高压输电系统电磁能量收集与存储技术综述

郭 屾，王 鹏，张冀川，栾文鹏，于 杰，何志祝

高压输电系统电磁能量收集与存储技术综述

郭 屾1，王 鹏2，张冀川2，栾文鹏2，于 杰3，何志祝3

（1中国电力科学研究院，北京 100192；2中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；3中国农业大学，北京 100083）

稳定、可靠的电源供给是高压输电系统在线监测设备有效运行的关键。本文主要从能量收集与存储方面综述了输电线在线监控终端的电源供给技术现状，重点评述了被测系统内部取电、外部取电及多种方式组合取电，以及基于电池和超级电容器储能技术在高压输电系统在线监测方面的应用，并梳理了这些技术方案的优势以及亟待解决的问题。在此基础上，进一步探讨了在线监测系统供电方式的前景及未来的发展趋势。

高压输电系统；能量收集技术；输电线监测装置

高压电缆被誉为电力系统的动脉，其运行状态是否正常直接影响到电力系统的安全性。目前，国内外的研究焦点主要集中在如何对电力电缆运行状态参数进行故障监测与诊断，并取得了大量的研究成果。然而，针对在线监测系统的供电问题研究却不够充分，并且由于其特殊的工作环境，高压侧监控终端的供电问题已经成为这一领域发展的瓶颈[1-3]。

首先，针对高压侧电子设备的安全性问题，需要采取电气隔离措施，用于信号传送的系统设备不能采用常规电源进行电气连接；其次，针对监控终端供电设备需要长期暴露在野外，并且几乎无电气工程师定期维护的问题，需要采取一种受环境影响较小、免维护的供电方式；最后，随着智能电网的快速发展，输电线路的电压等级也在不断提高，输电线监测装置不可避免的会受到高电压、强磁场的影响，针对在线供电终端抗干扰的问题，提出了较高的要求。因此，进行电力电缆状态参数在线监测系统供电终端的关键性技术研究，开发出野外环境适应性良好、并且维护安装方便的供电技术，具有重要的应用价值。

本文针对目前国内外输电线在线监测装置高压侧供能的实现方法进行了归纳，对各类供能方式存在的不足进行了总结，并在此基础上对高压侧供电技术的发展趋势进行了分析。

1 技术分类

目前，高压输配电线路在线检测设备的取能电源主要有以下几种方式[5-7]：输电线感应取能、激光供能、太阳能供能以及蓄电池供能等，这4种是目前比较常见且应用得到广泛认同的方法，但随着科技的进步，人们对该领域研究的不断深入，涌现了一些新的供能手段，如超声波供能、微波输能等，其中基于电磁感应方式取电是目前应用最广泛的无线充电技术。本文按照输电线在线监控设备的取能来源，在文献[8]的基础上，对其分类进行了进一步的细化，结果如图1所示。

图1 技术分类框图

2 从被测系统内部取能

2.1 感应供能式能量收集

按从母导体取能方式通常分为两种方法[9]：一种是线路电流感应取能供电，另一种是电容分压取能供电。

2.1.1 电流感应取能

由于高压电线周围存在交变磁场，若高压输电线路中的电流发生变化，母线周围磁场也会发生变化，进而通过感应取能线圈产生感应电压，感应电压经过整流、滤波、稳压等取能电路进行变换处理，最终实现为供电设备在线供电。

图2 电流感应取能原理图

该种供能方式，由于解决了高压侧电子设备的绝缘隔离问题，并且体积小、成本低，因此使用范围较广泛。但是，一次侧电流对其输出电压影响较大，而且输电线中母线电流十分不稳定，受气象环境影响较大，如雷击故障等，电流幅值在几安与数十千安之间波动。

因此，目前电流感应取能供电方式主要面临以下两个问题：① 在母线小电流状态下，如何保证电源的正常供应；② 在母线大电流或者短路故障大电流状态时，如何给与电源相应的保护。

目前，研究进展主要体现在磁芯材料、保护及处理电路、功率控制等方面的改进[10]。王玮等[11-12]设计的供电电源能够根据母线电流大小自动调节线圈初、次级绕组的匝数比，使得在母线电流较大时能够保证电源的稳定性和较低的电路热耗，同时在母线电流较小时保证系统具有较小的供电死区。赵强松等[13]基于能量收集的思想，设计了七级电荷泵电路实现能量收集和转移。实验结果表明电源样机能够在输电线电流为1 A时为负载提供足够能量。与二次绕组为1500匝的电流互感器供电电源相比，所设计的550匝供电电源更适用于输电线电流小的情况。LI等[14]开发了一种高值的升频转换匹配电路以及适用于弱能量采集（小于700mm）的瞬时放电电路。瞬时放电电路能在很长一段时间内从T型传感器中积累微弱的能量，并能在很短的时间内提供更高的功率输出。多绕组高效转换管理电路可以驱动输出功率为60毫瓦，距离超过40 m的无线传感器，可用于许多其它低频能量采集无线传感器驱动。张立洪等[15-19]通过充分分析电源各参数之间的关系以及影响磁饱和的因素，根据电磁感应原理设计了有效的电源结构，解决了高压侧有源电子装置的电源问题。

2.1.2 电容分压取能供电

该种取能方式所需的能量是通过电容分压器从电力电缆周围的电场中获取的，利用该能量能够驱动检测系统完成在线取能工作。电路原理图如图3所示。高压电容分压器连接在高压母线和地之间，从高压母线获得的能量通过整流滤波和稳压电路处理后输出到高压侧电路。在工程使用方面，中式电容分压器的使用频率更高。

图3 电容分压取能原理图

这种取电方式的原理与电流感应取电方式类似，一次侧电压通常比较稳定，但一次侧电流起伏变动剧烈。电容分压取能供电的方式与线路电流感应取能供电相比，电容分压式的电源输出稳定，但是在设计层面上，必须解决以下三个问题：① 取能电源和后续工作电路之间的有效隔离问题；② 其输出特性对外界温度、杂散电容等影响都极为敏感，因此存在着更多的误差来源；③ 采用该方法得到的能量有限，无法为后续电路提供足够的功率。

李衍川等[20]通过分析高压电场能量收集原理，建立了静电场耦合分布电容模型。为了克服负载变化对超级电容储能的影响，采用同步电荷提取优化技术进行能量管理，实验表明，该方案能够实现高压侧自供能，采样间隔在4 min之内。武可等[21]提出了一种改进的高压侧线上供电方案，该方案通过绝缘性能优良的高压陶瓷电容进行在线取能，外加电路保护及电压控制等回路，克服了现存高压取能技术的种种弊端，很好地实现了高压侧在线取能功能。赵东生等[22-23]首先分析了电路模型和负载阻值对电容式电势能采集器输出功率的影响，并针对交流双回500 kV干字型输电杆塔的塔头电场分布情况进行了数值仿真，获得了电势能采集器的最优安装位置。最后通过实验测量到直径40 cm，间距15 cm的电容式采集器在电场发生单元工频电压为50 kV时，24 s内获得208 μW 的输出功率，满足无线传感器的最小功率要求。另外，还提出了一种利用变压器阻抗变换特性和平板电容边缘效应在交流输电线路杆塔侧采集空间电场能的方法。ZHANG等[24]提出了一种小尺寸变压器在高压电力线上的升频转换振荡电路，将工频输出信号转换为高频振荡信 号。对于10 kV电力线，升频转换最大充电功率达到663 μW，最大效率比传统的方法提高了3%～90.5%。

