高压输电线路反馈式无源测温装置及其无线传感网络设计

高压输电线路反馈式无源测温装置及其无线传感网络设计

李勇辉杨瑞景吴卫华王斌李定强

贵州电网有限责任公司兴义供电局，贵州兴义562400

摘要：面对电力行业不断快速发展及我国电网规模日益增长的现状，高压输电线路在线监测系统在电网运营维护方面上起到了重要作用，不但可以取代繁重的人工巡线工作，还可以及时准确地反映线路运行动态，确保线路运行的安全性和稳定性。本文研究并设计了一套高压输电线路导线温度在线监测系统，包括传感器节点、汇聚节点及无线传感器网络，对传感器节点进行了软硬件设计，成功应用于嵌入式系统的高压输电导线接触式测温，其抗干扰能力、量程与精度都达到了预期效果。本文在完成室内测试和结果分析后，将系统置于实际环境进行了测试，其可靠性和实用性得到了验证。

关键词：电压反馈、无源、测温、传感器网络

1.引言

为了在不使用蓄电池且不增加取电装置体积的情况下，降低传感器节点的工作死区电流，本文设计了一套基于储电电容的无源感应取电电源系统，采用铁芯最佳参数匹配方法提高了感应取电的效率，并按照传感器节点的工作特性设计了电压反馈式电源管理电路，可使传感器节点的死区电流从50A下降至18A，并满足了体积小型化和长期免维护需求。

2.系统整体方案设计

2.1系统组成与工作过程

由于本设计应用了自组织网络技术，组成了无线传感器网络（简称WSN），故本文按WSN的结构组成，称导线温度采集单元为传感器节点（EndDevice），称数据集中器为汇聚节点（Router），并将CMA、CAG和主站系统视为一体，统称为管理节点（Coordinator），以免混淆。三种节点在安装示意如图21所示，所标示的杆塔皆为耐张塔，两级耐张塔之间相距500至3000米不等，其间可能分布数座直线塔；传感器节点在各耐张塔上皆有分布且数量很多，一般每股分裂导线的接头处都将安装一个；每个WSN中汇聚节点仅一个，按照WSN的性能和公网覆盖情况部署。传感器节点自动采集各测温点的温度数据，通过433MHz通信构建的无线传感器网络将数据进行融合整理，然后经由汇聚节点进行数据汇总和处理，通过2G/3G/4G等公共网络传输至远程的管理节点。

图21在线监测系统安装示意图

本文设计的在线监测系统由导线温度采集单元（传感器节点）、数据集中器（汇聚节点）、状态监测代理(CMA)、状态接入网关机(CAG)和主站系统组成。其中前两者统称为状态监测装置，属于装置层；中间两者属于接入层；后者属于主站层。由于实际应用中，接入层和主站层通常由电力公司提供，故本文仅对装置层进行了研究和设计，并提供了与接入层的通信接口。

2.2设计要求及技术指标

国家电网公司为了在坚强智能电网建设中，保证输电线路状态监测系统的科学和规范、技术标准统一等，制定了相应的技术规范。本课题设计按此标准进行，其中导线温度采集单元的主要技术参数要求如下：

接触类测温。依据被测导线的类型，量范围为下列的四种之一：a）－40℃～＋120℃；b）－40℃～＋180℃；c）－40℃～＋290℃；d）非常规导线温度测量范围与用户协商。

非接触类测温。a）－40℃～＋290℃；b）非常规导线温度测量范围与用户协商。测量精度综合误差应小于±1.0℃。

2.3在线监测设备电源方案选择

为了达到在线监测的目的，一个能长期稳定可靠工作的电源必不可少。电源方案的选择，将影响到监测设备的硬件选型、工作模式选择等，甚至影响到WSN的路由协议选用或设计。因此，电源方案的研究是进行本系统进行设计的第一步。由于设备安装于户外，常规市电供能的方式并不适用。根据1.2.1小节的介绍，在目前的在线监测系统中，最常用的供电方案有电池供能、太阳能光伏供能、激光供能、电容器抽取在线取能、电磁感应取能等。另外，还有一些如风力发电、超声波供能、微波供能、远红外供能等供电方式，但它们的应用都受到了一定的限制。下面对常用的四种供能方式进行研究和对比介绍。

