微能源管理策略在架空設(shè)備的應(yīng)用

吳納磊，李英春，賈海旭

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊050000）

微能源電源管理系統(tǒng)，是一種面向微尺寸供電器件，實現(xiàn)電能的整流、穩(wěn)壓、干擾的防護(hù)，并根據(jù)負(fù)載和外界環(huán)境的變化智能化和最優(yōu)化管理電能的儲存與釋放的微系統(tǒng)。故障指示器產(chǎn)品是一種獨特的微能源電源管理系統(tǒng)。

目前故障指示器產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，在配電領(lǐng)域中，使用量在逐步增大。故障指示器系統(tǒng)由三相采集單元和匯集單元組成，A 相采集單元、B 相采集單元和C 相采集單元和匯集單元借助433 MHz 無線通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。然而故障指示器的采集單元應(yīng)用在高壓線路上的特點，其如何取電帶載保證設(shè)備長期穩(wěn)定的運行仍然是要關(guān)注和解決的事情；故障指示器的匯集單元，懸掛的電線桿上，依靠太陽能獲取電量，如何穩(wěn)定有效是要解決的事情。

故障指示器的采集單元安裝在高壓線路上，其獨特的環(huán)境可感應(yīng)電場，作為一種測量數(shù)據(jù)可監(jiān)視線路運行和故障暫態(tài)特性。同時能采集電流，并通過TA 取電，要滿足一次線路電流在0～630 A 的寬范圍內(nèi)的供電需求。在一次線路電流一般5 A 以上的取能滿足設(shè)備的運行，忽略了一次線路電流在0～5 A時（現(xiàn)實中線路低負(fù)荷的情況占比不小），也可以取電，雖然大概率不能滿足設(shè)備的全功能運行（每個模塊和功能都運行功耗自然大一些），但是能滿足設(shè)備在具備重要功能需求下的穩(wěn)定運行，根據(jù)取電能力的大小來切換運行狀態(tài)。本方案利用硬件的感應(yīng)取電、存電和軟件對取電能力的監(jiān)視、軟件控制供電方式的切換、軟件對超級電容充放電的控制、軟件對整機(jī)功耗的自動調(diào)整，最大限度的利用TA感應(yīng)取電所得到的電量，在減少對設(shè)備中鋰電池（一次性應(yīng)用，不能充電，要求10 年內(nèi)不消耗完）電量的消耗，從而延長了鋰電池的使用時間的前提下，保證了在更寬的一次線路電流范圍內(nèi)設(shè)備的運行。在一次線路電流偏大時，軟硬件結(jié)合，用獨特的方法完成帶載穩(wěn)定、快速超級電容充電、多余電量的自如釋放等功能。供電方式與運行模式自適應(yīng)的應(yīng)用方法，實現(xiàn)了外部能量獲取進(jìn)行自主功能調(diào)節(jié)的設(shè)備運行方案，最大限度的使用外部電源，最大限度的節(jié)省內(nèi)部后備電源（鋰電池一次性應(yīng)用，要求10 年內(nèi)不消耗完），同時保證了設(shè)備的穩(wěn)定運行。

故障指示器的匯集單元，懸掛的電線桿上，應(yīng)用25 W 的太陽能板和12 V/12 Ah 的可充電鋰電池，太陽能和免維護(hù)蓄電池主備供電,高可靠電源系統(tǒng),主供電電源作為可再生新能源，在白天提供能源，到了晚上，自動切換后備電源（電池）供電。

1 故障指示器采集單元的微能源管理策略

1.1 微能源管理策略的目的

目前故障指示器系統(tǒng)，作為一種掛在架空線或電纜上的配電產(chǎn)品，以其實用性強、使用方便、故障準(zhǔn)確判斷、故障易識別性，使其在配電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但本產(chǎn)品采集單元體積小，重量輕，機(jī)械性彈力卡高壓線路上，在都會用到電磁感應(yīng)方式（TA 取電）取電及其電量的應(yīng)用、分配、存儲、放電。目前，故障指示器采集單元的電源來自于安裝在電纜上的感應(yīng)取電線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電能，因此取電能力依賴于一次線路的電流大小、磁環(huán)大小、磁環(huán)的繞線匝數(shù)。在一次線路電流實時變化的情況下，如何取到穩(wěn)定適宜的電能，合理分配和應(yīng)用，是本產(chǎn)品需要面對的技術(shù)難題。

