郭 屾，王 鵬，張冀川，欒文鵬，于 杰，何志祝

高壓輸電系統(tǒng)電磁能量收集與存儲技術綜述

郭 屾1，王 鵬2，張冀川2，欒文鵬2，于 杰3，何志祝3

（1中國電力科學研究院，北京 100192；2中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；3中國農業(yè)大學，北京 100083）

穩(wěn)定、可靠的電源供給是高壓輸電系統(tǒng)在線監(jiān)測設備有效運行的關鍵。本文主要從能量收集與存儲方面綜述了輸電線在線監(jiān)控終端的電源供給技術現(xiàn)狀，重點評述了被測系統(tǒng)內部取電、外部取電及多種方式組合取電，以及基于電池和超級電容器儲能技術在高壓輸電系統(tǒng)在線監(jiān)測方面的應用，并梳理了這些技術方案的優(yōu)勢以及亟待解決的問題。在此基礎上，進一步探討了在線監(jiān)測系統(tǒng)供電方式的前景及未來的發(fā)展趨勢。

高壓輸電系統(tǒng)；能量收集技術；輸電線監(jiān)測裝置

高壓電纜被譽為電力系統(tǒng)的動脈，其運行狀態(tài)是否正常直接影響到電力系統(tǒng)的安全性。目前，國內外的研究焦點主要集中在如何對電力電纜運行狀態(tài)參數(shù)進行故障監(jiān)測與診斷，并取得了大量的研究成果。然而，針對在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題研究卻不夠充分，并且由于其特殊的工作環(huán)境，高壓側監(jiān)控終端的供電問題已經成為這一領域發(fā)展的瓶頸[1-3]。

首先，針對高壓側電子設備的安全性問題，需要采取電氣隔離措施，用于信號傳送的系統(tǒng)設備不能采用常規(guī)電源進行電氣連接；其次，針對監(jiān)控終端供電設備需要長期暴露在野外，并且?guī)缀鯚o電氣工程師定期維護的問題，需要采取一種受環(huán)境影響較小、免維護的供電方式；最后，隨著智能電網的快速發(fā)展，輸電線路的電壓等級也在不斷提高，輸電線監(jiān)測裝置不可避免的會受到高電壓、強磁場的影響，針對在線供電終端抗干擾的問題，提出了較高的要求。因此，進行電力電纜狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)供電終端的關鍵性技術研究，開發(fā)出野外環(huán)境適應性良好、并且維護安裝方便的供電技術，具有重要的應用價值。

本文針對目前國內外輸電線在線監(jiān)測裝置高壓側供能的實現(xiàn)方法進行了歸納，對各類供能方式存在的不足進行了總結，并在此基礎上對高壓側供電技術的發(fā)展趨勢進行了分析。

1 技術分類

目前，高壓輸配電線路在線檢測設備的取能電源主要有以下幾種方式[5-7]：輸電線感應取能、激光供能、太陽能供能以及蓄電池供能等，這4種是目前比較常見且應用得到廣泛認同的方法，但隨著科技的進步，人們對該領域研究的不斷深入，涌現(xiàn)了一些新的供能手段，如超聲波供能、微波輸能等，其中基于電磁感應方式取電是目前應用最廣泛的無線充電技術。本文按照輸電線在線監(jiān)控設備的取能來源，在文獻[8]的基礎上，對其分類進行了進一步的細化，結果如圖1所示。

圖1 技術分類框圖

2 從被測系統(tǒng)內部取能

2.1 感應供能式能量收集

按從母導體取能方式通常分為兩種方法[9]：一種是線路電流感應取能供電，另一種是電容分壓取能供電。

2.1.1 電流感應取能

由于高壓電線周圍存在交變磁場，若高壓輸電線路中的電流發(fā)生變化，母線周圍磁場也會發(fā)生變化，進而通過感應取能線圈產生感應電壓，感應電壓經過整流、濾波、穩(wěn)壓等取能電路進行變換處理，最終實現(xiàn)為供電設備在線供電。

圖2 電流感應取能原理圖

該種供能方式，由于解決了高壓側電子設備的絕緣隔離問題，并且體積小、成本低，因此使用范圍較廣泛。但是，一次側電流對其輸出電壓影響較大，而且輸電線中母線電流十分不穩(wěn)定，受氣象環(huán)境影響較大，如雷擊故障等，電流幅值在幾安與數(shù)十千安之間波動。

因此，目前電流感應取能供電方式主要面臨以下兩個問題：① 在母線小電流狀態(tài)下，如何保證電源的正常供應；② 在母線大電流或者短路故障大電流狀態(tài)時，如何給與電源相應的保護。

目前，研究進展主要體現(xiàn)在磁芯材料、保護及處理電路、功率控制等方面的改進[10]。王瑋等[11-12]設計的供電電源能夠根據母線電流大小自動調節(jié)線圈初、次級繞組的匝數(shù)比，使得在母線電流較大時能夠保證電源的穩(wěn)定性和較低的電路熱耗，同時在母線電流較小時保證系統(tǒng)具有較小的供電死區(qū)。趙強松等[13]基于能量收集的思想，設計了七級電荷泵電路實現(xiàn)能量收集和轉移。實驗結果表明電源樣機能夠在輸電線電流為1 A時為負載提供足夠能量。與二次繞組為1500匝的電流互感器供電電源相比，所設計的550匝供電電源更適用于輸電線電流小的情況。LI等[14]開發(fā)了一種高值的升頻轉換匹配電路以及適用于弱能量采集（小于700mm）的瞬時放電電路。瞬時放電電路能在很長一段時間內從T型傳感器中積累微弱的能量，并能在很短的時間內提供更高的功率輸出。多繞組高效轉換管理電路可以驅動輸出功率為60毫瓦，距離超過40 m的無線傳感器，可用于許多其它低頻能量采集無線傳感器驅動。張立洪等[15-19]通過充分分析電源各參數(shù)之間的關系以及影響磁飽和的因素，根據電磁感應原理設計了有效的電源結構，解決了高壓側有源電子裝置的電源問題。

