基于太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)的WSN節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)研究

郝育穎 王永利 馮德

摘要：WSN節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)的核心，在大量的工程項(xiàng)目中具有實(shí)用意義，尤其是對(duì)于供配電系統(tǒng)，當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)始廣泛采用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電力參數(shù)的分析和監(jiān)測(cè)工作。在這類(lèi)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行過(guò)程中需要消耗一定的電能，當(dāng)前開(kāi)發(fā)出了自然能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完成具體的供電任務(wù)，本文研究了系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)方法。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng);WSN節(jié)點(diǎn);自供電系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0165-02

0 引言

WSN節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)由于在運(yùn)行過(guò)程中要求電壓保持穩(wěn)定，并且無(wú)論何種情況下都能夠提供穩(wěn)定的電能，所以采用的自然能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和原有的供配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)要屬于獨(dú)立的范疇，要通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的全面升級(jí)和優(yōu)化，提高供配電功率的穩(wěn)定性，同時(shí)建設(shè)USP電源系統(tǒng)以及配置蓄電池，防止WSN節(jié)點(diǎn)無(wú)法運(yùn)行。

1 基于太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)的WSN節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

1.1 穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

無(wú)論是太陽(yáng)能還是風(fēng)能發(fā)電機(jī)組，當(dāng)前都開(kāi)發(fā)出了一系列的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)思路，比如太陽(yáng)能機(jī)組中通過(guò)對(duì)于脆弱節(jié)點(diǎn)的研究和分析，確定配置無(wú)功補(bǔ)償電路的相關(guān)參數(shù)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和供配電網(wǎng)絡(luò)的連接區(qū)域等，這類(lèi)措施都可以提高電壓的穩(wěn)定度[1]。在實(shí)際的作用過(guò)程，穩(wěn)壓設(shè)計(jì)工作要成為太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)工作體系的研究重點(diǎn)，比如研究的參數(shù)有是否這兩個(gè)系統(tǒng)可以處于源源不斷的電能提供狀態(tài)、對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)供配電網(wǎng)絡(luò)造成了影響等，在此基礎(chǔ)上才可以確保所有節(jié)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行問(wèn)題。

1.2 能耗設(shè)計(jì)

WSN節(jié)點(diǎn)本身的能耗量較低，但是大量的節(jié)點(diǎn)裝置共同運(yùn)行時(shí)，其對(duì)于能源的消耗量會(huì)大幅提高，所以要求太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)區(qū)域和節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的供電要求。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，要求能耗設(shè)計(jì)要從WSN節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量和單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的角度分析，確定整個(gè)系統(tǒng)能否處于穩(wěn)定安全的運(yùn)行狀態(tài)，此外也要做好對(duì)于這類(lèi)工作的詳細(xì)規(guī)劃和分析工作，讓最終建成的供配電系統(tǒng)能夠符合整個(gè)傳感系統(tǒng)的各項(xiàng)需求。

1.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上并不是對(duì)于WSN節(jié)點(diǎn)的周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)，而是測(cè)定太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)體系的運(yùn)行環(huán)境。比如對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐墓庹樟坎蛔銜r(shí)，該系統(tǒng)的發(fā)電能力自然下降，則要提高風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行功率，反之同理，可以說(shuō)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要做好對(duì)于兩項(xiàng)自然能源的全面監(jiān)管作用，另外也有分析當(dāng)這兩項(xiàng)自然資源都失效狀態(tài)，如何確保能夠?yàn)樗械腤SN節(jié)點(diǎn)供電，通常讓USP電源系統(tǒng)投入運(yùn)行。

1.4 傳感器模塊分析

傳感器模塊的分析要從節(jié)能性和運(yùn)行穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)角度切入，對(duì)于節(jié)能性，要研究當(dāng)?shù)靥?yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)能夠發(fā)出的電能總量，并確定WSN節(jié)點(diǎn)需要配置的數(shù)量，在此基礎(chǔ)上才可確保節(jié)點(diǎn)都能夠處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于傳感器的本身質(zhì)量，要分析能量轉(zhuǎn)換裝置和各類(lèi)節(jié)點(diǎn)機(jī)間的連接質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上確保整個(gè)工作系統(tǒng)的完善運(yùn)行，讓自供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量提高。

2 基于太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)的WSN節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 發(fā)電設(shè)備裝配

發(fā)電設(shè)備的裝配按照太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電裝置的要求建設(shè)，對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，需要完成的裝配任務(wù)是太陽(yáng)能發(fā)電板，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓庹窄h(huán)境和自然環(huán)境合理控制，比如發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐某Ｄ旯庹樟枯^大，建設(shè)過(guò)程可考慮適當(dāng)降低太陽(yáng)能發(fā)電板的數(shù)量，以達(dá)到降低建設(shè)資金的目的。同時(shí)在支架的配置過(guò)程中可以考慮是否采用可活動(dòng)支架，調(diào)整太陽(yáng)能發(fā)電板和陽(yáng)光之間的夾角。

