詹金特 盧文華

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

【關(guān)鍵詞】在線監(jiān)測(cè)設(shè)備;供電電源;鋰電池;超級(jí)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(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的安全和效益[1]，對(duì)輸配電線路的監(jiān)測(cè)越來(lái)越智能化，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備是其重要組成部分，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。保證在線監(jiān)測(cè)設(shè)備能長(zhǎng)期正常運(yùn)行具有重要意義。

目前，在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的供能方式主要有傳統(tǒng)的鋰電池供能、太陽(yáng)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(guó)內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

在采用CT進(jìn)行取能時(shí)，當(dāng)線路電流較小時(shí)，無(wú)法感應(yīng)出足夠的電壓，將會(huì)存在電源死區(qū)，由于電流互感器的磁飽和問(wèn)題，單一材質(zhì)的取能磁芯工作電流范圍有限，當(dāng)線路斷電時(shí)無(wú)法得到穩(wěn)定電流，使電源無(wú)法工作?？紤]感應(yīng)電流的大小，同時(shí)兼顧小電流、大電流時(shí)的取能工作，采用兩個(gè)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(guò)小或斷電時(shí)為監(jiān)測(cè)設(shè)備續(xù)能以保證其正常工作，然而由于負(fù)載在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的大功率需求，無(wú)法滿足供能需求，通過(guò)引入C8051F021單片機(jī)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(wèn)題，使供電電源能夠有效應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定的電流狀況，具備長(zhǎng)期、穩(wěn)定供能的性能。有文獻(xiàn)提出了一種鋰電池和超級(jí)電容相結(jié)合的CT取能方法，能夠使在線監(jiān)測(cè)設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，無(wú)供電死區(qū)，并具有較大的瞬時(shí)功率。然而，這些文獻(xiàn)沒(méi)有考慮在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)以及功耗要求，而且沒(méi)有考慮該供電電源是否能長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。

針對(duì)以往研究中沒(méi)有考慮在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)以及功耗要求，沒(méi)有考慮供電電源是否能長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，本文將考慮在線監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備的負(fù)載特性及鋰電池和超級(jí)電容的充放電特性，通過(guò)負(fù)載隨時(shí)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(jí)電容來(lái)進(jìn)行供電。通過(guò)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(fù)載功率低于鋰電安全電流時(shí)，選擇鋰電池進(jìn)行供電，在負(fù)載功率需求較大時(shí)，通過(guò)超級(jí)電容供電，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

1工作流程

本文將對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電電源進(jìn)行研究，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電流互感器為負(fù)載進(jìn)行供電，并對(duì)鋰電池和超級(jí)電容進(jìn)行浮充，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，CT將會(huì)供電不足，此時(shí)通過(guò)鋰電池和超級(jí)電容來(lái)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(guò)多元函數(shù)遺傳算法找到鋰電池安全放電電流倍率，對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的負(fù)荷曲線進(jìn)行分析，根據(jù)負(fù)荷曲線選擇合適的鋰電池容量，計(jì)算出鋰電池的安全工作電流，當(dāng)設(shè)備所需電流小于鋰電池的安全電流時(shí)，選擇鋰電池進(jìn)行供電，當(dāng)設(shè)備所需電流大于鋰電池的安全電流時(shí)，選擇超級(jí)電容進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)期有效運(yùn)行，如圖1所示。

2在線監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)載曲線

以往在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電電源的研究都沒(méi)有對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行研究，沒(méi)有考慮其負(fù)載特性，本文將對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的負(fù)載特性進(jìn)行分析，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括：1.基本運(yùn)行模式，2.單獨(dú)的信息采集模式，3.單獨(dú)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(yùn)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(shí)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(cè)控制模塊、切換模塊和鋰電池模塊和超級(jí)電容電池模塊構(gòu)成。取能模塊通過(guò)電流互感器進(jìn)行感應(yīng)取電，電能監(jiān)測(cè)控制模塊通過(guò)對(duì)電流值的判斷，控制切換模塊動(dòng)作，在負(fù)載電流小于鋰電池放電安全電流時(shí)，選擇鋰電池供電;在負(fù)載電流大于鋰電池放電安全電流時(shí)，選擇超級(jí)電容電池進(jìn)行供電。鋰電池模塊包括充電時(shí)的充電及保護(hù)模塊、鋰電池及放電時(shí)的升壓模塊，超級(jí)電容電池模塊包括超級(jí)電容電池及放電時(shí)的降壓穩(wěn)壓模塊。

