摘要：為提高光伏分布式采集系統(tǒng)電流測(cè)量靈敏度，以Fe8OP13C7合金粉末和環(huán)氧樹(shù)脂等原材料制備了磁致伸縮材料，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種磁致伸縮傳感器，并結(jié)合NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光伏分布式采集系統(tǒng)高靈敏度的電流測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，F(xiàn)e8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比為5∶1，且在磁致伸縮材料中加入永磁體時(shí)，制備得到的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能最高，飽和磁致伸縮系數(shù)約為700με。相較于市售同類(lèi)型傳感器，本文所設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度更高，約為0.4με/A，測(cè)量范圍更廣，為0～600 A，且Fe8OP13C7合金用量更少、成本更低，可用于實(shí)際光伏分布式采集系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：分布式光伏電站；電流傳感器；硅膠；環(huán)氧樹(shù)脂

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ433.4+38；TM615+.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0025-04

Research on distributed photovoltaic acquisition based on sensor encapsulation and wireless network

XU Yuan 1，ZHAO Dongyuan2

（1.Guangzhou Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China；

2.Tsinghua University，Beijing 100025，China）

Abstract：In order to improve the current measurement sensitivity of photovoltaic distributed acquisition system，a magnetostrictive material was prepared from raw materials such as Fe8OP13C7 alloy powder and epoxy resin，and a magnetostrictive sensor was designed accordingly.Combined with NB-IoT wireless communication technology，the high sensitivity current measurement of photovoltaic distributed acquisition system was realized.The experimental results show that when the particle size of Fe8OP13C7 alloy is 126μm，the mass ratio of Fe8OP13C7 alloy to epoxy resin is 5：1，and the permanent magnet is added to the magnetostrictive material，the magnetostrictive performance of the prepared magnetostrictive material is the highest，and the saturation magnetostrictive coefficient is about 700με.Compared with the same type of sensor on the market，the sensor designed in this paper has higher sensitiv-ity，about 0.4με/A，a wider measurement range of 0～600 A，and less Fe8OP13C7 alloy consumption and lower cost，which can be used in the actual photovoltaic distributed acquisition system.

Key words：distributed photovoltaic power stations；current sensor；silica gel；epoxy resin

分布式光伏電站在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的地位舉足輕重，確保分布式光伏電站的安全對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)至關(guān)重要。而確保分布式光伏電站的安全，最常用的方法是利用傳感器技術(shù)，通過(guò)采集可反映分布式光伏電站信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。如楊振宇等[1]基于傳感器技術(shù)，通過(guò)采集光伏陣列線路阻抗和環(huán)境參數(shù)，分析了動(dòng)態(tài)電容電流-電壓測(cè)量方法的影響機(jī)理，消除了光伏電站分布參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了測(cè)量精度，一定程度上避免了光伏電站故障；林楨[2]基于傳感器技術(shù)采集了光伏電站升壓站短路電流相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算了接地電阻，保障了光伏電站的運(yùn)行安全；張麗瑾等[3]設(shè)計(jì)了便攜式光伏電站電流比測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了同一時(shí)間光伏電站多個(gè)組串的電流瞬時(shí)值檢測(cè)，為快速、準(zhǔn)確找出光伏電站的短板發(fā)電電源提供了參考。通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，基于傳感器的電流測(cè)量方法已廣泛應(yīng)用于光伏電站相關(guān)電流測(cè)量，并取得了一定的成果。但現(xiàn)有方法在光伏電站靈敏度檢測(cè)方面仍有待進(jìn)一步提高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以Fe8OP13C7合金和環(huán)氧樹(shù)脂等為原材料，制備了一種磁致伸縮傳感器，并結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分布式光伏電站的電流數(shù)據(jù)采集，有效提高了光伏電站電流數(shù)據(jù)采集的靈敏性。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：硅膠（工業(yè)級(jí)，硅膠科技（廣州））；固化劑（T31，華茂化工）；環(huán)氧樹(shù)脂（E-44，卡本科技）；Fe8OP13C7合金（尋石新材料）。

試驗(yàn)設(shè)備：WD-50電磁鐵（山磁機(jī)械）；手套口直徑180mm的手套箱（埃博拉設(shè)備）；XH6111TMLPJH研磨碗（新諾儀器）；DZF-6020真空干燥箱（航佩儀器）；M/THP100L高低溫試驗(yàn)箱（亞諾天下儀器）；VC862C高斯計(jì)（磁通探傷材料）；100目/230目篩網(wǎng)（九通機(jī)電設(shè)備）；DDDL-1000升流器（國(guó)電華美）。