2.1.2 電容分壓取能供電

該種取能方式所需的能量是通過電容分壓器從電力電纜周圍的電場中獲取的，利用該能量能夠驅動檢測系統(tǒng)完成在線取能工作。電路原理圖如圖3所示。高壓電容分壓器連接在高壓母線和地之間，從高壓母線獲得的能量通過整流濾波和穩(wěn)壓電路處理后輸出到高壓側電路。在工程使用方面，中式電容分壓器的使用頻率更高。

圖3 電容分壓取能原理圖

這種取電方式的原理與電流感應取電方式類似，一次側電壓通常比較穩(wěn)定，但一次側電流起伏變動劇烈。電容分壓取能供電的方式與線路電流感應取能供電相比，電容分壓式的電源輸出穩(wěn)定，但是在設計層面上，必須解決以下三個問題：① 取能電源和后續(xù)工作電路之間的有效隔離問題；② 其輸出特性對外界溫度、雜散電容等影響都極為敏感，因此存在著更多的誤差來源；③ 采用該方法得到的能量有限，無法為后續(xù)電路提供足夠的功率。

李衍川等[20]通過分析高壓電場能量收集原理，建立了靜電場耦合分布電容模型。為了克服負載變化對超級電容儲能的影響，采用同步電荷提取優(yōu)化技術進行能量管理，實驗表明，該方案能夠實現(xiàn)高壓側自供能，采樣間隔在4 min之內。武可等[21]提出了一種改進的高壓側線上供電方案，該方案通過絕緣性能優(yōu)良的高壓陶瓷電容進行在線取能，外加電路保護及電壓控制等回路，克服了現(xiàn)存高壓取能技術的種種弊端，很好地實現(xiàn)了高壓側在線取能功能。趙東生等[22-23]首先分析了電路模型和負載阻值對電容式電勢能采集器輸出功率的影響，并針對交流雙回500 kV干字型輸電桿塔的塔頭電場分布情況進行了數(shù)值仿真，獲得了電勢能采集器的最優(yōu)安裝位置。最后通過實驗測量到直徑40 cm，間距15 cm的電容式采集器在電場發(fā)生單元工頻電壓為50 kV時，24 s內獲得208 μW 的輸出功率，滿足無線傳感器的最小功率要求。另外，還提出了一種利用變壓器阻抗變換特性和平板電容邊緣效應在交流輸電線路桿塔側采集空間電場能的方法。ZHANG等[24]提出了一種小尺寸變壓器在高壓電力線上的升頻轉換振蕩電路，將工頻輸出信號轉換為高頻振蕩信 號。對于10 kV電力線，升頻轉換最大充電功率達到663 μW，最大效率比傳統(tǒng)的方法提高了3%～90.5%。

2.2 振動能量收集

目前國內外研發(fā)的振動能量收集裝置依據其工作原理主要分為3種形式：壓電式、電磁感應式和靜電式。

2.2.1 壓電式

壓電振動能量采集裝置的工作原理是基于壓電材料的正壓電效應，將機械振動能量轉化為電能。壓電材料在某個固定方向的外力作用下會產生形變，并產生內部電極化。與此同時，在兩個表面上便會產生電荷。該電荷是等量異號的，電荷的表面密度與外力的大小成正比。當外力被收回時，電荷恢復到無電荷狀態(tài)，當作用力的方向改變時，電荷的極性也發(fā)生變化，從而將機械振動能量轉化為電能。優(yōu)點是在環(huán)境適應性、集成化方面優(yōu)于其它形式的振動能量收集裝置。缺點是：①需要一次線路穿過電流互感器的鐵心，體積龐大、安裝不方便；②容易充電泄露，存在電容性、高輸出阻抗、存在非線性效應；③壓電材料通常韌性低，容易疲勞。

李衍川等[25]提出了一種壓電振動能量收集裝置，陶瓷壓電材料的一端固定一個磁鐵用于感應母線電流產生的磁場，磁鐵受磁場影響產生振動，帶動陶瓷壓電材料振動感應出交流電壓。實驗結果表明，該裝置能夠為無線傳感器間歇工作提供穩(wěn)定電源。MOGHE等[26]指出環(huán)境的振動頻譜特性也是影響壓電式振動能量收集裝置發(fā)電性能的關鍵影響因素，其它因素還有裝置本身的結構設計、能量收集電路及相關設計參數(shù)等。劉祥建等[27]首先利用軟件仿真的方式對感應磁場及壓電效應進行仿真，獲得壓電懸臂梁固定端中壓電片的最佳放置位置處，并實現(xiàn)了壓電轉換能量的管理，結果表明，充電電流最大達400 μA。原理圖如圖4所示。

圖4 電磁諧振供能原理圖

目前，隨著超磁致伸縮材料的研制，基于超磁致伸縮材料的振動能量收集的研究已經成為國際上的一個新熱點[28-29]。

2.2.2 電磁感應式

該種能量收集裝置是將外界隨機的機械振動轉化為永磁體或線圈回路的運動，利用兩者之間的相對運動，實現(xiàn)線圈回路內磁通量的變化，最終產生感應電動勢。優(yōu)點是感測頻率范圍廣、發(fā)電量大、制程與MEMS技術兼容性較好、不需要外部電源驅動，并且在各種惡劣環(huán)境中的適用性較好。缺點是：①磁鐵的性能較差，并且由于空間容量固定，線圈的匝數(shù)會受到限制，另外，電磁部件的振動速度受激振幅度的影響較大；②結構微型化帶來了輸出功率的下降和輸出功率與輸出電壓無法兼得等問題；③集成度不高、裝配精度較低。

