面向電力設(shè)備的溫度檢測節(jié)點(diǎn)功耗研究及自供電電源設(shè)計(jì)

郭寶寧

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，南京,211170)

引 言

近年來，現(xiàn)代電力系統(tǒng)不斷向大機(jī)組、大容量與高電壓方向發(fā)展。電力系統(tǒng)中的電纜接頭、開關(guān)觸點(diǎn)、消弧線圈等關(guān)鍵設(shè)備均有可能因過載、緊固松動(dòng)及散熱不良等原因?qū)е掳l(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而引起設(shè)備故障或安全事故，造成國民經(jīng)濟(jì)損失。因此，對電力系統(tǒng)中的重要電力設(shè)備進(jìn)行在線溫度檢測和預(yù)警十分重要。目前的在線溫度檢測方式可分為紅外測溫、分布式光纖測溫與無線測溫[1]?；诜墙佑|方式的紅外測溫技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[2]，其主要依靠工作人員手持紅外測溫儀完成，但其無法準(zhǔn)確檢測電力設(shè)備內(nèi)部的實(shí)際溫度，且易出現(xiàn)漏測、誤報(bào)現(xiàn)象，并且在極端天氣下難以及時(shí)測報(bào)。分布式光纖測溫是一種可以實(shí)時(shí)測量溫度場分布的傳感系統(tǒng)[3]，它體積小、抗電磁干擾能力強(qiáng)且安全可靠，但系統(tǒng)布線復(fù)雜、操作繁瑣、運(yùn)維周期長以及成本較高。

無線測溫技術(shù)是近年在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與無線通信技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的熱點(diǎn)技術(shù)。該方法直接將溫度傳感模塊以密貼方式布置于待測溫點(diǎn)，采集溫度后通過無線通信方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測系統(tǒng)終端[4]。無線測溫方式具有監(jiān)測設(shè)備體積小、安裝維護(hù)方便、成本低及絕緣性好等優(yōu)勢。但目前絕大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)仍采用電池供電，對于無線通信頻繁的設(shè)備，經(jīng)常因?yàn)榇鎯?chǔ)電量耗盡而需要更換電池，導(dǎo)致使用不便，因而限制其大面積推廣應(yīng)用。

為解決無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題，收集環(huán)境能量為傳感節(jié)點(diǎn)供能，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的自供電成為重要研究方向[5]。依據(jù)所收集能量的來源，自供電電源主要通過感應(yīng)電流取能[6]、壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換[7]、同步電荷提取[8]、頻率變換匹配[9]等方式實(shí)現(xiàn)。綜合比較各種自供電電源的取點(diǎn)方式，感應(yīng)電流取能方式最為成熟可靠，且成本最低。

圖1 溫度檢測節(jié)點(diǎn)的功能模塊結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure chart of function module of temperature dete-ction node

本文主要研究了基于無線射頻通信技術(shù)的溫度智能檢測節(jié)點(diǎn)，并對檢測節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試；設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)無線測溫節(jié)點(diǎn)的自供電電源，該設(shè)計(jì)借助LTC3588-1芯片實(shí)現(xiàn)了基于感應(yīng)電流取能的自供電電源的穩(wěn)壓輸出，從而向溫度檢測節(jié)點(diǎn)提供可靠的直流供電。值得指出，所用溫度檢測裝置還可與現(xiàn)代智能高壓電能表進(jìn)行有效集成，用于檢測電能表的周圍環(huán)境參數(shù)，修正電能表因溫度等參量變化導(dǎo)致的計(jì)量誤差，進(jìn)一步提高電能計(jì)量的精度。

1 溫度檢測節(jié)點(diǎn)功耗

1.1 溫度檢測節(jié)點(diǎn)的原理設(shè)計(jì)

本文所提的溫度檢測節(jié)點(diǎn)主要由超低功耗單片機(jī)PIC18LF14K50、溫度傳感器DS18B20、無線射頻收發(fā)芯片MRF49XA與電源管理單元LTC3588以及取能線圈等組成。圖1給出所提節(jié)點(diǎn)的功能模塊結(jié)構(gòu)圖。

微控制器芯片PIC18LF14K50是Microchip公司PIC18系列中的一款超低功耗單片機(jī)，其內(nèi)部集成有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，可用于接收溫度采集單元提供的實(shí)時(shí)測溫?cái)?shù)據(jù)、監(jiān)測估算電源管理單元儲(chǔ)能電容兩端的存儲(chǔ)電壓；其看門狗定時(shí)器的可編程周期范圍為4 ms～131 s，可滿足溫度檢測節(jié)點(diǎn)的定時(shí)休眠喚醒，從而最大限度降低節(jié)點(diǎn)平均功耗。