1.2試驗(yàn)方法

制備光伏分布式采集傳感器具體步驟如下：

（1）取Fe8OP13C7合金顆粒倒入研磨碗，并在充滿氬氣保護(hù)氣的手套箱中，手工研磨成Fe8OP13C7合金粉末[4-5]；

（2）在手套箱中通過(guò)不同規(guī)格篩網(wǎng)篩分研磨后的粉末，得到不同粒徑大小的Fe8OP13C7合金粉末；

（3）將質(zhì)量比為3∶1的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣粘結(jié)劑和固化劑充分?jǐn)嚢杌旌虾蟮幕旌衔锏谷霟校⒎Q(chēng)取質(zhì)量為環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量5倍的篩分后Fe8OP13C7合金粉末倒入燒杯中，置于真空箱中進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚钡骄鶆颍?/p>

（4）基于特定溫度對(duì)混合物進(jìn)行固化，得到備用磁致伸縮材料；

（5）按1∶1比例混合硅膠和固化劑，并使用攪拌棒充分?jǐn)嚢杌旌衔铮?/p>

（6）設(shè)定磨具外框長(zhǎng)×寬=5 cm×5 cm，壁厚0.4 cm，凸起半圓柱半徑和長(zhǎng)度分別為0.2 cm和0.4 cm。將充分?jǐn)嚢璧墓枘z和固化劑混合物緩慢倒入磨具中；

（7）將磨具置于自然溫度（26τ）環(huán)境下3.5 h后，放入真空干燥箱中，設(shè)定真空干燥箱的溫度為55τ，干燥6 h固化磨具[6-7]；

（8）將備用磁致伸縮材料倒入磨具中，并在磨具兩端放入永磁體，然后將整個(gè)磨具放入溫度恒定的高低溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行固化，得到特定尺寸大小的磁致伸縮材料；

（9）將導(dǎo)磁材料設(shè)計(jì)為由細(xì)到粗的圓環(huán)。其中，圓環(huán)較細(xì)處尺寸與制備得到的特定尺寸磁致伸縮材料大小一致。將制備的特定尺寸大小的磁致伸縮材料鑲嵌在導(dǎo)磁材料中，并在圓環(huán)較粗處纏繞100圈可調(diào)線圈，即可得到基于磁致伸縮材料的光伏分布式采集傳感器，如圖1所示[8-9]?？烧{(diào)線圈內(nèi)外徑分別為4.6 cm和5 cm。

2結(jié)果與分析

2.1磁致伸縮材料測(cè)試結(jié)果與分析

2.1.1測(cè)試平臺(tái)

為分析所制備的磁致伸縮材料的性能，搭建了圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。其中，電源負(fù)責(zé)供電，應(yīng)變儀負(fù)責(zé)解調(diào)應(yīng)變片的應(yīng)變變化量，電磁鐵負(fù)責(zé)產(chǎn)生平行磁場(chǎng)，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)[10]。

2.1.2永磁體對(duì)磁致伸縮材料的影響

為分析永磁體產(chǎn)生的取向磁場(chǎng)對(duì)磁致伸縮材料的影響，在Fe8OP13C7合金粒徑為126μm、Fe8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比為5∶1時(shí)，分析了加入永磁體和不加入永磁體的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，加入永磁體和未加入永磁體的磁致伸縮材料磁致伸縮變化相同，磁致伸縮系數(shù)均隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大先降低后升高，且呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)；相較于未加入永磁體，加入永磁體的磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮更大，磁致伸縮系數(shù)約為其2倍。這是因?yàn)槲醇尤胗来朋w的磁致伸縮材料的磁疇方向不同，導(dǎo)致磁疇磁矩相互抵消，而加入永磁體后，其磁疇方向偏向永磁體的磁場(chǎng)方向，因此，其飽和磁致伸縮更大[11-12]。

2.1.3 Fe8OP13C7合金粒徑對(duì)磁致伸縮材料的影響

為分析Fe8OP13C7合金粒徑對(duì)磁致伸縮材料的影響，設(shè)置Fe8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量比為5∶1，在磁致伸縮材料的兩端加入永磁體，分析了不同粒徑的Fe8OP13C7合金時(shí)磁致伸縮材料的磁致伸縮性能，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，磁致伸縮系數(shù)先快速增大，后緩慢增加并趨于穩(wěn)定；相較于粒徑為58μm，粒徑為126μm的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能更好。這是因?yàn)镕e8OP13C7合金粒徑越小，磁致伸縮材料表面的吸附力越大，流動(dòng)性和趨向性就越差，且更容易與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，從而導(dǎo)致材料的磁致伸縮性能降低[13-14]。因此，優(yōu)選Fe8OP13C7合金粒徑為126μm。