工作過(guò)程如下：當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電流互感器進(jìn)行感應(yīng)取電，通過(guò)整流模塊為負(fù)載提供直流電源，同時(shí)為鋰電池和超級(jí)電容電池進(jìn)行供電，當(dāng)輸配電線路發(fā)生雷擊時(shí)，線路上會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，此時(shí)取能磁芯會(huì)感應(yīng)出很高的沖擊電壓，對(duì)電源電路造成危害，因此需要設(shè)置保護(hù)電路。所以，在為鋰電池進(jìn)行供電時(shí)，加入充電及保護(hù)模塊。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電路中由于電流過(guò)低無(wú)法進(jìn)行感應(yīng)取電，此時(shí)鋰電池和超級(jí)電容電池作為電源進(jìn)行供電，由于鋰電池的壽命比較短，放電電流對(duì)電池壽命影響較大，而超級(jí)電容電池的壽命比較長(zhǎng)，所以，計(jì)算出鋰電池的安全放電電流范圍，通過(guò)電能監(jiān)控模塊對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)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(shí)選擇超級(jí)電容電池進(jìn)行供電。

5在線監(jiān)測(cè)設(shè)備供電電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)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(cè)裝置，因此使用的是CT取能結(jié)合鋰電池和超級(jí)電容電池進(jìn)行供電的解決方案。

本文的在線監(jiān)測(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制場(chǎng)合，具有方便的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算處理功能，并且接口豐富，方便擴(kuò)展。信息采集模塊選用AD公司的AD7616芯片，這個(gè)芯片支持對(duì)16個(gè)通道進(jìn)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(hào)，同時(shí)每對(duì)通道均能以高達(dá)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(cè)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(gè)信號(hào)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(biāo)好且穩(wěn)定、低功耗、支持四頻的特點(diǎn)。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(fù)荷情況，考慮電源模塊的效率，我們?cè)O(shè)計(jì)取電CT 的容量為10VA，整流模塊采用反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。整流模塊采 用 MB10S，鋰電池充電及保護(hù)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(shí)現(xiàn)鋰電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)及充電電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)。電源的供電能力由超級(jí)電容、鋰電池及 RT9266 芯片自身性能所決定。超級(jí)電容和鋰電池的供電切換電路由MOS開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)的控制由DSP芯片TMS320F28335實(shí)現(xiàn)。

6實(shí)驗(yàn)分析

采用 8個(gè)容量為120F，額定電壓2.3V 的超級(jí)電容進(jìn)行串聯(lián)，組成超級(jí)電容組進(jìn)行輔助供電。電源在超級(jí)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(cè)設(shè)備需求。

通過(guò)鋰電池和超級(jí)電容電池的配合，在輸變電線路故障時(shí)，可以對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期有效的供電。

7 結(jié)論

本文在對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究時(shí)，不僅考慮在線監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備的負(fù)載特性及鋰電池和超級(jí)電容的充放電特性，通過(guò)負(fù)載隨時(shí)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(jí)電容來(lái)進(jìn)行供電。

當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電流互感器為負(fù)載進(jìn)行供電，并對(duì)鋰電池和超級(jí)電容進(jìn)行浮充，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，CT將會(huì)供電不足，此時(shí)通過(guò)鋰電池和超級(jí)電容來(lái)供電?？紤]鋰電池壽命的影響因素，通過(guò)多元函數(shù)遺傳算法找到鋰電池放電安全電流，對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的負(fù)荷曲線進(jìn)行分析，當(dāng)設(shè)備所需電流小于鋰電池的安全電流時(shí)，選擇鋰電池進(jìn)行供電，當(dāng)設(shè)備所需電流大于鋰電池的安全電流時(shí)，選擇超級(jí)電容進(jìn)行供電，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

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