（1）电池供电

化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池，可分为原电池和蓄电池两种，区别在于后者可以进行充电复原。蓄电池也称二次电池，特点是放电后可通过充电将电能转换为化学能，需要放电时再将化学能转换为电能。

电池供电优点：电源电路简单，电源质量好，稳定可靠，保护电路简单。设备体积小、重量轻，不受天气环境影响。电池供电缺点：使用寿命有限，难以更换电池。电池价格高昂，成本较高。

（2）太阳能光伏供电

太阳能光伏供电优点是光能是一种可再生、无污染的绿色能源。使用寿命长，无需外界供能，无需敷设线路，无需复杂的外围辅助设备。缺点是供能不稳定，受天气影响较大。若受光面积聚了鸟粪、沙尘等污物会极大影响性能，长时间被部分遮挡会导致光伏阵列损坏，人工清除不便。高寒地区可能会出现数月积雪的情况。装置体积稍大，有一定重量。光伏板面积根据功率需要选择，若太大将令上塔安装不便。受限于天气和太阳能转换效率有限，设备功率不宜过大，考虑到设备续航，对低功耗技术要求较高。需要蓄电池配合使用，若应用于大量的分布式传感器节点，光伏板和蓄电池成本较高。

（3）激光供电

激光供电优点是在一定变温条件下能恒功率工作，电源纹波小、噪声低，不受负载影响，不受天气和环境因素影响。由于其高低压侧由光纤连接，可以传输数据。激光供电缺点是其低压侧需要市电等外界供电，不利于部署在野外输电走廊，安装成本高。激光器功率有限，激光二极管长时间工作在大功率状态下容易退化，使用寿命迅速降低。若要在输电线路上大量安装传感器节点，需要在线路上布设大量光纤，不利于安装。

（4）电磁感应取电

电磁感应取电优点取电不受自然环境影响，使用寿命长、性能可靠，无需维护。无需敷设线路，无需复杂的外围辅助设备，设备体积和重量可根据所需功率进行调整，成本低。只要输电线路有一定的负荷，即可源源不断地获取电能，对设备低功耗要求低，可以加大无线通信功率，大大增加通信距离，增强对环境电磁干扰的抵抗能力；可避免自组织网络路由协议的能量均衡限制，降低开发难度，有利用无线传感器网络的架设。

电磁感应取电缺点是一次侧电流过小或停电时无法给设备供能，存在供能死区，需要进行电源管理加以克服。一次侧电压等级高、电流变化大，甚至有冲击电流，需采取严格的保护和抗干扰措施，以保证设备的稳定性和可靠性。无法用于直流输电线路。

电源方案比较及选择

对比上述四种电源方案，它们各有优劣，目前并没有一种方案可以适应各种不同的应用，因此需要结合具体的应用环境对电源方案进行选择。

由于本文的温度在线监测系统需要保证不间断供电，保证输电线路在异常发热时及时向后台发出警报，因此受环境影响大的太阳能光伏供电方案并不适宜。考虑到在野外输电走廊敷设供电线路的成本高昂，和大量部署传感器时光纤布设不便，故不适合采用激光供电方案。使用电池供电虽然安装方便、供电可靠，但考虑到组建自组织网络后的能量消耗增加、电池使用寿命有限和难以更换电池等因素，故不采用电池供电方案。感应取电的突出优势在于成本低廉、供电可靠、免维护，非常有利于无线传感器网络的应用，因此本文选择这种方式进行供电。

