供電解決方案。但是電池有著壽命比較短、受環(huán)境影響大、不易固定在高壓側(cè)等問題。壽命到期后更換電池需要耗費大量的資源，有些條件下甚至無法更換。要維持監(jiān)測傳感器的長期運行，從環(huán)境中獲取能量無疑成為最具優(yōu)勢的解決方案。典型的電力傳感器應(yīng)用場景是電力線纜和變壓器。目前，國內(nèi)外的研究焦點主要集中在如何對電力電纜運行狀態(tài)參數(shù)進行故障監(jiān)測與診斷。然而，針對在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題研究卻不夠充分，并且由于其特殊的工作環(huán)境，高壓側(cè)監(jiān)控的供電問題已經(jīng)成為這一領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸[11]。

1.2 電力傳感器在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用

智能電網(wǎng)中電力傳感器的廣泛應(yīng)用，需要解決目前電力傳感器供能存在的問題。電池供能存在的問題也愈加清晰地展現(xiàn)在管理者面前，所以智能電網(wǎng)中能量收集技術(shù)及電力傳感器技術(shù)的耦合也愈加迫切。

能量收集技術(shù)的發(fā)展為智能電網(wǎng)中電力傳感器的能源供給提供技術(shù)支撐。能量收集方式有太陽能、風(fēng)能、熱能、動能、電磁能等，其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)在還比較少，發(fā)展空間巨大，能帶來巨大的社會效益。面對以上問題智能電網(wǎng)對能量收集技術(shù)的應(yīng)用需求也愈顯迫切。

2 能量收集技術(shù)及相關(guān)集成電路的發(fā)展

能量收集技術(shù)是一種將環(huán)境周圍分布式能量進行收集并轉(zhuǎn)換成可使用電能的技術(shù)，其中可收集的分布式能量有動能、熱能、太陽能和電磁能等多種形式，這些能源的能量生成、環(huán)境和特點如表1 所示。

表1 不同分布式能源的能量生成、環(huán)境和特點

各種能量收集方式所能獲取的能量不同，振動發(fā)電是利用壓電元件等將機械能量轉(zhuǎn)換為電能；熱電采用溫差發(fā)電片作為能量收集媒介，將環(huán)境溫差轉(zhuǎn)換為電能；采用太陽能電池板的能量收集方式在單位面積上收集的能量最多，但不同光照條件所能收集到的電能差別很大；電流互感器利用交流電流傳輸線上的電磁變化而通過電磁感應(yīng)的方式產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電能。

以上四種能量收集方式分別利用了力、熱、光、電四種基本物理現(xiàn)象進行能量收集，將其他能量轉(zhuǎn)換成直流電是智能電網(wǎng)應(yīng)用中比較主流的能量收集技術(shù)，經(jīng)過多年發(fā)展已具有特定的模式。

2.1 動能能量收集技術(shù)

動能能量收集的原理是利用運動部件的位移或能量收集裝置內(nèi)部某些結(jié)構(gòu)的機械形變來產(chǎn)生能量。能量來源的動能包括了振動、位移、摩擦等多種形式[12-15]，根據(jù)動能轉(zhuǎn)換為電能機理的不同，可分為靜電式、壓電式、電磁式和摩擦式4 類[10]。

靜電式動能收集原理是帶電運動部件逆電場運動，從而將動能轉(zhuǎn)換為電能。MIT 的Meninger 教授等人研究了庫侖阻尼諧振發(fā)電機和電壓阻尼諧振發(fā)電機這兩種靜電式動能收集器的原型機[16]。利用外部振動導(dǎo)致的電容器極板位移，從而引起的電容器變化，將機械能轉(zhuǎn)換成電能。文獻[17]測試結(jié)果顯示0.014 g 的低重力加速度，75 Hz 的低振動速率，可得到1.17 μW 的能量輸出。

壓電式動能收集利用了壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)是指在機械應(yīng)力作用下，材料產(chǎn)生電極化強度發(fā)生改變的現(xiàn)象。材料在沿一定方向受外力而變形時，同時在兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷，電荷積累形成電勢差，從而轉(zhuǎn)化為電能[18]。由賓夕法尼亞州立大學(xué)研究制作的鈸式換能器是一種典型的夾心式壓電能量收集裝置，壓電振動能量收集裝置的鋼帽都與兩端粘結(jié)，通過鋼帽振動使壓電片受到循環(huán)力作用。實驗結(jié)果表明，在外力達到100 N、頻率為150 Hz 左右的環(huán)境下，對其施加70 N 的循環(huán)力，可以得到的功率為52 mW[14]。