2.2 振动能量收集

目前国内外研发的振动能量收集装置依据其工作原理主要分为3种形式：压电式、电磁感应式和静电式。

2.2.1 压电式

压电振动能量采集装置的工作原理是基于压电材料的正压电效应，将机械振动能量转化为电能。压电材料在某个固定方向的外力作用下会产生形变，并产生内部电极化。与此同时，在两个表面上便会产生电荷。该电荷是等量异号的，电荷的表面密度与外力的大小成正比。当外力被收回时，电荷恢复到无电荷状态，当作用力的方向改变时，电荷的极性也发生变化，从而将机械振动能量转化为电能。优点是在环境适应性、集成化方面优于其它形式的振动能量收集装置。缺点是：①需要一次线路穿过电流互感器的铁心，体积庞大、安装不方便；②容易充电泄露，存在电容性、高输出阻抗、存在非线性效应；③压电材料通常韧性低，容易疲劳。

李衍川等[25]提出了一种压电振动能量收集装置，陶瓷压电材料的一端固定一个磁铁用于感应母线电流产生的磁场，磁铁受磁场影响产生振动，带动陶瓷压电材料振动感应出交流电压。实验结果表明，该装置能够为无线传感器间歇工作提供稳定电源。MOGHE等[26]指出环境的振动频谱特性也是影响压电式振动能量收集装置发电性能的关键影响因素，其它因素还有装置本身的结构设计、能量收集电路及相关设计参数等。刘祥建等[27]首先利用软件仿真的方式对感应磁场及压电效应进行仿真，获得压电悬臂梁固定端中压电片的最佳放置位置处，并实现了压电转换能量的管理，结果表明，充电电流最大达400 μA。原理图如图4所示。

图4 电磁谐振供能原理图

目前，随着超磁致伸缩材料的研制，基于超磁致伸缩材料的振动能量收集的研究已经成为国际上的一个新热点[28-29]。

2.2.2 电磁感应式

该种能量收集装置是将外界随机的机械振动转化为永磁体或线圈回路的运动，利用两者之间的相对运动，实现线圈回路内磁通量的变化，最终产生感应电动势。优点是感测频率范围广、发电量大、制程与MEMS技术兼容性较好、不需要外部电源驱动，并且在各种恶劣环境中的适用性较好。缺点是：①磁铁的性能较差，并且由于空间容量固定，线圈的匝数会受到限制，另外，电磁部件的振动速度受激振幅度的影响较大；②结构微型化带来了输出功率的下降和输出功率与输出电压无法兼得等问题；③集成度不高、装配精度较低。

目前，虽然电磁式振动能量采集装置的某些固有缺陷并没有得到有效的解决，但随着科技及工艺水平的提高，各类科研机构对各种新型的电磁能量转换装置进行了大量研究，并取得了一系列的科研成果。宋博等[30]设计了一种平面弹簧式微型电磁振动能量采集器，该能量采集器主要包括静线圈和由磁体、质量块与平面弹簧构成的拾振系统。实验结果表明，工作在谐振频率 45.44 Hz 时，利用 Ansoft Maxwell软件仿真分析得到最大输出电压为205 mV。PARK等[31]研究的电磁振动能量采集器，在54 Hz频率，0.57 g加速度激励下，183匝线圈的输出电压为68.2 mV，输出功率为115.1 μＷ。HAN等[32-33]利用悬臂结构磁电复合材料，从传输线周围的工频 （50 Hz）磁场中收集能量，实验结果表明，单、双层能量采集器在10 A时分别能够输出0.62 mW和1.12 mW，40 A时功率输出提高到4.11 mW和9.40 mW。

2.2.3 静电式

静电式，也称为电容式，其振动能量收集装置所采集的电能是通过静电效应转化机械振动能得到的。静电式振动能量收集装置在开始对输电线监测装置供电前，需要一个外部引导电源，使该外部电源与可变电容之间能够产生电压差。当可变电容受到机械振动引起电容值发生变化时，机械振动能被被转化为电能。

静电式振动能量收集与电磁式振动能量收集相比，与微机电系统的集成性较好，适合在空间较小的场合应用，并且不需要智能材料，能够在收集低频振动环境中产生较大的输出功率。静电式振动能量收集装置虽然精度较髙，但是缺点有：①由于器件稳定性较差，导致系统结构复杂并且设计与制造困难；②为了保证引导电源与可变电容之间具有初始电位差，该装置工作前需要将启动电压加到电容极板上，因此，操作步骤繁琐。并且静电式振动能量收集装置产生的是高电压、低电流和高输出阻抗。

综上所述，静电式振动能量收集在工程应用中具有较大的难度[34]。

TRICHES等[34]提出一种静电式能量收集装置，利用 MEMS工艺，用硅聚合物作为驻极板，结果表明，该结构在加速度为 0.014 g、振动频率为75 Hz的振动环境中，可以产生1.17 µW的功率，其输出阻抗有20.3 MΩ，具有良好的共振效果。

3 从被测系统外部取能

3.1 无线能量传输方式

3.1.1 电磁感应方式

电磁感应式的无线能量传输的依据是法拉第电磁感应定律，发射线圈通过电磁感应在空气中产生磁场，接受线圈在磁场中感应产生电动势而产生电能, 其工作原理为图5所示。为了确保系统能传递更多的能量，其关键在于如何使得接收线圈与发射线圈磁路耦合系数最大化，这就要求在系统设计的时候着重考虑发射与接受天线的参数、形状与安装位置等因素。

图5 电磁感应原理图

该能量传输方式的优点是能够支持较大的传输功率，且在技术方面比较成熟。缺点是：①能量的传输效率相对较低，研究表明，虽然当系统工作在几毫米的范围内时，能量传输效率可以达到90%甚至更高，但是由于空气磁阻较大的缘故，传输效率会随着传输距离的增加迅速下降，而过短的距离又无法保证装置的高低压绝缘；②当发射线圈与接受线圈存在偏差时，那么电力的传输效率会明显地受到影响；③通常系统送电功率的大小与线圈的尺寸密切相关，若需要进行大功率的电力传输时，需额外增加电力设备的成本投入；④为了提高电力的传输效率，在进行能量传输时一般会采用较高的发射频率，高发射频率会伴随高频辐射，容易对人体健康造成危害。

此外，还有一种基于电场的容性电能传输方式，原理如图6所示。该技术的优点在于对金属材料具有很强的穿透性，尤其在金属较多的场合进行能量传输时具有一定的优势。在缺点方面，该方法基于电容之间的感应原理进行能量传输，因此这对于电容内部金属极板之间的距离设计和保持有着极高的要求，即使是微小的位移也会引起整个电力传输系统参数的变化，系统的稳定性相对较差，使得电能在传输过程中可能出现波动甚至传输中断。

