输电线路一体化监测装置电源系统研究

李博,翟少磊,唐标,王恩,曹敏

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

输电线路一体化监测装置电源系统研究

李博,翟少磊,唐标,王恩,曹敏

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

研究了输电线路走廊范围各种可能的取能方式及其低功耗电源管理技术,提出了基于镁基蓄电池、太阳能、高低电位感应取能及势能取电相结合的稳定供电取能方式,以及动态电源管理技术 (DPM)、动态电压频率调节技术(DVFS)低功耗电源管理技术的电源综合解决方案,提升装置的自我生存能力。

电源;取能;低功耗管理;监测装置;输电线路

1 前言

输电线路承担着电能输送重任,尤其是电网主干线路的超特高压输电线路安全、可靠、稳定运行直接关系到国民经济的发展[1]。输电线路的运行状态可通过线路力学、电气、微气象等参数监测实现输电线路覆冰、大风、山火、导线温度、雷击定位等状态监测及评估,为线路故障定位分析及状态监测、检修提供了强有力技术支撑[2]。2008年,我国南方各大电网重大冰雪灾害事故发生,输电线路在线监测技术得到高度重视及广泛应用[3]。

输电线路在线监测技术在得到大力发展和推广的同时,经实践证明,电源问题已成为制约在线装置发展的瓶颈[4]。一方面,高压架空输电线路处在荒山野岭之中,要求选用合适自供电电源;另外一方面,目前常用的太阳能、风能及蓄电池供电系统,在覆冰关键时期,受光源和太阳能采集板覆冰以及风能供电设备易被冻死的影响,只能依靠蓄电池供电,若没有其它取能方式作为补充及良好的电源管理策略,装置无法达到自生存时间要求。因此,对于输电线路在线监测装置,如何选择合适的供电电源及采用合理的电源管理技术以提升自生存能力,已经成为探讨的重要课题。

以下针对现有监测装置供电电源问题进行了系统性的研究,分析了输电线路走廊范围内的多种取能形式及电源管理策略,力求实现电源取能的多样化和装置运行的低功耗,保障装置在关键覆冰期的自生存能力。

2 智能监测装置及供电系统

输电线路物联网一体化监测装置由数据采集单元、通信网络、监测主 IED以及电源系统组成。该监测装置能够实现对输电线路、杆塔、绝缘子等多种对象覆冰、大风、山火、塔材防盗、绝缘子污秽的等监测功能,集成3G/GPRS/GSM、OPGW、北斗、无线WiFi等多种通讯方式实现监测装置间互联及稳定通讯。

目前,在线监测装置主要依靠太阳能光伏与蓄电池配合供电。但是,这种供电方式不能在长期阳光不足的季节和地区使用,同时由于是野外工作,太阳能电池板上长期积累的灰尘不易清洗,大大降低了光伏发电效率。此外,蓄电池体积大且随着使用年限的延长,其充电效率大幅下降。因此,为保障在线监测装置持续和稳定的电源供应,不能单独依靠太阳能及蓄电池供电系统,必须研究借助输电走廊可能存在的取能方式,实现供电电源的多样化,为监测装置常年提供稳定电力。线路走廊环境中,除了太阳能外,其它可采用供能主要有以下几种：

1)利用热源存在或者发生的温度差实现热能收集,由此可以分为热电取能及温差取能两类[9]。相应的热电发电机及温差发电机已经问世,并已应用到手表、导航标识等领域,但转换效率较低,目前还没有应用到输电线路在线监测装置上的成功案例;

2)利用风能及其引发的一系列效应进行供电,如风力发电、导线振动能等,并已在输电线路监测装置已得到了应用,但风能取能机械部件在冬季覆冰期容易冻死,无法提供稳定的供电电源;

3)利用空间电磁能取电,相应的取能方式有高、低电位感应取电、势能取电等。高电位感应取能技术较成熟,且取能方便,已得到了广泛应用。低电位感应取能及势能取电有相关理论研究,具有应用推广价值,可重点研究。

以上都是潜在的取能方式,但依靠自然环境的取能形式存在对特定环境或季节的依赖性,考虑到取能稳定及持续性,经分析比较,本文将结合以下几种直接或间接地从输电导线上取能新技术,研究为一体化在线监测装置提供可持续供电取能。

