李德建

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.清華大學(xué) 集成電路學(xué)院，北京 100084）

0 引言

在過去的十多年里，計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等技術(shù)領(lǐng)域得到飛速發(fā)展，但是電池技術(shù)進(jìn)步的速度要慢得多[1-2]。具體而言，無線通信和集成電路領(lǐng)域的豐碩成果，使得傳感器節(jié)點(diǎn)在尺寸上越來越小。傳統(tǒng)電池在體積和能量密度上的劣勢(shì)越來越明顯。此外，電池可用壽命一般為3～5 年時(shí)間，同時(shí)還會(huì)發(fā)生漏液等安全問題。因此，無源無線網(wǎng)絡(luò)的能源供給需求迫切。目前，國際上對(duì)能量收集技術(shù)的研究已經(jīng)持續(xù)多年[3-4]，國內(nèi)也開展了許多能量收集相關(guān)技術(shù)研究[5-7]。

以智能電網(wǎng)為例，為實(shí)現(xiàn)信息的快速、廣泛、準(zhǔn)確采集，需要研究低成本、低冗余、高可靠、可擴(kuò)展、可定制的新型海量信息采集技術(shù)體系架構(gòu)與高效傳輸處理核心技術(shù)[8]。電力傳感器作為新型海量信息采集技術(shù)體系的“神經(jīng)末梢”，是感知電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)單元。其長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，需要持續(xù)可靠的電源保障。通過能量收集技術(shù)，將電力應(yīng)用場(chǎng)景中的振動(dòng)、溫差、光伏、電磁等能量收集、累積下來提供給電力傳感器，是有效解決電力應(yīng)用中傳感器供電問題的重要途徑之一。

隨著智能電網(wǎng)中電力傳感器的廣泛應(yīng)用，對(duì)能量收集技術(shù)的需求也愈顯迫切，有必要對(duì)兩者間的耦合進(jìn)行更加深入的研究。本文首先對(duì)智能電網(wǎng)對(duì)能量收集技術(shù)的迫切需求進(jìn)行分析；其次，分析能量收集技術(shù)及相關(guān)集成電路的發(fā)展現(xiàn)狀；最后，根據(jù)能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的不足，提出適用于智能電網(wǎng)的能量收集技術(shù)研究方向。

1 智能電網(wǎng)對(duì)能量收集技術(shù)的迫切需求

1.1 電力傳感器在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用

發(fā)電廠、變電站是智能電網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)，其中部署有高壓開關(guān)柜、母線接頭、室外刀閘開關(guān)等重要設(shè)備。溫度在線監(jiān)測(cè)是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。以高壓開關(guān)柜為例，該設(shè)備通常要能承受最高達(dá)到10 000 A 的工作電流，在長期運(yùn)行過程中，開關(guān)的觸點(diǎn)和母線、電纜連接點(diǎn)等因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，溫升超過規(guī)定值，會(huì)加速動(dòng)、靜觸頭等接觸點(diǎn)氧化，氧化結(jié)果又導(dǎo)致接觸電阻值增加，促使發(fā)熱更加嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)。開關(guān)柜內(nèi)有裸露高壓，空間封閉狹小，無法進(jìn)行人工巡查測(cè)溫，所以對(duì)傳感器有剛性需求。

大型電力變壓器是智能電網(wǎng)中的樞紐設(shè)備。變壓器油溫關(guān)系到變壓器絕緣材料的壽命，過高的溫度會(huì)加速絕緣材料老化。當(dāng)系統(tǒng)絕緣性無法滿足變壓器需求時(shí)，繞組就會(huì)發(fā)生故障，甚至造成變壓器損壞。根據(jù)文獻(xiàn)[9]研究，變壓器繞組正常工作溫度為60 ℃～70 ℃之間。對(duì)于按照GB1094 設(shè)計(jì)的變壓器，98 ℃條件下相對(duì)熱老化率為1，溫度每增加6 ℃，相對(duì)老化率增加一倍。在線監(jiān)測(cè)繞組溫升，對(duì)變壓器壽命預(yù)測(cè)和故障分析有重要意義。