基于电磁感应的无线能量传输的理念最早是在20世纪90年代由奥克兰大学的BOYS等[36-37]提出的，该研究团队对非接触式的电磁感应能量传输的基本理论和原理做了深入的研究，此后随着科技的发展，此技术己经比较成熟，现在己经有大量的成熟产品。这些产品和相关研究涵盖了电动车、手机电池、无线供电等各个领域。

ZHUANG等[38-40]介绍了一种新型高压监测设备的工作电源，用高频磁芯线圈作为电能的发送端和接收端，利用一种绝缘磁性材料为高频磁场提供传输通路，通过高频电源发送电能，实现从低压侧向高压侧供能，并且具有较高的电能传输效率、较好的电磁兼容性、绝缘性能。为了降低传输损耗，提高电力传输效率，唐磊等[41]对传统的取能线圈进行了改进，引入了补偿线圈，在此基础上提出了一种新的高压侧电磁感应取能通信电源设计方案。其两铁心材料初始磁导率不同，两线圈反向串接以实现在大电流状态下电动势反向补偿。实验结果表明，在电流宽范围变化下能够长期低热耗、稳定运行。TASHIRO等[42]基于电磁感应原理设计一款能够收集输电线周围磁场能量的装置，深入分析和研究了输电线负载功率、磁芯界面、距离等因素与能量产生之间的关系。实验结果表明，该装置的平均能量收集效率约为86%，当输电线功率在2200 W时，该装置大约能收集25 MW的能量。考虑到弱低频磁场噪声的影响，该团队基于电磁感应原理设计了能量收集模块以及磁噪声能量采集的阵列模块。结果表明，60 Hz的磁场下能够收集6.32 MW，如果可用磁通密度增加10倍，则收集能量增加了100倍，并且针对阵列模块距离的影响进行了分析。此外，为提高输出电压，该团队在此基础上又设计了一种由能量采集模块和功率调节模块组成的工频电磁能量收集装置，实验结果表明，该装置可以提供5 V的输出电压。为了解决线圈匹配和绕组定位的问题，KIM等[45]提出了一种SPS串联补偿电磁耦合的拓扑结构，并在2 kW输电线和空气间隙为15 cm的线圈进行了实验验证。电磁感应能量传输技术也被广泛得电动汽车无线充电领域，SALLAN等[46]对电动汽车无线充电系统中的电磁感应耦合器一次侧和二次侧匝数，截面尺寸以及耦合频率的参数进行了设计，并提出了优化方案。为了解决一次侧和二次侧因为中心位移所产生的电力传输效率下降的问题，VILLA等[47]又在此基础上提出了一种电路补偿方案。实验表明该方法在输电功率为2 kW，一次侧和二次侧之间的间距为15 cm时，能有效地解决上述问题

图6 基于电场的容性电能传输方式

3.1.2 磁耦合谐振式

目前，很多研究人员将磁共振技术和磁耦合相结合，提出了磁耦合谐振式能量传输方法。高键鑫等[48]中指出在磁耦合中，通常耦合系数极低，但是在磁共振技术中品质因数却很高，可以对磁耦合系数进行补充，这与磁耦合在原理上是一致的，故将采用磁共振技术的非接触电能传输方式归并为磁耦合谐振式传输方式。

图7 耦合磁共振能量传输原理图

当两个谐振体的谐振频率相同，且两者之间的间距保持在一定的距离，那么两个谐振体就会因电磁耦合产生谐振现象，能量会以磁场或者电场作为媒介进行无线传输，其原理图如图7所示。在能量发射端，50 Hz的交流电通过整流滤波模块转化成交流电，并采用高频逆变模块将直流电再转化成为高频交流电。在能量接收端，高频交流电经过电磁感应产生电动势，由伏辩补偿和整流滤波转化为直流电，为了获得适合负载使用的直流电，通常使用功率调节器对获得的直流电进行调节。

为了解决能量发射端和接收端的感应耦合器因为电磁耦合程度低，漏感大所导致的电力传输效率低的问题，需在系统中增加补偿模块对功率因数进行调，并采用LC谐振的方式确保补偿模块与电磁耦合器形成谐振。这也是与电磁感应充电方式的不同之处。

耦合磁共振能量传输的优点在于：支持长距离的电力传输，最远可以对几米远的负载进行供电，同时兼顾了较高的传递效率和较大的传递功率。由于系统采用了磁耦合谐振技术，不会产生高频辐射，对人体不产生危害。同时该能量传输方式当传输时遇到非金属障碍物时不会产生能量损耗，且在能量传输方向上不受限制。

目前，耦合磁共振能量传输已经广泛地应用于人们日常的生活，随着技术的发展和逐步成熟，该技术在军事、医学、航空航天等领域也取得了一系列的成果，是近几年无线传输领域的研究热点。陈志勇[49]将磁耦合能量传输技术用来给电子式电流互感高压侧的电路进行供电，为了实现发射和接受线圈的同时谐振，实现能量传输，发射部分采用采用CPLD产生方波触发脉冲驱动全桥逆变电路，产生高频激励。实验结果表明，接收电压为12 V，功率为5 W左右，传输距离为0.5 m。WANG等[50-51]提出了一种新型高压侧在线监测工作电源的解决方案：在系统的发送端和接收端采用了高频磁芯线圈，并使用了一种剧院磁性材料作为高频磁场的传输介质，将电能由系统的电压侧传递到高压侧，完成电能的传输。能够保证一定的传输效率的同时，有效解决检测中的电磁兼容问题。WANG等[52]提出了一种全新的非线性谐振的电磁能量收集器，从理论和实验两方面论证了在功率密度和带宽增大的情况下，能够从传输线周围的工频（50 Hz或60 Hz）磁场中收集能量，并对磁场的频率起伏具有很强的鲁棒性。ZHAO等[53]提出了一种从电力线静电杂散场中采集能量来驱动无线传感器节点的解决方案，并设计了电源模块和能源管理单元，现场试验表明，该能量采集器可采集足够的能量，功率达到16 MW。

针对耦合器耦合系数偏低问题，JOLANI等[54]对耦合器的结构进行了改进，提出了一种阵列式耦合结构，并将该结构与尺寸相同的单线圈耦合器进行了性能分析与对比，实验结果表明阵列式耦合器能有效地提高电力传输效率。为了增大电能发射模块中阵列耦合器的耦合系数，OODACHI等[55]提出了在异相激励模式下的解决方案。RAMRAKHYANI等[56]讨论了多中继线圈与耦合器中距离电力传输的效率和功率的关系，并研究了单耦合器与多耦合结构对系统整理性能的影响，研究表明通过增加中继线圈的数量可以有效地提高耦合的效率。

3.1.3 微波输能传输

电磁发生器将电能转化为电磁波，通过天线在空气中进行定向传播，当接收端的天线接受带电磁波后，在通过电磁转化模块将电磁波转化为电能。研究表明当电能的传输以微波为载体时，电能在传输过程中能量损失小，效率高，且能实现长距离的传输。其基本原理如图8所示。