2.1 高电位感应取能

高电位感应取能方式主要是指CT感应取能,即通过利用套装在高压输电线路A、B、C三相中的任意一相导线上的取能线圈,从高压母线或线路上感应交流电压,然后经过整流、滤波、稳压后为高压侧电子电路供电的方式,其主要为导线测温传感器提供感应取能。

文中依据此原理进行了相关感应取能装置的设计开发,并从仿真、试验等方面具体分析该取能方式的可行性及其取能效果,由于高电位感应取能应用较广,本文不详细阐述。

2.1.1 取能装置设计

经理论计算,设计了取能装置,其基本参数如下：采用硅钢片环形铁芯,其外径为D=120 mm,内径为d=80 mm,高度a=20 mm,截面积S=400 mm2,平均磁路长度l=251.2mm,饱和磁感应强度Bs=2.0 T,叠片系数λ=0.95。

根据磁性材料的磁化曲线,为避免铁芯在输电导线大电流情况不发生饱和现象,选用饱和磁感应强度最大的工频磁性材料硅钢片作为铁芯,并采用开气隙处理,以此引入磁阻来减小磁导率。设计的铁芯气隙长度δ=1mm,等效相对磁导率μeq=251.2,其理论计算所得的最大励磁电流有效值为1102A,即采用这种结构的取能线圈,可在导线电流1102A之内都不会饱和。而根据架空导线最大允许持续载流量的规定,绝大多数架空导线电流都不超过1000 A。因此,从理论上分析该铁芯设计满足应用需要。

2.1.2 试验分析

从仿真角度,应用 Saber软件进行了验算。建立取能线圈的空载等效模型,分别给线圈一次侧输入100 A、500 A、1000 A正弦电流,得到的二次侧输出电压波形如图3(a)所示。可知波形在电流约1000 A以下均是完整的正弦波未进入饱和区间;1000 A之后有轻微畸变,此时刚达到饱和。这与理论计算计算结果1102A有所减小,主要是因为理论计算时没有考虑气隙磁通扩散引起的气隙有效长度减小。但是两者都表明,改进后的取能线圈在导线电流1000 A以内均不饱和,证明了改进方案的正确性。

图3 改进后的取能线圈输出电压仿真波形

通过大量试验调整参数后,按照图2的原理开发的高电位感应取能装置,输出端带上等效负载,测试输入电流与最大输出功率的关系,结果如图4。

测试表明,电源在200 A可输出1.5W,对于采集和数据传输电路完全足够,测试还证明,取能线圈在1000 A之内都不存在饱和现象,满足导线测温等传感器功能需要。

2.2 低电位感应取能

2.2.1 原理

低电位感应取能是相对于高电位感应取能而言的,指在架空输电线路周围的适合位置而非架空导线上设置金属线圈作为取能线圈,通过电磁感应从高压导线获取能量。基本原理图如下图5。取能线圈至少绕制为1匝,输电线路的电流在周围产生磁场,该磁场穿过线圈,通过感应在引出的始端和尾端之间形成电势差,将始端和尾端连接至供能处理装置并将感应电能转换成适合线路在线监测装置的供电量级,实现在线监测装置的低压供电。该取能方式布置简单、实施成本低,且由于处于低电位,与电网完全电气隔离,其安全性能高,可研究推广使用。

图5 低电位取能基本原理图

图6 取能线圈空间布置图

2.2.2 取能线圈现场布置及取能效果分析

图6为取能线圈的空间布置图,线圈组成的平面与架空输电线路的三相输电线路共同所在的平面相互垂直,同时注意其放置位置应保证其距离架空输电线路最近的边框与架空输电线路的任意一相输电线路的距离均大于安全距离。

对于各电压等级线路的取能效果,若按单匝线圈按图6布置,且因输电线路三相导线间距离较远,通常可忽略B、C两相的影响,则线圈两端的感应电压的计算如下：

其中,y为该点距离A相导线的距离;I为A相导线中任意时刻的电流,且I=Imsin(wt+φ), Im为幅值,w为角频率,φ为相位角。

从而,线圈内通过的磁通：

故线圈两端的感应电压：

由于输电线路安全距离随电压的升高而增大,而h必须大于安全距离,即h增大。当其他参数不变时,高电压等级线路感应得到的电压比低电压等级小,又输电线路电流随线路电压的增大而减小,而感应电动势与输电线路电流成正比,即线路电压越高感应电动势越小。对于尺寸为1×1m、匝数为200的线圈,将其应用于电压等级分别为220/380 V、10 kV、110 kV的输电线路上,假定输电电流均为1000 A,其安全距离分别为1m、1.5m、4m,按最小安全距离布置取能线圈,利用上式进行计算,所得的感应电压幅值分别可达8.72V、7.20 V、2.80 V,输出功率在1～2W之间。