對(duì)于風(fēng)能發(fā)電裝置，要分析整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電總量、發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行溫度、發(fā)電系統(tǒng)的自身強(qiáng)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(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量獲得提高，防止其中存在嚴(yán)重的干擾問(wèn)題，在這類(lèi)裝置的裝配工作完成之后，要做好試運(yùn)行工作，研究這一裝置能夠發(fā)出的總功率，并且與設(shè)計(jì)參數(shù)橫向?qū)Ρ取?/p>

2.2 輔助設(shè)備裝配

輔助裝修的裝配包括太能發(fā)電系統(tǒng)的可活動(dòng)支架、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的地面連接裝置、整個(gè)供配電系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償裝置等，要求所有這些裝置都處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。比如對(duì)于當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償裝置，要在裝配過(guò)程完全按照電路圖以及設(shè)計(jì)構(gòu)件的規(guī)范選擇所有的硬件設(shè)施，同時(shí)確保線(xiàn)纜和這類(lèi)設(shè)施間的連接強(qiáng)度符合規(guī)定。比如對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容器和與大容量電容器連接的線(xiàn)纜，要采用優(yōu)質(zhì)的焊接工藝防止在后期的運(yùn)行過(guò)程中，焊接點(diǎn)上出現(xiàn)腐蝕問(wèn)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(qiáng)度，嚴(yán)格防止在長(zhǎng)期的作用下，出現(xiàn)連接點(diǎn)的應(yīng)力損壞問(wèn)題。

2.3 運(yùn)行參數(shù)協(xié)調(diào)

運(yùn)行參數(shù)協(xié)調(diào)事實(shí)上在設(shè)計(jì)過(guò)程中就已經(jīng)完成，但是為了保證整個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定度，需要做好對(duì)于實(shí)踐性參數(shù)的與測(cè)試工作[2]。測(cè)試內(nèi)容是在通電之后，研究單個(gè)節(jié)點(diǎn)本身的運(yùn)行環(huán)境和本身承受的電力參數(shù)，包括電壓、電流以及節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行功率，通常情況下，設(shè)計(jì)過(guò)程過(guò)程允許存在一個(gè)誤差，而這一誤差要保證符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)裝置的實(shí)際精度高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，則可確定當(dāng)前配置的裝置在一定程度上無(wú)法滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行要求，需要協(xié)調(diào)的內(nèi)容為是否需要更換該區(qū)域中的WSN節(jié)點(diǎn)模塊，或者研究可否通過(guò)太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)協(xié)調(diào)，讓整個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)符合配置模塊的自身需求。通常情況下，這一參數(shù)可以保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，但是也要做好相應(yīng)的故障檢修準(zhǔn)備，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的第一時(shí)間能夠解決和處理問(wèn)題，防止WSN節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)停擺。

2.4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)要在后續(xù)的日常運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期落實(shí)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有WSN節(jié)點(diǎn)的故障率、節(jié)點(diǎn)本身的各項(xiàng)電力參數(shù)等，要求需要把所有管理參數(shù)納入到統(tǒng)一性的核查框架之內(nèi)。由于當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各類(lèi)新型計(jì)算機(jī)技術(shù)，有大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，其中大數(shù)據(jù)技術(shù)可以應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)過(guò)程，檢測(cè)項(xiàng)目是該節(jié)點(diǎn)承受的電力負(fù)荷、節(jié)點(diǎn)的本身運(yùn)行參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)區(qū)域的故障，要求所有這些參數(shù)都要由云計(jì)算系統(tǒng)經(jīng)過(guò)處理后反饋給電力調(diào)度人員和WSN節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)人員，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一節(jié)點(diǎn)的故障率要遠(yuǎn)高于整個(gè)系統(tǒng)中的其余節(jié)點(diǎn)時(shí)，則可確定這一節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中存在缺陷，不可只在單純的節(jié)點(diǎn)替換工作之后就認(rèn)為這一故障被清除，而是要分析這一節(jié)點(diǎn)之所以存在這一故障的原因，并做好專(zhuān)業(yè)的處理工作。

2.5 工作成效預(yù)測(cè)

工作成效的預(yù)測(cè)是要在整個(gè)自供電系統(tǒng)建設(shè)完成之后，通過(guò)各項(xiàng)參數(shù)的分析和調(diào)節(jié)，確定今后一段時(shí)間內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)是否能夠處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，也要收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)以及計(jì)算故障發(fā)生幾率，當(dāng)發(fā)現(xiàn)這一系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量不能符合相關(guān)規(guī)章制度要求的基礎(chǔ)之上，則要查找和明確當(dāng)前這一工作形式中存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上給出針對(duì)這些問(wèn)題的解決方法。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)裝配工作中，要詳細(xì)分析節(jié)點(diǎn)的本身運(yùn)行功率、節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)量等數(shù)據(jù)，并做好相應(yīng)的優(yōu)化和升級(jí)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(shè)工作，并且通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)行質(zhì)量預(yù)測(cè)和工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)工作，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃瑞.基于環(huán)境能量收集的自供能無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)的能量管理研究[D].電子科技大學(xué)，2019.

[2] 屈辰，陶然，李剛，等.基于環(huán)境能量自供電的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，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