目前，雖然電磁式振動能量采集裝置的某些固有缺陷并沒有得到有效的解決，但隨著科技及工藝水平的提高，各類科研機構對各種新型的電磁能量轉換裝置進行了大量研究，并取得了一系列的科研成果。宋博等[30]設計了一種平面彈簧式微型電磁振動能量采集器，該能量采集器主要包括靜線圈和由磁體、質量塊與平面彈簧構成的拾振系統(tǒng)。實驗結果表明，工作在諧振頻率 45.44 Hz 時，利用 Ansoft Maxwell軟件仿真分析得到最大輸出電壓為205 mV。PARK等[31]研究的電磁振動能量采集器，在54 Hz頻率，0.57 g加速度激勵下，183匝線圈的輸出電壓為68.2 mV，輸出功率為115.1 μＷ。HAN等[32-33]利用懸臂結構磁電復合材料，從傳輸線周圍的工頻 （50 Hz）磁場中收集能量，實驗結果表明，單、雙層能量采集器在10 A時分別能夠輸出0.62 mW和1.12 mW，40 A時功率輸出提高到4.11 mW和9.40 mW。

2.2.3 靜電式

靜電式，也稱為電容式，其振動能量收集裝置所采集的電能是通過靜電效應轉化機械振動能得到的。靜電式振動能量收集裝置在開始對輸電線監(jiān)測裝置供電前，需要一個外部引導電源，使該外部電源與可變電容之間能夠產生電壓差。當可變電容受到機械振動引起電容值發(fā)生變化時，機械振動能被被轉化為電能。

靜電式振動能量收集與電磁式振動能量收集相比，與微機電系統(tǒng)的集成性較好，適合在空間較小的場合應用，并且不需要智能材料，能夠在收集低頻振動環(huán)境中產生較大的輸出功率。靜電式振動能量收集裝置雖然精度較髙，但是缺點有：①由于器件穩(wěn)定性較差，導致系統(tǒng)結構復雜并且設計與制造困難；②為了保證引導電源與可變電容之間具有初始電位差，該裝置工作前需要將啟動電壓加到電容極板上，因此，操作步驟繁瑣。并且靜電式振動能量收集裝置產生的是高電壓、低電流和高輸出阻抗。

綜上所述，靜電式振動能量收集在工程應用中具有較大的難度[34]。

TRICHES等[34]提出一種靜電式能量收集裝置，利用 MEMS工藝，用硅聚合物作為駐極板，結果表明，該結構在加速度為 0.014 g、振動頻率為75 Hz的振動環(huán)境中，可以產生1.17 μW的功率，其輸出阻抗有20.3 M?，具有良好的共振效果。

3 從被測系統(tǒng)外部取能

3.1 無線能量傳輸方式

3.1.1 電磁感應方式

電磁感應式的無線能量傳輸?shù)囊罁欠ɡ陔姶鸥袘?，發(fā)射線圈通過電磁感應在空氣中產生磁場，接受線圈在磁場中感應產生電動勢而產生電能, 其工作原理為圖5所示。為了確保系統(tǒng)能傳遞更多的能量，其關鍵在于如何使得接收線圈與發(fā)射線圈磁路耦合系數(shù)最大化，這就要求在系統(tǒng)設計的時候著重考慮發(fā)射與接受天線的參數(shù)、形狀與安裝位置等因素。

圖5 電磁感應原理圖

該能量傳輸方式的優(yōu)點是能夠支持較大的傳輸功率，且在技術方面比較成熟。缺點是：①能量的傳輸效率相對較低，研究表明，雖然當系統(tǒng)工作在幾毫米的范圍內時，能量傳輸效率可以達到90%甚至更高，但是由于空氣磁阻較大的緣故，傳輸效率會隨著傳輸距離的增加迅速下降，而過短的距離又無法保證裝置的高低壓絕緣；②當發(fā)射線圈與接受線圈存在偏差時，那么電力的傳輸效率會明顯地受到影響；③通常系統(tǒng)送電功率的大小與線圈的尺寸密切相關，若需要進行大功率的電力傳輸時，需額外增加電力設備的成本投入；④為了提高電力的傳輸效率，在進行能量傳輸時一般會采用較高的發(fā)射頻率，高發(fā)射頻率會伴隨高頻輻射，容易對人體健康造成危害。

此外，還有一種基于電場的容性電能傳輸方式，原理如圖6所示。該技術的優(yōu)點在于對金屬材料具有很強的穿透性，尤其在金屬較多的場合進行能量傳輸時具有一定的優(yōu)勢。在缺點方面，該方法基于電容之間的感應原理進行能量傳輸，因此這對于電容內部金屬極板之間的距離設計和保持有著極高的要求，即使是微小的位移也會引起整個電力傳輸系統(tǒng)參數(shù)的變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較差，使得電能在傳輸過程中可能出現(xiàn)波動甚至傳輸中斷。

基于電磁感應的無線能量傳輸?shù)睦砟钭钤缡窃?0世紀90年代由奧克蘭大學的BOYS等[36-37]提出的，該研究團隊對非接觸式的電磁感應能量傳輸?shù)幕纠碚摵驮碜隽松钊氲难芯?，此后隨著科技的發(fā)展，此技術己經比較成熟，現(xiàn)在己經有大量的成熟產品。這些產品和相關研究涵蓋了電動車、手機電池、無線供電等各個領域。