图8 微波输能原理图

基于微波的能量传输现在主要面临以下问 题[57-58]：①为了保障能量的传递效率，系统通常需要配备大功率的微波源，同时在能量传输时对定向天线的性能就有较高的要求；②微波方式可能会对检测设备或者被检测设备的正常运行造成干扰，更严重的会产生强烈的电磁辐射，影响人的正常生理机能[59]；③如何实现整流天线多模式、多功能工作，并解决整流天线在多模式和多功能工作下调谐困难等问题，仍然是一个难题[60-62]。

若能有效的解决上述问题，基于微波的无线能量传输必将有长足的发展。目前，这种方式主要应用于一些铺设有线线路比较困难的特殊场合，主要应用于航空航天[63]、军事等领域，可见投入电力电缆在线监测系统等其它领域也只是时间问题。

SIMIC等[64]使用微波能量传输对工作中的无人机进行充电，利用电压240 V、电流10 A、频率50 Hz的发射机得到10 V左右的感应电压。李玉红等[65]对微波无线供电系统的组成、结构、传输效率等关键问题进行了详细的分析研究，在此基础上设计了一种工作在 C 波段的微波无线供电系统，用一个100 Ω的电阻进行测试，最终接收到0.229 V电压，验证了该方案的可行性。ZHOU等[66]研究了微波功率传输系统发射天线的孔径优化方法，以获得低成本下的最大DC-DC效率。数值计算结果表明，在一定条件下，准菱形（QR）和准圆（QC）模型比相同单元数的平方（SQ）模型具有更高的光束收集效率。卢萍等[67]针对非衍射贝塞尔天线和 Hankel聚焦特性及 Hankel 聚焦天线这一新兴课题，研究和设计了一种双频率整流天线，详细分析了整流天线在多频率工作时的调谐机理，研究了频率可重构技术与整流天线匹配之间的关系，通过分析非衍射发射天线和接收天线在近场中的相互耦合关系，提出了近场微波输能的等效电路。通过采用阻抗共轭匹配和模式匹配法，获得了发射天线和接收天线在非衍射近场范围内的最佳传输效率。

3.2 激光供能式能量收集

根据传输介质不同，激光供电可分为两种：空气和光纤。以空气为传输介质受环境影响较大，且容易对生物造成烧伤甚至危及生命。以光纤为介质的传输简单的可以理解为在低电位的光源侧采用激光供电，经传输介质的传导高电位侧接收到低电位侧的能量，高电位侧接收到的能量经过光电池等转换器件的作用将光源发出的能量转化成电能量，最后稳定电源的输出仅需经过稳压处理即可。当在温度条件一定时，采用激光二极管便可保证稳定的输出光的功率，其原理图如图9所示。

现在，这种电力供应方式在有源光电电流互感器领域的研究和应用上受到广泛重视。这种方式有以下优点：①使用光纤进行传输能量，完全实现隔离高、低压，绝缘性能良好；②在一定温度条件下电源的稳定性较好，纹波小，噪声低，受附近电磁场的干扰较小。主要缺点有：①激光光源的输出功率和发光波长易受环境温度的影响，为保证光源功率的稳定输出，需要采取一定的温度补偿措施；②光电转换效率低和DC-DC 变换损耗会降低传输功率，需要对高压侧电路进行低功耗设计，增加电路设计的难度；③采用大功率激光发生器作为低压侧激光光源，以保证较大能量稳定传送，提高成本；④在大电流驱动状态下长时间工作的激光二极管易发生退化现象，缩短工作寿命。这些缺点都是长期阻碍该供电方式广泛应用于现场的关键因素。

图9 激光供能式原理图

王旭东等[68]以“光纤传能”为核心，并且结合激光器和光电池的工作性能参数，基于一种改进的波分复用技术，完成了光纤供电系统的外围工作电路的设计，实现了能量与信息的并行传输，完成了晋煤集团架空输电线路在线监测装置供电要求的光纤供电系统。MATSUURA等[69-70]利用光纤耦合输出型激光器，该激光器将输出的激光通过光纤传输至目的地，通过光电池将其转换为电能，实验结果表明，该方式具有良好供能的效果。

3.3 太阳能供能式能量收集

太阳能供能和蓄电池供能的发展时间最长，技术也相对最为成熟，在实际生活中的应用案例也较多。太阳能供电通常和蓄电池组合为高压侧装置供电，利用光伏发电效应，太阳能电池板将光能转化为电能，可直接用于供电，或为蓄电池充电。原理图如图10所示。

目前，清洁能源太阳能由于拥有较好的经济性、环保性，并且性价比较高，因此在实际生活中大量应用，主要适合室外、光照充足的地区。有以下缺点：①太阳能供能式能量收集极易受到如光强、温度、季节变化等气候条件以及周围环境状况的影响，而且在阴天、下雨或夜晚只能由蓄电池供电，由于受到蓄电池自身容量以及使用寿命的限制，极易造成在线监测装置断电现象，其很大程度上限制了该方式的适用范围；②太阳能供能式转换效率较低也是影响其应用的一个重要因素。

图10 太阳能供能式

3.4 蓄电池供能式能量收集

蓄电池供能式目前应用广泛，技术成熟度最高，但是该方式受电池容量及性能的影响较大，由于输电线在线监测装置的应用场景为野外环境居多，频繁更换高压侧电池很不方便，一般被用作测量点数少、电路微功耗、测量装置可长时间处于休眠状态的场合或用作辅助式电源。目前，可以采取两种方法延长电池的使用周期：①使用大容量蓄电池，并采取有效的电池管理措施，以延长电池循环使用寿命；②对在线监测装置的电气系统进行微功耗电路设计，从而进一步节省电能。

3.5 超声波供能

该供能方式由两部分组成：石英传感器、玻璃纤维棒。电能是利用超声波振荡器驱动石英传感器产生的，通过玻璃纤维棒连接的电力电子线路将产生的电能传输到后续负载设备。

目前，国外将这种供能方式广泛应用于微型机器人等领域。但是，该种供能方式还存在大量的不足[71]：首先超声波设备的费用较高，不易广泛推广使用；而且该方式的电能转换效率较低，不易满足工程实际需求，因此该方法尚未进行实用化。

4 多种供能方式组合

多种供能方式组合可以充分发挥系统的优势，但是同时也会引入各种各样的缺点，以激光供能方式为例，现在技术相对不够成熟，而且设备成本偏高，户外环境对蓄电池的性能有较大影响，容易导致电池使用寿命缩减，频繁更换电池十分麻烦。

研究与实践表明，以电流感应取电为主，同时与蓄电池供能、激光供能以及太阳能供能等方式相结合，能较好地发挥系统的整体性能。当母线电流在正常范围时，此时通过电流感应进行取电，为负载供电；当母线电力较小或者电流中断时，则由其它的供电方式进行替代补充。母线电流变化范围大是电流感应取电最大的挑战，采用组合供电的方式能较好地改善这类问题，但是仍然会存在以下的问题。①磁饱和问题：磁芯的饱和特性是影响传统感应供能的关键因素之一，若线路母线电流较大，进入饱和状态后的磁芯会影响副边电压增长，若长期处于深度饱和状态，致使磁损耗过多，进而磁芯发热过多，容易烧坏磁芯及线圈；②电路复杂：为了能够满足供电功率需求，电流、电压检测电路、控制电路及电源切换电路通常比较复杂，致使电路设计工艺的难度提高。

