輸電線路一體化監測裝置電源系統研究

李博,翟少磊,唐標,王恩,曹敏

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

輸電線路一體化監測裝置電源系統研究

李博,翟少磊,唐標,王恩,曹敏

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

研究了輸電線路走廊范圍各種可能的取能方式及其低功耗電源管理技術,提出了基于鎂基蓄電池、太陽能、高低電位感應取能及勢能取電相結合的穩定供電取能方式,以及動態電源管理技術 (DPM)、動態電壓頻率調節技術(DVFS)低功耗電源管理技術的電源綜合解決方案,提升裝置的自我生存能力。

電源;取能;低功耗管理;監測裝置;輸電線路

1 前言

輸電線路承擔著電能輸送重任,尤其是電網主干線路的超特高壓輸電線路安全、可靠、穩定運行直接關系到國民經濟的發展[1]。輸電線路的運行狀態可通過線路力學、電氣、微氣象等參數監測實現輸電線路覆冰、大風、山火、導線溫度、雷擊定位等狀態監測及評估,為線路故障定位分析及狀態監測、檢修提供了強有力技術支撐[2]。2008年,我國南方各大電網重大冰雪災害事故發生,輸電線路在線監測技術得到高度重視及廣泛應用[3]。

輸電線路在線監測技術在得到大力發展和推廣的同時,經實踐證明,電源問題已成為制約在線裝置發展的瓶頸[4]。一方面,高壓架空輸電線路處在荒山野嶺之中,要求選用合適自供電電源;另外一方面,目前常用的太陽能、風能及蓄電池供電系統,在覆冰關鍵時期,受光源和太陽能采集板覆冰以及風能供電設備易被凍死的影響,只能依靠蓄電池供電,若沒有其它取能方式作為補充及良好的電源管理策略,裝置無法達到自生存時間要求。因此,對于輸電線路在線監測裝置,如何選擇合適的供電電源及采用合理的電源管理技術以提升自生存能力,已經成為探討的重要課題。

以下針對現有監測裝置供電電源問題進行了系統性的研究,分析了輸電線路走廊范圍內的多種取能形式及電源管理策略,力求實現電源取能的多樣化和裝置運行的低功耗,保障裝置在關鍵覆冰期的自生存能力。

2 智能監測裝置及供電系統

輸電線路物聯網一體化監測裝置由數據采集單元、通信網絡、監測主 IED以及電源系統組成。該監測裝置能夠實現對輸電線路、桿塔、絕緣子等多種對象覆冰、大風、山火、塔材防盜、絕緣子污穢的等監測功能,集成3G/GPRS/GSM、OPGW、北斗、無線WiFi等多種通訊方式實現監測裝置間互聯及穩定通訊。

目前,在線監測裝置主要依靠太陽能光伏與蓄電池配合供電。但是,這種供電方式不能在長期陽光不足的季節和地區使用,同時由于是野外工作,太陽能電池板上長期積累的灰塵不易清洗,大大降低了光伏發電效率。此外,蓄電池體積大且隨著使用年限的延長,其充電效率大幅下降。因此,為保障在線監測裝置持續和穩定的電源供應,不能單獨依靠太陽能及蓄電池供電系統,必須研究借助輸電走廊可能存在的取能方式,實現供電電源的多樣化,為監測裝置常年提供穩定電力。線路走廊環境中,除了太陽能外,其它可采用供能主要有以下幾種：

1)利用熱源存在或者發生的溫度差實現熱能收集,由此可以分為熱電取能及溫差取能兩類[9]。相應的熱電發電機及溫差發電機已經問世,并已應用到手表、導航標識等領域,但轉換效率較低,目前還沒有應用到輸電線路在線監測裝置上的成功案例;

2)利用風能及其引發的一系列效應進行供電,如風力發電、導線振動能等,并已在輸電線路監測裝置已得到了應用,但風能取能機械部件在冬季覆冰期容易凍死,無法提供穩定的供電電源;

3)利用空間電磁能取電,相應的取能方式有高、低電位感應取電、勢能取電等。高電位感應取能技術較成熟,且取能方便,已得到了廣泛應用。低電位感應取能及勢能取電有相關理論研究,具有應用推廣價值,可重點研究。

以上都是潛在的取能方式,但依靠自然環境的取能形式存在對特定環境或季節的依賴性,考慮到取能穩定及持續性,經分析比較,本文將結合以下幾種直接或間接地從輸電導線上取能新技術,研究為一體化在線監測裝置提供可持續供電取能。