電磁式動能收集基于電磁感應(yīng)原理，將永磁體和閉合線圈兩者其一固定，另一方在振動的作用下發(fā)生位移變化，在閉合線圈內(nèi)產(chǎn)生電流。實用中通常利用磁電復(fù)合材料替代閉合線圈，依靠鐵磁相的磁致伸縮效應(yīng)與鐵電相的壓電效應(yīng)實現(xiàn)磁電耦合。2001 年，Ryu 等[19]用兩層Terfenol-D 夾持一層PZT，用導(dǎo)電銀膠進行粘接得到典型的層狀結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料，依據(jù)上述原理將振動能量轉(zhuǎn)換為電能[20]。

摩擦式動能收集基于摩擦起電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)進行能量收集。摩擦納米發(fā)電機理最早由中國科學(xué)院王中林團隊于2012 年提出[21-22]，隨后國內(nèi)其他團隊對能量轉(zhuǎn)換效率進行了大幅提升[23-24]。目前應(yīng)用于振動能量收集的主要有接觸-分離式和平面滑動式，尚處于技術(shù)積累階段。

2.2 溫差能量收集技術(shù)

溫差能量收集利用熱電效應(yīng)中的塞貝克效應(yīng)將物體的溫度差轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)金屬或者半導(dǎo)體中出現(xiàn)熱梯度時，原本自由運動的帶電載流子(如電子)在熱端運動快，在冷端運動慢，統(tǒng)計上會出現(xiàn)載流子由熱端向冷端擴散現(xiàn)象，形成內(nèi)建電場。當(dāng)內(nèi)建電場和載流子的擴散達到平衡的時候，就會在冷熱兩端出現(xiàn)穩(wěn)定的電勢差。使用兩根不同的金屬，由于電勢差不同，可以在回路中產(chǎn)生電動勢，并有電流通過。

在熱梯度作用下，P 型半導(dǎo)體中的空穴和N 型半導(dǎo)體中的電子發(fā)生擴散，在P 型半導(dǎo)體中形成的內(nèi)建電場指向上方，而N 型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電場指向下方。當(dāng)半導(dǎo)體形成熱學(xué)并聯(lián)、電學(xué)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)時，可以實現(xiàn)更高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

現(xiàn)代溫差發(fā)電機，使用N 型和P 型半導(dǎo)體構(gòu)成回路，如圖1 所示。

圖1 溫差發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 光伏能量收集技術(shù)

光電池的工作原理是基于貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的“光生伏特效應(yīng)”。當(dāng)光照射到PN 結(jié)的一個面，例如P 型面時，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P 型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，將通過空間電荷的電場作用被相互分離。電子向帶正電的N 區(qū)運動，空穴向帶負電的P 區(qū)運動，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。

目前電網(wǎng)對光伏的研究主要集中在利用光伏大規(guī)模發(fā)電[25-27]，量產(chǎn)光電池的轉(zhuǎn)換效率可達18%。也可以依賴于傳統(tǒng)的太陽能技術(shù)作為能量收集并且給傳感器供電，但這些設(shè)備體積大、價格昂貴、靈活性差。因此，當(dāng)前光伏能量收集技術(shù)在傳感器供電方案上的應(yīng)用受到很大限制。目前麻省理工學(xué)院（MIT）正在基于鈣鈦礦薄膜電池開發(fā)一種價格低廉的傳感器光伏供能方案。這種方案將鈣鈦礦夾在電極、陰極和特殊的電子傳輸層材料之間，無需電池或其他外部電源即可運行數(shù)月甚至數(shù)年。

2.4 電磁能量收集技術(shù)

