基于自供電的低功耗電力設備監測系統設計與分析

盧良萌，林 濤,2，韓鳳琴，張 杰

（1.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800；2.華南理工大學 廣東省高效清潔能源利用重點實驗室，廣東 廣州 510640）

0 引 言

變電站作為電網的核心樞紐，是推動電力行業綠色低碳轉型的重要環節。其核心設備變壓器的正常運行直接關系到整個電網的供電和用電可靠性[1]。因此需要采用信息監測技術對變電站核心設備的運行狀態進行實時監測，實現電力系統的高效、綠色、安全運行，從而減少電網大面積停電和電力安全事故。若能夠提前對變壓器進行預警，及時進行故障維修，可避免大范圍的經濟損失和電氣安全事故的發生[2]。近年來，變壓器的溫度在線監測主要有傳統紅外監測、分布式光纖監測和無線監測[3-5]。傳統紅外監測通過有線連接，布線繁瑣，受場地環境制約，數據采集精確度低，且需要人工采集數據，十分消耗人力資源[6]。分布式光纖監測雖能實時測量溫度場，具有體積小、靈敏度高的特點，但其系統布線復雜、操作繁鎖、運維周期長、成本高[7]。

隨著5G 技術及其他科學技術的發展應用，無線監測節點被廣泛應用于智能電網、智能農業、智能工控等領域[8-9]。保障無線監測節點續航供能的穩定性成為了關鍵問題[10]。無線監測節點采用傳統電池供能，電池壽命有限，更換和維護成本較高，且電池中的有害化學元素對環境危害大，不符合環境可持續性發展的新要求[11]。因此，應考慮采用自供電方式，直接將工作環境中的能量轉換成電能為無線監測節點供電，自供電技術主要利用的是光伏、風能、機械能、溫差、復合能等[12-13]。本文設計并開發基于自供電的低功耗電力設備監測系統，利用變壓器自身工作溫度和環境溫度產生的溫差進行發電，為監測系統提供穩定的電能。在電路和程序上采用低功耗設計，降低各個模塊的功耗，節省系統用電，有效地解決變壓器溫度監測問題，保障變壓器的安全運行。

1 總設計方案

基于自供電的低功耗電力設備監測系統包括能量采集模塊、能量管理模塊、傳感監測模塊、主控芯片、通信模塊以及監測上位機軟件，主要結構如圖1 所示。其中，能量采集模塊將設備的熱量直接轉換成電能，為信息采集、管理和傳輸模塊提供電能；信息采集模塊通過溫度傳感器對電力設備狀態進行實時數據采集，狀態數據經過主控芯片進一步處理，通過無線通信模塊傳送至上位機，上位機對接收的數據進行處理、分析、顯示、儲存和預警。當采集模塊數據超出安全范圍時，上位機將根據用戶需求進行多級預警；否則處于待機節能狀態，以降低系統的功耗。

圖1 系統結構

2 自供電工作原理

熱電轉換技術基于賽貝克效應，當P 型和N 型兩種熱電材料連接處存在溫差時，材料中的電子與空穴產生定向移動，在形成回路時為負載提供電能，如圖2（a）所示；多對熱電偶對組成的熱電單體如圖2（b）所示。當能量采集模塊冷熱兩端存在溫度差時，可為負載提供電源。

圖2 熱電轉換原理與單體結構

由于設備運行環境的突變性與多樣性，導致能量采集模塊不能直接為負載提供穩定的電源。由于能量采集模塊輸出電壓與負載電壓不匹配，綜合考慮變電站環境變化下系統自供電的穩定性問題，基于FEH710 芯片設計能量管理電路，電路原理如圖3 所示?？蓪崿F輸入電壓低至0.05 V 的自主啟動和微小電流的采集，能量管理電路中采用2 200 μF 的儲能電容為系統儲能，具有容量小、充電速度快等特點，能夠快速實現能量的收集和使用；470 μF 輸出電容的加入，能夠有效防止負載電流突變和能量源切換時造成供電不穩定。當采集到的電能滿足負載功率時，FEH710 芯片可將采集的電能直接為系統供電，同時為儲能電池或超級電容進行充電；當采集到的電能不滿足系統負載時，FEH710芯片切換儲能電池為系統供電，并且進行涓流充電和儲存。