3.传感器节点设计

本章通过铁芯最佳参数匹配方法提高了感应取电的效率，并按照传感器节点的工作特性设计了电压反馈式电源管理电路，组成了一套基于储电电容的无源感应取电电源，在无蓄电池情况下可于18A的母线电流环境中，正常进行20dBm功率的射频发射。另外，本章采用并改进了一种基于RC放电原理的比较法铂热电阻测温电路，由于其未使用放大电路和A/D转换电路等复杂电路，可在高压输电导线上可靠地进行接触式测温，其抗干扰能力、量程与精度都达到了预期效果。

传感器节点结构组成

在本文设计的高压输电线路导线温度在线监测系统中，传感器节点是温度采集的主体，大量分布于输电电线上，并组成了无线传感器网络。其每一个都是独立的嵌入式片上系统，拥有独立的感应取电装置、储能电容、电源管理电路、温度采集电路、射频模块电路和其他电路，与其他节点通过LoRa技术进行无线通信。其结构框图如图31所示：

图31传感器节点结构框图

3.1感应取电装置研究与设计

3.1.1装置模型及最优参数匹配方法

本文2.3.4小节已对电磁感应取电作了简要介绍，为了充分发挥其优势，下文为取电功率达到最大值作了理论分析和最优参数配置。

图32为感应取电装置的简化模型。为了便于分析计算，将其等效为一个理想的环形铁芯变压器，其原线圈为高压输电导线，令匝数为，副线圈为装置内的感应线圈，令其匝数为。令原、副线圈上的电动势分别为、，电流分别为、。

图32感应取电装置简化模型

由于理想变压器没有漏磁通，耦合系数为1，根据法拉第电磁感应定律可知：

(31)、

分别表示变压器两侧的电压降，由于一次侧相当于用电设备，与反向；二次侧相当于电源，与同向。故得出：

(32)

由上式可得：

(33)

式中负号表示变压器两侧电压降的相位相差。若仅考虑其电压有效值，由式(31)可得：

(34)

假设铁芯内的磁场均匀分布，其磁感应强度为、截面积为，则磁通可表示为：

(35)

由式(34)、式(35)可得：

(36)

若为理想变压器，取能功率可随负载功率达到任意值，但实际应用中受到铁芯特性限制，存在取能功率上限。根据文献所述的最优参数匹配方法，通过配置铁芯、线圈和次级绕组电压等参数，使铁芯工作在临界磁饱和状态时，即可使取能功率达到最大值，且此时充电电流不会产生脉动，铁芯没有因过饱和而发热。这种工作状态即在T/2时间内，铁芯磁感应强度恰好从负饱和增长到正饱和，其增长斜率为：

(37)

其中表示铁芯的饱和磁感应强度。

假设一次侧电流足够大，由于模型中二次侧存在稳压电路，故次级绕组输出电压的最大值可设为，此时也达到最大值。将式(37)代入式(36)可得：

(38)

上式经整理可知铁芯取能功率最大时次级绕组的值为：

(39)

本文取电装置中，输电导线作为一次侧，可认为为1匝，则原线圈电流幅值可设为，可求出一次侧平均功率为：

(310)

将式(38)代入上式，化简整理得：

(311)

峰值功率为：

(312)

由于理想变压器的输入输出功率相等，故认为此时二次侧也达到了峰值功率，即输出功率为。

需要注意的是，当一次侧电流不足，铁芯未达到饱和时，其磁感应强度受到磁场强度和铁芯相对磁导率为的影响：

(313)

此时可求出一次侧平均功率为：

(314)

整理得：

(315)

因此，若想让取电装置在一次侧电流较小的情况下能也获得较大功率，可以选用相对磁导率较高的铁芯材料。

装置铁芯及线圈参数计算

根据式(312)和式(315)可以看出，取电装置可达到的最大输出功率与输电导线电流成正比，与铁芯截面积成正比，与铁芯的饱和磁感应强度成正比，与交流电的周期成反比。其中可以人为控制的变量只有、和，若要降低取能设备死区电流，提高线路低负载时的取能效率，可选用相对磁导率较高的铁芯材料；若想获得更大功率，可选择高饱和磁感应强度的铁芯材料，并增大铁芯截面积。