電磁能量收集是將空間中的電磁場能量轉(zhuǎn)換為電能，通?？梢苑譃榇艌鼋鼒鋈∧?、電場近場取能、電磁場遠場取能。

磁場近場取能技術(shù)主要依靠閉合的線圈，感應(yīng)變化的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)換。按照部署方式，可分為侵入式和非侵入式。侵入式即常規(guī)電流互感器，可實現(xiàn)5 A 及以上線路負荷下的磁場取能，技術(shù)較為成熟，輸出功率可達瓦級，但可操作性差，且后期維護成本較高。非侵入式不破壞原有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過外部耦合作用取能，如圖2 所示。非侵入式取能裝置的安裝、可操作性好，維護成本低[10]。但是非侵入式取能耦合系數(shù)、功率較低，并且重量、體積大，成本較高。

圖2 高壓線路磁場非侵入取能示意圖[28]

電場近場取能主要基于高壓導(dǎo)線與大地或低壓側(cè)之間產(chǎn)生的恒定電場，利用電容分壓法進行取能。根據(jù)分壓電容所處位置不同，可分為直接取能、低壓側(cè)電場取電和高壓側(cè)電場取電，如圖3 所示。

圖3 根據(jù)電容位置不同電場取能分類[29]

直接取能法的問題是R1承受線路相電壓。通常不能使用在電壓過高的導(dǎo)線上，因為電壓等級較高時，分壓器需要比較復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)，會對電網(wǎng)安全運行造成不利影響。低壓側(cè)取能法中C0阻抗比R1大很多，C0分擔(dān)絕大部分電壓，所以電壓分壓器R1阻抗較小，可以無需復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)。但這種方法R1不能過大，取能功率也較小。高壓側(cè)取能法和低壓側(cè)類似，但是高壓側(cè)的R1直接連接在高壓導(dǎo)線上，與侵入式磁場取能存在共同點，通常會被磁場取能替代。

電磁場遠場取能依靠輻射進行能量傳遞，傳輸距離可達十米甚至百米，微波無線傳能（Microwave Power Transmission，MPT）[30]是實現(xiàn)電磁場遠場取能的一種主流技術(shù)方案。

2.5 能量收集技術(shù)中的芯片技術(shù)

一套典型的能量收集系統(tǒng)框圖如圖4 所示，主要包括換能器和電源管理電路兩大部分。

圖4 能量收集系統(tǒng)框圖

隨著能量獲取方式的不同，換能器的功能實現(xiàn)差別很大。動能能量收集主要依托了微機電系統(tǒng)（MEMS）芯片來實現(xiàn)從環(huán)境能量到電荷積累或電場變化的轉(zhuǎn)換，再利用專用集成電路（ASIC）芯片控制轉(zhuǎn)換時序和實現(xiàn)弱信號處理[31-32]。溫差能量收集技術(shù)需要在多晶硅片上設(shè)計出符合要求的N 型和P 型半導(dǎo)體器件版圖。溫差能量收集硅片產(chǎn)生電壓一般為200 mV 以內(nèi)的直流電壓信號，需要使用ASIC 芯片進行信號處理，將較小的電壓通過電荷泵轉(zhuǎn)換成更高的直流電壓，再通過電源管理電路處理成可用能量信號，進行存儲和使用。光伏能量收集由于光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著光照強度和溫度的變化具有強烈的非線性，因此在不同條件下存在著唯一的最大功率點（MPP）。如何動態(tài)獲取最大功率點成為了研究的熱點[33]。MPPT（Maximum Power Point Tracking）算法用于尋找功率最大點，例如分數(shù)階極值搜索控制等算法被集成在芯片中。另外，傳統(tǒng)的光伏能量收集系統(tǒng)比較笨重，造價較高，因此研究成本低廉、易于集成的光伏能量收集技術(shù)也是未來的方向之一。值得注意的是，熱能、機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程也存在類似的極值點，可使用芯片處理技術(shù)提升能量轉(zhuǎn)換效率。電磁能量收集過程需要天線和線圈等電磁能收集結(jié)構(gòu)，收集到的射頻信號經(jīng)過整流電路實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，如圖5 所示，轉(zhuǎn)換后的直流電壓通過電源管理電路處理成為后級電路適用的各種電源信號。