電線桿塔是輸電環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛部署在野外、鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)。為提高巡檢的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，輸電線路的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，且監(jiān)測(cè)的對(duì)象和范圍越來越廣，如電力線的溫度、覆冰狀態(tài)及舞動(dòng)、電暈、桿塔的傾斜度等。傳感器的部署能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸配環(huán)節(jié)的問題并觸發(fā)人工或自動(dòng)的調(diào)節(jié)乃至修復(fù)。根據(jù)國家電網(wǎng)官網(wǎng)顯示，截止到2020 年底，國家電網(wǎng)配網(wǎng)架空線路已超過300 萬公里，按電力線桿塔間隔300～500 m 來估算，桿塔數(shù)量達(dá)600 萬以上，對(duì)傳感器需求巨大。

電力電纜線路是輸配電的另一重要組成部分。隨著電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，電纜接頭數(shù)量劇增，經(jīng)常出現(xiàn)引流線夾、耐張線夾過熱問題，由此引發(fā)的故障和事故也日益嚴(yán)重。當(dāng)線路處于重負(fù)荷條件下，經(jīng)常需要采用人工對(duì)輸電線路逐個(gè)巡檢，使用紅外測(cè)溫儀對(duì)引流線夾、耐張線夾進(jìn)行溫度測(cè)試，不僅局限性大而且檢測(cè)效率非常低。

綜上，智能電網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)有強(qiáng)烈需求，傳感器的穩(wěn)定工作對(duì)于電網(wǎng)安全運(yùn)行有著直接影響。通常監(jiān)測(cè)傳感器采用低壓直流供電，且要求電源具有較高的穩(wěn)定性。實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景往往不能滿足這些要求。例如，部署在高壓線路的在線監(jiān)測(cè)傳感器，受環(huán)境條件、絕緣以及電氣隔離等安全因素的限制，很難通過線纜直接獲取低壓直流電源。多方面研究表明，雖然電網(wǎng)中廣泛存在電能資源，但是在面向電力傳感器的供電應(yīng)用方面仍然存在一定的局限性，供電問題已成為制約電力傳感器應(yīng)用發(fā)展的瓶頸問題[10]。

電池供能是目前最常用的供電解決方案。但是電池有著壽命比較短、受環(huán)境影響大、不易固定在高壓側(cè)等問題。壽命到期后更換電池需要耗費(fèi)大量的資源，有些條件下甚至無法更換。要維持監(jiān)測(cè)傳感器的長期運(yùn)行，從環(huán)境中獲取能量無疑成為最具優(yōu)勢(shì)的解決方案。典型的電力傳感器應(yīng)用場(chǎng)景是電力線纜和變壓器。目前，國內(nèi)外的研究焦點(diǎn)主要集中在如何對(duì)電力電纜運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)與診斷。然而，針對(duì)在線監(jiān)測(cè)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(cè)監(jiān)控的供電問題已經(jīng)成為這一領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸[11]。

1.2 電力傳感器在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用

智能電網(wǎng)中電力傳感器的廣泛應(yīng)用，需要解決目前電力傳感器供能存在的問題。電池供能存在的問題也愈加清晰地展現(xiàn)在管理者面前，所以智能電網(wǎng)中能量收集技術(shù)及電力傳感器技術(shù)的耦合也愈加迫切。

能量收集技術(shù)的發(fā)展為智能電網(wǎng)中電力傳感器的能源供給提供技術(shù)支撐。能量收集方式有太陽能、風(fēng)能、熱能、動(dòng)能、電磁能等，其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)在還比較少，發(fā)展空間巨大，能帶來巨大的社會(huì)效益。面對(duì)以上問題智能電網(wǎng)對(duì)能量收集技術(shù)的應(yīng)用需求也愈顯迫切。

2 能量收集技術(shù)及相關(guān)集成電路的發(fā)展

能量收集技術(shù)是一種將環(huán)境周圍分布式能量進(jìn)行收集并轉(zhuǎn)換成可使用電能的技術(shù)，其中可收集的分布式能量有動(dòng)能、熱能、太陽能和電磁能等多種形式，這些能源的能量生成、環(huán)境和特點(diǎn)如表1 所示。

表1 不同分布式能源的能量生成、環(huán)境和特點(diǎn)