因此需要一套有效且穩(wěn)定的微能源管理策略。設(shè)備在不同工作狀態(tài)有不同等級的功率消耗，同時根據(jù)外部提供能量大小進(jìn)行軟硬件結(jié)合的自動功能調(diào)整，即保證了外部電源充足時的電源應(yīng)用，又實現(xiàn)了設(shè)備在低能源獲取應(yīng)用情況下正常工作。

TA感應(yīng)取能根據(jù)一次線路電流大小的變化而變化，導(dǎo)致其輸出功率的變化性，增加了設(shè)備運行的難度，如何高效、靈活、節(jié)能的應(yīng)用和分配電源，能最大限度的獲取感應(yīng)出的電源，是本產(chǎn)品設(shè)計方面面臨的難題。依靠軟件和硬件結(jié)合的方法，制定了一套有效且穩(wěn)定的電源管理策略。

1.2 微能源管理策略的方法

設(shè)備在不同工作狀態(tài)有不同等級的功率消耗，根據(jù)外部提供能量大小進(jìn)行自動功能調(diào)整，實現(xiàn)設(shè)備在低能源獲取應(yīng)用情況下正常工作。實現(xiàn)程序的功能模塊劃分和功耗區(qū)分，在磁環(huán)輸出功率變化時，功能模塊調(diào)整，軟件控制電源供電方式的切換，程序?qū)崿F(xiàn)起來有些復(fù)雜，但最大限度的依靠TA感應(yīng)取能，減少對設(shè)備中鋰電池電量的消耗，從而延長了鋰電池的使用時間。

1.2.1 運行狀態(tài)劃分及供電方式

設(shè)備3 種運行狀態(tài)，睡眠模式（具備比較器ACMP監(jiān)測）、部分功能模式（僅具備基本的數(shù)據(jù)采樣，關(guān)閉了其他運行模塊）、全功能運行模式（具備各項功能模塊運行正常）。

部分功能運行狀態(tài)：僅開啟系統(tǒng)時鐘、A/D 采樣、比較器ACMP。本狀態(tài)具備故障指示器設(shè)備的最基本功能，遙測采集和故障判斷。可根據(jù)檢測到的TA取電能力快速的切換到睡眠模式或全功能運行模式，也可以根據(jù)現(xiàn)場采樣和故障判斷切換到睡眠模式或全功能運行模式。部分功能運行狀態(tài)的功耗為全功能運行模式時功耗的30%左右，降低了設(shè)備運行的功耗。部分功能運行狀態(tài)還可以根據(jù)系統(tǒng)時鐘主頻大小的調(diào)整、采樣頻率（每周波采樣點數(shù)）的來調(diào)整功耗，30%的比例還可以進(jìn)行調(diào)整。

功耗介紹：全功能運行模式功耗為100%，部分功能模式功耗降為40%，睡眠模式功耗降為3%。

電源供電方式：鋰電池、超級電容、整流橋后的電解電容通過使能DCDC 直流電源芯片，將電源輸給恒壓輸出電源芯片（輸出3.3 V）。

1.2.2 電源管理

電磁感應(yīng)方式（TA取電）取電，根據(jù)取電能力的大小，軟件監(jiān)視的線路電流的數(shù)據(jù)、儲能的后備電源（電池）、超級電容的電壓等實時參數(shù)，決定選用哪種供電方式和選用哪種運行模式。

1.2.3 電源的硬件監(jiān)控和電源使用的先后順序

微能源管理策略流程圖如圖1所示。

圖1 微能源管理策略流程圖

TA 感應(yīng)取電提供電源，電源監(jiān)視模塊(硬件)控制電解電容電壓最高在3.7 V，當(dāng)監(jiān)視到電解電容電壓高于3.7 V時，此電源監(jiān)視模塊輸出高電平，控制整流模塊前端的MOS管組成的旁路導(dǎo)通，即將磁環(huán)短接，將多余的電量釋放。在TA 感應(yīng)取電充足時，使能DC/DC直流電源芯片，直流電通過恒壓輸出電源芯片輸出穩(wěn)定電壓，輸送到CPU模塊、模擬采集電路、其他外設(shè)，供設(shè)備運行；同時電解電容多余的電量給超級電容充電；在TA感應(yīng)取電提供電源不足以帶動設(shè)備運行時，供電方式要切換到后備電源（超級電容或電池）供電，超級電容有電先放電，超級電容沒電，再由鋰電池供電。