可见,本取能方式在较低电压等级电网能获得较好的取能效果,对于更高电压等级电网可以通过线圈匝数调节以满足输出功率要求。

2.3 势能取电

势能取电是指电容集能转换,即在工频电场条件下,置于电场中的两个金属极板将感应出不同的电动势而出现电势差,通过利用电容两极板间高频率开关的通断,实现电荷流动,从而将电场能转换为电能。其基本原理如下图7。

图7 势能取电基本原理图图

图8 外施工频电场下两极板电势变化曲线

下面将分别通过仿真和实验研究验证方法用于输电线路取能的可行性及其效果。

2.3.1 仿真分析

采用电磁场计算软件Infolytica/ElecNet建立其仿真模型[11],在平板型电容转换器两极板外施工频交变电场,方向与极板垂直,仿真结果如图8。由图可知,电容集能转换器输出电压对外部交变电场具有良好跟随特性。因此,可以利用置于工频电场中两金属极板感应出的不同电动势,使二者之间的电势差用于负载供电,实现电场能到电能的转换。

2.3.2 试验研究

在实验条件下,在两平行金属极板之间施加交变的工频电场,分别改变两极板之间的距离d和两极板的半径r,所得到的转换器输出电压与外施电场强度的关系如下图9所示。所得结果与仿真结果一致。

图9 平板型电容转换器输出电压与外施电场强度的关系

所得结果与仿真结果一致。实验还表明,若平板型转换器与球型转换器拓扑配合,当外界电场强度在5～l0 kV/m变化时,该转换器可稳定输出2.6V电压,且在外电场强度为5kV/m条件下,该取能装置可为温度传感器提供正常工作电压,而这一交变的电场强度在输电线路周围是易获得的。

3 电源低功耗管理研究

在增加取能形式、保障电源供应的同时,对一体化在线监测装置电源实现低功耗管理,在满足装置监测功能正常实施的情况下,保证电源功耗达到最低,实现装置功耗和性能的最佳平衡。

3.1 电源低功耗管理基本原理

电子电路的总功耗是由动态功耗与静态功耗构成,总功耗计算公式如下：P=CVdd

2fc+VddIQ

其中,C为电容,Vdd为电源电压,fc为时钟频率,IQ为漏电流,CVdd2fc为动态功耗,VddIQ为静态功耗。

由于晶体管漏电流在硬件制造时已经确定,故由上式可知,可以通过控制电源电压Vdd及时钟频率fc,以降低动态功耗,实现电源低功耗管理。基于以上分析,应用到一体化监测装置上,主要有以下两种技术支撑：动态电源管理 (DPM)和动态电压频率调节 (DVFS)。

3.2 动态电源管理 (DPM)

动态电源管理技术 (DPM)指优化管理配置系统的资源以达到合理利用的目的。具体而言,主要指在一体化监测装置工作时,关闭不再使用的传感器,或者让其进入低功耗模式以节省功耗,该方法着眼于从系统或者个体的角度管理配置各个传感器的运行功耗。

一般地,传感器网络的工作状态可分为运行、休眠 (关闭)、远程唤醒模式,运用DPM技术使传感器在不同条件下处于不同的工作状态下,以实现电源电力的最优配置。动态电源管理具体实施策略主要有以下三种：

1)超时策略。请求的任务被处理完后,传感器处于等待空闲状态,传感器没有预警阀值触发,当空闲时间超过设定的时限值后,传感器便自动进入休眠或关闭状态。超时策略实现简单,使用最广;

2)预测策略。系统在开始时根据一定的预测算法,对传感器状态进行管理。预测策略可分为预测关闭和预测唤醒,预测关闭是系统预测下一任务请求的时间长短,从而关闭或休眠活动部件;预测唤醒是在休眠或关闭的状态下,预测有任务请求,主动唤醒设备。