用于溫度采集單元的DS18B20測溫范圍為-55～+125 ℃，測量精度為±0.5 ℃，可滿足電力系統(tǒng)中絕大多數(shù)電力設(shè)備的測溫需求。

無線射頻收發(fā)芯片MRF49XA來自Microchip公司，可與PIC單片機(jī)的控制相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。該芯片在接收/發(fā)送數(shù)據(jù)模式下的額定電流分別為11 mA和15 mA，休眠模式下的額定電流為0.3 mA。在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)時(shí)，可通過軟件設(shè)置單片機(jī)I/O口的高、低電平控制MRF49XA芯片的工作狀態(tài)。例如，當(dāng)溫度檢測節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)，可設(shè)定無線射頻芯片處于斷電狀態(tài)不工作，因此無線射頻芯片的消耗電流接近0 mA。

電源管理單元與感性取能線圈相配合，從而構(gòu)成溫度檢測節(jié)點(diǎn)的自供電電源系統(tǒng)(后文將給出詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì))。電源管理單元中核心的開關(guān)電源選用Linear Technology公司的LTC3588-1芯片，該芯片內(nèi)部集成有全橋整流電路、低電壓/欠壓保護(hù)模塊等，通過搭建簡單外圍電路即可在不穩(wěn)定供電電源情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，從而確保節(jié)點(diǎn)的正常工作。

表1 節(jié)點(diǎn)各模塊的工作電壓范圍

Tab.1 Operating voltage range for each module of the node

功能模塊最小工作電壓/V最大工作電壓/V微控制器模塊1.83.6溫度采集模塊3.05.5無線射頻模塊2.23.8

表1給出上述各子模塊的理論工作電壓范圍。分析可知，為保證溫度檢測節(jié)點(diǎn)正常工作，電源管理單元的輸出供電電壓Vcc應(yīng)穩(wěn)定在3.0～3.6 V之間；換言之，一旦電源管理單元的輸出超出該電壓范圍，溫度檢測節(jié)點(diǎn)將無法正常工作。

1.2 溫度檢測節(jié)點(diǎn)的功耗狀態(tài)

所提溫度檢測節(jié)點(diǎn)共有3種功耗狀態(tài)：休眠等待階段的功耗P1，數(shù)據(jù)采樣/處理階段的功耗P2，無線通信階段的功耗P3。

在休眠等待階段，由于PIC單片機(jī)處于超低功耗狀態(tài)(僅看門狗定時(shí)器周期工作)、無線射頻芯片斷路且無功耗，此時(shí)溫度傳感節(jié)點(diǎn)不工作，因此可認(rèn)為休眠階段的功耗P1≈0。結(jié)合看門狗定時(shí)器的可編程周期范圍可知，休眠等待時(shí)間的范圍可設(shè)定為4 ms～131 s。

在數(shù)據(jù)采樣/處理階段，PIC單片機(jī)首先采樣儲(chǔ)能電容兩端電壓VDC，當(dāng)計(jì)算得到的VDC平均值低于所設(shè)定最低值時(shí)，溫度檢測節(jié)點(diǎn)將立即進(jìn)入休眠等待階段(此時(shí)功耗P1≈0)，并寄希望于自供電電源從電網(wǎng)線路上取能一段時(shí)間后可為溫度檢測節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行存儲(chǔ)足夠的電能；當(dāng)計(jì)算得到的VDC平均值高于所設(shè)定的最低值時(shí)，PIC單片機(jī)將多次重復(fù)采樣溫度傳感器DS18B20輸出的電力系統(tǒng)中被測設(shè)備的溫度，并計(jì)算出多次重復(fù)采樣結(jié)果的平均值。值得指出，溫度采樣節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采樣/處理階段的功耗P2主要來源于溫度數(shù)據(jù)的多次重復(fù)采樣與處理。

在無線通信階段，PIC單片機(jī)首先初始化無線射頻芯片，并將溫度采樣的平均數(shù)據(jù)通過無線射頻方式傳送給中央監(jiān)控系統(tǒng)，并接受中央監(jiān)控系統(tǒng)傳達(dá)過來的命令數(shù)據(jù)，為下次采樣配置相關(guān)信息。因此，無線通信階段包括無線射頻芯片的初始化、溫度檢測數(shù)據(jù)的發(fā)送與配置信息的接收3個(gè)步驟，其工作周期與能量消耗(即下文的E3)在溫度檢測節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)保持不變，與采樣數(shù)據(jù)以及接收的配置信息無關(guān)。一般地，在溫度采樣節(jié)點(diǎn)的3種功耗中，無線通信階段的功耗P3最大，數(shù)據(jù)采樣/處理階段的功耗次之。

