基于傳感器封裝和無線網絡的光伏分布式采集研究

摘要：為提高光伏分布式采集系統電流測量靈敏度，以Fe8OP13C7合金粉末和環氧樹脂等原材料制備了磁致伸縮材料，并據此設計了一種磁致伸縮傳感器，并結合NB-IoT無線通信技術，實現了光伏分布式采集系統高靈敏度的電流測量。試驗結果表明，當Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，Fe8OP13C7合金與環氧樹脂質量比為5∶1，且在磁致伸縮材料中加入永磁體時，制備得到的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能最高，飽和磁致伸縮系數約為700με。相較于市售同類型傳感器，本文所設計的傳感器靈敏度更高，約為0.4με/A，測量范圍更廣，為0～600 A，且Fe8OP13C7合金用量更少、成本更低，可用于實際光伏分布式采集系統中。

關鍵詞：分布式光伏電站；電流傳感器；硅膠；環氧樹脂

中圖分類號：TQ433.4+38；TM615+.2文獻標志碼：A文章編號：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領域的地位舉足輕重，確保分布式光伏電站的安全對整個電力系統至關重要。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，通過采集可反映分布式光伏電站信息的數據進行分析來實現。如楊振宇等[1]基于傳感器技術，通過采集光伏陣列線路阻抗和環境參數，分析了動態電容電流-電壓測量方法的影響機理，消除了光伏電站分布參數對測量結果的影響，提高了測量精度，一定程度上避免了光伏電站故障；林楨[2]基于傳感器技術采集了光伏電站升壓站短路電流相關參數，并根據采集數據計算了接地電阻，保障了光伏電站的運行安全；張麗瑾等[3]設計了便攜式光伏電站電流比測儀，實現了同一時間光伏電站多個組串的電流瞬時值檢測，為快速、準確找出光伏電站的短板發電電源提供了參考。通過上述研究可以發現，基于傳感器的電流測量方法已廣泛應用于光伏電站相關電流測量，并取得了一定的成果。但現有方法在光伏電站靈敏度檢測方面仍有待進一步提高。

針對上述問題，本文以Fe8OP13C7合金和環氧樹脂等為原材料，制備了一種磁致伸縮傳感器，并結合無線通信技術，實現了分布式光伏電站的電流數據采集，有效提高了光伏電站電流數據采集的靈敏性。

1材料與方法

1.1試驗材料和設備

試驗材料：硅膠（工業級，硅膠科技（廣州））；固化劑（T31，華茂化工）；環氧樹脂（E-44，卡本科技）；Fe8OP13C7合金（尋石新材料）。

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

1.2試驗方法

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）在手套箱中通過不同規格篩網篩分研磨后的粉末，得到不同粒徑大小的Fe8OP13C7合金粉末；

（3）將質量比為3∶1的環氧樹脂絕緣粘結劑和固化劑充分攪拌混合后的混合物倒入燒杯中，并稱取質量為環氧樹脂質量5倍的篩分后Fe8OP13C7合金粉末倒入燒杯中，置于真空箱中進行充分攪拌直到均勻；

（4）基于特定溫度對混合物進行固化，得到備用磁致伸縮材料；

（5）按1∶1比例混合硅膠和固化劑，并使用攪拌棒充分攪拌混合物；

（6）設定磨具外框長×寬=5 cm×5 cm，壁厚0.4 cm，凸起半圓柱半徑和長度分別為0.2 cm和0.4 cm。將充分攪拌的硅膠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）環境下3.5 h后，放入真空干燥箱中，設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，然后將整個磨具放入溫度恒定的高低溫試驗箱中進行固化，得到特定尺寸大小的磁致伸縮材料；

（9）將導磁材料設計為由細到粗的圓環。其中，圓環較細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磁材料中，并在圓環較粗處纏繞100圈可調線圈，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]。可調線圈內外徑分別為4.6 cm和5 cm。

2結果與分析

2.1磁致伸縮材料測試結果與分析

2.1.1測試平臺

為分析所制備的磁致伸縮材料的性能，搭建了圖2所示的實驗平臺進行測試。其中，電源負責供電，應變儀負責解調應變片的應變變化量，電磁鐵負責產生平行磁場，計算機負責顯示測量數據[10]。

2.1.2永磁體對磁致伸縮材料的影響

為分析永磁體產生的取向磁場對磁致伸縮材料的影響，在Fe8OP13C7合金粒徑為126μm、Fe8OP13C7合金與環氧樹脂質量比為5∶1時，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，磁致伸縮系數均隨磁感應強度的增大先降低后升高，且呈現出對稱的趨勢；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，磁致伸縮系數約為其2倍。這是因為未加入永磁體的磁致伸縮材料的磁疇方向不同，導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方向，因此，其飽和磁致伸縮更大[11-12]。