各種能量收集方式所能獲取的能量不同，振動(dòng)發(fā)電是利用壓電元件等將機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能；熱電采用溫差發(fā)電片作為能量收集媒介，將環(huán)境溫差轉(zhuǎn)換為電能；采用太陽能電池板的能量收集方式在單位面積上收集的能量最多，但不同光照條件所能收集到的電能差別很大；電流互感器利用交流電流傳輸線上的電磁變化而通過電磁感應(yīng)的方式產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電能。

以上四種能量收集方式分別利用了力、熱、光、電四種基本物理現(xiàn)象進(jìn)行能量收集，將其他能量轉(zhuǎn)換成直流電是智能電網(wǎng)應(yīng)用中比較主流的能量收集技術(shù)，經(jīng)過多年發(fā)展已具有特定的模式。

2.1 動(dòng)能能量收集技術(shù)

動(dòng)能能量收集的原理是利用運(yùn)動(dòng)部件的位移或能量收集裝置內(nèi)部某些結(jié)構(gòu)的機(jī)械形變來產(chǎn)生能量。能量來源的動(dòng)能包括了振動(dòng)、位移、摩擦等多種形式[12-15]，根據(jù)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能機(jī)理的不同，可分為靜電式、壓電式、電磁式和摩擦式4 類[10]。

靜電式動(dòng)能收集原理是帶電運(yùn)動(dòng)部件逆電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。MIT 的Meninger 教授等人研究了庫侖阻尼諧振發(fā)電機(jī)和電壓阻尼諧振發(fā)電機(jī)這兩種靜電式動(dòng)能收集器的原型機(jī)[16]。利用外部振動(dòng)導(dǎo)致的電容器極板位移，從而引起的電容器變化，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。文獻(xiàn)[17]測(cè)試結(jié)果顯示0.014 g 的低重力加速度，75 Hz 的低振動(dòng)速率，可得到1.17 μW 的能量輸出。

壓電式動(dòng)能收集利用了壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)是指在機(jī)械應(yīng)力作用下，材料產(chǎn)生電極化強(qiáng)度發(fā)生改變的現(xiàn)象。材料在沿一定方向受外力而變形時(shí)，同時(shí)在兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，電荷積累形成電勢(shì)差，從而轉(zhuǎn)化為電能[18]。由賓夕法尼亞州立大學(xué)研究制作的鈸式換能器是一種典型的夾心式壓電能量收集裝置，壓電振動(dòng)能量收集裝置的鋼帽都與兩端粘結(jié)，通過鋼帽振動(dòng)使壓電片受到循環(huán)力作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外力達(dá)到100 N、頻率為150 Hz 左右的環(huán)境下，對(duì)其施加70 N 的循環(huán)力，可以得到的功率為52 mW[14]。

電磁式動(dòng)能收集基于電磁感應(yīng)原理，將永磁體和閉合線圈兩者其一固定，另一方在振動(dòng)的作用下發(fā)生位移變化，在閉合線圈內(nèi)產(chǎn)生電流。實(shí)用中通常利用磁電復(fù)合材料替代閉合線圈，依靠鐵磁相的磁致伸縮效應(yīng)與鐵電相的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電耦合。2001 年，Ryu 等[19]用兩層Terfenol-D 夾持一層PZT，用導(dǎo)電銀膠進(jìn)行粘接得到典型的層狀結(jié)構(gòu)磁電復(fù)合材料，依據(jù)上述原理將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能[20]。

摩擦式動(dòng)能收集基于摩擦起電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)進(jìn)行能量收集。摩擦納米發(fā)電機(jī)理最早由中國科學(xué)院王中林團(tuán)隊(duì)于2012 年提出[21-22]，隨后國內(nèi)其他團(tuán)隊(duì)對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了大幅提升[23-24]。目前應(yīng)用于振動(dòng)能量收集的主要有接觸-分離式和平面滑動(dòng)式，尚處于技術(shù)積累階段。

2.2 溫差能量收集技術(shù)