四大工程:給長城貼瓷磚、給赤道鑲金邊、給太平洋裝欄桿、給喜馬拉雅山安電梯間;四小工程:給蒼蠅戴手套、給蚊子戴口罩、給蟑螂戴避孕套、給老鼠戴腳鐐。

1.3 溫度檢測節(jié)點(diǎn)的功耗建模

圖2 溫度檢測節(jié)點(diǎn)工作的狀態(tài)周期與功耗 Fig.2 State cycle and power consumption of temperature detection node

數(shù)據(jù)采樣/處理階段的時(shí)間tdp可由f2，N2表示

(1)

(2)

式中E2，E3，tRF均由溫度檢測節(jié)點(diǎn)的硬件電路決定(而與采樣或傳輸?shù)臄?shù)據(jù)本身無關(guān))，當(dāng)溫度檢測節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定工作時(shí)，它們的數(shù)值均不變，其實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果為：E2=1.57 μJ，E3=2.37 mJ，tRF=392 ms。因此，式(2)中只有N2,f2,twd成為可調(diào)的設(shè)計(jì)變量，也成為決定溫度檢測節(jié)點(diǎn)平均功耗的關(guān)鍵參數(shù)。分別固定N2,f2,twd中的兩個(gè)參數(shù)，改變第3個(gè)參數(shù)，即可觀察溫度檢測節(jié)點(diǎn)平均功耗與第3個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，圖3給出了建立的功耗曲線。

從圖3可以看出，twd大小對節(jié)點(diǎn)的平均功耗影響最大，這與節(jié)點(diǎn)無線通信的耗能有關(guān)：twd越小，意味著無線通信越頻繁，且無線通信的單次耗能E3遠(yuǎn)大于其他操作耗能(如E2)。由圖3(a)可知，當(dāng)休眠等待時(shí)間twd大于10 s時(shí)，溫度檢測節(jié)點(diǎn)的絕大部分工作時(shí)間將處于休眠等待階段，這將使得無線通信與數(shù)據(jù)采樣/處理階段的耗能功率對平均功率的影響趨于穩(wěn)定。由圖3(b)可知，平均功耗隨采樣點(diǎn)數(shù)的增加而增加。由式(2)可知，隨采樣點(diǎn)數(shù)的增加，式(2)的分子項(xiàng)增大，但分母項(xiàng)也同時(shí)增大，因此采樣點(diǎn)數(shù)的變化對平均功率的影響不大。由圖3(c)可知，平均功耗隨采樣頻率的增加基本不變，而根據(jù)式(2)分析可知平均功耗總體應(yīng)呈上升趨勢。該差異是因?yàn)閷?shí)際功耗測試時(shí)僅重復(fù)采樣了20次，如此少的采樣點(diǎn)數(shù)使得采樣頻率對數(shù)據(jù)采樣/處理的時(shí)間影響明顯下降。綜上，本文所提的溫度檢測節(jié)點(diǎn)平均功耗受節(jié)點(diǎn)休眠等待時(shí)間影響最大。

圖3 節(jié)點(diǎn)平均功耗隨各參數(shù)變化的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve of average power consumption of node with various parameters

2 溫度檢測節(jié)點(diǎn)的自供電電源設(shè)計(jì)

2.1 自供電電源的感應(yīng)電流取能

感應(yīng)電流取能方式是利用高壓輸電線路周圍存在的交變磁場實(shí)現(xiàn)安全隔離取電，并經(jīng)整流濾波等電能變換環(huán)節(jié)向溫度檢測節(jié)點(diǎn)的各功能模塊提供穩(wěn)定可靠的直流電壓。該方式合理利用外界資源，節(jié)能環(huán)保，且取能裝置體積小、成本低、安全可靠，成為電力系統(tǒng)中廣泛使用的自供電方式。

然而在實(shí)際高壓輸電線路中，線路電流往往存在較大范圍的波動(dòng)，導(dǎo)致感應(yīng)線圈的輸出電壓與功率很不穩(wěn)定?，F(xiàn)有基于感應(yīng)取能方式的商業(yè)產(chǎn)品，如武漢興弘毅公司的TLPS系列輸電線路取能裝置等，其輸出功率較大，可滿足大多數(shù)功率應(yīng)用場合的供能需求，然而在線路電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品不可避免地出現(xiàn)輸出電壓不穩(wěn)、發(fā)熱嚴(yán)重等問題。因此，對感應(yīng)線圈的不穩(wěn)定輸出電壓進(jìn)行有效管理、從而提供穩(wěn)定可靠的直流供電電壓，成為近些年來眾多技術(shù)人員的研究方向[10]。