ZHUANG等[38-40]介紹了一種新型高壓監(jiān)測設備的工作電源，用高頻磁芯線圈作為電能的發(fā)送端和接收端，利用一種絕緣磁性材料為高頻磁場提供傳輸通路，通過高頻電源發(fā)送電能，實現(xiàn)從低壓側向高壓側供能，并且具有較高的電能傳輸效率、較好的電磁兼容性、絕緣性能。為了降低傳輸損耗，提高電力傳輸效率，唐磊等[41]對傳統(tǒng)的取能線圈進行了改進，引入了補償線圈，在此基礎上提出了一種新的高壓側電磁感應取能通信電源設計方案。其兩鐵心材料初始磁導率不同，兩線圈反向串接以實現(xiàn)在大電流狀態(tài)下電動勢反向補償。實驗結果表明，在電流寬范圍變化下能夠長期低熱耗、穩(wěn)定運行。TASHIRO等[42]基于電磁感應原理設計一款能夠收集輸電線周圍磁場能量的裝置，深入分析和研究了輸電線負載功率、磁芯界面、距離等因素與能量產生之間的關系。實驗結果表明，該裝置的平均能量收集效率約為86%，當輸電線功率在2200 W時，該裝置大約能收集25 MW的能量?？紤]到弱低頻磁場噪聲的影響，該團隊基于電磁感應原理設計了能量收集模塊以及磁噪聲能量采集的陣列模塊。結果表明，60 Hz的磁場下能夠收集6.32 MW，如果可用磁通密度增加10倍，則收集能量增加了100倍，并且針對陣列模塊距離的影響進行了分析。此外，為提高輸出電壓，該團隊在此基礎上又設計了一種由能量采集模塊和功率調節(jié)模塊組成的工頻電磁能量收集裝置，實驗結果表明，該裝置可以提供5 V的輸出電壓。為了解決線圈匹配和繞組定位的問題，KIM等[45]提出了一種SPS串聯(lián)補償電磁耦合的拓撲結構，并在2 kW輸電線和空氣間隙為15 cm的線圈進行了實驗驗證。電磁感應能量傳輸技術也被廣泛得電動汽車無線充電領域，SALLAN等[46]對電動汽車無線充電系統(tǒng)中的電磁感應耦合器一次側和二次側匝數(shù)，截面尺寸以及耦合頻率的參數(shù)進行了設計，并提出了優(yōu)化方案。為了解決一次側和二次側因為中心位移所產生的電力傳輸效率下降的問題，VILLA等[47]又在此基礎上提出了一種電路補償方案。實驗表明該方法在輸電功率為2 kW，一次側和二次側之間的間距為15 cm時，能有效地解決上述問題

圖6 基于電場的容性電能傳輸方式

3.1.2 磁耦合諧振式

目前，很多研究人員將磁共振技術和磁耦合相結合，提出了磁耦合諧振式能量傳輸方法。高鍵鑫等[48]中指出在磁耦合中，通常耦合系數(shù)極低，但是在磁共振技術中品質因數(shù)卻很高，可以對磁耦合系數(shù)進行補充，這與磁耦合在原理上是一致的，故將采用磁共振技術的非接觸電能傳輸方式歸并為磁耦合諧振式傳輸方式。

圖7 耦合磁共振能量傳輸原理圖

當兩個諧振體的諧振頻率相同，且兩者之間的間距保持在一定的距離，那么兩個諧振體就會因電磁耦合產生諧振現(xiàn)象，能量會以磁場或者電場作為媒介進行無線傳輸，其原理圖如圖7所示。在能量發(fā)射端，50 Hz的交流電通過整流濾波模塊轉化成交流電，并采用高頻逆變模塊將直流電再轉化成為高頻交流電。在能量接收端，高頻交流電經過電磁感應產生電動勢，由伏辯補償和整流濾波轉化為直流電，為了獲得適合負載使用的直流電，通常使用功率調節(jié)器對獲得的直流電進行調節(jié)。

為了解決能量發(fā)射端和接收端的感應耦合器因為電磁耦合程度低，漏感大所導致的電力傳輸效率低的問題，需在系統(tǒng)中增加補償模塊對功率因數(shù)進行調，并采用LC諧振的方式確保補償模塊與電磁耦合器形成諧振。這也是與電磁感應充電方式的不同之處。

耦合磁共振能量傳輸?shù)膬?yōu)點在于：支持長距離的電力傳輸，最遠可以對幾米遠的負載進行供電，同時兼顧了較高的傳遞效率和較大的傳遞功率。由于系統(tǒng)采用了磁耦合諧振技術，不會產生高頻輻射，對人體不產生危害。同時該能量傳輸方式當傳輸時遇到非金屬障礙物時不會產生能量損耗，且在能量傳輸方向上不受限制。

目前，耦合磁共振能量傳輸已經廣泛地應用于人們日常的生活，隨著技術的發(fā)展和逐步成熟，該技術在軍事、醫(yī)學、航空航天等領域也取得了一系列的成果，是近幾年無線傳輸領域的研究熱點。陳志勇[49]將磁耦合能量傳輸技術用來給電子式電流互感高壓側的電路進行供電，為了實現(xiàn)發(fā)射和接受線圈的同時諧振，實現(xiàn)能量傳輸，發(fā)射部分采用采用CPLD產生方波觸發(fā)脈沖驅動全橋逆變電路，產生高頻激勵。實驗結果表明，接收電壓為12 V，功率為5 W左右，傳輸距離為0.5 m。WANG等[50-51]提出了一種新型高壓側在線監(jiān)測工作電源的解決方案：在系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端采用了高頻磁芯線圈，并使用了一種劇院磁性材料作為高頻磁場的傳輸介質，將電能由系統(tǒng)的電壓側傳遞到高壓側，完成電能的傳輸。能夠保證一定的傳輸效率的同時，有效解決檢測中的電磁兼容問題。WANG等[52]提出了一種全新的非線性諧振的電磁能量收集器，從理論和實驗兩方面論證了在功率密度和帶寬增大的情況下，能夠從傳輸線周圍的工頻（50 Hz或60 Hz）磁場中收集能量，并對磁場的頻率起伏具有很強的魯棒性。ZHAO等[53]提出了一種從電力線靜電雜散場中采集能量來驅動無線傳感器節(jié)點的解決方案，并設計了電源模塊和能源管理單元，現(xiàn)場試驗表明，該能量采集器可采集足夠的能量，功率達到16 MW。