溫差能量收集利用熱電效應(yīng)中的塞貝克效應(yīng)將物體的溫度差轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)金屬或者半導(dǎo)體中出現(xiàn)熱梯度時(shí)，原本自由運(yùn)動(dòng)的帶電載流子(如電子)在熱端運(yùn)動(dòng)快，在冷端運(yùn)動(dòng)慢，統(tǒng)計(jì)上會(huì)出現(xiàn)載流子由熱端向冷端擴(kuò)散現(xiàn)象，形成內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)內(nèi)建電場(chǎng)和載流子的擴(kuò)散達(dá)到平衡的時(shí)候，就會(huì)在冷熱兩端出現(xiàn)穩(wěn)定的電勢(shì)差。使用兩根不同的金屬，由于電勢(shì)差不同，可以在回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，并有電流通過。

在熱梯度作用下，P 型半導(dǎo)體中的空穴和N 型半導(dǎo)體中的電子發(fā)生擴(kuò)散，在P 型半導(dǎo)體中形成的內(nèi)建電場(chǎng)指向上方，而N 型半導(dǎo)體中的內(nèi)建電場(chǎng)指向下方。當(dāng)半導(dǎo)體形成熱學(xué)并聯(lián)、電學(xué)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更高的熱電轉(zhuǎn)換效率。

現(xiàn)代溫差發(fā)電機(jī)，使用N 型和P 型半導(dǎo)體構(gòu)成回路，如圖1 所示。

圖1 溫差發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 光伏能量收集技術(shù)

光電池的工作原理是基于貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的“光生伏特效應(yīng)”。當(dāng)光照射到PN 結(jié)的一個(gè)面，例如P 型面時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P 型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，將通過空間電荷的電場(chǎng)作用被相互分離。電子向帶正電的N 區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向帶負(fù)電的P 區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。

目前電網(wǎng)對(duì)光伏的研究主要集中在利用光伏大規(guī)模發(fā)電[25-27]，量產(chǎn)光電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%。也可以依賴于傳統(tǒng)的太陽能技術(shù)作為能量收集并且給傳感器供電，但這些設(shè)備體積大、價(jià)格昂貴、靈活性差。因此，當(dāng)前光伏能量收集技術(shù)在傳感器供電方案上的應(yīng)用受到很大限制。目前麻省理工學(xué)院（MIT）正在基于鈣鈦礦薄膜電池開發(fā)一種價(jià)格低廉的傳感器光伏供能方案。這種方案將鈣鈦礦夾在電極、陰極和特殊的電子傳輸層材料之間，無需電池或其他外部電源即可運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。

2.4 電磁能量收集技術(shù)

電磁能量收集是將空間中的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能，通常可以分為磁場(chǎng)近場(chǎng)取能、電場(chǎng)近場(chǎng)取能、電磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)取能。

磁場(chǎng)近場(chǎng)取能技術(shù)主要依靠閉合的線圈，感應(yīng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)換。按照部署方式，可分為侵入式和非侵入式。侵入式即常規(guī)電流互感器，可實(shí)現(xiàn)5 A 及以上線路負(fù)荷下的磁場(chǎng)取能，技術(shù)較為成熟，輸出功率可達(dá)瓦級(jí)，但可操作性差，且后期維護(hù)成本較高。非侵入式不破壞原有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過外部耦合作用取能，如圖2 所示。非侵入式取能裝置的安裝、可操作性好，維護(hù)成本低[10]。但是非侵入式取能耦合系數(shù)、功率較低，并且重量、體積大，成本較高。

圖2 高壓線路磁場(chǎng)非侵入取能示意圖[28]

電場(chǎng)近場(chǎng)取能主要基于高壓導(dǎo)線與大地或低壓側(cè)之間產(chǎn)生的恒定電場(chǎng)，利用電容分壓法進(jìn)行取能。根據(jù)分壓電容所處位置不同，可分為直接取能、低壓側(cè)電場(chǎng)取電和高壓側(cè)電場(chǎng)取電，如圖3 所示。

圖3 根據(jù)電容位置不同電場(chǎng)取能分類[29]

直接取能法的問題是R1承受線路相電壓。通常不能使用在電壓過高的導(dǎo)線上，因?yàn)殡妷旱燃?jí)較高時(shí)，分壓器需要比較復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成不利影響。低壓側(cè)取能法中C0阻抗比R1大很多，C0分擔(dān)絕大部分電壓，所以電壓分壓器R1阻抗較小，可以無需復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)。但這種方法R1不能過大，取能功率也較小。高壓側(cè)取能法和低壓側(cè)類似，但是高壓側(cè)的R1直接連接在高壓導(dǎo)線上，與侵入式磁場(chǎng)取能存在共同點(diǎn)，通常會(huì)被磁場(chǎng)取能替代。

電磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)取能依靠輻射進(jìn)行能量傳遞，傳輸距離可達(dá)十米甚至百米，微波無線傳能（Microwave Power Transmission，MPT）[30]是實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)取能的一種主流技術(shù)方案。

2.5 能量收集技術(shù)中的芯片技術(shù)

一套典型的能量收集系統(tǒng)框圖如圖4 所示，主要包括換能器和電源管理電路兩大部分。

圖4 能量收集系統(tǒng)框圖

隨著能量獲取方式的不同，換能器的功能實(shí)現(xiàn)差別很大。動(dòng)能能量收集主要依托了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）芯片來實(shí)現(xiàn)從環(huán)境能量到電荷積累或電場(chǎng)變化的轉(zhuǎn)換，再利用專用集成電路（ASIC）芯片控制轉(zhuǎn)換時(shí)序和實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)處理[31-32]。溫差能量收集技術(shù)需要在多晶硅片上設(shè)計(jì)出符合要求的N 型和P 型半導(dǎo)體器件版圖。溫差能量收集硅片產(chǎn)生電壓一般為200 mV 以內(nèi)的直流電壓信號(hào)，需要使用ASIC 芯片進(jìn)行信號(hào)處理，將較小的電壓通過電荷泵轉(zhuǎn)換成更高的直流電壓，再通過電源管理電路處理成可用能量信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)和使用。光伏能量收集由于光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化具有強(qiáng)烈的非線性，因此在不同條件下存在著唯一的最大功率點(diǎn)（MPP）。如何動(dòng)態(tài)獲取最大功率點(diǎn)成為了研究的熱點(diǎn)[33]。MPPT（Maximum Power Point Tracking）算法用于尋找功率最大點(diǎn)，例如分?jǐn)?shù)階極值搜索控制等算法被集成在芯片中。另外，傳統(tǒng)的光伏能量收集系統(tǒng)比較笨重，造價(jià)較高，因此研究成本低廉、易于集成的光伏能量收集技術(shù)也是未來的方向之一。值得注意的是，熱能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程也存在類似的極值點(diǎn)，可使用芯片處理技術(shù)提升能量轉(zhuǎn)換效率。電磁能量收集過程需要天線和線圈等電磁能收集結(jié)構(gòu)，收集到的射頻信號(hào)經(jīng)過整流電路實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，如圖5 所示，轉(zhuǎn)換后的直流電壓通過電源管理電路處理成為后級(jí)電路適用的各種電源信號(hào)。

圖5 射頻能量收集系統(tǒng)框圖

電源管理電路一般包括兩個(gè)DC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)。這是假設(shè)換能器是直流電源（例如熱電或光伏采集器）。對(duì)于交流源（例如壓電采集器），在連接之前還需要加入AC-DC 轉(zhuǎn)換級(jí)。第一個(gè)DC-DC 的作用是實(shí)現(xiàn)最大功率提取，這個(gè)階段需要將電路調(diào)節(jié)至最大功率所需的最佳輸入阻抗，從而實(shí)現(xiàn)換能器轉(zhuǎn)移到電源管理電路的高效能量傳輸。從換能器中提取的能量大多數(shù)都需要存儲(chǔ)起來使用，因?yàn)閺沫h(huán)境提取的能量往往不足以直接支持負(fù)載電路的實(shí)時(shí)運(yùn)行功耗。電池或超級(jí)電容器都是可以選擇放置在節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能元件。第二個(gè)DC-DC 的整流電路為后續(xù)的功能電路提供穩(wěn)定持續(xù)的電源輸出，因此整個(gè)能量收集系統(tǒng)的輸入和輸出參數(shù)都是由系統(tǒng)需求決定的，要達(dá)到理想的轉(zhuǎn)換效率需要在阻抗匹配和負(fù)載適應(yīng)性上投入研究。

