基于自供電的低功耗電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

盧良萌，林 濤,2，韓鳳琴，張 杰

（1.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.華南理工大學(xué) 廣東省高效清潔能源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

0 引 言

變電站作為電網(wǎng)的核心樞紐，是推動(dòng)電力行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)。其核心設(shè)備變壓器的正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的供電和用電可靠性[1]。因此需要采用信息監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)變電站核心設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的高效、綠色、安全運(yùn)行，從而減少電網(wǎng)大面積停電和電力安全事故。若能夠提前對(duì)變壓器進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)進(jìn)行故障維修，可避免大范圍的經(jīng)濟(jì)損失和電氣安全事故的發(fā)生[2]。近年來(lái)，變壓器的溫度在線監(jiān)測(cè)主要有傳統(tǒng)紅外監(jiān)測(cè)、分布式光纖監(jiān)測(cè)和無(wú)線監(jiān)測(cè)[3-5]。傳統(tǒng)紅外監(jiān)測(cè)通過(guò)有線連接，布線繁瑣，受場(chǎng)地環(huán)境制約，數(shù)據(jù)采集精確度低，且需要人工采集數(shù)據(jù)，十分消耗人力資源[6]。分布式光纖監(jiān)測(cè)雖能實(shí)時(shí)測(cè)量溫度場(chǎng)，具有體積小、靈敏度高的特點(diǎn)，但其系統(tǒng)布線復(fù)雜、操作繁鎖、運(yùn)維周期長(zhǎng)、成本高[7]。

隨著5G 技術(shù)及其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)、智能工控等領(lǐng)域[8-9]。保障無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)續(xù)航供能的穩(wěn)定性成為了關(guān)鍵問(wèn)題[10]。無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用傳統(tǒng)電池供能，電池壽命有限，更換和維護(hù)成本較高，且電池中的有害化學(xué)元素對(duì)環(huán)境危害大，不符合環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的新要求[11]。因此，應(yīng)考慮采用自供電方式，直接將工作環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換成電能為無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電，自供電技術(shù)主要利用的是光伏、風(fēng)能、機(jī)械能、溫差、復(fù)合能等[12-13]。本文設(shè)計(jì)并開發(fā)基于自供電的低功耗電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用變壓器自身工作溫度和環(huán)境溫度產(chǎn)生的溫差進(jìn)行發(fā)電，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能。在電路和程序上采用低功耗設(shè)計(jì)，降低各個(gè)模塊的功耗，節(jié)省系統(tǒng)用電，有效地解決變壓器溫度監(jiān)測(cè)問(wèn)題，保障變壓器的安全運(yùn)行。

1 總設(shè)計(jì)方案

基于自供電的低功耗電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括能量采集模塊、能量管理模塊、傳感監(jiān)測(cè)模塊、主控芯片、通信模塊以及監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件，主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，能量采集模塊將設(shè)備的熱量直接轉(zhuǎn)換成電能，為信息采集、管理和傳輸模塊提供電能；信息采集模塊通過(guò)溫度傳感器對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主控芯片進(jìn)一步處理，通過(guò)無(wú)線通信模塊傳送至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示、儲(chǔ)存和預(yù)警。當(dāng)采集模塊數(shù)據(jù)超出安全范圍時(shí)，上位機(jī)將根據(jù)用戶需求進(jìn)行多級(jí)預(yù)警；否則處于待機(jī)節(jié)能狀態(tài)，以降低系統(tǒng)的功耗。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 自供電工作原理

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)基于賽貝克效應(yīng)，當(dāng)P 型和N 型兩種熱電材料連接處存在溫差時(shí)，材料中的電子與空穴產(chǎn)生定向移動(dòng)，在形成回路時(shí)為負(fù)載提供電能，如圖2（a）所示；多對(duì)熱電偶對(duì)組成的熱電單體如圖2（b）所示。當(dāng)能量采集模塊冷熱兩端存在溫度差時(shí)，可為負(fù)載提供電源。

圖2 熱電轉(zhuǎn)換原理與單體結(jié)構(gòu)

由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的突變性與多樣性，導(dǎo)致能量采集模塊不能直接為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。由于能量采集模塊輸出電壓與負(fù)載電壓不匹配，綜合考慮變電站環(huán)境變化下系統(tǒng)自供電的穩(wěn)定性問(wèn)題，基于FEH710 芯片設(shè)計(jì)能量管理電路，電路原理如圖3 所示。可實(shí)現(xiàn)輸入電壓低至0.05 V 的自主啟動(dòng)和微小電流的采集，能量管理電路中采用2 200 μF 的儲(chǔ)能電容為系統(tǒng)儲(chǔ)能，具有容量小、充電速度快等特點(diǎn)，能夠快速實(shí)現(xiàn)能量的收集和使用；470 μF 輸出電容的加入，能夠有效防止負(fù)載電流突變和能量源切換時(shí)造成供電不穩(wěn)定。當(dāng)采集到的電能滿足負(fù)載功率時(shí)，F(xiàn)EH710 芯片可將采集的電能直接為系統(tǒng)供電，同時(shí)為儲(chǔ)能電池或超級(jí)電容進(jìn)行充電；當(dāng)采集到的電能不滿足系統(tǒng)負(fù)載時(shí)，F(xiàn)EH710芯片切換儲(chǔ)能電池為系統(tǒng)供電，并且進(jìn)行涓流充電和儲(chǔ)存。