2.1.4質(zhì)量比對(duì)磁致伸縮材料的影響

為分析Fe8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比對(duì)磁致伸縮材料性能的影響，設(shè)置Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，在材料兩端加入永磁體，并分析了不同質(zhì)量比下磁致伸縮材料的磁致伸縮性能，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，相同磁感應(yīng)強(qiáng)度條件下，隨著Fe8OP13C7合金占比的增加，磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)均表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)；整體來(lái)看，相較于質(zhì)量比為9∶2和11∶2，質(zhì)量比為5∶1制備的材料的磁致伸縮性能更好。分析其原因是，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量較少時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂不具備磁致伸縮性能，而當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量較多時(shí)，F(xiàn)e8OP13C7合金難以與環(huán)氧樹(shù)脂充分混合，導(dǎo)致材料的伸縮性能降低[15-17]。因此，優(yōu)選Fe8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂的質(zhì)量比為5∶1。

綜上所述，當(dāng)磁致伸縮材料中加入永磁體，F(xiàn)e8OP13C7合金粒徑為126μm，F(xiàn)e8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比為5∶1時(shí)，制備得到的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能最高，磁致伸縮系數(shù)最大，約為700με。

2.2傳感器測(cè)試結(jié)果與分析

2.2.1測(cè)試平臺(tái)

為分析制備的光伏分布式采集傳感器性能，搭建了如圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置。其中，升流器負(fù)責(zé)提供大電流；應(yīng)變儀負(fù)責(zé)解調(diào)傳感器的輸出應(yīng)變；銅材料導(dǎo)體負(fù)責(zé)降低大導(dǎo)線的發(fā)熱；計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)展示結(jié)果，并搭載COSMSOL Multiphysics仿真軟件進(jìn)行分析[18-20]。

2.2.2傳感器對(duì)比

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的光伏分布式采集傳感器的優(yōu)越性，試驗(yàn)對(duì)比了所設(shè)計(jì)的傳感器與市售同類(lèi)型傳感器的性能。如表1所示，本傳感器的Fe8OP13C7合金用量?jī)H不到市售同類(lèi)型傳感器的一半，為0.15 g；靈敏度也更高，約為0.4με/A；可測(cè)量的電流范圍更廣，為0～600 A。由此說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的傳感器具有更優(yōu)異的性能，且制造成本更低。

3基于傳感器封裝和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的光伏分布式采集

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的傳感器在光伏分布式采集系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，以海南某大學(xué)分布式光伏發(fā)電站為研究對(duì)象，采用所設(shè)計(jì)的傳感器采集光伏電站電流?？紤]到目前的分布式光伏電站布線復(fù)雜，難以管理，以及綜合比較NB-IoT無(wú)線通信、WIFI無(wú)線通信、ZigBee無(wú)線通信方式的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，本次試驗(yàn)采用傳輸距離長(zhǎng)、成本低、覆蓋面相對(duì)較大，且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)腗5310 NB-IoT無(wú)線通信方式進(jìn)行電流信息的傳輸。

基于M5310 NB-IoT通信模塊，本試驗(yàn)利用STM32L476低功耗單片機(jī)作為核心微處理器，并基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建云平臺(tái)服務(wù)器，測(cè)試傳感器的有效性。系統(tǒng)框架如圖7所示。

圖8為實(shí)際應(yīng)用中傳感器的測(cè)量電流與傳感器輸出的關(guān)系。由圖8可知，在測(cè)量范圍內(nèi)，所設(shè)計(jì)的傳感器具有較高的靈敏度，為0.42με/A，可在實(shí)際應(yīng)用中有效測(cè)量分布式光伏電站電流，為分布式光伏電站安全提供保障。

4結(jié)語(yǔ)

（1）永磁體對(duì)磁致伸縮材料性能具有一定影響，相較于未加入永磁體，加入永磁體的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能更好，飽和磁致伸縮系數(shù)約為其2倍；

（2）Fe8OP13C7合金粒徑對(duì)磁致伸縮材料性能具有一定影響，相較于Fe8OP13C7合金粒徑為58μm，F(xiàn)e8OP13C7合金粒徑為126μm制備的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能更好；

（3）Fe8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比對(duì)磁致伸縮材料性能具有一定影響，當(dāng)兩者質(zhì)量比為5∶1時(shí)，制備的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能更好；

（4）當(dāng)磁致伸縮材料中加入永磁體，且Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，F(xiàn)e8OP13C7合金與環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量比為5∶1時(shí)，制備得到的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能最高，磁致伸縮系數(shù)最大，約為700με。

（5）相較于市售同類(lèi)型傳感器，本文所設(shè)計(jì)的傳感器的靈敏度更高，約為0.4με/A，提高了0.3με/A；測(cè)量范圍更廣，為0～600 A；且Fe8OP13C7合金用量更少，極大降低了制備成本；

（6）將本文設(shè)計(jì)的傳感器應(yīng)用于實(shí)際分布式光伏電站中仍具有較高的靈敏度，具有一定的適用性。

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（責(zé)任編輯：伍鈺）