由于環(huán)境能量收集所獲得的電能相對(duì)較小，而分立器件的電路板方式自身工作需要額外消耗較大的功耗，芯片已經(jīng)成為能量收集技術(shù)中的首選方案。

3 適用于智能電網(wǎng)的能量收集技術(shù)研究方向

3.1 能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)中已有應(yīng)用及現(xiàn)狀

3.1.1 變壓器溫差取能

油浸式變壓器運(yùn)行時(shí)，利用油的循環(huán)和對(duì)流把鐵芯和繞組損耗產(chǎn)生的熱傳遞到散熱片，再傳遞到外部的環(huán)境中。根據(jù)文獻(xiàn)[34]，利用油浸式變壓器箱體產(chǎn)生的熱量，當(dāng)其上附著的熱電模塊冷熱端溫差達(dá)55 K 時(shí)，熱電能量收集能獲得475 mW 的最大輸出功率。文獻(xiàn)[35]中提及一種無源無線傳感器已在河南某變電站穩(wěn)定試運(yùn)行，該傳感器中的熱電發(fā)生器對(duì)溫差進(jìn)行判定，當(dāng)冷端與熱端溫差大于5℃時(shí)，即可工作并采集變壓器套管當(dāng)前狀態(tài)，驗(yàn)證了測(cè)溫裝置的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如圖6 所示。該套測(cè)溫裝置體積小，維護(hù)成本低，可大力推廣使用，對(duì)維護(hù)變壓器等電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。當(dāng)然，5 ℃的啟動(dòng)溫差限制了該設(shè)備的應(yīng)用范圍，也為后續(xù)研究提出了要求。

圖6 變壓器測(cè)溫結(jié)果[35]

文獻(xiàn)[36]中介紹了一種變電站的自取能無線測(cè)溫傳感器節(jié)點(diǎn)，并提供在變壓器各部位的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 變壓器各處溫度[36]

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，變壓器外殼和環(huán)境溫差在10 ℃左右，但是刀閘處溫度基本和環(huán)境沒有差別。雖然變壓器存在使用溫差取能的可能性，但是對(duì)于刀閘或者開關(guān)柜這些設(shè)備，溫差取能并不適用。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，文章總結(jié)了限制溫差取能傳感器應(yīng)用的原因主要是由于換能器效率低，溫差為10 ℃時(shí)，只能產(chǎn)生30 mV 的電壓；分立器件搭建傳感器節(jié)點(diǎn)功耗過高；升壓電路功耗大，轉(zhuǎn)換效率低。

3.1.2 變壓器振動(dòng)取能

由于變壓器內(nèi)部交變磁場(chǎng)會(huì)引起硅鋼片振動(dòng)，變壓器也伴隨著振動(dòng)，這種變壓器振動(dòng)可以作為動(dòng)能能量收集傳感器的能量源。文獻(xiàn)[37]介紹一種利用變壓器振動(dòng)能收集器的能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)放置于變壓器表面，輸出功率在2.27 mW～5.8 mW 之間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，基于能量收集器的電源管理電路給2 節(jié)鋰電池充電70 天，可驅(qū)動(dòng)3 個(gè)60 mW 的LED 白光燈照明約3.88 h。

3.1.3 能量收集技術(shù)在電力線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

電力線中的交變電流是最直接的能量來源，可以通過電磁能量收集技術(shù)將電力線的電磁能轉(zhuǎn)化為電能，例如通過電流互感器或者非侵入式取能模塊獲取能量以供電力線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器使用。另外，電力線還具備溫差取能的條件。根據(jù)文獻(xiàn)[38]介紹，電力線接頭流過電流會(huì)持續(xù)發(fā)熱，電纜接頭表面溫度與環(huán)境溫度相差10～20 ℃，如圖7 所示。根據(jù)文獻(xiàn)[39]的研究結(jié)果表明：環(huán)境溫度23 ℃時(shí)，懸垂線夾的最高溫度為47 ℃，而導(dǎo)線的溫度僅為37 ℃。耐張線夾溫度比環(huán)境溫度高20 ℃，具備溫差取能的條件。文獻(xiàn)[40]計(jì)算了三相環(huán)氧電纜終端的線芯溫度、表面溫度以及載流量之間的關(guān)系，為電力電纜及其附件的熱電能量收集提供了數(shù)值依據(jù)。