針對耦合器耦合系數(shù)偏低問題，JOLANI等[54]對耦合器的結構進行了改進，提出了一種陣列式耦合結構，并將該結構與尺寸相同的單線圈耦合器進行了性能分析與對比，實驗結果表明陣列式耦合器能有效地提高電力傳輸效率。為了增大電能發(fā)射模塊中陣列耦合器的耦合系數(shù)，OODACHI等[55]提出了在異相激勵模式下的解決方案。RAMRAKHYANI等[56]討論了多中繼線圈與耦合器中距離電力傳輸?shù)男屎凸β实年P系，并研究了單耦合器與多耦合結構對系統(tǒng)整理性能的影響，研究表明通過增加中繼線圈的數(shù)量可以有效地提高耦合的效率。

3.1.3 微波輸能傳輸

電磁發(fā)生器將電能轉化為電磁波，通過天線在空氣中進行定向傳播，當接收端的天線接受帶電磁波后，在通過電磁轉化模塊將電磁波轉化為電能。研究表明當電能的傳輸以微波為載體時，電能在傳輸過程中能量損失小，效率高，且能實現(xiàn)長距離的傳輸。其基本原理如圖8所示。

圖8 微波輸能原理圖

基于微波的能量傳輸現(xiàn)在主要面臨以下問 題[57-58]：①為了保障能量的傳遞效率，系統(tǒng)通常需要配備大功率的微波源，同時在能量傳輸時對定向天線的性能就有較高的要求；②微波方式可能會對檢測設備或者被檢測設備的正常運行造成干擾，更嚴重的會產生強烈的電磁輻射，影響人的正常生理機能[59]；③如何實現(xiàn)整流天線多模式、多功能工作，并解決整流天線在多模式和多功能工作下調諧困難等問題，仍然是一個難題[60-62]。

若能有效的解決上述問題，基于微波的無線能量傳輸必將有長足的發(fā)展。目前，這種方式主要應用于一些鋪設有線線路比較困難的特殊場合，主要應用于航空航天[63]、軍事等領域，可見投入電力電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)等其它領域也只是時間問題。

SIMIC等[64]使用微波能量傳輸對工作中的無人機進行充電，利用電壓240 V、電流10 A、頻率50 Hz的發(fā)射機得到10 V左右的感應電壓。李玉紅等[65]對微波無線供電系統(tǒng)的組成、結構、傳輸效率等關鍵問題進行了詳細的分析研究，在此基礎上設計了一種工作在 C 波段的微波無線供電系統(tǒng)，用一個100 Ω的電阻進行測試，最終接收到0.229 V電壓，驗證了該方案的可行性。ZHOU等[66]研究了微波功率傳輸系統(tǒng)發(fā)射天線的孔徑優(yōu)化方法，以獲得低成本下的最大DC-DC效率。數(shù)值計算結果表明，在一定條件下，準菱形（QR）和準圓（QC）模型比相同單元數(shù)的平方（SQ）模型具有更高的光束收集效率。盧萍等[67]針對非衍射貝塞爾天線和 Hankel聚焦特性及 Hankel 聚焦天線這一新興課題，研究和設計了一種雙頻率整流天線，詳細分析了整流天線在多頻率工作時的調諧機理，研究了頻率可重構技術與整流天線匹配之間的關系，通過分析非衍射發(fā)射天線和接收天線在近場中的相互耦合關系，提出了近場微波輸能的等效電路。通過采用阻抗共軛匹配和模式匹配法，獲得了發(fā)射天線和接收天線在非衍射近場范圍內的最佳傳輸效率。

3.2 激光供能式能量收集

根據傳輸介質不同，激光供電可分為兩種：空氣和光纖。以空氣為傳輸介質受環(huán)境影響較大，且容易對生物造成燒傷甚至危及生命。以光纖為介質的傳輸簡單的可以理解為在低電位的光源側采用激光供電，經傳輸介質的傳導高電位側接收到低電位側的能量，高電位側接收到的能量經過光電池等轉換器件的作用將光源發(fā)出的能量轉化成電能量，最后穩(wěn)定電源的輸出僅需經過穩(wěn)壓處理即可。當在溫度條件一定時，采用激光二極管便可保證穩(wěn)定的輸出光的功率，其原理圖如圖9所示。

現(xiàn)在，這種電力供應方式在有源光電電流互感器領域的研究和應用上受到廣泛重視。這種方式有以下優(yōu)點：①使用光纖進行傳輸能量，完全實現(xiàn)隔離高、低壓，絕緣性能良好；②在一定溫度條件下電源的穩(wěn)定性較好，紋波小，噪聲低，受附近電磁場的干擾較小。主要缺點有：①激光光源的輸出功率和發(fā)光波長易受環(huán)境溫度的影響，為保證光源功率的穩(wěn)定輸出，需要采取一定的溫度補償措施；②光電轉換效率低和DC-DC 變換損耗會降低傳輸功率，需要對高壓側電路進行低功耗設計，增加電路設計的難度；③采用大功率激光發(fā)生器作為低壓側激光光源，以保證較大能量穩(wěn)定傳送，提高成本；④在大電流驅動狀態(tài)下長時間工作的激光二極管易發(fā)生退化現(xiàn)象，縮短工作壽命。這些缺點都是長期阻礙該供電方式廣泛應用于現(xiàn)場的關鍵因素。

圖9 激光供能式原理圖

王旭東等[68]以“光纖傳能”為核心，并且結合激光器和光電池的工作性能參數(shù)，基于一種改進的波分復用技術，完成了光纖供電系統(tǒng)的外圍工作電路的設計，實現(xiàn)了能量與信息的并行傳輸，完成了晉煤集團架空輸電線路在線監(jiān)測裝置供電要求的光纖供電系統(tǒng)。MATSUURA等[69-70]利用光纖耦合輸出型激光器，該激光器將輸出的激光通過光纖傳輸至目的地，通過光電池將其轉換為電能，實驗結果表明，該方式具有良好供能的效果。

