基于太陽能-風能互補的WSN節點自供電系統研究

郝育穎 王永利 馮德

摘要：WSN節點作為無線監測傳感系統的核心，在大量的工程項目中具有實用意義，尤其是對于供配電系統，當前已經開始廣泛采用這一技術實現對所有電力參數的分析和監測工作。在這類節點運行過程中需要消耗一定的電能，當前開發出了自然能源轉換系統完成具體的供電任務，本文研究了系統的建設目標和建設方法。

關鍵詞：太陽能-風能互補系統;WSN節點;自供電系統

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0165-02

0 引言

WSN節點自供電系統由于在運行過程中要求電壓保持穩定，并且無論何種情況下都能夠提供穩定的電能，所以采用的自然能源轉換系統和原有的供配電系統來說要屬于獨立的范疇，要通過對太陽能-風能互補系統的全面升級和優化，提高供配電功率的穩定性，同時建設USP電源系統以及配置蓄電池，防止WSN節點無法運行。

1 基于太陽能-風能互補的WSN節點自供電系統設計框架

1.1 穩壓設計

無論是太陽能還是風能發電機組，當前都開發出了一系列的穩壓設計思路，比如太陽能機組中通過對于脆弱節點的研究和分析，確定配置無功補償電路的相關參數、太陽能發電系統和供配電網絡的連接區域等，這類措施都可以提高電壓的穩定度[1]。在實際的作用過程，穩壓設計工作要成為太陽能-風能互補工作體系的研究重點，比如研究的參數有是否這兩個系統可以處于源源不斷的電能提供狀態、對整個節點供配電網絡造成了影響等，在此基礎上才可以確保所有節點不會出現超負荷運行問題。

1.2 能耗設計

WSN節點本身的能耗量較低，但是大量的節點裝置共同運行時，其對于能源的消耗量會大幅提高，所以要求太陽能-風能互補系統能夠實現整個區域和節點系統的供電要求。在實際的運行過程中，要求能耗設計要從WSN節點的總數量和單個節點能耗的角度分析，確定整個系統能否處于穩定安全的運行狀態，此外也要做好對于這類工作的詳細規劃和分析工作，讓最終建成的供配電系統能夠符合整個傳感系統的各項需求。

1.3 環境監測設計

環境監測系統實際上并不是對于WSN節點的周邊環境監測，而是測定太陽能-風能互補體系的運行環境。比如對于太陽能發電系統，當發現當地的光照量不足時，該系統的發電能力自然下降，則要提高風能發電系統的運行功率，反之同理，可以說整個監測系統要做好對于兩項自然能源的全面監管作用，另外也有分析當這兩項自然資源都失效狀態，如何確保能夠為所有的WSN節點供電，通常讓USP電源系統投入運行。

1.4 傳感器模塊分析

傳感器模塊的分析要從節能性和運行穩定性兩個角度切入，對于節能性，要研究當地太陽能發電系統和風能發電系統能夠發出的電能總量，并確定WSN節點需要配置的數量，在此基礎上才可確保節點都能夠處于穩定的運行狀態。對于傳感器的本身質量，要分析能量轉換裝置和各類節點機間的連接質量，在此基礎上確保整個工作系統的完善運行，讓自供電系統的運行質量提高。

2 基于太陽能-風能互補的WSN節點自供電系統設計方法

2.1 發電設備裝配

發電設備的裝配按照太陽能和風能發電裝置的要求建設，對于太陽能發電系統，需要完成的裝配任務是太陽能發電板，要根據當地的光照環境和自然環境合理控制，比如發現當地的常年光照量較大，建設過程可考慮適當降低太陽能發電板的數量，以達到降低建設資金的目的。同時在支架的配置過程中可以考慮是否采用可活動支架，調整太陽能發電板和陽光之間的夾角。

對于風能發電裝置，要分析整個發電系統的發電總量、發電系統的運行質量和運行溫度、發電系統的自身強度等，要求所有裝置都要按照最高精度的要求被合理配置，從而讓這一系統的運行質量獲得提高，防止其中存在嚴重的干擾問題，在這類裝置的裝配工作完成之后，要做好試運行工作，研究這一裝置能夠發出的總功率，并且與設計參數橫向對比。

