变电站移动检修电源的改进设计

梁书铭

（广东电网有限责任公司茂名供电局，广东茂名525000）

0 引言

随着现代科技的发展，变电站现场检修和试验工作都大量地使用电动工具和仪器来提高工作效率，而现场的检修电源由于设计不合理和电源中干扰成分越来越多，造成了接取电源不便以及对测试仪器的准确性造成干扰，因此，为了提高现场的工作效率以及测试的准确性，使用移动电源很有必要。而具有自动跟随及无线充电功能的移动检修电源，能进一步解放检修人员的双手，让工作更加便利。

1 移动检修电源的改进方案

具有自动跟随及无线充电功能的移动检修电源整体设计框图如图1所示，移动电源采用12 V的锂电池供电，通过逆变电源，将12 V直流电逆变到220 V输出，同时通过DC-DC模块，将12 V直流电降压至5 V，提供电源给控制模块，而控制模块通过蓝牙模块与手机通信，通过躲避模块和定位模块的传感器及时调整电机及调速模块从而实现自动跟随功能，而无线充电功能通过增加无线充电模块来实现。

图1 移动检修电源整体设计框图

2 改进过程

2.1 自动跟随模块设计

自动跟随模块主要由控制模块、躲避及定位模块、电机及调速模块、蓝牙通信模块以及手机APP软件设计构成。

2.1.1 控制模块

由于自动跟随装置需要进行实时的信息传输、定位数据运算、蓝牙信号传输、电机及调速模块的控制和电源模块的管理等等，如AT89S52此类功能简单的单片机在速度上无法满足需要，会存在延时，因此本文选择高性能的数字信号芯片TMS320F28335作为主控芯片。

TMS320F28335是浮点DSP控制器，与定点类芯片相比，具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D转换更精确快速等优点，其速度频率为150 MHz，浮点单元有32位，有18路的PWM输出以及6个DMA通道，支持ADC、McBSP和EMIF。得益于其浮点运算单元，可快速编写控制算法，无论是软件开发还是开发周期都比较短。

芯片的软件控制分为五个部分，包括主控程序、电机控制程序、蓝牙通信程序、定位及位置判断程序、电源控制程序，依次先设计系统整体软件框架和各功能软件，最后再将其汇总成为一个完整系统，编程语言为C语言。

芯片及控制模块图如图2所示。

2.1.2 躲避及定位模块

由于自动跟随功能在室内或室外均有运用，如果使用GPS定位技术就会出现GPS信号弱而导致定位失效的情况；而红外线定位技术很容易受被测物距离的影响，蓝牙定位技术成本高、稳定性不足，超声波定位容易受多径效应影响等等。

本文综合考虑后采用超声波定位技术，因为其能同时实现躲避和定位的功能，同时还有结构简单、成本低且精度高的优点。

2.1.3 电机及调速模块

考虑到异步电机存在控制复杂、步进电机容易产生失步的缺点，本文采用直流电机，一方面由于其控制简单，只需要通过调整输入的脉冲宽度就可以调整电机的转速，另一方面由于其抗电磁场干扰能力强，在变电站的电磁场干扰下均能正常工作。直流电机高速性能好，抗过载能力强，运行稳定，反应时间短，发热和噪声都有明显的降低。

图2 控制模块

2.1.4 蓝牙通信模块

自动跟随电源与移动目标之间的通信通过蓝牙技术完成，蓝牙技术通信距离较长，不需要对准，传输速度快，工作频段是全球开放的2.4 GHz频段，传输速率可达10 Mb/s，功耗小，一旦脱离范围，还可通过蓝牙连接丢失而告警，并且蓝牙通信模块技术成熟，开发成本低。

2.1.5 手机APP

通过Eclipse+JDK+ADT+SDK构建手机APP开发环境，APP软件功能包括对蓝牙的操作，蓝牙适配器之间的数据通信，移动电源自动跟随功能的开闭，距离感应报警功能的开闭。

2.2 无线充电模块设计

为了保证检修电源能满足现场测试长时间工作的需要，移动电源的电池规格为12 V/100 Ah，一个检修电源可满足1 000 W设备连续工作1 h。要用无线充电来实现与有线充电相同的功率是一个极大的技术挑战，目前存在着功率、效率、涡流、EMC以及结构的问题。无线充电由于发射端和接收端存在一定的距离，因此损耗比有线连接大得多，如果把发射功率调增得太大，从而导致磁场的能量过大，会导致移动电源内部其他电气元件出现涡流，大功率的电磁干扰亦会影响到人的身体健康。

因此，综合考虑充电时间以及无线充电功率的影响，应该将充电功率控制在100 W左右。

无线充电装置系统框图如图3所示。

图3 无线充电装置系统框图

（1）100 W无线充电的实现：VOX330MP05S和VOX20K3A是一对基于电磁共振的专用发射和接收芯片，具有较高的传输效率。VOX330MP05S具有最高100 W的发射能力并且能承受1 000 V以上的高压，因此非常适合作为发射芯片。VOX20K3A是接收芯片，其2脚上的稳压管决定了输出电压的幅值，因此只需在其2脚设置14 V的稳压管即可，但同时要注意稳压管必须是在9～24 V之间选择。

（2）涡流问题的解决：为阻止电磁波往上传播，应在耦合线圈上方增加一层隔离层，该隔离层除了要具有反波的特性，还要有一定的厚度。在隔离层上方再增加一层金属防护层，吸收剩余的电磁波。由于剩余的电磁波还有不少，因此金属防护层必然会发热，如防护层在移动电源内部，电源内必须配有散热风扇。同时移动电源的控制芯片以及电路板不能与充电线圈在同一垂直面上，以尽量减少涡流对其的影响。

设计图如图4所示。

图4 无线充电模块防护设计图

3 性能测试

经现场使用测试，该移动检修电源实现了自动跟随功能，无需任何遥控装置，能根据人的移动快慢自动调整速度和转向，遇到障碍物时会自动避让；同时，当移动电源与手机连接中断时，手机会出现震动提醒，防止移动电源遗漏在现场或失去控制。将移动电源放置在无线发射底座上，移动电源显示充电中，充电功率约为95 W，电池由10%充至100%用时10 h，环境温度26℃，发热模块发热42℃，移动电源接收位置发热39℃，充电后，移动电源依然能正常工作，达到了改进的设计要求。

4 结语

对移动检修电源做出的改进是为了解决变电站生产班组在日常工作中使用移动电源遇到的不便以及问题。自动跟随及无线充电移动检修电源的现场应用，得到了广大检修和试验人员的欢迎，智能化设备能大大提高现场工作人员的效率，同时该移动电源的自动跟随功能还可以应用到变电站的搬运小车、仪器的搬运小车等上，将现场作业人员从沉重的体力劳动中解放出来，因此很适合推广应用。