圖5 射頻能量收集系統(tǒng)框圖

電源管理電路一般包括兩個DC-DC 轉(zhuǎn)換級。這是假設(shè)換能器是直流電源（例如熱電或光伏采集器）。對于交流源（例如壓電采集器），在連接之前還需要加入AC-DC 轉(zhuǎn)換級。第一個DC-DC 的作用是實現(xiàn)最大功率提取，這個階段需要將電路調(diào)節(jié)至最大功率所需的最佳輸入阻抗，從而實現(xiàn)換能器轉(zhuǎn)移到電源管理電路的高效能量傳輸。從換能器中提取的能量大多數(shù)都需要存儲起來使用，因為從環(huán)境提取的能量往往不足以直接支持負載電路的實時運行功耗。電池或超級電容器都是可以選擇放置在節(jié)點的儲能元件。第二個DC-DC 的整流電路為后續(xù)的功能電路提供穩(wěn)定持續(xù)的電源輸出，因此整個能量收集系統(tǒng)的輸入和輸出參數(shù)都是由系統(tǒng)需求決定的，要達到理想的轉(zhuǎn)換效率需要在阻抗匹配和負載適應(yīng)性上投入研究。

由于環(huán)境能量收集所獲得的電能相對較小，而分立器件的電路板方式自身工作需要額外消耗較大的功耗，芯片已經(jīng)成為能量收集技術(shù)中的首選方案。

3 適用于智能電網(wǎng)的能量收集技術(shù)研究方向

3.1 能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)中已有應(yīng)用及現(xiàn)狀

3.1.1 變壓器溫差取能

油浸式變壓器運行時，利用油的循環(huán)和對流把鐵芯和繞組損耗產(chǎn)生的熱傳遞到散熱片，再傳遞到外部的環(huán)境中。根據(jù)文獻[34]，利用油浸式變壓器箱體產(chǎn)生的熱量，當(dāng)其上附著的熱電模塊冷熱端溫差達55 K 時，熱電能量收集能獲得475 mW 的最大輸出功率。文獻[35]中提及一種無源無線傳感器已在河南某變電站穩(wěn)定試運行，該傳感器中的熱電發(fā)生器對溫差進行判定，當(dāng)冷端與熱端溫差大于5℃時，即可工作并采集變壓器套管當(dāng)前狀態(tài)，驗證了測溫裝置的實際應(yīng)用價值，如圖6 所示。該套測溫裝置體積小，維護成本低，可大力推廣使用，對維護變壓器等電力設(shè)備的安全運行具有重要意義。當(dāng)然，5 ℃的啟動溫差限制了該設(shè)備的應(yīng)用范圍，也為后續(xù)研究提出了要求。

圖6 變壓器測溫結(jié)果[35]

文獻[36]中介紹了一種變電站的自取能無線測溫傳感器節(jié)點，并提供在變壓器各部位的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 變壓器各處溫度[36]

通過測試發(fā)現(xiàn)，變壓器外殼和環(huán)境溫差在10 ℃左右，但是刀閘處溫度基本和環(huán)境沒有差別。雖然變壓器存在使用溫差取能的可能性，但是對于刀閘或者開關(guān)柜這些設(shè)備，溫差取能并不適用。針對實際應(yīng)用場景，文章總結(jié)了限制溫差取能傳感器應(yīng)用的原因主要是由于換能器效率低，溫差為10 ℃時，只能產(chǎn)生30 mV 的電壓；分立器件搭建傳感器節(jié)點功耗過高；升壓電路功耗大，轉(zhuǎn)換效率低。

3.1.2 變壓器振動取能

由于變壓器內(nèi)部交變磁場會引起硅鋼片振動，變壓器也伴隨著振動，這種變壓器振動可以作為動能能量收集傳感器的能量源。文獻[37]介紹一種利用變壓器振動能收集器的能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)放置于變壓器表面，輸出功率在2.27 mW～5.8 mW 之間。經(jīng)實驗證明，基于能量收集器的電源管理電路給2 節(jié)鋰電池充電70 天，可驅(qū)動3 個60 mW 的LED 白光燈照明約3.88 h。