2.2 輔助設備裝配

輔助裝修的裝配包括太能發電系統的可活動支架、風力發電系統的地面連接裝置、整個供配電系統中的無功補償裝置等，要求所有這些裝置都處于安全穩定的運行狀態。比如對于當前已經開發出的各類無功補償裝置，要在裝配過程完全按照電路圖以及設計構件的規范選擇所有的硬件設施，同時確保線纜和這類設施間的連接強度符合規定。比如對于無功補償裝置中的電容器和與大容量電容器連接的線纜，要采用優質的焊接工藝防止在后期的運行過程中，焊接點上出現腐蝕問題，并且在連接之后也可以采用人工檢查的方式分析裝置之間的連接強度，嚴格防止在長期的作用下，出現連接點的應力損壞問題。

2.3 運行參數協調

運行參數協調事實上在設計過程中就已經完成，但是為了保證整個WSN節點系統的運行穩定度，需要做好對于實踐性參數的與測試工作[2]。測試內容是在通電之后，研究單個節點本身的運行環境和本身承受的電力參數，包括電壓、電流以及節點的運行功率，通常情況下，設計過程過程允許存在一個誤差，而這一誤差要保證符合設計標準，當發現某節點裝置的實際精度高于設計標準值時，則可確定當前配置的裝置在一定程度上無法滿足整個系統的穩定運行要求，需要協調的內容為是否需要更換該區域中的WSN節點模塊，或者研究可否通過太陽能-風能互補系統的運行參數協調，讓整個節點系統的運行狀態符合配置模塊的自身需求。通常情況下，這一參數可以保持穩定的運行狀態，但是也要做好相應的故障檢修準備，在發現問題的第一時間能夠解決和處理問題，防止WSN節點系統停擺。

2.4 運行狀態監測

運行狀態的監測要在后續的日常運行過程中長期落實，監測的內容有WSN節點的故障率、節點本身的各項電力參數等，要求需要把所有管理參數納入到統一性的核查框架之內。由于當前已經開發出了各類新型計算機技術，有大數據技術和云計算技術，其中大數據技術可以應用于節點運行狀態的監測過程，檢測項目是該節點承受的電力負荷、節點的本身運行參數以及節點區域的故障，要求所有這些參數都要由云計算系統經過處理后反饋給電力調度人員和WSN節點系統的運行狀態監測人員，當發現某一節點的故障率要遠高于整個系統中的其余節點時，則可確定這一節點系統中存在缺陷，不可只在單純的節點替換工作之后就認為這一故障被清除，而是要分析這一節點之所以存在這一故障的原因，并做好專業的處理工作。

2.5 工作成效預測

工作成效的預測是要在整個自供電系統建設完成之后，通過各項參數的分析和調節，確定今后一段時間內所有節點是否能夠處于安全穩定的運行狀態。在實際的運行過程中，也要收集各個節點的運行參數以及計算故障發生幾率，當發現這一系統運行質量不能符合相關規章制度要求的基礎之上，則要查找和明確當前這一工作形式中存在的問題，在此基礎上給出針對這些問題的解決方法。

3 結語

綜上所述，基于太陽能-風能互補系統的WSN節點裝配工作中，要詳細分析節點的本身運行功率、節點的配置數量等數據，并做好相應的優化和升級工作。在建成了工作框架之后，則需要做好所有裝置的全面建設工作，并且通過相應的運行質量預測和工作狀態的實時性監測工作，確保整個系統能夠處于安全穩定的運行狀態。

參考文獻

[1] 黃瑞.基于環境能量收集的自供能無線傳感系統的能量管理研究[D].電子科技大學，2019.

[2] 屈辰，陶然，李剛，等.基于環境能量自供電的無線傳感器節點設計[J].科技創新導報，2018，15（26）：125-127.

Research on Self-powered System of? WSN Node Based on Solar-wind Energy Complementary

HAO Yu-ying1， WANG Yong-li2， FENG De1

（1.Inner Mongolia Power Marketing Service & Operation Management Center， Hohhot Inner Mongolia? 010090;

2.Inner Mongolia power（Group）Co.，Ltd.， Hohhot Inner Mongolia? 010090）

Abstract：As the core of a wireless monitoring and sensing system， WSN nodes have practical significance in a large number of engineering projects， especially for power supply and distribution systems. Currently， this technology has been widely used to realize the analysis and monitoring of all power parameters. During the operation of such nodes， a certain amount of electrical energy is required. Currently， a natural energy conversion system has been developed to complete specific power supply tasks. This paper studies the system's construction goals and construction methods.

Key words：Solar-wind energy complementary system; WSN node; self-powered system