圖3 能量管理電路原理

3 低功耗電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電能是能量采集模塊提供的，但是能量采集的轉(zhuǎn)換效率受環(huán)境限制，能量采集模塊不能時(shí)刻滿足節(jié)點(diǎn)的電能需求，降低節(jié)點(diǎn)的功耗是最有效的解決方法。為保證節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中無(wú)線通信模塊的耗電量大，常見的低功耗無(wú)線通信方式，如ZigBee 和LoRa 的工作電流大多在30 mA 以上，本設(shè)計(jì)采用低功耗的SPI 無(wú)線通信方式，使用nRF24L01P 射頻芯片。當(dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為0 dBm 時(shí)，電流消耗為11.3 mA[14]；接收模式下電流消耗為12.3 mA；待機(jī)模式下電流消耗為22 μA；掉電模式下電流消耗為900 nA。多種工作模式極大地降低了系統(tǒng)的功耗。節(jié)能前后的功耗對(duì)比見表1所列。

表1 系統(tǒng)主要模塊節(jié)能前后的功耗對(duì)比

系統(tǒng)的中央處理器采用的單片機(jī)型號(hào)為STC15W4K32S4，具有價(jià)格低、工作穩(wěn)定、耐高溫、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，相較于8051 單片機(jī)的運(yùn)行指令速度快8 ～12倍。其外設(shè)功能豐富，擁有四組完全獨(dú)立的高速異步串行通信口（UART）、7 個(gè)定時(shí)器、內(nèi)部高精度R/C 時(shí)鐘、8 路10位高速AD 和8 路PWM、一組高速同步串行通信端口SPI，這些外設(shè)可避免給電路增加多余的模塊，有助于降低電路系統(tǒng)的功耗。

電力設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，溫度過(guò)高會(huì)造成設(shè)備故障，本設(shè)計(jì)使用DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)警值時(shí)系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，以達(dá)到預(yù)防設(shè)備損壞、方便及時(shí)維修的目的。

DS18B20 數(shù)字溫度傳感器具有體積小、功耗低、工作電源寬泛的特點(diǎn)，其工作原理是通過(guò)輸出數(shù)字信號(hào)，將信號(hào)線與單片機(jī)的引腳相連接，通過(guò)編寫程序可控制該溫度模塊測(cè)量并獲取溫度數(shù)據(jù)[15]。測(cè)溫范圍為-55 ～125 ℃，可精確到±0.5 ℃，通過(guò)數(shù)據(jù)線獲得電能，不需要外加電源線。模塊GT-24 采用2.4 GHz、功耗為100 mW、最高空中速率可達(dá)到2 Mb/s、高穩(wěn)定性、工業(yè)級(jí)的無(wú)線通信模塊[16]，模塊自帶高性能PCB 天線，精確阻抗匹配。采用nRF24L01P 射頻芯片，比nRF24L01 具有更高的可靠性、更多的功率等級(jí)，以及更遠(yuǎn)的傳輸距離和更低的功率。此外內(nèi)置RFX2401 功放芯片，內(nèi)建LNA，接收靈敏度提高10 dBm，工作在2.4 ～2.5 GHz的ISM 頻段。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖4 所示，系統(tǒng)參數(shù)初始化，通過(guò)一路總線接口對(duì)溫度監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行初始化配置，通過(guò)一組模擬SPI 同步串行通信接口對(duì)溫度無(wú)線通信模塊進(jìn)行初始化配置，同時(shí)配置定時(shí)器中斷服務(wù)程序讀取一次溫度監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)，中央處理器程序主循環(huán)中實(shí)時(shí)接收變壓器溫度結(jié)果。對(duì)比正常溫度數(shù)據(jù)，若判斷變壓器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，啟用低功耗模式，禁用SPI 接口，斷開無(wú)線通信模塊電源，通過(guò)R/C 時(shí)鐘控制傳感監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行周期性采集，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在單片機(jī)中。若判斷變壓器發(fā)生異常，恢復(fù)傳感監(jiān)測(cè)模塊正常運(yùn)行，立刻驅(qū)動(dòng)無(wú)線通信模塊向上位機(jī)發(fā)送異常數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析和預(yù)警。