本文選擇感應(yīng)電流取能方式作為自供電電源的能量來源。感應(yīng)電流線圈的磁芯材料選用環(huán)形硅鋼片，其磁導(dǎo)率大，在低頻條件下的損耗小，受機(jī)械應(yīng)力影響小，且具有較好的磁電性能。所設(shè)計(jì)的感應(yīng)電流線圈匝數(shù)為150匝，當(dāng)輸電線路電流峰峰值為30 A時(shí)，空載感應(yīng)電壓峰峰值可達(dá)6.2 V；當(dāng)輸電線路電流峰峰值為100 A時(shí)，感應(yīng)電壓峰峰值受沖擊保護(hù)電路作用被鉗制在20 V，從而實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)。

2.2 自供電電源的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

溫度檢測節(jié)點(diǎn)需要穩(wěn)定可靠的直流供電，為此本文設(shè)計(jì)了可在輸電線路電流發(fā)生波動(dòng)的工況下穩(wěn)定輸出電壓的電源管理電路。考慮輸電線路電流的不穩(wěn)定性，例如因故障停電或雷擊時(shí)承受極大瞬間電流等，所設(shè)計(jì)的電源管理電路須具有可靠的抗沖擊保護(hù)功能。另外，電源管理電路在收集功率大于消耗功率的情況下，盡可能多地將感應(yīng)電能進(jìn)行存儲(chǔ)[11]。

LTC3588-1是一款專門針對不穩(wěn)定能量來源設(shè)計(jì)的電源管理芯片，其內(nèi)部集成了降壓型DC/DC穩(wěn)壓器、低電壓損失的全橋整流電路與寬遲滯窗口比較的欠電壓保護(hù)模塊等。該芯片有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓：1.8,2.5,3.3和3.6 V。輸出電壓值Vcc可通過芯片D0,D1的引腳電平進(jìn)行設(shè)置控制，如表2所示[12]。

圖4給出電源管理單元電路的原理圖，可以看出選用LTC3588-1集成芯片可大大降低設(shè)計(jì)難度，僅通過少量外圍被動(dòng)元件即可實(shí)現(xiàn)電路功能。圖4的D0，D1引腳直接連接VIN2端口以獲得高電平信號，因此電源管理單元的輸出電壓Vcc被設(shè)定為3.6 V。值得指出，LTC3588-1芯片的最大輸出電流為100 mA，最大輸出功率高達(dá)360 mW，可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本文所提溫度檢測節(jié)點(diǎn)的功率需求。

表2標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓選擇表

Tab.2Standardoutputvoltageselectiontable

D1D0Vcc/V001.8012.5103.3113.6

圖4 電源管理單元電路的原理圖

Fig.4 Diagram of power management unit circuit

為了在收集功率大于消耗功率時(shí)盡可能多地存儲(chǔ)感應(yīng)電能，芯片VIN端接有一個(gè)25 V/1 F的超級法拉電容作為儲(chǔ)能電容Cstor。電源管理單元電路在初始狀態(tài)時(shí)，Cstor的存儲(chǔ)電壓VDC為0，因此溫度檢測節(jié)點(diǎn)不工作。一旦感應(yīng)取能裝置開始工作，感應(yīng)線圈的輸出能量將存儲(chǔ)于Cstor中，直至VDC上升至欠電壓保護(hù)的上升沿觸發(fā)電壓VUV2(5.05 V)，電源管理單元電路將開始工作并向溫度檢測節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定可靠的直流供電3.6 V，溫度檢測節(jié)點(diǎn)也開始正常工作。此后當(dāng)輸電線路斷電導(dǎo)致感應(yīng)取能裝置無法工作時(shí)，存儲(chǔ)在Cstor上的電能會(huì)作為電源管理電源電路的能量來源并維持其正常工作，從而保證向溫度檢測節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定可靠供電，直至VDC下降至欠電壓保護(hù)的下降沿觸發(fā)電壓VUV1(4.02 V)，根據(jù)式(3)可預(yù)估溫度檢測節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定工作時(shí)長t，η為LTC3588-1芯片的轉(zhuǎn)換效率[12]，可由其數(shù)據(jù)手冊中的效率曲線數(shù)據(jù)獲得。

(3)