圖7 不同環(huán)境溫度下電纜接頭溫度分布圖[38]

電流互感器屬于電磁能量收集技術(shù)中的磁場(chǎng)近場(chǎng)取能。電流互感器取能一般采用取能線圈獲取，取能線圈通常設(shè)計(jì)為穿心式，卡裝于導(dǎo)線上。但這種形式的取能線圈安裝復(fù)雜，且包含鐵芯，自身重量較大，長期掛網(wǎng)將影響線路機(jī)械性能，在母排尺寸較大時(shí)，維護(hù)操作復(fù)雜且需要對(duì)母排斷電。其次，相間距離將因等電位套裝的線圈而減小，從而可能影響相間絕緣安全。此外，電流互感器取電，如果為了追求效率要求在低電流時(shí)即開始工作，很容易被大電流沖擊而損壞；如果為了可靠性在高電流時(shí)才開始工作，會(huì)導(dǎo)致效率低，這也是電流互感器取電裝置難以大規(guī)模推廣的另一原因。

非侵入式取能是將取能模塊放置于被取能裝置外部，通過外部耦合作用進(jìn)行取能。由于其安裝不破壞原有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可操作性好，維護(hù)成本低。但是這種方式的取能耦合系數(shù)和功率都較低。根據(jù)文獻(xiàn)[26]介紹，在離地2 m 處磁場(chǎng)密度為7 μT 時(shí)，利用體積為195.65 cm3的蝶形線圈，線圈匝數(shù)為40 000 匝，可以采集到的功率為360 μW，可以看出這種方式所取出的能量比較低。

如果通過對(duì)電纜中間接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，則能夠在故障發(fā)生之前發(fā)出預(yù)警，并及時(shí)開展故障源清除或者更換新的電纜中間接頭，從而避免更大損失的發(fā)生。對(duì)電力線纜接頭溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)會(huì)遇到傳感器如何取電問題。目前電力系統(tǒng)內(nèi)存在數(shù)百萬個(gè)線纜接頭，若采用電池供電，當(dāng)電量耗盡需要逐個(gè)更換，使用維護(hù)成本過高。綜上，采用能量收集技術(shù)為傳感器提供電源是最合適的方案。根據(jù)文獻(xiàn)[34]，利用油浸式變壓器箱體產(chǎn)生的熱量，當(dāng)其上附著的熱電模塊冷熱端溫差達(dá)55 K時(shí)，熱電能量收集能獲得475 mW 的最大輸出功率。

3.2 能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題

能量收集技術(shù)在電網(wǎng)中已經(jīng)取得了一定規(guī)模的應(yīng)用，同時(shí)也暴露出一些問題。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)電網(wǎng)中的溫度傳感器的需求場(chǎng)景較多，但是目前對(duì)相關(guān)技術(shù)研究不夠深入，取能環(huán)節(jié)要求所測(cè)溫度與環(huán)境溫差較大，無法滿足小溫差取能的強(qiáng)烈需求。一方面，溫差取能需要更低啟動(dòng)溫差和更高的轉(zhuǎn)換效率；另一方面，后續(xù)處理需要超低功耗的溫度傳感器、計(jì)算電路及射頻收發(fā)電路。如果可以實(shí)現(xiàn)在1 ℃～2 ℃溫差即可啟動(dòng)工作，將大大拓寬溫差取能在智能電網(wǎng)中使用的范圍。

(2)對(duì)振動(dòng)取能的應(yīng)用場(chǎng)景關(guān)注不夠，實(shí)際落地的振動(dòng)能量收集應(yīng)用很少。

(3)在電力線相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景中，主要還是采用傳統(tǒng)的侵入式取能，對(duì)微型化侵入式取能以及更先進(jìn)的非侵入式取能技術(shù)研究較少。

(4)在光伏取能方面，傳統(tǒng)大型光伏板仍是應(yīng)用中的主要方案，針對(duì)傳感器的光伏取能研究不足。同時(shí)目前傳統(tǒng)光伏產(chǎn)品的MPPT 算法效率依舊有限，需要在實(shí)現(xiàn)最大效率的能量轉(zhuǎn)換上進(jìn)一步探索。

