陈新岗，赵 蕊，马志鹏，贾 勇，邹越越，朱 磊，黄宇杨

(1. 重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054; 2. 重庆市能源互联网工程技术研究中心，重庆 400054)

输电线路的故障不仅会对用户供电造成极大影响，而且还可能带来其他经济损失[1]。在线监测技术能够监测线路的实时状况，并能够对一些安全隐患进行预警，提高运维效率。然而，在线监测设备存在供电的持续性不高、稳定性不足且很大程度上依赖于电池容量等问题。其有效的解决方法是利用周围环境能量，并加以储存，为在线监测设备供电[2]。

该领域内的相关研究主要聚焦在能量收集和能量转换储存两个方面[3-4]。环境能量收集研究主要向多种环境能量采集方法的方向发展，用以改善单一环境能量供电时出现的输出不稳定与供能不足问题[5-7]。而多种环境能量的综合利用可以通过对能量转换储存的研究实现最优化。即通过设计最优的能量管理电路或利用低功耗器件来减小电路损耗，从而提高转换效率[4]。其研究重点在于能量的管理方式，既要尽可能多地采集能量又要对采集的能量进行合理地存储和分配[8]。

文献[9]采用双模组振动能量收集与管理方法解决了传感网络节点在高、低功耗模式下的长期自供电，但是由于输电线路上的振动能较少，所以振动能的收集对于输电线路不适用。文献[10]利用电场感应原理能够为输电线上功耗为2W的视频设备提供稳定的电源，但这种取能方式存在绝缘问题且难以解决电气隔离问题。文献[11]采用锂电池和太阳能联合供电的方式对导线舞动监测系统进行供电，保证了监测系统长期连续运行，但采用太阳能仍然存在受环境影响大等缺点。

根据以上存在的问题，并结合架空输电线路周围存在的环境能量特点，本文设计了磁场取能和太阳能取能的综合能量管理电路。该电路保障了为负载提供3.3 V不间断的供电电压，能够有效改善仅一种环境能量采集的供能不足和输出不稳定的缺陷，其能量管理方案能够提高能源的利用率，延长锂电池的工作周期，且有效地提高了在线监测设备的工作稳定性。

该整体电路主要包括4个部分：环境能量、变换电路、储能及负载、能量管理，如图1所示。

图1 电路整体框图

因为环境能量包括磁场能和太阳能两种能量，所以变换电路也按照两种能量来源的不同分为对应的两部分。变换电路能够将从环境中采集到的不稳定电能转换为可直接为负载供电的电能。电路包括冲击保护、过压保护、整流滤波、MPPT控制、稳压等模块。储能及负载部分将环境中采集的能量密度低且不稳定的电能存储起来，保证给负载提供更加稳定的电源。该部分主要包括电容存储、负载、锂电池及其充电管理等模块。能量管理部分实现上述环境能量、变换电路和储能及负载三个部分的综合管理，实现负载不间断供电、能量合理分配、供能效率有效提升的目的。

根据电磁感应原理可知，在通有交流电流的导线周围存在变化的磁场，从而导致磁通量变化产生感应电动势。即实现电场能到磁场能，再到电场能的转变[12]。

磁芯取能采集器如图2所示。磁芯和环绕在磁芯上的线圈组成了该采集器，输电线穿过磁芯，相当于采集器的一次绕组。

图2 磁芯取能采集器

由电机学理论可得，二次侧电动势和磁通的表达式为：

式中：f——电网频率；

E2——二次侧感应电动势；

Φm——主磁通；

N2——线圈二次侧匝数；

Bm——磁感应强度；

S——磁芯的横截面积；

µ——磁导率；

Hm——磁场强度。

由安培环路定理可得：

式中：L——磁芯平均周长；

N1——线圈一次侧匝数，这里通常为1；

i1——一次侧电流。

将式（2）、（3）代入到式（1）中，则二次侧的感应电动势可写成：

由式（3）可知，一次侧中电流增大会导致Hm增大；
由式（4）可知，二次侧电压与一次电流、二次侧匝数、磁芯材料和磁芯尺寸有关，并且在磁化曲线的线性区域里，一次电流与二次侧感应电压成近似正比关系。

为研究上述磁芯取能中二次侧电压与一次侧电流的关系，利用COMSOL Multiphysics 软件搭建了仿真模型，如图3所示。在仿真参数设置中，保持二次侧的匝数为150匝，负载电阻为50 Ω不变，改变一次侧激励电流大小。

图3 仿真等效模型

当给一次侧施加电流激励为10 A时，其磁芯的磁通密度如图4(a)所示。由图可知，磁通密度最高值在磁芯内侧，而由内到外磁通密度依次减小。图4(b)为二次侧负载上的感应电压。由于一次侧施加的是正弦激励，二次侧所感应出的电压也是类似正弦波。