2.1 高電位感應取能

高電位感應取能方式主要是指CT感應取能,即通過利用套裝在高壓輸電線路A、B、C三相中的任意一相導線上的取能線圈,從高壓母線或線路上感應交流電壓,然后經過整流、濾波、穩壓后為高壓側電子電路供電的方式,其主要為導線測溫傳感器提供感應取能。

文中依據此原理進行了相關感應取能裝置的設計開發,并從仿真、試驗等方面具體分析該取能方式的可行性及其取能效果,由于高電位感應取能應用較廣,本文不詳細闡述。

2.1.1 取能裝置設計

經理論計算,設計了取能裝置,其基本參數如下：采用硅鋼片環形鐵芯,其外徑為D=120 mm,內徑為d=80 mm,高度a=20 mm,截面積S=400 mm2,平均磁路長度l=251.2mm,飽和磁感應強度Bs=2.0 T,疊片系數λ=0.95。

根據磁性材料的磁化曲線,為避免鐵芯在輸電導線大電流情況不發生飽和現象,選用飽和磁感應強度最大的工頻磁性材料硅鋼片作為鐵芯,并采用開氣隙處理,以此引入磁阻來減小磁導率。設計的鐵芯氣隙長度δ=1mm,等效相對磁導率μeq=251.2,其理論計算所得的最大勵磁電流有效值為1102A,即采用這種結構的取能線圈,可在導線電流1102A之內都不會飽和。而根據架空導線最大允許持續載流量的規定,絕大多數架空導線電流都不超過1000 A。因此,從理論上分析該鐵芯設計滿足應用需要。

2.1.2 試驗分析

從仿真角度,應用 Saber軟件進行了驗算。建立取能線圈的空載等效模型,分別給線圈一次側輸入100 A、500 A、1000 A正弦電流,得到的二次側輸出電壓波形如圖3(a)所示?？芍ㄐ卧陔娏骷s1000 A以下均是完整的正弦波未進入飽和區間;1000 A之后有輕微畸變,此時剛達到飽和。這與理論計算計算結果1102A有所減小,主要是因為理論計算時沒有考慮氣隙磁通擴散引起的氣隙有效長度減小。但是兩者都表明,改進后的取能線圈在導線電流1000 A以內均不飽和,證明了改進方案的正確性。

圖3 改進后的取能線圈輸出電壓仿真波形

通過大量試驗調整參數后,按照圖2的原理開發的高電位感應取能裝置,輸出端帶上等效負載,測試輸入電流與最大輸出功率的關系,結果如圖4。

測試表明,電源在200 A可輸出1.5W,對于采集和數據傳輸電路完全足夠,測試還證明,取能線圈在1000 A之內都不存在飽和現象,滿足導線測溫等傳感器功能需要。

2.2 低電位感應取能

2.2.1 原理

低電位感應取能是相對于高電位感應取能而言的,指在架空輸電線路周圍的適合位置而非架空導線上設置金屬線圈作為取能線圈,通過電磁感應從高壓導線獲取能量?；驹韴D如下圖5。取能線圈至少繞制為1匝,輸電線路的電流在周圍產生磁場,該磁場穿過線圈,通過感應在引出的始端和尾端之間形成電勢差,將始端和尾端連接至供能處理裝置并將感應電能轉換成適合線路在線監測裝置的供電量級,實現在線監測裝置的低壓供電。該取能方式布置簡單、實施成本低,且由于處于低電位,與電網完全電氣隔離,其安全性能高,可研究推廣使用。

圖5 低電位取能基本原理圖

圖6 取能線圈空間布置圖

2.2.2 取能線圈現場布置及取能效果分析

圖6為取能線圈的空間布置圖,線圈組成的平面與架空輸電線路的三相輸電線路共同所在的平面相互垂直,同時注意其放置位置應保證其距離架空輸電線路最近的邊框與架空輸電線路的任意一相輸電線路的距離均大于安全距離。

對于各電壓等級線路的取能效果,若按單匝線圈按圖6布置,且因輸電線路三相導線間距離較遠,通?？珊雎訠、C兩相的影響,則線圈兩端的感應電壓的計算如下：

其中,y為該點距離A相導線的距離;I為A相導線中任意時刻的電流,且I=Imsin(wt+φ), Im為幅值,w為角頻率,φ為相位角。

從而,線圈內通過的磁通：

故線圈兩端的感應電壓：

由于輸電線路安全距離隨電壓的升高而增大,而h必須大于安全距離,即h增大。當其他參數不變時,高電壓等級線路感應得到的電壓比低電壓等級小,又輸電線路電流隨線路電壓的增大而減小,而感應電動勢與輸電線路電流成正比,即線路電壓越高感應電動勢越小。對于尺寸為1×1m、匝數為200的線圈,將其應用于電壓等級分別為220/380 V、10 kV、110 kV的輸電線路上,假定輸電電流均為1000 A,其安全距離分別為1m、1.5m、4m,按最小安全距離布置取能線圈,利用上式進行計算,所得的感應電壓幅值分別可達8.72V、7.20 V、2.80 V,輸出功率在1～2W之間。

