在線監(jiān)測設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計研究

詹金特 盧文華

【摘 ?要】在線監(jiān)測設(shè)備對電力系統(tǒng)的正常運行具有監(jiān)測作用，其長期可靠運行具有重要意義，所以保證在線監(jiān)測設(shè)備供電電源能夠長期有效的供電具有重要意義。本文將考慮在線監(jiān)測設(shè)備的負載特性及鋰電池和超級電容的充放電特性，對在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)進行分析，得到在線監(jiān)測設(shè)備隨時間變化的電流需求，在保證電池使用壽命的條件下，通過電池管理系統(tǒng)的智能選擇，切換使用鋰電池和超級電容來進行供電，以確保鋰電池能夠長期安全可靠供電，實現(xiàn)在線監(jiān)測設(shè)備的長期有效運行。

【關(guān)鍵詞】在線監(jiān)測設(shè)備;供電電源;鋰電池;超級電容;智能選擇

Abstract：The on-line monitoring equipment has the function of monitoring the normal operation of the power system，and its long-term and reliable operation is of great significance.So it is of great significance to ensure the long-term and effective power supply of the power supply of the on-line monitoring equipment.In this paper，the load characteristics of the on-line monitoring equipment and the charge discharge characteristics of the lithium battery and the super capacitor will be considered，and the working state of the onsline monitoring equipment will be analyzed，and the current demand of the on-line monitoring equipment changes with time is obtained.When the battery life is guaranteed，the lithium battery and the super capacitor are used to supply power through the intelligent selection of the battery management system to ensure the long-term safe and reliable power supply of the lithium battery and the long-term and effective operation of the on-line monitoring equipment.

This work is supported by State Grid Shanxi Electric Power Company of science and technology projects（No.SGSX0408）

Key words：Online monitoring equipment，Power supply，Lithium battery，Ultra capacitor，Intelligent selection

引言

隨著電網(wǎng)智能化的普及，輸配電線路的運行狀態(tài)直接關(guān)系到整個電網(wǎng)運行的安全和效益[1]，對輸配電線路的監(jiān)測越來越智能化，在線監(jiān)測設(shè)備是其重要組成部分，受到了越來越多的關(guān)注。保證在線監(jiān)測設(shè)備能長期正常運行具有重要意義。

目前，在線監(jiān)測設(shè)備的供能方式主要有傳統(tǒng)的鋰電池供能、太陽能供能、分壓電容取能、激光供能等方式以及CT 取能，相較與前三者，CT 取能應(yīng)用更廣泛[2-3]，成為國內(nèi)學者的研究熱點。

在采用CT進行取能時，當線路電流較小時，無法感應(yīng)出足夠的電壓，將會存在電源死區(qū)，由于電流互感器的磁飽和問題，單一材質(zhì)的取能磁芯工作電流范圍有限，當線路斷電時無法得到穩(wěn)定電流，使電源無法工作?？紤]感應(yīng)電流的大小，同時兼顧小電流、大電流時的取能工作，采用兩個不同材質(zhì)的取能磁芯并行工作，根據(jù)電流范圍選擇合適的磁芯取能。在備用電源方面，通常選用性能優(yōu)良的鋰電池在一次電流過小或斷電時為監(jiān)測設(shè)備續(xù)能以保證其正常工作，然而由于負載在工作時會出現(xiàn)短時的大功率需求，無法滿足供能需求，通過引入C8051F021單片機構(gòu)建電源控制電路，從提高電源自適應(yīng)能力的角度嘗試解決上述問題，使供電電源能夠有效應(yīng)對不穩(wěn)定的電流狀況，具備長期、穩(wěn)定供能的性能。有文獻提出了一種鋰電池和超級電容相結(jié)合的CT取能方法，能夠使在線監(jiān)測設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，無供電死區(qū)，并具有較大的瞬時功率。然而，這些文獻沒有考慮在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)以及功耗要求，而且沒有考慮該供電電源是否能長期安全可靠運行。

針對以往研究中沒有考慮在線監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)以及功耗要求，沒有考慮供電電源是否能長期安全可靠運行，本文將考慮在線監(jiān)測設(shè)備的具體工作狀態(tài)，并考慮供電電源的使用壽命。本文將將考慮在線監(jiān)測設(shè)備的負載特性及鋰電池和超級電容的充放電特性，通過負載隨時間變化的電流需求，在保證電池使用壽命的條件下，切換使用鋰電池和超級電容來進行供電。通過電池管理系統(tǒng)的智能選擇，確保鋰電池能夠安全可靠供電，在負載功率低于鋰電安全電流時，選擇鋰電池進行供電，在負載功率需求較大時，通過超級電容供電，實現(xiàn)在線監(jiān)測設(shè)備的長期有效運行。