许鹏等[72]提出了利用直接从母线取能为主,蓄电池供电为辅的电源设计方案，并完成了对电源电路的设计。采用仿真软件仿真与实验的方式对电源电路进行了验证，结果表明，设计的电源可以比较好的满足导线温度监测装置对电源的要求，达到预期的目的。毕亭亭等[73]将感应取能供电与蓄电池供电相结合，结合电机学、电磁学等基础学科理论，研究了输出电压与一次电流、磁芯磁导率、磁芯尺寸等性能参数之间的关联信息。并对取能磁芯进行建模分析，确定了磁芯尺寸和二次侧匝数。实验结果表明：该在线取能装置能够在3～1000 A电流范围稳定供能，供能效果明显，并且供电死区较小。WANG等[74]提出了感应能量采集与无线电力传输的混合无线供电系统，将高压输电线绝缘距离和无线供电效率进行重点考虑分析，结果表明，在阈值约束条件下，提高抽运能量的主要参数包括：大芯内半径、芯径向厚度、芯高和小芯隙。另外，当其它参数保持不变时，优化二次线圈匝数可以最大限度地提取能量。然后，引用简单灵活的控制策略来限制电流变化引起的功率波动。最后通过实验验证了优化方法的有效性。王维等[75]提出了一种将实时感应取能技术与中远程无线电能传输技术相结合的新型在线监测设备供电模式，总体上分为高压输电线路感应取能装置与磁耦合谐振式无线传能系统两部分，并对关键参数与传输性能间的影响关系进行详细建模分析，实验结果35 kV、110 kV高压输电线路在线监测设备的供电需求。

此外，YANG等[76]提出了一种新的磁、热电、振动能量采集系统，目的是解决无线传感器网络部署的基于状态的监测电气设备的用电，通过模拟研究和实验室实验研究了三种模式的能量转换特性，并利用超低功耗电路来调节和整合前端收割机的单个输出，建立了混合能源管理系统。

综上所述，3种不同类型的电磁能量收集技术的优缺点及其各自的应用范围与场合，具体如表1 所示。

表1 三类电磁能量收集技术方式对比

5 存储技术

为了实现高压输电系统监控设备的在线供能，能量收集完成后，通常需要给蓄电池或者超级电容器充电，将电能进行存储，由电池或超级电容器进行间接供电。

5.1 电池存储技术

目前，常用的储能电池主要有：铅酸蓄电池、镍电池和锂电池。铅酸电池的阳极为二氧化铅，阴极为海绵状铅，电解质为硫酸溶液。铅酸电池的制造工艺成熟、价格低廉，并且通用性强，但体积比能量、重量比能量偏低，单体电压较低。镍电池的正极为活性物质氢氧化镍，目前镍镉电池与镍氢电池的技术较成熟，镍镉电池使用寿命较长，可深度放电，但电极中的镉有剧毒，环境友好性较差。相比镍镉电池，镍氢电池更环保，并且镍氢电池由于功率容量较大，能够满足高功率要求，因此在混合动力电动汽车中应用广泛。相比于前二者，锂电池用于高压输电系统的在线监测装置中具有明显的优势。锂电池的端电压一般比前两者高3倍，单体电池端电压为3.6～3.7 V，充放电次数可高达500～1000次，并且没有记忆效应，自放电率较低。锂电池主要构成材料包括正负极材料、电解液、隔离材料等，正极材料有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、钴镍锰酸锂三元材料以及磷酸铁锂等，负极材料是由含碳化合物，包括焦炭、石墨和中间相炭微球，其中石墨基炭应用较为广泛[77]。锂电池充放电过程即锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程，同时伴随着等当量电子的嵌入和脱嵌。

表2 SOC估计方法优缺点

表3 RUL预测方法优缺点

随着在线监测装置中电池使用时间的延长，电池正负极材料的活性会发生钝化，甚至发生极化现象，降低了可移动锂离子的数目，并且电解液也会因长时间的充放电而发生变质或流失，导致电池内阻不断增大，因此为了保障电池使用安全、提高电池使用效率、延长电池使用寿命，需要准确、可靠的估算电池荷电状态SOC，预测电池循环使用寿命RUL。目前SOC状态估计算法比较成熟，估算误差不超过5%。针对RUL的预测精度，为了提高预测结果的可信度，需要进一步优化算法并将预测结果进行更详细的量化和评估[78]。SOC状态估计[79-81]、RUL预测算法[82-85]的优缺点分别如表2、表3所示。

此外，高压输电系统在线监测装置通常工作环境恶劣，经常处在严寒或者炎热的环境温度下，温度过高或过低都会对锂电池寿命造成影响。当温度过高时，电池负极SEI膜会变厚，增大了锂电池内阻，增加了焦耳热，从而使温度升高；低温情况下，电解液变黏稠甚至凝结，限制了导电的锂盐的活动，从而会导致低温下出现充电慢或充不满的情况，放电时电池反应速率迅速下降，降低其充放电效率和容量。因此，为了满足储能电池在宽温度范围内的使用需求，高效、节能的热管理技术是至关重要的。目前，高温下在线监测装置的热管理策略主要采用空气冷却方式，低温下的热管理控制可分为内部加热控制和外部加热控制，前者利用脉冲电流致使内阻生热提升电池温度，后者则采用外部电加热介质对储能电池进行预加热。

YE等[86]采用微热管阵列，以冷却和加热电池模块。结果表明，当电池温度低于0 ℃时，充电容量明显增加，这为提高电池模块在高温和低温下连续充放电循环的稳定性和安全性提供了新的途径。LEI等[87]在低温环境下，用瞬态加热三维有限元模型研究了自加热锂离子电池结构，在相同条件下，采用自加热法加热的锂离子电池组的温度比宽线金属膜加热法加热的温度高三倍，但自加热法加热的锂离子电池组的温度均匀性较差，可以通过降低锂电池的加热功率和厚度，提高加热的锂电池温度均匀性。但利用宽线金属膜加热法加热的锂电池温度均匀性也可以通过降低加热功率、锂离子电池的厚度等方法解决。LEI等[88]还建立了一个三维加热有限元模型，对利用自加热法加热的锂电池温度梯度进行了详细的分析，提出了间歇式自加热法。通过模拟分析和比较，通过0.1 s加热和0.3 s停止加热，温差从10～11 K降低到2～3 K。

5.2 超级电容器储能技术

超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物4个部件。常用的电极材料有碳基材料电极、导电聚合物电极和金属氧化物电极。按其储能原理主要分为两类：双电层电容器和法拉第赝电容器。双电层电容器的充放电过程是通过双电层机理完成电荷的存储和释放。法拉第赝电容器的储能方式主要有两种：一种是利用双电层上的存储实现电荷的储存；另一种是利用电解液中离子在电极活性物质中发生的氧化还原反应实现电荷的储存。

与电池相比，超级电容器的充放电循环寿命在100000次以上，能在-40～70 ℃的环境温度中正常使用，并且充电迅速、免维护。但超级电容器的电参数模型精度不高所引起的系统稳定性及可靠性问题，以及一致性检测困难，尤其是电极活性材料导致的能量密度较低等问题成为制约其发展的难点 所在。