图4 一次侧电流10 A

当一次侧施的电流激励为50 A时，其磁芯磁通密度和二次侧电压波形如图5(a)、(b)所示。与图4对比可知，激励电流为50 A时的磁芯密度较激励电流为10 A时的磁通密度升高了一个数量级，二次侧电压也由3.2 V上升到10.5 V。

图5 一次侧电流50A

当一次侧施加的电流激励为200A时，二次侧感应电压波形已出现畸变，磁芯进入饱和区，如图6所示。二次侧感应电压与一次激励电流不再是线性关系。

图6 磁芯饱和时电压波形

上述分析表明，仿真结果与理论推导相符，在磁芯磁化曲线的线性区域内，二次侧电压与一次侧电流成正比关系，增加一次侧电流的大小可以改变二次侧电压，但同时要防止磁芯进入饱和区。

图7为实测波形。经过多次实验确定磁芯材料为纳米晶，尺寸为内径50 mm，外径80 mm，厚度为25 mm。图7(a)、7(b)、7(c)中一次电流分别施加1 A、10 A、50 A。由此可知一次侧电流为10 A较一次侧电流为1 A的二次侧电压大，由1.25 V升高到1.8 V；
当一次侧电流为50 A时，二次侧电压波形出现畸变。再一次证明了实际与理论推导相符。

图7 实测波形

3.1 微处理器电路

本次设计电路采用的微处理器是STC12C5A60S2，是一款高速、低功耗的新一代8 051单片机，速度是传统 51单片的 8～12倍，有两路 PWM，8路高速10位A/D转换。单片机的原理图如图8所示。

图8 微处理器电路

图中P10-P17端口为电压监测端口，采集监测点的电压，确定电源的工作状态；
P00-P04为开关控制端口，控制开关管的开合状态，在电路中充当开关的作用，选择相应的供能通路；
P4.2端口为PWM波输出端，通过单片机实现MPPT控制，使得光伏电池与电路能够实时进行动态的匹配，从而保证以最大功率输出。

3.2 磁场取能变换电路

图9为磁场取能的变换电路，该电路包含冲击保护模块、整流滤波模块、过压保护模块和稳压模块。

图9 磁场取能变换电路

为防止线路上因雷击或其他原因突然产生大电流，感应出的瞬间大电压破坏后续电路的安全，需在电路前端设计冲击保护电路，该模块由瞬态电压抑制二极管(TVS)和压敏电阻组成。

为给负载提供所需的直流电，需将磁场感应出的交流电进行二极管整流并经过电容做滤波处理。

由于整流电压会随着母线电流的增大而增大，为防止电压超过后面芯片的最大电压，需将电压限制在安全的工作范围内。如图9所示，过压保护电路由触发二极管DB3、MOSFET和大功率的小电阻组成。当整流电压较大时使触发二极管导通，从而触发MOSEFT导通，使电路中大部分电流流过小电阻和MOS管，从而使后面电路电压下降；
当整流电压较低时，触发二极管则不能够导通，因此该电路不会工作，也不会影响后面电路电压。

线路上的低功耗传感设备需要的供电电压一般是低压直流，而整流滤波后的电压可能大于设备所需电压，为了给负载提供稳定的电压，需经过稳压芯片将电压稳定为3.3 V输出，同时要满足低功耗、体积小、外围电路简单等特点。本文稳压电路采用的芯片是降压型LM317。输出电压可根据需要调节两个外接电阻即可，其输出电压由下式计算可得：

3.3 太阳能取能变换电路

图10为太阳能取能的变换电路，该电路由DC/DC模块和稳压模块组成。

图10 太阳能取能变换电路

不同的温度和光照条件会影响光伏电池的最大功率点[13]。因此，为使太阳能取能始终以最大功率输出，本次设计MPPT控制（最大功率点追踪）利用BOOST电路实现。即通过控制MOS管的开通周期，以实现光伏电池与电路之间的动态负载匹配，从而控制输出电压的大小[14]，其输出电压可由式(6)计算获取，其中D为占空比。

此部分电路中的稳压电路与上述磁场取能部分变换电路的稳压电路一样，故不再赘述。

3.4 电能储存电路

图11所示为电能储存电路，该部分由电容储存、锂电池、负载和锂电池充电管理模块组成。

图11 储存电路

本文采用BL4056芯片构成充电电路。该芯片可对电池进行恒流和恒压充电，当温度超过限定温度时，芯片会自动降低充电电流。BL4056包含两个输出状态指示端，CHRG表示正在充电，STDBY表示充电完成。