3.3 太陽能供能式能量收集

太陽能供能和蓄電池供能的發(fā)展時間最長，技術也相對最為成熟，在實際生活中的應用案例也較多。太陽能供電通常和蓄電池組合為高壓側裝置供電，利用光伏發(fā)電效應，太陽能電池板將光能轉化為電能，可直接用于供電，或為蓄電池充電。原理圖如圖10所示。

目前，清潔能源太陽能由于擁有較好的經濟性、環(huán)保性，并且性價比較高，因此在實際生活中大量應用，主要適合室外、光照充足的地區(qū)。有以下缺點：①太陽能供能式能量收集極易受到如光強、溫度、季節(jié)變化等氣候條件以及周圍環(huán)境狀況的影響，而且在陰天、下雨或夜晚只能由蓄電池供電，由于受到蓄電池自身容量以及使用壽命的限制，極易造成在線監(jiān)測裝置斷電現(xiàn)象，其很大程度上限制了該方式的適用范圍；②太陽能供能式轉換效率較低也是影響其應用的一個重要因素。

圖10 太陽能供能式

3.4 蓄電池供能式能量收集

蓄電池供能式目前應用廣泛，技術成熟度最高，但是該方式受電池容量及性能的影響較大，由于輸電線在線監(jiān)測裝置的應用場景為野外環(huán)境居多，頻繁更換高壓側電池很不方便，一般被用作測量點數(shù)少、電路微功耗、測量裝置可長時間處于休眠狀態(tài)的場合或用作輔助式電源。目前，可以采取兩種方法延長電池的使用周期：①使用大容量蓄電池，并采取有效的電池管理措施，以延長電池循環(huán)使用壽命；②對在線監(jiān)測裝置的電氣系統(tǒng)進行微功耗電路設計，從而進一步節(jié)省電能。

3.5 超聲波供能

該供能方式由兩部分組成：石英傳感器、玻璃纖維棒。電能是利用超聲波振蕩器驅動石英傳感器產生的，通過玻璃纖維棒連接的電力電子線路將產生的電能傳輸?shù)胶罄m(xù)負載設備。

目前，國外將這種供能方式廣泛應用于微型機器人等領域。但是，該種供能方式還存在大量的不足[71]：首先超聲波設備的費用較高，不易廣泛推廣使用；而且該方式的電能轉換效率較低，不易滿足工程實際需求，因此該方法尚未進行實用化。

4 多種供能方式組合

多種供能方式組合可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢，但是同時也會引入各種各樣的缺點，以激光供能方式為例，現(xiàn)在技術相對不夠成熟，而且設備成本偏高，戶外環(huán)境對蓄電池的性能有較大影響，容易導致電池使用壽命縮減，頻繁更換電池十分麻煩。

研究與實踐表明，以電流感應取電為主，同時與蓄電池供能、激光供能以及太陽能供能等方式相結合，能較好地發(fā)揮系統(tǒng)的整體性能。當母線電流在正常范圍時，此時通過電流感應進行取電，為負載供電；當母線電力較小或者電流中斷時，則由其它的供電方式進行替代補充。母線電流變化范圍大是電流感應取電最大的挑戰(zhàn)，采用組合供電的方式能較好地改善這類問題，但是仍然會存在以下的問題。①磁飽和問題：磁芯的飽和特性是影響傳統(tǒng)感應供能的關鍵因素之一，若線路母線電流較大，進入飽和狀態(tài)后的磁芯會影響副邊電壓增長，若長期處于深度飽和狀態(tài)，致使磁損耗過多，進而磁芯發(fā)熱過多，容易燒壞磁芯及線圈；②電路復雜：為了能夠滿足供電功率需求，電流、電壓檢測電路、控制電路及電源切換電路通常比較復雜，致使電路設計工藝的難度提高。

許鵬等[72]提出了利用直接從母線取能為主,蓄電池供電為輔的電源設計方案，并完成了對電源電路的設計。采用仿真軟件仿真與實驗的方式對電源電路進行了驗證，結果表明，設計的電源可以比較好的滿足導線溫度監(jiān)測裝置對電源的要求，達到預期的目的。畢亭亭等[73]將感應取能供電與蓄電池供電相結合，結合電機學、電磁學等基礎學科理論，研究了輸出電壓與一次電流、磁芯磁導率、磁芯尺寸等性能參數(shù)之間的關聯(lián)信息。并對取能磁芯進行建模分析，確定了磁芯尺寸和二次側匝數(shù)。實驗結果表明：該在線取能裝置能夠在3～1000 A電流范圍穩(wěn)定供能，供能效果明顯，并且供電死區(qū)較小。WANG等[74]提出了感應能量采集與無線電力傳輸?shù)幕旌蠠o線供電系統(tǒng)，將高壓輸電線絕緣距離和無線供電效率進行重點考慮分析，結果表明，在閾值約束條件下，提高抽運能量的主要參數(shù)包括：大芯內半徑、芯徑向厚度、芯高和小芯隙。另外，當其它參數(shù)保持不變時，優(yōu)化二次線圈匝數(shù)可以最大限度地提取能量。然后，引用簡單靈活的控制策略來限制電流變化引起的功率波動。最后通過實驗驗證了優(yōu)化方法的有效性。王維等[75]提出了一種將實時感應取能技術與中遠程無線電能傳輸技術相結合的新型在線監(jiān)測設備供電模式，總體上分為高壓輸電線路感應取能裝置與磁耦合諧振式無線傳能系統(tǒng)兩部分，并對關鍵參數(shù)與傳輸性能間的影響關系進行詳細建模分析，實驗結果35 kV、110 kV高壓輸電線路在線監(jiān)測設備的供電需求。