目前，可以通过提高正、负极材料的比容量或者提高正、负极材料之间的工作电压来解决能量密度过低的问题。LI等[89]设计的用于高速长寿命透明面内微超级电容器的纳米结构AgNWS-MoS2电极材料包层，具有高的速率稳定性（在0.2 V/s和3 V/s的高接收率下，比面电容分别为27.6 mF/cm2和16.9 mF/cm2），循环使用寿命长（充放电次数为10000时容量剩余96.4%），弯曲稳定性（在8 V/s的高速率下，以180°弯曲100次，损失率只有1.4%）。FLEISCHMANN等[90]通过对非对称混合超级电容器电池的研究认为，可以在较高的电位窗口中操作活性炭电极，使用更高的电池电压和较少的碳电极块来提高能量密度。该原型电池的比能量为100 W·h/kg，比功率为2 kW/kg，充放电次数超过1500次时仍然具有较高的稳定性。CHEN等[91]采用一锅法制备了氮、硫共掺杂石墨烯气凝胶（NS-GA）。所制备的材料在离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）电解液中作为超级电容器电极进行研究。用X射线衍射、X射线光电子能谱和拉曼光谱对NS-GA进行了表征。结果表明，NS-GA具有分级多孔结构。用循环伏安法和恒流充放电法研究了其电化学性能。值得注意的是，基于NS-GA-5的超级电容器在功率密度为0.94 kW/kg时具有最大能量密度，为100.7 W·h/kg。电极材料在电流密度为1 A/g时，提供了203.2 F/g的大比容，3000次循环后的NS-GA-5的电容保持率为90%，扫描速率为2 A/g。

6 结 语

本文综述了高压输电系统电磁能量收集与存储技术的研究现状、技术优势与不足，分析了各类电磁能量收集及存储系统的基本结构及工作原理，在此基础上阐述了目前国内外的主要研究方向和热点问题。

（1）从被测系统内部取电的供能方式中，从成本、长期稳定性、适用性等多方面考虑，感应取电供能是实用性较好的供能方式，如能在关键问题上加以研究改进，一定会有很大的发展前景。对于振动能量收集供能方式，压电式振动能量采集器使用寿命长，无需频繁更换，已成为业界研究的热点。

（2）从被测系统外部取电的供电方式中，蓄电池供电、太阳能供电等方式在目前应用最为广泛，但其缺点也比较突出。无线能量传输供能方式，例如：磁耦合谐振式、微波输能等，虽然取得了引人关注的成果，但是就总体水平来看还处于研究起步阶段，如系统整体效率有待提高，在能量传输过程中线圈的发热问题以及对电子设备电磁干扰等问题制约着此种能量传输方式的发展。但在此基础上发展和改进而来的无线能量传输系统具有广泛的应用前景。

（3）以电流互感器供电为主，电池供电、激光供电等方式为辅的联合供电可以优势互补，增强供电的可靠性和稳定性，这种供能方式也是一个重要的研究方向。

（4）锂电池与超级电容器是目前常用的储能设备，锂电池由于能量密度大，平均输出电压高，自放电小等优点成为目前常用的储能设备，但锂电池的突出缺点是受环境温度、过充及过放等因素的影响较大。超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，但能量密度低，并且超级电容作为电源用时，还需要辅助电路，因此目前技术成熟度和成本处于劣势。

[1] RODRIGUEZ J. Electric field energy harvesting from medium voltage power lines[D]. Melbaurne: RMIT University, 2017.

[2] GUO F, HAYAT H, WANG J. Energy harvesting devices for high voltage transmission line monitoring[C]//Power and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE. IEEE, 2011: 1-8.

[3] 王晓文, 张晓. 输电线路在线监测系统供电电源探讨[J]. 电工技术, 2017(4): 75-77.

[4] 周健瑶. 结合超级电容和锂电池的电流互感器取能电源研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2014.

ZHOU Jianyao. Study on the current transformer energy-absorbing source combined with super capacitor and lithium battery[D]. Chongqing: Chongqing University, 2014.

[5] 陈常涛. 高压CT在线取能装置的优化分析与实现[D]. 济南: 山东大学, 2017.

CHEN Changtao. Optimization analysis and realization of high voltage CT online power collection device[D]. Jinan: Shandong University, 2017.

[6] 于文斌, 何青连, 刘堃, 等. 一种基于交流电流源取能电源的设计技术[J]. 电器与能效管理技术, 2017(09): 37-40.

YU Wenbin, HE Qinglian, LIU Kun, et al. A design technology of ct enorgy-obtaining source based on AC power supply[J]. Electrical & Energy Management Technology, 2017(09): 37-40.

[7] 宋道军. 电流互感器的建模及其在输电线路取能电源中的应用[D]. 重庆: 重庆大学, 2012.

SONG Daojun. CT modeling and its application in draw-out power supply of transmission-line[D]. Chongqing: Chongqing University, 2012.

[8] 康荣波, 林瀚伟, 杨明发. 中高压电气设备在线监测装置供电技术综述[J]. 电器与能效管理技术, 2016(6): 1-7.

KANG Rongbo, LIN Hanwei, YANG Mingfa. Review on power supply technology for on-line monitoring device of middle and high voltage electrical equipment[J]. Low Voltage Apparatus, 2016(6): 1-7.

[9] 张露. 电力电缆测温系统取能电源设计研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

ZHANG Lu. Design of draw-out power supply on power cable temperature measurement system[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[10] 龚贤夫, 周浩, 戴攀, 等. 一种输电线路大功率取能电源的设计[J]. 电力系统保护与控制, 2012(3): 124-128+134.

[11] 王玮, 贾明娜, 张新慧, 等. 一种电子式电流互感器的高压侧设计[J]. 自动化仪表, 2016, 37(1): 81-84.

WANG Wei, JIA Mingna, ZHANG Xinhui, et al. Design of the high voltage side for electronic current transformer[J]. Process Automation Instrumentation, 2016, 37(1): 81-84.

[12] 王黎明, 李海东, 陈昌龙, 等. 新型高压输电线路低下限死区大功率在线取能装置[J]. 高电压技术, 2014, 40(2): 344-352.

WANG Liming, LI Haidong, CHEN Changlong, et al. A novel online energy extracting device with low lower limit deadband on transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(2): 344-352.

[13] 赵强松, 叶永强, 徐国峰, 等. 一种适用于小电流母线的电子式电流互感器供电电源[J]. 电力系统自动化, 2015(19): 121-125.

ZHAO Qiangsong, YE Yongqiang, XU Guofeng, et al. Power supply of electronic current transformer for power bus with low current[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015(19): 121-125.

[14] LI P, WEN Y, ZHANG Z, et al. A high-efficiency management circuit using multiwinding upconversion current transformer for power-line energy Harvesting[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(10): 6327-6335.

[15] 张立洪. 高压侧感应电源的研究与设计[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2013.

[16] 焦斌亮, 付伟, 赵德功. 高压输电线路CT取能电源的设计[J]. 电源技术, 2013, 37(1): 130-133.