1工作流程

本文將對在線監(jiān)測設(shè)備的供電電源進行研究，當電力系統(tǒng)正常運行時，通過電流互感器為負載進行供電，并對鋰電池和超級電容進行浮充，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，CT將會供電不足，此時通過鋰電池和超級電容來供電?？紤]鋰電池壽命的影響因素有溫度和放電電流倍率，通過多元函數(shù)遺傳算法找到鋰電池安全放電電流倍率，對在線監(jiān)測設(shè)備的負荷曲線進行分析，根據(jù)負荷曲線選擇合適的鋰電池容量，計算出鋰電池的安全工作電流，當設(shè)備所需電流小于鋰電池的安全電流時，選擇鋰電池進行供電，當設(shè)備所需電流大于鋰電池的安全電流時，選擇超級電容進行供電，實現(xiàn)在線監(jiān)測設(shè)備的長期有效運行，如圖1所示。

2在線監(jiān)測設(shè)備負載曲線

以往在線監(jiān)測系統(tǒng)供電電源的研究都沒有對設(shè)備的工作狀態(tài)進行研究，沒有考慮其負載特性，本文將對在線監(jiān)測系統(tǒng)的負載特性進行分析，在線監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括：1.基本運行模式，2.單獨的信息采集模式，3.單獨的信息傳輸模式，4.信息采集與信息傳輸相結(jié)合的模式。

假設(shè)基礎(chǔ)運行模塊功耗P0，信息采集模塊功耗PS，信息傳輸模塊功耗PT。四種供能模式及工作時間如表1所示：

圖2為CT取能電源的整體構(gòu)成，該電源由取能模塊、電能監(jiān)測控制模塊、切換模塊和鋰電池模塊和超級電容電池模塊構(gòu)成。取能模塊通過電流互感器進行感應(yīng)取電，電能監(jiān)測控制模塊通過對電流值的判斷，控制切換模塊動作，在負載電流小于鋰電池放電安全電流時，選擇鋰電池供電;在負載電流大于鋰電池放電安全電流時，選擇超級電容電池進行供電。鋰電池模塊包括充電時的充電及保護模塊、鋰電池及放電時的升壓模塊，超級電容電池模塊包括超級電容電池及放電時的降壓穩(wěn)壓模塊。

工作過程如下：當系統(tǒng)正常運行時，通過電流互感器進行感應(yīng)取電，通過整流模塊為負載提供直流電源，同時為鋰電池和超級電容電池進行供電，當輸配電線路發(fā)生雷擊時，線路上會產(chǎn)生很大的沖擊電流，此時取能磁芯會感應(yīng)出很高的沖擊電壓，對電源電路造成危害，因此需要設(shè)置保護電路。所以，在為鋰電池進行供電時，加入充電及保護模塊。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電路中由于電流過低無法進行感應(yīng)取電，此時鋰電池和超級電容電池作為電源進行供電，由于鋰電池的壽命比較短，放電電流對電池壽命影響較大，而超級電容電池的壽命比較長，所以，計算出鋰電池的安全放電電流范圍，通過電能監(jiān)控模塊對電流進行監(jiān)測，通過切換模塊，在安全放電電流范圍內(nèi)選擇鋰電池供電，在大于安全放電電流時選擇超級電容電池進行供電。

5在線監(jiān)測設(shè)備供電電源系統(tǒng)實現(xiàn)

本文設(shè)計的供電電源主要是應(yīng)用在線路絕緣子泄露電流在線監(jiān)測裝置，因此使用的是CT取能結(jié)合鋰電池和超級電容電池進行供電的解決方案。