此外，YANG等[76]提出了一種新的磁、熱電、振動能量采集系統(tǒng)，目的是解決無線傳感器網絡部署的基于狀態(tài)的監(jiān)測電氣設備的用電，通過模擬研究和實驗室實驗研究了三種模式的能量轉換特性，并利用超低功耗電路來調節(jié)和整合前端收割機的單個輸出，建立了混合能源管理系統(tǒng)。

綜上所述，3種不同類型的電磁能量收集技術的優(yōu)缺點及其各自的應用范圍與場合，具體如表1 所示。

表1 三類電磁能量收集技術方式對比

5 存儲技術

為了實現(xiàn)高壓輸電系統(tǒng)監(jiān)控設備的在線供能，能量收集完成后，通常需要給蓄電池或者超級電容器充電，將電能進行存儲，由電池或超級電容器進行間接供電。

5.1 電池存儲技術

目前，常用的儲能電池主要有：鉛酸蓄電池、鎳電池和鋰電池。鉛酸電池的陽極為二氧化鉛，陰極為海綿狀鉛，電解質為硫酸溶液。鉛酸電池的制造工藝成熟、價格低廉，并且通用性強，但體積比能量、重量比能量偏低，單體電壓較低。鎳電池的正極為活性物質氫氧化鎳，目前鎳鎘電池與鎳氫電池的技術較成熟，鎳鎘電池使用壽命較長，可深度放電，但電極中的鎘有劇毒，環(huán)境友好性較差。相比鎳鎘電池，鎳氫電池更環(huán)保，并且鎳氫電池由于功率容量較大，能夠滿足高功率要求，因此在混合動力電動汽車中應用廣泛。相比于前二者，鋰電池用于高壓輸電系統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置中具有明顯的優(yōu)勢。鋰電池的端電壓一般比前兩者高3倍，單體電池端電壓為3.6～3.7 V，充放電次數(shù)可高達500～1000次，并且沒有記憶效應，自放電率較低。鋰電池主要構成材料包括正負極材料、電解液、隔離材料等，正極材料有鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰三元材料以及磷酸鐵鋰等，負極材料是由含碳化合物，包括焦炭、石墨和中間相炭微球，其中石墨基炭應用較為廣泛[77]。鋰電池充放電過程即鋰離子在正負極間不斷嵌入和脫嵌的過程，同時伴隨著等當量電子的嵌入和脫嵌。

表2 SOC估計方法優(yōu)缺點

表3 RUL預測方法優(yōu)缺點

隨著在線監(jiān)測裝置中電池使用時間的延長，電池正負極材料的活性會發(fā)生鈍化，甚至發(fā)生極化現(xiàn)象，降低了可移動鋰離子的數(shù)目，并且電解液也會因長時間的充放電而發(fā)生變質或流失，導致電池內阻不斷增大，因此為了保障電池使用安全、提高電池使用效率、延長電池使用壽命，需要準確、可靠的估算電池荷電狀態(tài)SOC，預測電池循環(huán)使用壽命RUL。目前SOC狀態(tài)估計算法比較成熟，估算誤差不超過5%。針對RUL的預測精度，為了提高預測結果的可信度，需要進一步優(yōu)化算法并將預測結果進行更詳細的量化和評估[78]。SOC狀態(tài)估計[79-81]、RUL預測算法[82-85]的優(yōu)缺點分別如表2、表3所示。

此外，高壓輸電系統(tǒng)在線監(jiān)測裝置通常工作環(huán)境惡劣，經常處在嚴寒或者炎熱的環(huán)境溫度下，溫度過高或過低都會對鋰電池壽命造成影響。當溫度過高時，電池負極SEI膜會變厚，增大了鋰電池內阻，增加了焦耳熱，從而使溫度升高；低溫情況下，電解液變黏稠甚至凝結，限制了導電的鋰鹽的活動，從而會導致低溫下出現(xiàn)充電慢或充不滿的情況，放電時電池反應速率迅速下降，降低其充放電效率和容量。因此，為了滿足儲能電池在寬溫度范圍內的使用需求，高效、節(jié)能的熱管理技術是至關重要的。目前，高溫下在線監(jiān)測裝置的熱管理策略主要采用空氣冷卻方式，低溫下的熱管理控制可分為內部加熱控制和外部加熱控制，前者利用脈沖電流致使內阻生熱提升電池溫度，后者則采用外部電加熱介質對儲能電池進行預加熱。

YE等[86]采用微熱管陣列，以冷卻和加熱電池模塊。結果表明，當電池溫度低于0 ℃時，充電容量明顯增加，這為提高電池模塊在高溫和低溫下連續(xù)充放電循環(huán)的穩(wěn)定性和安全性提供了新的途徑。LEI等[87]在低溫環(huán)境下，用瞬態(tài)加熱三維有限元模型研究了自加熱鋰離子電池結構，在相同條件下，采用自加熱法加熱的鋰離子電池組的溫度比寬線金屬膜加熱法加熱的溫度高三倍，但自加熱法加熱的鋰離子電池組的溫度均勻性較差，可以通過降低鋰電池的加熱功率和厚度，提高加熱的鋰電池溫度均勻性。但利用寬線金屬膜加熱法加熱的鋰電池溫度均勻性也可以通過降低加熱功率、鋰離子電池的厚度等方法解決。LEI等[88]還建立了一個三維加熱有限元模型，對利用自加熱法加熱的鋰電池溫度梯度進行了詳細的分析，提出了間歇式自加熱法。通過模擬分析和比較，通過0.1 s加熱和0.3 s停止加熱，溫差從10～11 K降低到2～3 K。

5.2 超級電容器儲能技術

超級電容器通常包含雙電極、電解質、集流體、隔離物4個部件。常用的電極材料有碳基材料電極、導電聚合物電極和金屬氧化物電極。按其儲能原理主要分為兩類：雙電層電容器和法拉第贗電容器。雙電層電容器的充放電過程是通過雙電層機理完成電荷的存儲和釋放。法拉第贗電容器的儲能方式主要有兩種：一種是利用雙電層上的存儲實現(xiàn)電荷的儲存；另一種是利用電解液中離子在電極活性物質中發(fā)生的氧化還原反應實現(xiàn)電荷的儲存。