3.1.3 能量收集技術(shù)在電力線實時監(jiān)測中的應(yīng)用

電力線中的交變電流是最直接的能量來源，可以通過電磁能量收集技術(shù)將電力線的電磁能轉(zhuǎn)化為電能，例如通過電流互感器或者非侵入式取能模塊獲取能量以供電力線實時監(jiān)測傳感器使用。另外，電力線還具備溫差取能的條件。根據(jù)文獻[38]介紹，電力線接頭流過電流會持續(xù)發(fā)熱，電纜接頭表面溫度與環(huán)境溫度相差10～20 ℃，如圖7 所示。根據(jù)文獻[39]的研究結(jié)果表明：環(huán)境溫度23 ℃時，懸垂線夾的最高溫度為47 ℃，而導(dǎo)線的溫度僅為37 ℃。耐張線夾溫度比環(huán)境溫度高20 ℃，具備溫差取能的條件。文獻[40]計算了三相環(huán)氧電纜終端的線芯溫度、表面溫度以及載流量之間的關(guān)系，為電力電纜及其附件的熱電能量收集提供了數(shù)值依據(jù)。

圖7 不同環(huán)境溫度下電纜接頭溫度分布圖[38]

電流互感器屬于電磁能量收集技術(shù)中的磁場近場取能。電流互感器取能一般采用取能線圈獲取，取能線圈通常設(shè)計為穿心式，卡裝于導(dǎo)線上。但這種形式的取能線圈安裝復(fù)雜，且包含鐵芯，自身重量較大，長期掛網(wǎng)將影響線路機械性能，在母排尺寸較大時，維護操作復(fù)雜且需要對母排斷電。其次，相間距離將因等電位套裝的線圈而減小，從而可能影響相間絕緣安全。此外，電流互感器取電，如果為了追求效率要求在低電流時即開始工作，很容易被大電流沖擊而損壞；如果為了可靠性在高電流時才開始工作，會導(dǎo)致效率低，這也是電流互感器取電裝置難以大規(guī)模推廣的另一原因。

非侵入式取能是將取能模塊放置于被取能裝置外部，通過外部耦合作用進行取能。由于其安裝不破壞原有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可操作性好，維護成本低。但是這種方式的取能耦合系數(shù)和功率都較低。根據(jù)文獻[26]介紹，在離地2 m 處磁場密度為7 μT 時，利用體積為195.65 cm3的蝶形線圈，線圈匝數(shù)為40 000 匝，可以采集到的功率為360 μW，可以看出這種方式所取出的能量比較低。

如果通過對電纜中間接頭溫度進行實時監(jiān)測，則能夠在故障發(fā)生之前發(fā)出預(yù)警，并及時開展故障源清除或者更換新的電纜中間接頭，從而避免更大損失的發(fā)生。對電力線纜接頭溫度進行實時檢測會遇到傳感器如何取電問題。目前電力系統(tǒng)內(nèi)存在數(shù)百萬個線纜接頭，若采用電池供電，當(dāng)電量耗盡需要逐個更換，使用維護成本過高。綜上，采用能量收集技術(shù)為傳感器提供電源是最合適的方案。根據(jù)文獻[34]，利用油浸式變壓器箱體產(chǎn)生的熱量，當(dāng)其上附著的熱電模塊冷熱端溫差達55 K時，熱電能量收集能獲得475 mW 的最大輸出功率。

3.2 能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題

能量收集技術(shù)在電網(wǎng)中已經(jīng)取得了一定規(guī)模的應(yīng)用，同時也暴露出一些問題。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)電網(wǎng)中的溫度傳感器的需求場景較多，但是目前對相關(guān)技術(shù)研究不夠深入，取能環(huán)節(jié)要求所測溫度與環(huán)境溫差較大，無法滿足小溫差取能的強烈需求。一方面，溫差取能需要更低啟動溫差和更高的轉(zhuǎn)換效率；另一方面，后續(xù)處理需要超低功耗的溫度傳感器、計算電路及射頻收發(fā)電路。如果可以實現(xiàn)在1 ℃～2 ℃溫差即可啟動工作，將大大拓寬溫差取能在智能電網(wǎng)中使用的范圍。

(2)對振動取能的應(yīng)用場景關(guān)注不夠，實際落地的振動能量收集應(yīng)用很少。

(3)在電力線相關(guān)的應(yīng)用場景中，主要還是采用傳統(tǒng)的侵入式取能，對微型化侵入式取能以及更先進的非侵入式取能技術(shù)研究較少。