JIAO Binliang, FU Wei, ZHAO Degong. Design for CT energy-getting power of high voltage transmission line[J]. Journal of Power Source, 2013, 37(1): 130-133.

[17] WU Z, WEN Y, LI P. A power supply of self-powered online monitoring systems for power cords[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2013, 28(4): 921-928.

[18] LIU Y, XIE X, HU Y, et al. A novel high-density power energy harvesting methodology for transmission line online monitoring devices[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(7): 653-663.

[19] LI P, WEN Y, ZHANG Z, et al. A high-efficiency management circuit using multiwinding upconversion current transformer for power-line energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(10): 6327-6335.

[20] 李衍川, 江和. 新型高压侧自供电电源设计与研究[J]. 电工电能新技术, 2014(8): 77-80.

LI Yanchuan, JIANG He. New energy management circuit applied in electric self-power supply over high voltage side[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2014(8): 77-80.

[21] 武可, 王静丽, 陈晓瑞, 等. 高压侧电容取能电源的研究[J]. 电气工程学报, 2014(6): 54-56.

[22] 赵东生, 戴栋, 李立浧, 等. 变压器的阻抗变换特性在交流输电线路杆塔侧电场能采集中的应用[J]. 高电压技术, 2015, 41(12): 3967-3972.

ZHAO Dongsheng, DAI Dong, LI Licheng, et al. Electric field energy harvesting around AC transmission line using impedance conversion of transformer[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(12): 3967-3972.

[23] 赵东生, 戴栋, 邓红雷, 等. 交流输电线路杆塔侧的电势能采集可行性研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2015(4): 119-125.

ZHAO Dongsheng, DAI Dong, DENG Honglei, et al.Feasibility study on energy harvesting around AC transmission line based on electric potential[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition), 2015(4): 119-125.

[24] ZHANG J, LI P, WEN Y, et al. A management circuit with upconversion oscillation technology for electric-field energy harvesting[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(8): 5515-5523.

[25] 李衍川, 江和. 大电流下的电磁能量收集技术研究[J]. 电气开关, 2013, 51(4): 52-55.

LI Yanchuan, JIANG He. Research on electromagnetic energy collection around the high current[J]. Electric Switcher, 2013, 51(4): 52-55.

[26] MOGHE R, YANG Y, LAMBERT F, et al. A scoping study of electric and magnetic field energy harvesting for wireless sensor networks in power system applications[C]//Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE 2009, 2009: 3550-3557.

[27] 刘祥建, 陈仁文. 压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势[J]. 振动与冲击, 2012, 31(16):169-176.

LIU Xiangjian, CHEN Renwen. Current situation and developing trend of piezoelectric vibration energy harvesters[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(16):169-176.

[28] 孟爱华, 杨剑锋, 蒋孙权, 等. 柱棒式超磁致伸缩能量收集器的设计与实验[J]. 振动与冲击, 2017, 36(12): 175-180.

MENG Aihua, YANG Jianfeng, JIANG Sunquan, et al. Design and experiments of a column giant magnetostrictive energy harvester[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(12): 175-180.

[29] 刘成龙. 基于超磁致伸缩材料的能量收集装置研究[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2015.

[30] 宋博, 何青, 费立凯. 微型电磁式能量采集器的设计与仿真[J]. 环境保护与循环经济, 2012(11): 39-43.

[31] PARK J C, BANG D H, PARK J Y. Micro-fabricated electromagnetic power generator to scavenge low ambient vibration[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2010, 46(6): 1937-1942.

[32] HAN J, HU J, YANG Y, et al. A nonintrusive power supply design for self-powered sensor networks in the smart grid by scavenging energy from AC power line[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(7): 4398-4407.

[33] 张帅. 新型电磁型振动能量收集装置的设计与研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2015.

ZHANG Shuai. Design and study of the novel electromagnetic vibration energy harvester[D]. Hangzhou: Zhejiang Universty of Technology, 2015.

[34] TRICHES M, WANG F, CROVETTO A, et al. A MEMS energy harvesting device for vibration with low acceleration[J]. Procedia Engineering, 2012, 47(7): 770-773.

[35] WU H H, BOYS J T, COVIC G A. An AC processing pickup for IPT systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(5): 1275-1284.

[36] BUDHIA M, COVIC G, BOYS J. A new IPT magnetic coupler for electric vehicle charging systems[C]//IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2010: 2487-2492.

[37] 聂一雄, 牛如明, 陈逸鹏, 等. 一种新型高压侧在线监测工作电源的研究[J]. 高压电器, 2014(1): 47-51.

[38] ZHUANG Y, XU C, YUAN S, et al. An improved energy harvesting system on power transmission lines[C]//Wireless Power Transfer Conference. IEEE, 2017: 1-3.

[39] 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.

[40] 梁明, 马鹤楼, 陈海彬, 等. 高压电磁感应取能通信电源的研制[J]. 电气应用, 2010(21): 34-36.

[41] 唐磊. 基于电磁感应的家用电线能量采集装置的设计[D]. 武汉: 华中科技大学, 2015.

[42] TASHIRO K, WAKIWAKA H, INOUE S, et al. Energy harvesting of magnetic power-line noise[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(10): 4441-4444.

[43] TASHIRO K, WAKIWAKA H, UCHIYAMA Y. Consideration of array module design for energy harvesting of power-line magnetic noise[J]. Materials Science Forum, 2012, 721: 191-198.

[44] TASHIRO K, WAKIKAWA H, UCHIYAMA Y. Loss measurement in power conditioning module for power-line magnetic noise energy harvesting device[C]//The 20th MAGDA Conference in Pacific Asia (MAGDA2011)), 2012, 20: 440-445

[45] CHEON S, KIM Y H, KANG S Y, et al. Circuit-model-based analysis of a wireless energy-transfer system via coupled magnetic resonances[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(7): 2906-2914.

[46] SALLÁN J, VILLA J L, LLOMBART A, et al. Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(6): 2140-2149.

[47] VILLA J L, SALLAN J, OSORIO J F S, et al. High-misalignment tolerant compensation topology for ICPT systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(2): 945-951.

[48] 高键鑫, 吴旭升, 高嵬, 等. 电磁感应式非接触电能传输技术研究综述[J]. 电源学报, 2017, 15(2): 166-178.

[49] 陈志勇. 基于磁耦合无线传输电源的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2013.

[50] 聂一雄, 牛如明, 陈逸鹏, 等. 一种新型高压侧在线监测工作电源的研究[J]. 高压电器, 2014(1): 47-51.

[51] WANG W, HUANG X, TAN L, et al. Optimization design of an inductive energy harvesting device for wireless power supply system overhead high-voltage power lines[J]. Energies, 2016, 9(4): 242.

[52] WANG Z, HU J, HAN J, et al. A novel high-performance energy harvester based on nonlinear resonance for scavenging power-frequency magnetic energy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017 (99): 1-1.

[53] ZHAO X, KEUTEL T, BALDAUF M, et al. Energy harvesting for overhead power line monitoring[C]//International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices. IEEE, 2012: 1-5.