與電池相比，超級電容器的充放電循環(huán)壽命在100000次以上，能在-40～70 ℃的環(huán)境溫度中正常使用，并且充電迅速、免維護。但超級電容器的電參數(shù)模型精度不高所引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性問題，以及一致性檢測困難，尤其是電極活性材料導致的能量密度較低等問題成為制約其發(fā)展的難點 所在。

目前，可以通過提高正、負極材料的比容量或者提高正、負極材料之間的工作電壓來解決能量密度過低的問題。LI等[89]設計的用于高速長壽命透明面內微超級電容器的納米結構AgNWS-MoS2電極材料包層，具有高的速率穩(wěn)定性（在0.2 V/s和3 V/s的高接收率下，比面電容分別為27.6 mF/cm2和16.9 mF/cm2），循環(huán)使用壽命長（充放電次數(shù)為10000時容量剩余96.4%），彎曲穩(wěn)定性（在8 V/s的高速率下，以180°彎曲100次，損失率只有1.4%）。FLEISCHMANN等[90]通過對非對稱混合超級電容器電池的研究認為，可以在較高的電位窗口中操作活性炭電極，使用更高的電池電壓和較少的碳電極塊來提高能量密度。該原型電池的比能量為100 W·h/kg，比功率為2 kW/kg，充放電次數(shù)超過1500次時仍然具有較高的穩(wěn)定性。CHEN等[91]采用一鍋法制備了氮、硫共摻雜石墨烯氣凝膠（NS-GA）。所制備的材料在離子液體（1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽）電解液中作為超級電容器電極進行研究。用X射線衍射、X射線光電子能譜和拉曼光譜對NS-GA進行了表征。結果表明，NS-GA具有分級多孔結構。用循環(huán)伏安法和恒流充放電法研究了其電化學性能。值得注意的是，基于NS-GA-5的超級電容器在功率密度為0.94 kW/kg時具有最大能量密度，為100.7 W·h/kg。電極材料在電流密度為1 A/g時，提供了203.2 F/g的大比容，3000次循環(huán)后的NS-GA-5的電容保持率為90%，掃描速率為2 A/g。

6 結 語

本文綜述了高壓輸電系統(tǒng)電磁能量收集與存儲技術的研究現(xiàn)狀、技術優(yōu)勢與不足，分析了各類電磁能量收集及存儲系統(tǒng)的基本結構及工作原理，在此基礎上闡述了目前國內外的主要研究方向和熱點問題。

（1）從被測系統(tǒng)內部取電的供能方式中，從成本、長期穩(wěn)定性、適用性等多方面考慮，感應取電供能是實用性較好的供能方式，如能在關鍵問題上加以研究改進，一定會有很大的發(fā)展前景。對于振動能量收集供能方式，壓電式振動能量采集器使用壽命長，無需頻繁更換，已成為業(yè)界研究的熱點。

（2）從被測系統(tǒng)外部取電的供電方式中，蓄電池供電、太陽能供電等方式在目前應用最為廣泛，但其缺點也比較突出。無線能量傳輸供能方式，例如：磁耦合諧振式、微波輸能等，雖然取得了引人關注的成果，但是就總體水平來看還處于研究起步階段，如系統(tǒng)整體效率有待提高，在能量傳輸過程中線圈的發(fā)熱問題以及對電子設備電磁干擾等問題制約著此種能量傳輸方式的發(fā)展。但在此基礎上發(fā)展和改進而來的無線能量傳輸系統(tǒng)具有廣泛的應用前景。

（3）以電流互感器供電為主，電池供電、激光供電等方式為輔的聯(lián)合供電可以優(yōu)勢互補，增強供電的可靠性和穩(wěn)定性，這種供能方式也是一個重要的研究方向。

（4）鋰電池與超級電容器是目前常用的儲能設備，鋰電池由于能量密度大，平均輸出電壓高，自放電小等優(yōu)點成為目前常用的儲能設備，但鋰電池的突出缺點是受環(huán)境溫度、過充及過放等因素的影響較大。超級電容器的突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，但能量密度低，并且超級電容作為電源用時，還需要輔助電路，因此目前技術成熟度和成本處于劣勢。

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An overview of electromagnetic energy collection and storage technologies for a high voltage transmission system

GUO Shen1, WANG Peng2, ZHANG Jichuan2, LUAN Wenpeng2, YU Jie3, HE Zhizhu3

(1China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2China Electric Power Research Institute Co. Ltd., Beijing 100192, China;3China Agriculture University, Beijing 100083, China)

Reliable and stable power supply is a key to an effective operation of on-line monitoring equipment of a high voltage (HV) transmission system. This paper reviews power supply technologies commonly used for on-line monitoring terminal of transmission lines with a focus on energy collection and storage. Energy collection technologies include mainly the taking of electricity from the measured system, the taking of electricity from the outside of the measured system, and combining electricity using multiple ways. The energy storage technologies include electrochemical based battery technologies and supercapacitor based storage technologies. The advantages of these technologies and the problems that remain to be resolved are summarized. Based on the above, we discussed future development trends of power supply modes of on-line monitoring systems.

high voltage transmission system; energy harvesting technology; transmission line monitoring device

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0125

TM 619

A

2095-4239（2019）01-032-15

2018-07-22；

2018-09-12。

國家電網公司總部科技項目（SGHE0000KXJS1700184）。

郭屾（1984—）男，博士，研究方向為配用電數(shù)據分析應用、配電物聯(lián)網、線路能量收集等，E-mail：guoshen@epri.sgcc.com.cn；

何志祝，研究方向為柔性傳感技術研究與應用，E-mail：zzhe@cau.edu.cn。