从环境中采集到的能量功率低且不稳定，因此需要用电容将每次采集到的环境能量收集起来。当环境能量采集到一定值后，再向负载释放能量，以保证给负载提供更加稳定的电源。

在整个电路中，单片机始终由锂电池提供稳定电压。另外，当环境能量不够时，锂电池充当后备电源给输电线上低功耗传感设备供电。

整个电路系统中的能量管理方案由单片机控制来实现。其控制流程如图12所示。图中UL为取能变换电路达到工作条件的最小开启电压。

图12 路径选择及能量管理流程图

一般锂电池充电电压不能超过4.2 V，放电电压不能低于3.2 V。因此，电源的工作状态被设计为3种类型：

1)锂电池电压小于4.2 V。当磁场取能功率大于太阳能取能功率时，磁场能给负载供电，同时由太阳能给锂电池充电；
当磁场取能功率小于太阳能取能功率时，太阳能给负载供电，磁场能给锂电池充电；
当磁场取能和太阳能都无法满足负载工作时，由锂电池给负载供电。

2)锂电池电压小于3.2 V。当磁场取能功率大于太阳能取能功率时，磁场能给负载供电，同时太阳能给锂电池充电；
当磁场取能小于太阳能取能功率时，太阳能给负载供电，磁场能给锂电池充电。

3)锂电池电压大于4.2 V。当磁场取能功率大于太阳能取能功率时，由磁场能给负载供电；
当磁场取能功率小于太阳能取能功率时，由太阳能给负载供电；
当两种能量都能够满足给负载供电并且稳压后两种能量也相等时，将两种能量并联起来一起为负载供电；
当两种能量都不能满足负载工作时，由锂电池给负载供电。

通过上述能量管理方案，将采集到的两种环境能量同锂电池相结合，并进行合理的能量分配，以达到给低功耗在线监测设备提供稳定可靠的电源和提高能量的利用率的目的。

本文所搭建实验平台如图13所示。利用该平台可对上诉能量管理方案和硬件电路进行验证。磁场取能部分，输电线路由大电流发生器代替，磁芯采用纳米晶材料。太阳能取能部分，用块柔性光伏电池板并联。实验中，采用白炽灯(220 V/200 W)来模拟光照，通过改变与光伏板的距离来控制光照强度。锂电池选用的容量为11 200 mAh，输出电压为3.7 V。若低功耗在线监测设备平均功率消耗为500 mW,当线路停电并且没有太阳能输入时，仅采用该电池供电，可为负载供电73.92 h。

图13 实验平台

对整个电源进行测试。经过实验测试可得当白炽灯离光伏板距离为15 cm时即可为锂电池充电并为负载供电，如图14所示，绿灯亮表示锂电池正在充电；
当白炽灯离光伏板距离为25 cm时不能够为锂电池充电且负载电压不足，绿灯不亮，取能端不够给电池充电。当一次电流为20 A时取能端既可以给电池充电又可以为负载供电，如图15所示，绿灯亮。当一次电流为2 A时取能端不能够为锂电池充电，负载电压也不足，绿灯不亮。当电池电压为4.2 V时，黄灯亮，表明锂电池为满电状态无需充电。

图14 太阳能取能

图15 磁场取能

对整个能量管理方案进行测试，实验测试结果如表1所示。其中LED1为变换电路中绿灯，LED2为变换电路中黄灯，LED1亮表示正在给电池充电，LED2亮表示充电完成。表中磁场取能仅选一次电流2 A和20 A的情况，太阳能取能离光伏板的距离仅选15 cm和25 cm的情况，分别代表取能功率足够和不足够的情况。

表1 电源测试数据

测试数据表明，当有一环境能量足够时，就能够实现给负载供电；
当两种环境能量都不满足给负载供电的需求时，锂电池可稳定单独为负载供电；
当环境能量都足够，锂电池也不需充电时，两种环境能量一起给负载供电，能够提高整个电路的供电稳定性。这说明该电源设计达到了预期效果，即该电源可为输电线路上的低功耗在线监测设备不间断提供稳定可靠的电能。

针对输电线路上低功耗在线监测设备的供电问题，本文设计了一种将磁场取能、太阳能取能与锂电池相结合的混合供电电源电路，并提出了一种融合三种供电方式的能量管理方案。实验表明，该电路能够为负载提供3.3 V不间断的供电电压，提高了供电稳定性，有效延长了锂电池的工作周期，并且该管理方案提高了供电稳定性和能量利用率。实验中磁场取能磁芯虽仅采用了纳米晶，但延伸到其他磁芯材料同样适用。

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