(4)在光伏取能方面，傳統(tǒng)大型光伏板仍是應(yīng)用中的主要方案，針對傳感器的光伏取能研究不足。同時目前傳統(tǒng)光伏產(chǎn)品的MPPT 算法效率依舊有限，需要在實現(xiàn)最大效率的能量轉(zhuǎn)換上進一步探索。

(5)對于集成能量收集技術(shù)、傳感器、計算傳輸?shù)囊惑w化芯片研發(fā)起步較晚，可投入應(yīng)用的成熟產(chǎn)品缺失。

(6)現(xiàn)有的單一形式的環(huán)境取能難以覆蓋復(fù)雜多變的電力應(yīng)用場景，需結(jié)合應(yīng)用場景環(huán)境能量特點，開展多樣化的取能方式研究及應(yīng)用，有針對性地解決特定場景、特定傳感器的能量供給問題。

3.3 智能電網(wǎng)的能量收集技術(shù)研究方向

如前文分析，目前智能電網(wǎng)中許多設(shè)備在工作狀態(tài)下存在穩(wěn)定的振動，這種穩(wěn)態(tài)振動能夠為振動能量收集提供穩(wěn)定的能量供給。目前，振動能量收集相關(guān)研究還處于探索階段，相關(guān)產(chǎn)品既不夠成熟又無法滿足電力系統(tǒng)應(yīng)用場景的需求?；贛EMS 技術(shù)的振動換能器需要解決器件體積較大、成本較高、難于硅基集成等技術(shù)障礙，需要在集成電路制造工藝方面投入研發(fā)力量。后續(xù)，通過對振動能量收集系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的深入研究，并結(jié)合現(xiàn)代MEMS 技術(shù)發(fā)展成果，設(shè)計廣泛適用于電力系統(tǒng)各型設(shè)備的振動能量收集產(chǎn)品前景廣闊。

溫差能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)中有廣泛應(yīng)用場景，但是目前成熟的溫差能量收集技術(shù)方案還無法全面適應(yīng)電力系統(tǒng)復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，尤其是需要解決不同環(huán)境和時間段溫差變化范圍較大的問題，研究對溫差適應(yīng)范圍廣的溫差能量收集技術(shù)方案。此外，現(xiàn)階段電壓轉(zhuǎn)換效率還有待提高，溫差換能器需要解決集成電路設(shè)計中面臨的高能量轉(zhuǎn)換效率和低開啟閾值之間的固有矛盾，以滿足在溫差較小的情況下穩(wěn)定輸出足夠電能的需要。

光伏能量收集技術(shù)已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但是主要是應(yīng)用傳統(tǒng)的太陽能電池或其縮小版本。更多地是為能量需求較大的設(shè)備服務(wù)而非隨處可見的電力傳感器。除了成本較高，這種方案的體積仍不能令人滿意。而且，光伏能量收集系統(tǒng)中的專用信號調(diào)理電路的設(shè)計技術(shù)仍未在國內(nèi)形成突破。

此外，先進集成電路封裝技術(shù)的研究有利于進一步縮小電力傳感器的物理尺寸，降低傳感器自身的能量損耗。如果能單芯片集成能量收集、轉(zhuǎn)換電路以及傳感器和信號處理、傳輸電路，不僅能大大降低能量收集技術(shù)應(yīng)用門檻，還能有效擴展應(yīng)用場景。

4 結(jié)論

智能電網(wǎng)建設(shè)給電力傳感器的應(yīng)用提供了廣闊的空間，但是單純依靠電池作為能量來源的傳感器裝置無法滿足大多數(shù)電力應(yīng)用場景的要求，供電問題已成為制約電力傳感器應(yīng)用發(fā)展的瓶頸問題。從環(huán)境中獲取能量無疑是解決電力傳感器的供電問題的有效手段。目前，國內(nèi)外已針對能量收集技術(shù)開展深入研究，并且取得一系列的成果，部分能量收集技術(shù)已經(jīng)在智能電網(wǎng)中得到應(yīng)用。隨著電力傳感器微型化及傳感器本身對計算、傳輸能力的要求不斷增強，融合集成電路技術(shù)的能量收集方案成為解決電力傳感器能量來源的必然路徑，相關(guān)研究領(lǐng)域形成技術(shù)突破，必將極大推動能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用并對智能電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級產(chǎn)生深遠影響。