本文的在線監(jiān)測裝置采用的主芯片為DSP微處理器模塊，選用TMS320F28335，該模塊的供電電壓為5V，額定功率1.46W，該模塊非常適合現(xiàn)場監(jiān)測和控制場合，具有方便的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算處理功能，并且接口豐富，方便擴展。信息采集模塊選用AD公司的AD7616芯片，這個芯片支持對16個通道進行雙路同步采樣，采用5 V單電源供電，可以處理±10 V、±5 V和±2.5 V真雙極性輸入信號，同時每對通道均能以高達1 MSPS的吞吐速率和90.5 dB SNR采樣，非常適合線路在線監(jiān)測應(yīng)用。該芯片的峰值功率0.5W，加上前面放大和濾波調(diào)理電路，整個信號采集模塊功耗接近1W。信息傳輸模塊采用GPRS模塊，選用Kingcomtek公司的G3524模塊，該模塊具有射頻指標好且穩(wěn)定、低功耗、支持四頻的特點。該模塊在SLEEP 模式下的耗流為0.9mA，在Class 1模式發(fā)射功率1W，在Class2模式發(fā)射功率為2W。

根據(jù)負荷情況，考慮電源模塊的效率，我們設(shè)計取電CT 的容量為10VA，整流模塊采用反激式開關(guān)電源設(shè)計。整流模塊采 用 MB10S，鋰電池充電及保護模塊、鋰 電 池 升 壓 模 塊 分 別 采 用CN3062、RT9266 芯片及相關(guān)外圍電路構(gòu)成。CN3062 能實現(xiàn)鋰電池過充、過放保護及充電電流的自動調(diào)節(jié)。電源的供電能力由超級電容、鋰電池及 RT9266 芯片自身性能所決定。超級電容和鋰電池的供電切換電路由MOS開關(guān)來實現(xiàn)，整個的控制由DSP芯片TMS320F28335實現(xiàn)。

6實驗分析

采用 8個容量為120F，額定電壓2.3V 的超級電容進行串聯(lián)，組成超級電容組進行輔助供電。電源在超級電容和鋰電池組合供能方式的支持下能夠滿足包括帶有通信模塊的線路監(jiān)測設(shè)備需求。

通過鋰電池和超級電容電池的配合，在輸變電線路故障時，可以對在線監(jiān)測設(shè)備進行長期有效的供電。

7 結(jié)論

本文在對在線監(jiān)測設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計進行研究時，不僅考慮在線監(jiān)測設(shè)備的具體工作狀態(tài)及功率變化情況，而且考慮供電電源的使用壽命。研究在線監(jiān)測設(shè)備的負載特性及鋰電池和超級電容的充放電特性，通過負載隨時間變化的電流需求，在保證電池使用壽命的條件下，切換使用鋰電池和超級電容來進行供電。

當電力系統(tǒng)正常運行時，通過電流互感器為負載進行供電，并對鋰電池和超級電容進行浮充，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，CT將會供電不足，此時通過鋰電池和超級電容來供電?？紤]鋰電池壽命的影響因素，通過多元函數(shù)遺傳算法找到鋰電池放電安全電流，對在線監(jiān)測設(shè)備的負荷曲線進行分析，當設(shè)備所需電流小于鋰電池的安全電流時，選擇鋰電池進行供電，當設(shè)備所需電流大于鋰電池的安全電流時，選擇超級電容進行供電，該過程實現(xiàn)了在線監(jiān)測設(shè)備的長期有效運行。

參考文獻：

[1]李成.基于輸電線路的電能抽取技術(shù)研究[D].華北電力大學，2013.

[2]張立洪.高壓側(cè)感應(yīng)電源的研究與設(shè)計[D].燕山大學，2013.

[3]彭韜，須雷，尹春，李九虎，羅蘇南.電子式電流互感器高壓側(cè)電源的研制[J].變壓器，2010，47（05）：5-7+12.

[4]王玉峰，趙敏，羅沛文.一種高壓線非接觸式自取電電源的設(shè)計[J].機械制造與自動化，2013，42（06）：178-180+185.

[5]謝志遠，畢亭亭，金慧瑩，李亞康.高壓輸配電線路在線監(jiān)測設(shè)備供電電源的研究[J].電測與儀表，2016，53（22）：16-21.

[6]郭昊坤，吳軍基.一種新型的可充電式高壓感應(yīng)取電裝置[J].電測與儀表，2014，51（03）：86-90.

[7]肖波，徐敏捷，席朝輝，熊蘭，何友忠，宋道軍.高壓側(cè)感應(yīng)取能電源的研究[J].高壓電器，2013，49（01）：1-5+12.

[8]魯帆，周健瑤，趙行，張瑞冬，熊蘭，楊子康.結(jié)合超級電容與鋰電池的CT取能電源研究[J].電測與儀表，2015，52（06）：89-95+112.

[9]黎火林，蘇金然.鋰離子電池循環(huán)壽命預(yù)計模型的研究[J].電源技術(shù)，2008（04）：242-246.