2 微能源管理具體實現(xiàn)策略

電路采用TA磁環(huán)感應(yīng)取電，利用智能控制策略實現(xiàn)對電源的合理應(yīng)用；采用超級電容作為后備電源，在取能充足時，利用可變閥控電壓充電方法完成對超級電容充電；利用微處理器中模擬比較器（ACMP）對整流后電解電容電壓變化進(jìn)行判斷，用實時的計算結(jié)果來分析和控制電源系統(tǒng)應(yīng)用；在無取電電源和超級電容無電情況下，由鋰電池提供電源。在不同的供電方式下，調(diào)整設(shè)備運行模式，以達(dá)到電源和運行模式自適應(yīng)、可調(diào)節(jié)的運行方法。供電方式與運行模式自適應(yīng)的應(yīng)用方法，實現(xiàn)了外部能量獲取進(jìn)行自主功能調(diào)節(jié)的設(shè)備運行方案，最大限度的使用外部電源，最大限度的節(jié)省內(nèi)部電源，同時保證了設(shè)備的穩(wěn)定運行。

設(shè)備掛在一次高壓線路上，通過TA 感應(yīng)取電后，經(jīng)硬件保護(hù)電路和智能控制保護(hù)電路（釋放浪涌高壓和故障電流的沖擊），經(jīng)過整流模塊將電能存在電解電容，用電源監(jiān)控芯片來監(jiān)控“整流模塊”中電解電容電壓V_DR，防止此充電電壓過大，當(dāng)電壓V_DR大于電容器件電壓額定值Unc時，電源監(jiān)視模塊將自動調(diào)整電流取電采集電路，控制Q1雙MOS 管導(dǎo)通，電流就會從兩個MOS 管流過。電流流經(jīng)旁路，后續(xù)電路將無電源輸入到整流模塊。此時后續(xù)電路將從整流模塊內(nèi)的存電電容取電，隨著電量的消耗，電源監(jiān)視模塊監(jiān)測到電容電壓V_DR

2.1 整流模塊

交流電經(jīng)過整流橋輸出方波直流，經(jīng)電解電容電容存儲后，輸出直流電壓V_DR。處理器的模擬比較器ACMP 對電解電容C29 電壓變化進(jìn)行監(jiān)測和判斷，來控制超級電容充放電、鋰電池后備電源是否投入。

2.2 供電方式與運行模式自適應(yīng)的應(yīng)用方法，最大限度的使用外部電源，最大限度的節(jié)省內(nèi)部電源

根據(jù)TA感應(yīng)取電的能力，調(diào)整運行模式；取電的能力越大，設(shè)備運行狀態(tài)越全面，如圖2所示。

圖2 軟件運行狀態(tài)策略圖

運行模式、線路供電能力（一次電流）、供電方式方式對應(yīng)表，如表1所示。

表1 供電方式方式對應(yīng)表

3 具體管理策略

輸電線路上的故障指示器，經(jīng)過電流取電獲得隨電流大小變化的電源，將整流橋后面的電解電容電壓充高，微控制器片上模擬比較器（ACMP），采集和比較電解電容電壓，達(dá)到設(shè)置值后，將CPU由睡眠模式喚醒。電壓DR 經(jīng)超級電容充放電控制模塊控制給超級電容充電或放電。同時直流電DR 經(jīng)DC變換模塊輸出與電池電壓相同的電壓，此時若有電壓，則CPU控制電池不投入，此電壓經(jīng)穩(wěn)壓電源芯片轉(zhuǎn)換成所需電壓Vcc，給CPU模塊、模擬采集電路、無線射頻模塊、溫度芯片、鐵電等核心部分供電。整個運行過程，模擬采集電路會將多個點采集到的電壓，CPU經(jīng)過綜合判斷，切換運行狀態(tài)。整個電源系統(tǒng)可靠穩(wěn)定有序的運行。