3)随机策略。随机策略是将任务请求视为一个随机过程,并基于状态转换的概率建立马尔科夫预测模型,使用线性规划方法求解DPM控制算法,以此确定传感器工作状态。

3.3 动态电压频率调节 (DVFS)

动态电压频率调节技术 (DVFS)是指优化处理器执行功耗的功耗管理技术,即根据监测任务的需求或者传感器工作数量的多少动态调节ARM9处理器的电压或频率,以期通过降低工作频率和电压实现节能的目的。

ARM9处理器是监测装置工作状态转换的核心部件,其片内集成了大量的外设控制器模块,控制着外围设备的时钟输入和供电电路,是系统中功耗消耗大户,直接决定着整个系统的功耗情况。针对性地降低ARM9处理器耗电,将有效地实现装置节能目的。根据系统运行过程中不同的传感器负载,采用动态电压频率调节技术根据处理器速度的需求变化来动态改变处理器的频率电压,可节省很多不必要的处理器功耗,进而降低系统整体功耗。

在实际应用中,常把DPM,DVFS结合起来使用,使在线监测装置节能效果达到最佳。

4 结束语

本文基于863课题输电线路物联网一体化智能监测装置研究应用需要,针对电源瓶颈问题,为保证装置不受季节及环境条件限制的稳定供电,研究装置电源多样化和低功耗电源管理技术,提出了基于镁基蓄电池、太阳能、高低电位感应取能及电极板势能结合的稳定供电取能方式,及动态电源管理技术 (DPM)、动态电压频率调节技术 (DVFS)低功耗电源管理技术的电源综合解决方案,其效果如下：

1)采用100 Ah镁基蓄电池,比常用铅酸、锂电蓄电池具有更轻,强放电,长寿命优点,在无外电源情况下,根据实测可保证45天自生存能力。同时,在冬季覆冰期间依靠以蓄电池为基础、高低电位感应取能及势能取电为补充,借助装置低功耗电源管理策略,可提升装置自生存时间,为装置提供稳定供电电源;

2)高电位感应取能位于架空导线上并取能于导线,可以为安装于导线上的导线测温传感器提供稳定电源,很好地解决了导线上电源供应难、安装不方便等难题;

3)低电位感应取能及势能取电处于低电位,与电网完全电气隔离,安全性能高,且布置简洁、实施成本低,但所取电能有限,可作为覆冰期蓄电池电能补充,结合项目进一步研究试点后应用推广;

4)采用低功耗电源管理策略,从动态电源管理 (DPM)和动态电压频率调节 (DVFS)两方面进行节能降耗,采用休眠、触发、远程唤醒等方式,保证装置监测功能正常运转下,实现电源电力的最优使用及低耗能管理。实际运行整机休眠功耗可低至0.72W(输出电压12V,电流60 mA),且实际运行整机休眠时间占运行状态的90%以上,极大降低装置功耗。

[1] 王秋瑾.架空输电线路在线监测技术的开发与应用 [J].电力信息化,2009,7(11)：59-62.

[2] 黄新波,张国威.输电线路在线监测技术现状分析 [J].广东电力,2009,22(1)：13-20.

[3] 孙才新.输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力,2005,38(2)：1-71.

[4] 李先志,杜林,陈伟根,等.输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理 [J].电力系统自动化,2008,32(1)：76-80.

Research on Power System for Transmission Line Integrated Monitoring Device

LI Bo,ZHAI Shaolei,TANG Biao,WANG En,CAO Min
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

the paper studies the possible power supply around the transmission line corridor and the power management.And then it combines a series of stable power supply manners,such as battery,solar energy,induction energyin high or low voltage side,potential energy,with the low-power management technology,such as the dynamic power management(DPM)and dynamic voltage and frequency scaling(DVFS),to provide power supply integrated solutions for the transmission line integrated monitoring device.And we hope to effectively enhance the device self-survival ability.

power supply;energy obtaining;low-power management;monitoring device;transmission line

TM76

B

1006-7345(2014)03-0005-05

2014-03-13

李博 (1986),男,云南电网公司电力研究院,从事电力系统热工计量和输电线路在线监测的研究工作 (e-mail)flymicheal @163.com。

翟少磊 (1984),男,硕士,云南电网公司电力研究院,从事输电线路在线监测方面工作 (e-mail)zslsd@163.com。

唐标 (1985),男,云南电网公司电力研究院,从事电力系统热工计量 (e-mail)416889015@qq.com。