圖4 系統(tǒng)程序流程

為了能夠?qū)o(wú)線通信節(jié)點(diǎn)接收的溫度和振動(dòng)信號(hào)更加直觀地顯示，基于Microsoft Visual Studio 軟件工具開發(fā)上位機(jī)溫度監(jiān)測(cè)軟件。上位機(jī)軟件程序包括出口配置程序、串口接收函數(shù)、顯示窗體函數(shù)等，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、故障預(yù)警的功能。上位機(jī)程序流程如圖5 所示。

圖5 上位機(jī)程序

5 測(cè)試及結(jié)果分析

通過(guò)搭建自供電無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖6 所示，包括P100F 恒溫加熱臺(tái)、PC 上位機(jī)終端、無(wú)線接收器。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)三維圖如圖7 所示。將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在恒溫加熱臺(tái)，無(wú)線接收器與PC 上位機(jī)終端連接，進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

圖7 自供電監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)三維圖

5.1 溫差發(fā)電模塊最佳負(fù)載電阻測(cè)試

能量管理電路設(shè)計(jì)需要確定溫差發(fā)電模塊的最佳負(fù)載電阻，以達(dá)到能量的最大化利用。由于變壓器的正常工作溫度為60 ℃。因此，設(shè)置60 ℃為溫差發(fā)電模塊的熱端溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)變阻箱，找到溫差發(fā)電模塊最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載電阻，從0 ～25 Ω，每增加1 Ω 記錄一次數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，當(dāng)負(fù)載電阻為5 Ω 時(shí)，溫差發(fā)電模塊的輸出功率為最大值62.24 mW。最佳輸出功率的計(jì)算方式如下：

圖8 負(fù)載與輸出功率的關(guān)系

當(dāng)R=r時(shí)，P有最大值Pmax，即：

式中：u為負(fù)載電壓；i為負(fù)載電流；R為負(fù)載；r為溫差發(fā)電模塊內(nèi)阻；U為開路電壓；P為溫差發(fā)電模塊輸出功率。

5.2 能量管理電路性能測(cè)試

恒溫加熱臺(tái)設(shè)置溫度范圍為35 ～80 ℃，通過(guò)加熱臺(tái)對(duì)半導(dǎo)體發(fā)電片進(jìn)行加熱來(lái)調(diào)節(jié)能量管理電路的輸入電壓。當(dāng)加熱臺(tái)溫度為35 ℃時(shí)，能量管理電路輸入電壓為0.025 V，輸出電壓為0.17 V；當(dāng)能量管理電路輸入電壓達(dá)到0.05 V 時(shí)，輸出電壓為2.98 V，隨后快速上升至3.47 V，然后趨于穩(wěn)定，如圖9 所示。說(shuō)明能量管理電路具有0.05 V 低壓?jiǎn)?dòng)的能力，并且能夠快速達(dá)到3.47 V 的穩(wěn)定電壓輸出；能量采集模塊輸出電壓為0.05 V 時(shí)能量管理電路轉(zhuǎn)換效率為52%；輸出在0.1 V 后，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97%，證明能量管理電路可以為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的電能輸出。

圖9 輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系

在變壓器運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要穩(wěn)定的電源來(lái)維持各個(gè)模塊的工作。系統(tǒng)各模塊功耗見表2 所列，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總功率為115.50 mW。不同溫度狀態(tài)下能量管理電路的輸出功率如圖10 所示。熱端溫度為35 ℃時(shí)，溫差為9.1 ℃，輸入電壓為0.057 V，大于啟動(dòng)電壓0.05 V，此時(shí)可輸出功率為104.53 mW，低于節(jié)點(diǎn)功耗115.50 mW，由電池為節(jié)點(diǎn)供電；正常工作熱端溫度為60 ℃時(shí)，溫差為21.9 ℃，可輸出功率為183.26 mW，能量管理電路在滿足節(jié)點(diǎn)消耗為115.50 mW 的情況下，可將多余的電能存儲(chǔ)到電池中。輸出功率表達(dá)式如式（2）所示，因此能量管理電路完全可以滿足監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)的電能需求。

表2 系統(tǒng)各模塊功耗

圖10 溫差與輸出功率的關(guān)系

式中：Pout為能量管理電路輸出功率；P為溫差發(fā)電模塊輸出功率；β為轉(zhuǎn)換值。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了低功耗自供電變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從能量采集模塊、能量管理電路、低功耗電路和上位機(jī)等方面的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)變壓器的溫度運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可將變壓器所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成電能為系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)運(yùn)行功耗為115.50 mW，節(jié)能功耗約為0.83 mW。測(cè)試結(jié)果表明：變壓器正常工作熱端溫度為60 ℃時(shí)，系統(tǒng)可以有效地采集變壓器所發(fā)出的熱量，并且通過(guò)能量管理模塊進(jìn)行升壓穩(wěn)壓輸出183.26 mW，能夠滿足系統(tǒng)的電能需求，采集變壓器的溫度信息，判斷是否異常，通過(guò)SPI 通信無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行預(yù)警。