2.1.3 Fe8OP13C7合金粒徑對磁致伸縮材料的影響

為分析Fe8OP13C7合金粒徑對磁致伸縮材料的影響，設置Fe8OP13C7合金與環氧樹脂的質量比為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合金時磁致伸縮材料的磁致伸縮性能，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著磁感應強度的增大，磁致伸縮系數先快速增大，后緩慢增加并趨于穩定；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。這是因為Fe8OP13C7合金粒徑越小，磁致伸縮材料表面的吸附力越大，流動性和趨向性就越差，且更容易與空氣發生氧化反應，從而導致材料的磁致伸縮性能降低[13-14]。因此，優選Fe8OP13C7合金粒徑為126μm。

2.1.4質量比對磁致伸縮材料的影響

為分析Fe8OP13C7合金與環氧樹脂質量比對磁致伸縮材料性能的影響，設置Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，在材料兩端加入永磁體，并分析了不同質量比下磁致伸縮材料的磁致伸縮性能，結果如圖5所示。

由圖5可知，相同磁感應強度條件下，隨著Fe8OP13C7合金占比的增加，磁致伸縮材料的磁致伸縮系數均表現出先升高后下降的趨勢；整體來看，相較于質量比為9∶2和11∶2，質量比為5∶1制備的材料的磁致伸縮性能更好。分析其原因是，當環氧樹脂的質量較少時，環氧樹脂不具備磁致伸縮性能，而當環氧樹脂質量較多時，Fe8OP13C7合金難以與環氧樹脂充分混合，導致材料的伸縮性能降低[15-17]。因此，優選Fe8OP13C7合金與環氧樹脂的質量比為5∶1。

綜上所述，當磁致伸縮材料中加入永磁體，Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，Fe8OP13C7合金與環氧樹脂質量比為5∶1時，制備得到的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能最高，磁致伸縮系數最大，約為700με。

2.2傳感器測試結果與分析

2.2.1測試平臺

為分析制備的光伏分布式采集傳感器性能，搭建了如圖6所示實驗裝置。其中，升流器負責提供大電流；應變儀負責解調傳感器的輸出應變；銅材料導體負責降低大導線的發熱；計算機負責展示結果，并搭載COSMSOL Multiphysics仿真軟件進行分析[18-20]。

2.2.2傳感器對比

為驗證所設計的光伏分布式采集傳感器的優越性，試驗對比了所設計的傳感器與市售同類型傳感器的性能。如表1所示，本傳感器的Fe8OP13C7合金用量僅不到市售同類型傳感器的一半，為0.15 g；靈敏度也更高，約為0.4με/A；可測量的電流范圍更廣，為0～600 A。由此說明，所設計的傳感器具有更優異的性能，且制造成本更低。

3基于傳感器封裝和無線網絡的光伏分布式采集

為驗證所設計的傳感器在光伏分布式采集系統中的應用效果，以海南某大學分布式光伏發電站為研究對象，采用所設計的傳感器采集光伏電站電流。考慮到目前的分布式光伏電站布線復雜，難以管理，以及綜合比較NB-IoT無線通信、WIFI無線通信、ZigBee無線通信方式的優勢和缺點，本次試驗采用傳輸距離長、成本低、覆蓋面相對較大，且可實現數據實時傳輸的M5310 NB-IoT無線通信方式進行電流信息的傳輸。

基于M5310 NB-IoT通信模塊，本試驗利用STM32L476低功耗單片機作為核心微處理器，并基于OneNET物聯網平臺搭建云平臺服務器，測試傳感器的有效性。系統框架如圖7所示。

圖8為實際應用中傳感器的測量電流與傳感器輸出的關系。由圖8可知，在測量范圍內，所設計的傳感器具有較高的靈敏度，為0.42με/A，可在實際應用中有效測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結語

（1）永磁體對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，飽和磁致伸縮系數約為其2倍；

（2）Fe8OP13C7合金粒徑對磁致伸縮材料性能具有一定影響，相較于Fe8OP13C7合金粒徑為58μm，Fe8OP13C7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合金與環氧樹脂質量比對磁致伸縮材料性能具有一定影響，當兩者質量比為5∶1時，制備的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能更好；

（4）當磁致伸縮材料中加入永磁體，且Fe8OP13C7合金粒徑為126μm，Fe8OP13C7合金與環氧樹脂質量比為5∶1時，制備得到的磁致伸縮材料的磁致伸縮性能最高，磁致伸縮系數最大，約為700με。

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

（6）將本文設計的傳感器應用于實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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（責任編輯：伍鈺）