(5)對(duì)于集成能量收集技術(shù)、傳感器、計(jì)算傳輸?shù)囊惑w化芯片研發(fā)起步較晚，可投入應(yīng)用的成熟產(chǎn)品缺失。

(6)現(xiàn)有的單一形式的環(huán)境取能難以覆蓋復(fù)雜多變的電力應(yīng)用場(chǎng)景，需結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境能量特點(diǎn)，開展多樣化的取能方式研究及應(yīng)用，有針對(duì)性地解決特定場(chǎng)景、特定傳感器的能量供給問題。

3.3 智能電網(wǎng)的能量收集技術(shù)研究方向

如前文分析，目前智能電網(wǎng)中許多設(shè)備在工作狀態(tài)下存在穩(wěn)定的振動(dòng)，這種穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能夠?yàn)檎駝?dòng)能量收集提供穩(wěn)定的能量供給。目前，振動(dòng)能量收集相關(guān)研究還處于探索階段，相關(guān)產(chǎn)品既不夠成熟又無法滿足電力系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的需求?；贛EMS 技術(shù)的振動(dòng)換能器需要解決器件體積較大、成本較高、難于硅基集成等技術(shù)障礙，需要在集成電路制造工藝方面投入研發(fā)力量。后續(xù)，通過對(duì)振動(dòng)能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的深入研究，并結(jié)合現(xiàn)代MEMS 技術(shù)發(fā)展成果，設(shè)計(jì)廣泛適用于電力系統(tǒng)各型設(shè)備的振動(dòng)能量收集產(chǎn)品前景廣闊。

溫差能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)中有廣泛應(yīng)用場(chǎng)景，但是目前成熟的溫差能量收集技術(shù)方案還無法全面適應(yīng)電力系統(tǒng)復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，尤其是需要解決不同環(huán)境和時(shí)間段溫差變化范圍較大的問題，研究對(duì)溫差適應(yīng)范圍廣的溫差能量收集技術(shù)方案。此外，現(xiàn)階段電壓轉(zhuǎn)換效率還有待提高，溫差換能器需要解決集成電路設(shè)計(jì)中面臨的高能量轉(zhuǎn)換效率和低開啟閾值之間的固有矛盾，以滿足在溫差較小的情況下穩(wěn)定輸出足夠電能的需要。

光伏能量收集技術(shù)已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但是主要是應(yīng)用傳統(tǒng)的太陽能電池或其縮小版本。更多地是為能量需求較大的設(shè)備服務(wù)而非隨處可見的電力傳感器。除了成本較高，這種方案的體積仍不能令人滿意。而且，光伏能量收集系統(tǒng)中的專用信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)技術(shù)仍未在國內(nèi)形成突破。

此外，先進(jìn)集成電路封裝技術(shù)的研究有利于進(jìn)一步縮小電力傳感器的物理尺寸，降低傳感器自身的能量損耗。如果能單芯片集成能量收集、轉(zhuǎn)換電路以及傳感器和信號(hào)處理、傳輸電路，不僅能大大降低能量收集技術(shù)應(yīng)用門檻，還能有效擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景。

4 結(jié)論

智能電網(wǎng)建設(shè)給電力傳感器的應(yīng)用提供了廣闊的空間，但是單純依靠電池作為能量來源的傳感器裝置無法滿足大多數(shù)電力應(yīng)用場(chǎng)景的要求，供電問題已成為制約電力傳感器應(yīng)用發(fā)展的瓶頸問題。從環(huán)境中獲取能量無疑是解決電力傳感器的供電問題的有效手段。目前，國內(nèi)外已針對(duì)能量收集技術(shù)開展深入研究，并且取得一系列的成果，部分能量收集技術(shù)已經(jīng)在智能電網(wǎng)中得到應(yīng)用。隨著電力傳感器微型化及傳感器本身對(duì)計(jì)算、傳輸能力的要求不斷增強(qiáng)，融合集成電路技術(shù)的能量收集方案成為解決電力傳感器能量來源的必然路徑，相關(guān)研究領(lǐng)域形成技術(shù)突破，必將極大推動(dòng)能量收集技術(shù)在智能電網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用并對(duì)智能電網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。