可見,本取能方式在較低電壓等級電網能獲得較好的取能效果,對于更高電壓等級電網可以通過線圈匝數調節以滿足輸出功率要求。

2.3 勢能取電

勢能取電是指電容集能轉換,即在工頻電場條件下,置于電場中的兩個金屬極板將感應出不同的電動勢而出現電勢差,通過利用電容兩極板間高頻率開關的通斷,實現電荷流動,從而將電場能轉換為電能。其基本原理如下圖7。

圖7 勢能取電基本原理圖圖

圖8 外施工頻電場下兩極板電勢變化曲線

下面將分別通過仿真和實驗研究驗證方法用于輸電線路取能的可行性及其效果。

2.3.1 仿真分析

采用電磁場計算軟件Infolytica/ElecNet建立其仿真模型[11],在平板型電容轉換器兩極板外施工頻交變電場,方向與極板垂直,仿真結果如圖8。由圖可知,電容集能轉換器輸出電壓對外部交變電場具有良好跟隨特性。因此,可以利用置于工頻電場中兩金屬極板感應出的不同電動勢,使二者之間的電勢差用于負載供電,實現電場能到電能的轉換。

2.3.2 試驗研究

在實驗條件下,在兩平行金屬極板之間施加交變的工頻電場,分別改變兩極板之間的距離d和兩極板的半徑r,所得到的轉換器輸出電壓與外施電場強度的關系如下圖9所示。所得結果與仿真結果一致。

圖9 平板型電容轉換器輸出電壓與外施電場強度的關系

所得結果與仿真結果一致。實驗還表明,若平板型轉換器與球型轉換器拓撲配合,當外界電場強度在5～l0 kV/m變化時,該轉換器可穩定輸出2.6V電壓,且在外電場強度為5kV/m條件下,該取能裝置可為溫度傳感器提供正常工作電壓,而這一交變的電場強度在輸電線路周圍是易獲得的。

3 電源低功耗管理研究

在增加取能形式、保障電源供應的同時,對一體化在線監測裝置電源實現低功耗管理,在滿足裝置監測功能正常實施的情況下,保證電源功耗達到最低,實現裝置功耗和性能的最佳平衡。

3.1 電源低功耗管理基本原理

電子電路的總功耗是由動態功耗與靜態功耗構成,總功耗計算公式如下：P=CVdd

2fc+VddIQ

其中,C為電容,Vdd為電源電壓,fc為時鐘頻率,IQ為漏電流,CVdd2fc為動態功耗,VddIQ為靜態功耗。

由于晶體管漏電流在硬件制造時已經確定,故由上式可知,可以通過控制電源電壓Vdd及時鐘頻率fc,以降低動態功耗,實現電源低功耗管理?；谝陨戏治?應用到一體化監測裝置上,主要有以下兩種技術支撐：動態電源管理 (DPM)和動態電壓頻率調節 (DVFS)。

3.2 動態電源管理 (DPM)

動態電源管理技術 (DPM)指優化管理配置系統的資源以達到合理利用的目的。具體而言,主要指在一體化監測裝置工作時,關閉不再使用的傳感器,或者讓其進入低功耗模式以節省功耗,該方法著眼于從系統或者個體的角度管理配置各個傳感器的運行功耗。

一般地,傳感器網絡的工作狀態可分為運行、休眠 (關閉)、遠程喚醒模式,運用DPM技術使傳感器在不同條件下處于不同的工作狀態下,以實現電源電力的最優配置。動態電源管理具體實施策略主要有以下三種：

1)超時策略。請求的任務被處理完后,傳感器處于等待空閑狀態,傳感器沒有預警閥值觸發,當空閑時間超過設定的時限值后,傳感器便自動進入休眠或關閉狀態。超時策略實現簡單,使用最廣;

2)預測策略。系統在開始時根據一定的預測算法,對傳感器狀態進行管理。預測策略可分為預測關閉和預測喚醒,預測關閉是系統預測下一任務請求的時間長短,從而關閉或休眠活動部件;預測喚醒是在休眠或關閉的狀態下,預測有任務請求,主動喚醒設備。

3)隨機策略。隨機策略是將任務請求視為一個隨機過程,并基于狀態轉換的概率建立馬爾科夫預測模型,使用線性規劃方法求解DPM控制算法,以此確定傳感器工作狀態。

3.3 動態電壓頻率調節 (DVFS)