機(jī)殼主體安裝兩個半磁環(huán)，其中一個半圓磁環(huán)均勻繞制銅導(dǎo)線，形成TA感應(yīng)取電模塊，引出交流電。

交流電經(jīng)過硬件保護(hù)模塊和智能控制保護(hù)模塊（釋放浪涌高壓和故障電流的沖擊），輸入到整流模塊。整流模塊輸出直流電，存儲到電解電容。電源監(jiān)視模塊實時監(jiān)視電解電容電壓V_DR的大小，當(dāng)V_DR>Unc（電容器件電壓額定值）時，電源監(jiān)視模塊將自動調(diào)整電流取電采集電路，控制整流模塊前的兩個MOS管導(dǎo)通，旁路的導(dǎo)通，可將多余的電能量釋放。隨著電解電容電能量的消耗，電源監(jiān)視模塊監(jiān)測到電解電容電壓降低，V_DR

使能DC 直流電源芯片的方式供電，可將電解電容的電經(jīng)恒壓輸出電源芯片輸送到各個應(yīng)用模塊，給CPU、A/D 采集、無線模塊、鐵電、溫度芯片等核心部分供電。

4 根據(jù)供電能力實現(xiàn)電源切換與運行模式自適應(yīng)的應(yīng)用方法

鋰電池供電時，證明無供電能力，軟件控制設(shè)備設(shè)備運行狀態(tài)由全功能運行模式切換為睡眠模式。進(jìn)睡眠模式后，此模式為全功能運行時功耗的3%。 此時比較器ACMP 監(jiān)測檢整流橋后電解電容電壓的過壓閾值。當(dāng)一次線路電流變大，TA感應(yīng)取電提供電源,電解電容電壓由小變大，處理器MCU通過比較器ACMP 檢測到其電壓達(dá)到過壓閾值，設(shè)備從睡眠模式喚醒，軟件進(jìn)行電源供電方式切換，由鋰電池供電切換為使能DCDC 直流電源芯片的方式供電（電源來自TA 感應(yīng)取電），此時運行模式進(jìn)入部分功能運行模式（此模式為全功能運行時功耗的40%），僅啟動系統(tǒng)時鐘、A/D采樣模塊和比較器ACMP。

部分功能運行模式，使能DCDC 直流電源芯片的方式供電時（配置比較器ACMP 檢電解電容電壓的低壓閾值，實時判斷TA 感應(yīng)取電的供電能力），在供電中電解電容電壓未降到低壓閾值，TA感應(yīng)取電能供設(shè)備正常運行，有供電能力；若在供電中檢測到電解電容電壓降到低壓閾值，證明TA感應(yīng)取電不能供設(shè)備當(dāng)前的運行模式運行，需要軟件進(jìn)行電源供電方式切換，由使能DCDC 直流電源芯片的方式供電切換為鋰電池供電，設(shè)備運行狀態(tài)由部分功能運行模式切換為睡眠模式。比較器ACMP 以軟件中斷形式檢測閾值速度很快，用時20μs以下。經(jīng)過一定時間的檢測，本模式運行穩(wěn)定，證明TA感應(yīng)取電有供電能力，嘗試切換運行模式，由部分功能運行模式切換到全功能運行模式。

全功能運行模式，使能DCDC 直流電源芯片的方式供電時（配置比較器ACMP 檢電解電容電壓的低壓閾值，實時判斷TA 感應(yīng)取電的供電能力），在供電中電解電容電壓未降到低壓閾值，TA感應(yīng)取電能供設(shè)備正常運行，有供電能力；若在供電中檢測到電解電容電壓降到低壓閾值，證明TA感應(yīng)取電不能供設(shè)備正常運行，需要軟件進(jìn)行電源供電方式切換，由使能DCDC 直流電源芯片的方式供電切換為鋰電池供電，設(shè)備運行狀態(tài)由全功能運行模式切換為睡眠模式。