至于线圈设计，可以控制的变量一般有匝数、材料和线径等。线圈匝数会影响取电效率和铁芯发热情况，最优二次侧匝数可由式(39)直接代入各参数计算得出。线圈所用的材料和线径会影响线圈内阻大小，进而影响取能电源对外输出的能力。宜选用低阻抗、粗线径的漆包线进行绕制，但出于线圈体积考虑，线径也不宜过粗，可按实际需要取舍。

本文传感器节点由于做了低功耗设计，静态功率较低，并且设计了电源管理电路，在射频发射时耗电由储能电路承担，因此对取能装置的铁芯和线圈要求并不高。出于成本控制和带电安装结构考虑，本文选用了一款高磁导率的公模铁芯，其磁导率为，饱和磁感应强度为，铁芯截面积为。文中稳压电路的电压为，令一次侧线圈通的正弦电流，由式(39)计算次级绕组最佳匝数匝；由式(311)计算得该匝数下平均取电功率为。

3.1.2基于储电电容的电压反馈式电源管理电路

常规的感应取电装置必须增加感应取电装置体积或者配备蓄电池的原因有两点：一是母线电流较小时，感应取电装置获得的电压上升十分缓慢，会导致单片机工作于电流消耗异常增大的状态，并将电压钳位在此；二是射频发射期间电流很大，20dBm功率发射电流实际可达120mA，小功率的取电装置在母线电流不大时无法提供这么大的电流。本节介绍的电源管理电路就为解决这两点问题而设计的，配合感应取电装置的最佳参数匹配方法，可在不增加感应取电装置体积和不配备蓄电池的情况下，使传感器节点的死区电流从50A下降至18A，极大地提升了传感器节点的电源性能。

整流滤波与储能电路

本小节所述的整流滤波与储能电路，是解决母线电流较小时射频发射期间电流不足的主要手段。

从感应取电装置获得的是交流电，并且一次侧负荷越大感应电动势越大，若铁芯进入磁饱和区还将产生尖峰畸变。因此，需要对感应电源进行整流和稳压，如图33所示：

图33整流滤波电路

其中，VD1为双向TVS管，其作用有两点：一是用于保护电路免受静电等瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压；二是配合线圈内阻进行分压，起到稳压管的作用。D1为单向稳压管，也可配合线圈内阻进行稳压，它的电压选择上要与VD1相等或更大，以防止D1上消耗的电流较大时整流桥发热。对比文献等提出的利用稳压管控制晶闸管的稳压方法，本文方法的优点是减小了整流桥上的负担，有利于输电线路负荷大时电路的稳定性和寿命。

D101~D104为组成整流桥的二极管，为了一次侧电流较小时减少电源在整流桥上的消耗，选用导通压降较小的1N5819。C101为104滤波电容，C102选用16V、15000uF的超大容量电解电容，用于提供无线模块发射瞬间电流。

由于传感器节点的感应取电装置功率很小，即使在输电线路高负荷运行时，装置所耗散的功耗也不大。如取一次侧电流为1000A，代入式(311)计算得平均取电功率为，其中未被后端电路消耗的多余功耗，主要耗散于TVS管、稳压管与线圈内阻。出于保留系统裕量的考虑，选用3W的TVS管与稳压管。电压选择10V是出于对后端稳压器件HT7333的耐压考虑，后文会有分析。因此本文选择的TVS管型号为SMAJ10CA，稳压管型号为BZG05C10。

3.2电压检测与反馈电路

主要由电压检测芯片VR1、VR2构成，当Vin引脚电压大于检测的门槛电压时，Vout输出高阻，经上拉电阻可输出高电平；Vin小于门槛电压时，Vout引脚在芯片内部接地，输出低电平。VR1输出用于控制开关电路开启；VR2输出作为电路自锁的反馈信号，用于保持开关电路开启状态。