圖3 能量管理電路原理

3 低功耗電路設計

監測節點的電能是能量采集模塊提供的，但是能量采集的轉換效率受環境限制，能量采集模塊不能時刻滿足節點的電能需求，降低節點的功耗是最有效的解決方法。為保證節點能夠持續進行溫度監測，本系統采用低功耗設計。監測系統中無線通信模塊的耗電量大，常見的低功耗無線通信方式，如ZigBee 和LoRa 的工作電流大多在30 mA 以上，本設計采用低功耗的SPI 無線通信方式，使用nRF24L01P 射頻芯片。當工作在發射模式下，發射功率為0 dBm 時，電流消耗為11.3 mA[14]；接收模式下電流消耗為12.3 mA；待機模式下電流消耗為22 μA；掉電模式下電流消耗為900 nA。多種工作模式極大地降低了系統的功耗。節能前后的功耗對比見表1所列。

表1 系統主要模塊節能前后的功耗對比

系統的中央處理器采用的單片機型號為STC15W4K32S4，具有價格低、工作穩定、耐高溫、抗干擾能力強等特點，相較于8051 單片機的運行指令速度快8 ～12倍。其外設功能豐富，擁有四組完全獨立的高速異步串行通信口（UART）、7 個定時器、內部高精度R/C 時鐘、8 路10位高速AD 和8 路PWM、一組高速同步串行通信端口SPI，這些外設可避免給電路增加多余的模塊，有助于降低電路系統的功耗。

電力設備工作時會產生高溫，溫度過高會造成設備故障，本設計使用DS18B20 數字溫度計對溫度進行監測，當溫度達到預警值時系統將會報警，以達到預防設備損壞、方便及時維修的目的。

DS18B20 數字溫度傳感器具有體積小、功耗低、工作電源寬泛的特點，其工作原理是通過輸出數字信號，將信號線與單片機的引腳相連接，通過編寫程序可控制該溫度模塊測量并獲取溫度數據[15]。測溫范圍為-55 ～125 ℃，可精確到±0.5 ℃，通過數據線獲得電能，不需要外加電源線。模塊GT-24 采用2.4 GHz、功耗為100 mW、最高空中速率可達到2 Mb/s、高穩定性、工業級的無線通信模塊[16]，模塊自帶高性能PCB 天線，精確阻抗匹配。采用nRF24L01P 射頻芯片，比nRF24L01 具有更高的可靠性、更多的功率等級，以及更遠的傳輸距離和更低的功率。此外內置RFX2401 功放芯片，內建LNA，接收靈敏度提高10 dBm，工作在2.4 ～2.5 GHz的ISM 頻段。

4 系統軟件設計

系統主程序設計流程如圖4 所示，系統參數初始化，通過一路總線接口對溫度監測模塊進行初始化配置，通過一組模擬SPI 同步串行通信接口對溫度無線通信模塊進行初始化配置，同時配置定時器中斷服務程序讀取一次溫度監測模塊數據，中央處理器程序主循環中實時接收變壓器溫度結果。對比正常溫度數據，若判斷變壓器處于正常運行狀態時，啟用低功耗模式，禁用SPI 接口，斷開無線通信模塊電源，通過R/C 時鐘控制傳感監測模塊進行周期性采集，并將數據儲存在單片機中。若判斷變壓器發生異常，恢復傳感監測模塊正常運行，立刻驅動無線通信模塊向上位機發送異常數據進行具體分析和預警。

圖4 系統程序流程

為了能夠將無線通信節點接收的溫度和振動信號更加直觀地顯示，基于Microsoft Visual Studio 軟件工具開發上位機溫度監測軟件。上位機軟件程序包括出口配置程序、串口接收函數、顯示窗體函數等，具有數據實時顯示、數據儲存、故障預警的功能。上位機程序流程如圖5 所示。