在使能DCDC 直流電源芯片的方式供電時，當(dāng)電解電容電壓未降到比較器ACMP 配置的低壓閾值，認(rèn)為TA感應(yīng)取電能供設(shè)備正常運行，再次配置比較器ACMP 兩個閾值（高閾值和低閾值），電解電容電壓大于高閾值，軟件控制電路將電解電容與超級電容連通，電能流到超級電容，此時電解電容電壓會降低；電解電容電壓小于低閾值時，軟件控制電路將電解電容與超級電容斷開，停止充電后，TA 感應(yīng)取電的持續(xù)供電，電解電容電壓又會升高，達(dá)到高閾值后再啟動超級電容充電，如此循環(huán)操作，可將超級電容充上電。這種軟硬件結(jié)合的操控方法命名為可變閥控電壓充電方法，達(dá)到的效果是電解電容電壓為周期性鋸齒狀波形，超級電容電壓在慢慢升高。

在一次線路沒有電流，TA就無法感應(yīng)取電，軟件實時采集超級電容電壓，檢測到超級電容有電，軟件控制超級電容放電，超級電容放電時將連接到電解電容，此時使能DCDC 直流電源芯片，電能量輸送到各個模塊；如果檢測到超級電容沒有電，關(guān)閉超級電容放電，不使能DCDC 直流電源芯片輸，切換為鋰電池供電，設(shè)備運行狀態(tài)由全功能運行模式切換為睡眠模式。

供電方式與運行模式自適應(yīng)的管理策略，實現(xiàn)了外部能量獲取進(jìn)行自主功能調(diào)節(jié)的設(shè)備運行方案，最大限度的使用外部電源，最大限度的節(jié)省內(nèi)部電源，同時保證了設(shè)備的穩(wěn)定運行。

5 故障指示器匯集單元的微能源管理策略

5.1 故障指示器匯集單元設(shè)備

故障指示器的匯集單元，懸掛的電線桿上，應(yīng)用25 W的太陽能板和12 V/12 AH的可充電鋰電池，太陽能和免維護(hù)蓄電池分別作為主備電源的供電方式。主供電電源作為可再生新能源，在白天提供能源，到了晚上，自動切換后備電源（電池）供電。但太陽能取電方式容易受到陽光強弱、雨雪天氣、季節(jié)氣候的影響，如何有一個高可靠電源系統(tǒng),需要制定智能的、優(yōu)越的能源管理策略。

設(shè)備功耗0.2 VA，電池充滿后理論上可待機(jī)718 h，可滿足長期雨雪天等陽光不足的情況。

5.2 電源管理策略

太陽能板取能后輸出20 V左右直流電壓，電路板的電源輸入端有穩(wěn)壓超級電容；微處理器MCU實時采集直流量太陽能板輸入電壓和超級電容，在后備電源（電池供電）時，當(dāng)滿足太陽能板輸入電壓大于等于16 V且超級電容充滿電時，供電方式由電池供電切換為主電源供電。在主電源供電時，當(dāng)檢測到太陽能板輸入電壓小于16 V且超級電容電壓低于放電門檻值時，由主電源供電切換為后備電源（電池供電）。如果設(shè)備斷電狀態(tài)下，太陽能板感應(yīng)光得電后自動上電，微處理器MCU開始運行，啟動電源切換。

5.3 匯集單元電源管理策略圖

圖3 匯集單元電源管理策略圖

5.4 匯集單元電源管理策略結(jié)論

供電方式與實時變化的取電能力形成了自適應(yīng)的管理策略，最大限度的使用外部電源，最大限度的節(jié)省內(nèi)部電源，同時保證了設(shè)備的穩(wěn)定運行。避免了人員的維護(hù)，省去的其他供電方式的硬件設(shè)施，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的。

6 結(jié)束語

故障指示器作為一種線路架空設(shè)備，匯集單元、采集單元多設(shè)備的組合，實現(xiàn)線路電流、電場，光伏能源的重新組合使用，通過一種策略，建立進(jìn)行架空線路設(shè)備能量優(yōu)化處理方案，通過能量管理和自適應(yīng)的分配策略，能解決能源儲備和能源使用的問題，達(dá)到設(shè)備的運行控制和設(shè)備間的協(xié)作運行，這種方案可以很好的推動架空線設(shè)備的穩(wěn)定運行，與實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。