3.2.1开关电路

主要由PMOS管Q1和NPN三极管Q2构成，当三极管基极流入电流时，可使PMOS管G极电平拉低，从而PMOS管导通，电源打开；若三极管基极无电流时，PMOS管为高阻状态，电源关闭。

3.2.2延时电路

主要由一个RC放电电路构成，根据一阶电路的零输入响应特性，为开关电路提供一个短暂的控制信号，用于延时关闭电源。加入此电路的原因是射频发射时会产生瞬间大电流，电源电压会被短暂拉低到关闭门槛以下，延时电路可以保证前端电源能供应到发射完毕。

图34输入输出电压关系图

电源的输入输出电压关系如图34所示，其工作状态可描述为：当输入电压大于4.4V时，VR1引脚Vout经上拉输出高电平，使RC电路充电，并控制开关电路打开电源，于是VR2也输出高电平；当输入电压回落至4.4V与3.0V之间时，VR1输出低电平，VR2输出高电平，故开关电路依然保持开启状态，即电源开启；当输入电压降至3.0V以下时，VR1、VR2都输出低电平，但由于延时电路作用，电源依然可以保持的短时间开启，随后关闭；若在时间内电压回升至3.0V以上，则电源不会关闭，后端电路也不会复位重启。从图中可以看出，后端电路不会工作在1.6V的异常耗电状态。

原理图中元器件作用与选型依据如下：

电压检测与反馈电路中，这里R2、R5选用大电阻上拉，以降低电流消耗；R1、R4为限流电阻，VD2、VD3为12V的TVS管，用于ESD保护；电压检测芯片分别选用HT7044和HT7030，即门槛电压分别为4.4V和3.0V（选择原因如前文所述），最大输入耐压达24V，检测电压有大约3%的回滞。

开关电路中，PMOS管Q1选用AO3401，，，，当时导通阻抗小于，并且随着电压绝对值的增加会进一步减小至以下，非常适用于电源开关器件；Q2选用常用的NPN三极管SS8050；R3为Q1的上拉电阻，保证其“常闭”状态，选择大阻值以降低功耗。

延时电路中，D3、D4是二极管1N5819，用于保证电容通过电阻放电，防止通过VR2、VR3放电；R6组成RC电路的同时，也作为Q2的限流电阻，选择；C3根据所需延时长短进行选择，本文选用。

为了提高目标传感器网络在输电线路死区电流附近时的工作稳定性，在此设计了法拉电容储能电路，将法拉电容作为后备辅助电源。电路主要由电压检测部分、开关部分、稳压及储能部分组成。当法拉电容储能电路的输入电压VO1+大于7V时，开关电路开启，经过稳压电路降压后对法拉电容充电；当输入电压VO1+小于5V时，法拉电容开始放电，使VO+和VO1+维持在5V，然后随着用电消耗缓慢下降。充电开启电压选择7V的原因是为了尽量使3.2.1中电解电容电压保持5V以上，有利于提高射频发射的稳定性。电路原理图如图35所示。

图35法拉电容储能电路原理图

主要包括由VR5组成的电压检测电路，和Q3、Q4组成的开关电路及VR4的线性稳压电路组成，开关电路与3.2.2小节介绍的基本相同，在此不复赘述。区别在于多了一个阻值50K的电阻R70，其作用是利用分压将开关电路的动作门槛从5V提高到7V左右。由于目前HT70系列的电压检测芯片最高检测电压仅5V，故采用此方案。VR4为LDO三端稳压元件HT7550，最大输入电压24V，输出电压5.0V，精度5%，最大输出电流100mA。C_FL1为1F容量法拉电容，D2为防倒灌二级管1N5819。

基于RC放电的比较法铂热电阻测温电路