動態電壓頻率調節技術 (DVFS)是指優化處理器執行功耗的功耗管理技術,即根據監測任務的需求或者傳感器工作數量的多少動態調節ARM9處理器的電壓或頻率,以期通過降低工作頻率和電壓實現節能的目的。

ARM9處理器是監測裝置工作狀態轉換的核心部件,其片內集成了大量的外設控制器模塊,控制著外圍設備的時鐘輸入和供電電路,是系統中功耗消耗大戶,直接決定著整個系統的功耗情況。針對性地降低ARM9處理器耗電,將有效地實現裝置節能目的。根據系統運行過程中不同的傳感器負載,采用動態電壓頻率調節技術根據處理器速度的需求變化來動態改變處理器的頻率電壓,可節省很多不必要的處理器功耗,進而降低系統整體功耗。

在實際應用中,常把DPM,DVFS結合起來使用,使在線監測裝置節能效果達到最佳。

4 結束語

本文基于863課題輸電線路物聯網一體化智能監測裝置研究應用需要,針對電源瓶頸問題,為保證裝置不受季節及環境條件限制的穩定供電,研究裝置電源多樣化和低功耗電源管理技術,提出了基于鎂基蓄電池、太陽能、高低電位感應取能及電極板勢能結合的穩定供電取能方式,及動態電源管理技術 (DPM)、動態電壓頻率調節技術 (DVFS)低功耗電源管理技術的電源綜合解決方案,其效果如下：

1)采用100 Ah鎂基蓄電池,比常用鉛酸、鋰電蓄電池具有更輕,強放電,長壽命優點,在無外電源情況下,根據實測可保證45天自生存能力。同時,在冬季覆冰期間依靠以蓄電池為基礎、高低電位感應取能及勢能取電為補充,借助裝置低功耗電源管理策略,可提升裝置自生存時間,為裝置提供穩定供電電源;

2)高電位感應取能位于架空導線上并取能于導線,可以為安裝于導線上的導線測溫傳感器提供穩定電源,很好地解決了導線上電源供應難、安裝不方便等難題;

3)低電位感應取能及勢能取電處于低電位,與電網完全電氣隔離,安全性能高,且布置簡潔、實施成本低,但所取電能有限,可作為覆冰期蓄電池電能補充,結合項目進一步研究試點后應用推廣;

4)采用低功耗電源管理策略,從動態電源管理 (DPM)和動態電壓頻率調節 (DVFS)兩方面進行節能降耗,采用休眠、觸發、遠程喚醒等方式,保證裝置監測功能正常運轉下,實現電源電力的最優使用及低耗能管理。實際運行整機休眠功耗可低至0.72W(輸出電壓12V,電流60 mA),且實際運行整機休眠時間占運行狀態的90%以上,極大降低裝置功耗。

[1] 王秋瑾.架空輸電線路在線監測技術的開發與應用 [J].電力信息化,2009,7(11)：59-62.

[2] 黃新波,張國威.輸電線路在線監測技術現狀分析 [J].廣東電力,2009,22(1)：13-20.

[3] 孫才新.輸變電設備狀態在線監測與診斷技術現狀和前景[J].中國電力,2005,38(2)：1-71.

[4] 李先志,杜林,陳偉根,等.輸電線路狀態監測系統取能電源的設計新原理 [J].電力系統自動化,2008,32(1)：76-80.

Research on Power System for Transmission Line Integrated Monitoring Device

LI Bo,ZHAI Shaolei,TANG Biao,WANG En,CAO Min
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

the paper studies the possible power supply around the transmission line corridor and the power management.And then it combines a series of stable power supply manners,such as battery,solar energy,induction energyin high or low voltage side,potential energy,with the low-power management technology,such as the dynamic power management(DPM)and dynamic voltage and frequency scaling(DVFS),to provide power supply integrated solutions for the transmission line integrated monitoring device.And we hope to effectively enhance the device self-survival ability.

power supply;energy obtaining;low-power management;monitoring device;transmission line

TM76

B

1006-7345(2014)03-0005-05

2014-03-13

李博 (1986),男,云南電網公司電力研究院,從事電力系統熱工計量和輸電線路在線監測的研究工作 (e-mail)flymicheal @163.com。

翟少磊 (1984),男,碩士,云南電網公司電力研究院,從事輸電線路在線監測方面工作 (e-mail)zslsd@163.com。

唐標 (1985),男,云南電網公司電力研究院,從事電力系統熱工計量 (e-mail)416889015@qq.com。