[54] JOLANI F, YU Y Q, CHEN Z. A planar magnetically-coupled resonant wireless power transfer using array of resonators for efficiency enhancement[C]//Microwave Symposium. IEEE, 2015: 1-4.

[55] OODACHI N, OGAWA K, KUDO H, et al. Efficiency improvement of wireless power transfer via magnetic resonance using transmission coil array[C]//IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. IEEE, 2011: 1707-1710.

[56] RAMRAKHYANI A K, MIRABBASI S, MU C. Design and optimization of resonance-based efficient wireless power delivery systems for biomedical implants[J]. IEEE Transactions on Biomedical Circuits & Systems, 2011, 5(1): 48.

[57] 林先其, 许冬冬, 曾姜杰, 等. 微波输能技术的研究进展及发展趋势分析[J]. 南京信息工程大学学报(自然科学版), 2017, 9(1): 34-45.

[58] 王维. 高压输电线路在线监测设备无线供能关键技术研究及系统优化设计[D]. 南京: 东南大学, 2017.

[59] 李灿. 超高压输电线路下人体电磁感应研究[D]. 济南: 山东大学, 2015.

[60] KARMOKAR D K, ESSELLE K P, HAY S G. Fixed-frequency beam steering of microstrip leaky-wave antennas using binary switches[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2016, 64(6): 2146-2154.

[61] YURDUSEVEN O, JUAN N L, NETO A. A dual-polarized leaky lens antenna for wideband focal plane arrays[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2016, 64(8): 3330-3337.

[62] HEEBL J D, ETTORRE M, GRBIC A. Wireless links in the radiative near field via bessel beams[J]. Phys. Rev. Applied, 2016, 6(3): doi: 10. 1103/physRevApplied.6.034018.

[63] STRASSNER B, CHANG K. Microwave power transmission: Historical milestones and system components[J]. Proceedings of the IEEE, 2013, 101(6): 1379-1396.

[64] SIMIC M, BIL C, VOJISAVLJEVIC V. Investigation in wireless power transmission for UAV charging[J]. Procedia Computer Science, 2015, 60(1): 1846-1855.

[65] 李玉红. 移动物体微波无线供电系统研究[D]. 唐山: 华北理工大学, 2017.

[66] ZHOU H W, YANG X X. Aperture optimization of transmitting antennas for microwave power transmission systems[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium. IEEE, 2014: 1357-1358.

[67] 卢萍. 微波输能系统的电磁波能量聚焦及高性能整流天线研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2018.

[68] 王旭东. 架空输电线路在线监测装置光纤供电系统设计[D]. 太原: 太原理工大学, 2016.

[69] MATSUURA M, FURUGORI H, SATO J. 60 W power-over-fiber feed using double-clad fibers for radio-over-fiber systems with optically powered remote antenna units[J]. Optics Letters, 2015, 40(23): 5598-5601.

[70] WANG J, WAN H, XU J. Fiber-wireless sensor system based on a power-over-fiber technique[J]. Optical Engineering, 2015, 55(3): doi: 10.1117/1.0E.55.3.031104.

[71] 何友忠. 高压在线监测设备供电电源的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2011.

[72] 许鹏. 高压输电线路电流状态监测及供能研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2012.

[73] 毕亭亭. 高压输配电线路在线取能装置的研究与设计[D]. 保定: 华北电力大学, 2016.

[74] WANG W, HUANG X, TAN L, et al. Optimization design of an inductive energy harvesting device for wireless power supply system overhead high-voltage power lines[J]. Energies, 2016, 9(4): doi: 10.3390/en9040242.

[75] 王维. 高压输电线路在线监测设备无线供能关键技术研究及系统优化设计[D]. 南京: 东南大学, 2017.

[76] YANG F, DU L, CHEN W, et al. Hybrid energy harvesting for condition monitoring sensors in power grids[J]. Energy, 2017, 118: 435-445.

[77] LIU H, WEI Z, HE W, et al. Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review[J]. Energy Conversion & Management, 2017, 150: 304-330.

[78] ZHAO Q, QIN X, ZHAO H, et al. A novel prediction method based on the support vector regression for the remaining useful life of lithium-ion batteries[J]. Microelectronics Reliability, 2018, 85: 99-108.

[79] ANTÓN J C, NIETO P J, VIEJO C B, et al. Support vector machines used to estimate the battery state of charge[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(12): 5919-5926.

[80] ANTÓN J C, NIETO P J, JUEZ F J, et al. Battery state-of-charge estimator using the MARS technique[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(8): 3798-3805.

[81] CHANG W Y. Estimation of the state of charge for a LFP battery using a hybrid method that combines a RBF neural network, an OLS algorithm and AGA[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2013, 53(53): 603-611.

[82] XING Y, MA E W, TSUI K L, et al. An ensemble model for predicting the remaining useful performance of lithium-ion batteries[J]. Microelectronics Reliability, 2013, 53(6): 811-820.

[83] WANG D, MIAO Q, PECHT M. Prognostics of lithium-ion batteries based on relevance vectors and a conditional three-parameter capacity degradation model[J]. Journal of Power Sources, 2013, 239(10): 253-264.

[84] LIU D, PANG J, ZHOU J, et al. Prognostics for state of health estimation of lithium-ion batteries based on combination Gaussian process functional regression[J]. Microelectronics Reliability, 2013, 53(6): 832-839.

[85] SÁNCHEZ L, COUSO I, GONZÁLEZ M. A design methodology for semi-physical fuzzy models applied to the dynamic characterization of LiFePO4, batteries[J]. Applied Soft Computing, 2014, 14(1): 269-288.

[86] YE X, ZHAO Y, QUAN Z. Thermal management system of lithium-ion battery module based on micro heat pipe array[J]. International Journal of Energy Research, 2018, doi: 10.1016/j. applthermaleng.2018.09.108.

[87] LEI Z, ZHANG Y, LEI X. Temperature uniformity of a heated lithium-ion battery cell in cold climate[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.09.100.

[88] LEI Z, ZHANG Y, LEI X. Improving temperature uniformity of a lithium-ion battery by intermittent heating method in cold climate[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2018, 121: 275-281.

[89] LI J, SHI Q, SHAO Y, et al. Cladding nanostructured AgNWs-MoS2, electrode material for high-rate and long-life transparent in-plane micro-supercapacitor[J]. Energy Storage Materials, 2019: doi: 10.1016/j.ensm.2018.05.013.

[90] FLEISCHMANN S, WIDMAIER M, SCHREIBER A, et al. High voltage asymmetric hybrid supercapacitors using lithium- and sodium-containing ionic liquids[J]. Energy Storage Materials, 2019: doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.011.

[91] CHEN Y, LIU Z, SUN L, et al. Nitrogen and sulfur co-doped porous graphene aerogel as an efficient electrode material for high performance supercapacitor in ionic liquid electrolyte[J]. Journal of Power Sources, 2018, 390: 215-223.

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。

国家电网公司总部科技项目（SGHE0000KXJS1700184）。

郭屾（1984—）男，博士，研究方向为配用电数据分析应用、配电物联网、线路能量收集等，E-mail：guoshen@epri.sgcc.com.cn；

何志祝，研究方向为柔性传感技术研究与应用，E-mail：zzhe@cau.edu.cn。