圖5 上位機程序

5 測試及結果分析

通過搭建自供電無線監測系統試驗平臺，對系統性能進行驗證。系統測試平臺如圖6 所示，包括P100F 恒溫加熱臺、PC 上位機終端、無線接收器。監測節點三維圖如圖7 所示。將監測節點放置在恒溫加熱臺，無線接收器與PC 上位機終端連接，進行系統性能測試。

圖6 系統測試平臺

圖7 自供電監測節點三維圖

5.1 溫差發電模塊最佳負載電阻測試

能量管理電路設計需要確定溫差發電模塊的最佳負載電阻，以達到能量的最大化利用。由于變壓器的正常工作溫度為60 ℃。因此，設置60 ℃為溫差發電模塊的熱端溫度，通過調節變阻箱，找到溫差發電模塊最大輸出功率時的最佳負載電阻，從0 ～25 Ω，每增加1 Ω 記錄一次數據。測試結果如圖8 所示，當負載電阻為5 Ω 時，溫差發電模塊的輸出功率為最大值62.24 mW。最佳輸出功率的計算方式如下：

圖8 負載與輸出功率的關系

當R=r時，P有最大值Pmax，即：

式中：u為負載電壓；i為負載電流；R為負載；r為溫差發電模塊內阻；U為開路電壓；P為溫差發電模塊輸出功率。

5.2 能量管理電路性能測試

恒溫加熱臺設置溫度范圍為35 ～80 ℃，通過加熱臺對半導體發電片進行加熱來調節能量管理電路的輸入電壓。當加熱臺溫度為35 ℃時，能量管理電路輸入電壓為0.025 V，輸出電壓為0.17 V；當能量管理電路輸入電壓達到0.05 V 時，輸出電壓為2.98 V，隨后快速上升至3.47 V，然后趨于穩定，如圖9 所示。說明能量管理電路具有0.05 V 低壓啟動的能力，并且能夠快速達到3.47 V 的穩定電壓輸出；能量采集模塊輸出電壓為0.05 V 時能量管理電路轉換效率為52%；輸出在0.1 V 后，轉換效率可達97%，證明能量管理電路可以為監測節點提供穩定的電能輸出。

圖9 輸入電壓與輸出電壓的關系

在變壓器運行時監測節點需要穩定的電源來維持各個模塊的工作。系統各模塊功耗見表2 所列，監測節點總功率為115.50 mW。不同溫度狀態下能量管理電路的輸出功率如圖10 所示。熱端溫度為35 ℃時，溫差為9.1 ℃，輸入電壓為0.057 V，大于啟動電壓0.05 V，此時可輸出功率為104.53 mW，低于節點功耗115.50 mW，由電池為節點供電；正常工作熱端溫度為60 ℃時，溫差為21.9 ℃，可輸出功率為183.26 mW，能量管理電路在滿足節點消耗為115.50 mW 的情況下，可將多余的電能存儲到電池中。輸出功率表達式如式（2）所示，因此能量管理電路完全可以滿足監測節點正常工作時的電能需求。

表2 系統各模塊功耗

圖10 溫差與輸出功率的關系

式中：Pout為能量管理電路輸出功率；P為溫差發電模塊輸出功率；β為轉換值。

6 結 語

本文設計并開發了低功耗自供電變壓器監測系統，從能量采集模塊、能量管理電路、低功耗電路和上位機等方面的設計對系統進行了詳細的介紹，該系統能夠監測變壓器的溫度運行狀態，同時可將變壓器所產生的熱量轉換成電能為系統供電。該系統運行功耗為115.50 mW，節能功耗約為0.83 mW。測試結果表明：變壓器正常工作熱端溫度為60 ℃時，系統可以有效地采集變壓器所發出的熱量，并且通過能量管理模塊進行升壓穩壓輸出183.26 mW，能夠滿足系統的電能需求，采集變壓器的溫度信息，判斷是否異常，通過SPI 通信無線傳輸到上位機進行預警。