2.3 自供電電源的實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證上述自供電電源設(shè)計(jì)，本文采用220 V交流電源外接滑動(dòng)變阻器(0～100 Ω)模擬輸電線路電流。設(shè)置所提溫度檢測節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間為2.048 s，采樣點(diǎn)數(shù)為20，采樣頻率為2 000 Hz，經(jīng)計(jì)算得到溫度檢測節(jié)點(diǎn)的平均功耗約為1 mW。設(shè)定溫度檢測節(jié)點(diǎn)采樣實(shí)際VDC一旦低于4.28 V時(shí)，不再進(jìn)入無線通信階段，而直接進(jìn)入等待休眠階段，等待休眠階段結(jié)束后再采樣實(shí)際VDC是否有所回升，該操作可確保溫度檢測節(jié)點(diǎn)不會(huì)因電源管理單元的供能不足而被迫強(qiáng)制斷電。

設(shè)定輸電線路的電流峰峰值為30 A，電源管理單元電路的VDC及輸出電壓Vcc隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知，溫度檢測節(jié)點(diǎn)從初始零狀態(tài)到上電啟動(dòng)需要大概3 min。此后取能線圈與溫度檢測節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)正常工作。測量可得空載感應(yīng)電壓的峰峰值為6.2 V，因此經(jīng)過全橋整流濾波的存儲(chǔ)電壓VDC最高值不會(huì)超過6.2 V，在12 min之后，存儲(chǔ)電壓VDC將趨于穩(wěn)定。當(dāng)溫度檢測節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定工作后，若假設(shè)某時(shí)刻取能線圈因輸電線路斷電而不工作時(shí)，根據(jù)式(3)可估算得到溫度檢測節(jié)點(diǎn)仍可穩(wěn)定工作53 min(電源管理芯片的轉(zhuǎn)換效率取90%)，從而充分確保溫度檢測節(jié)點(diǎn)在輸電線遇故障或停電檢修階段正常工作，并有充足時(shí)間發(fā)出預(yù)警。

設(shè)定輸電線路的電流峰值為100 A，電源管理單元電路的VDC及輸出電壓Vcc隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖6可知，溫度檢測節(jié)點(diǎn)從初始零狀態(tài)到上電啟動(dòng)需要大約26 s，由于沖擊保護(hù)裝置的作用，感應(yīng)線圈的輸出電壓峰峰值被限制在20 V，故存儲(chǔ)電壓VDC最高值不會(huì)超過20 V。若假設(shè)某時(shí)刻取能線圈因輸電線路斷電而不工作時(shí)，根據(jù)式(3)可估算得到溫度檢測節(jié)點(diǎn)仍可穩(wěn)定工作47 h(電源管理芯片的轉(zhuǎn)換效率取90%)，足以保證溫度檢測節(jié)點(diǎn)在遇到電網(wǎng)故障或檢修過程中仍能正常工作，直至電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)營。

圖5 VDC與Vcc隨時(shí)間的變化曲線(輸電線路電流峰峰值為30 A)

Fig.5VDCandVccchange curve over time(Peak-peak current of transmission line is 30 A)

圖6

V

DC

與

V

cc

隨時(shí)間的變化曲線(輸電線路電流峰峰值為100 A)

Fig.6VDCandVccchange curve over time(Peak current peak of transmission line 100 A)

3 結(jié)束語

本文首先開發(fā)了一種基于無線射頻通信技術(shù)的溫度智能檢測節(jié)點(diǎn)，可用于電網(wǎng)中關(guān)鍵電力設(shè)備的溫度在線監(jiān)測。針對溫度檢測節(jié)點(diǎn)所用的低功耗芯片，討論了節(jié)點(diǎn)實(shí)際工作的電壓范圍，并通過實(shí)驗(yàn)測試了溫度檢測節(jié)點(diǎn)的能耗參數(shù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了溫度檢測節(jié)點(diǎn)的平均功耗模型，研究并揭示了溫度檢測節(jié)點(diǎn)的基本功耗規(guī)律。本文選擇感應(yīng)電流取能技術(shù)進(jìn)行溫度檢測節(jié)點(diǎn)的自供電電源設(shè)計(jì)，利用LTC3588-1電源管理芯片實(shí)現(xiàn)自供電電源的穩(wěn)定輸出，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。自供電電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)感應(yīng)電流峰峰值為100 A時(shí)，電源管理單元可在一定時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)滿電能，并確保自供電無線測溫節(jié)點(diǎn)在無任何外界能源供給的情況下穩(wěn)定工作47 h，從而保證溫度檢測的可靠進(jìn)行。