基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開環(huán)式感應(yīng)取電環(huán)在配網(wǎng)中的研究與應(yīng)用

秦福祥孫麗亞

（1. 國網(wǎng)開封供電公司，河南 開封 475004；2. 國網(wǎng)鶴壁供電公司，河南 鶴壁 458030）

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開環(huán)式感應(yīng)取電環(huán)在配網(wǎng)中的研究與應(yīng)用

秦福祥1孫麗亞2

（1. 國網(wǎng)開封供電公司，河南 開封 475004；2. 國網(wǎng)鶴壁供電公司，河南 鶴壁 458030）

目前，隨著智能電網(wǎng)工程的推進，對取電電源的要求也在提高。本文通過研制出一種小型化、大容量化的取電環(huán)來滿足配網(wǎng)監(jiān)測中設(shè)備所需要的電源，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)取電環(huán)容量的在線監(jiān)測。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；感應(yīng)取電；配網(wǎng)；研究與應(yīng)用

隨著配電網(wǎng)自動化技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中的智能監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用越來越普遍，而配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的智能測控設(shè)備一般是沿線安裝，這就使這些智能設(shè)備的供電問題比較難以解決。因為配電網(wǎng)中有些監(jiān)測設(shè)備是要懸掛到架空線上的，這些設(shè)備如果靠 PT供電的話，則會帶來三個問題，第一是造價較高，因為 PT安裝的價格和相關(guān)絕緣設(shè)備的價格都很高，第二安裝麻煩需要停電安裝，對負荷供電持續(xù)性和可靠性收到影響，另外，增加一個PT也會增加一個系統(tǒng)對地故障的隱患點，這個也是供電部分非常關(guān)心的一個方面。為此我們研究了一種可以通過架空線直接取電的技術(shù)，即采用開環(huán)式感應(yīng)去電環(huán)從線路取電，供監(jiān)控設(shè)備直使用的供電形式。

1　電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指在電力系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控中運用新型監(jiān)測終端，時時獲得電力系統(tǒng)的電壓、電流、功率等各種信息，通過短距離射頻通信及合適的遠距離通信技術(shù)，將這些電力系統(tǒng)信息時時傳送到監(jiān)控中心的一種遠程的、寬泛的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)，它是建立在新型智能低功耗傳感器及先進的通信技術(shù)基礎(chǔ)上的。近年來，隨著新型電子式電壓、電流互感器的出現(xiàn)，隨著計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益受到人們的重視。目前家電行業(yè)提出了智能家電的感念并有相關(guān)產(chǎn)品得到了應(yīng)用和推廣，同樣，在電力的生產(chǎn)、運營和管理領(lǐng)域也提出了智能輸配電設(shè)備的概念，并有部分物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)大量使用，比如，智能型架空線路指示器、智能型環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用就是這方面的一個例子，這些輕型、智能監(jiān)測終端的使用使人們對配電網(wǎng)的監(jiān)測越來越深入和全面，這些產(chǎn)品的應(yīng)用也符合我國發(fā)展智能電網(wǎng)、柔性電網(wǎng)的發(fā)展目標。

目前國內(nèi)外智能配網(wǎng)中環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)、分支箱等箱體內(nèi)電源使用的取電方式主要有3種：PT電壓互感器、CT電流互感器和光伏太陽能板。

1.1加裝PT供電方式

加裝 PT的供電方式是指在需要用電的監(jiān)控設(shè)備的安裝位置安裝專門為給監(jiān)控設(shè)備用電用的PT，有PT將10kV甚至更高電壓變換成220V或100V低壓交流電，監(jiān)控終端以 PT的低壓輸出為電源工作的一種監(jiān)控設(shè)備供電方式。在中供電方式供電功率容易保證，是目前輸電系統(tǒng)自動化裝置中主要的供電方式；但是這種供電方式有以下缺點：①安裝PT需要專用的支架機構(gòu)和安裝的空間，而配電網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備的安裝往往時在現(xiàn)有的線路或配電設(shè)備上安裝，這種安裝專用支架的空間很難保證；②PT價格較貴，而且有些監(jiān)控設(shè)備需要懸掛在架空線路上，取電和送電兩方面都需要考慮絕緣設(shè)計，這就更增加了造價，也帶來的很多技術(shù)困難；③增加PT也就增加了一次系統(tǒng)接地故障的隱患，因此會降低系統(tǒng)供電的安全性能。綜合以上原因，采用 PT供電的方式很難在配電網(wǎng)自動化中廣泛采用。

1.2電流互感器供電的方式

電流互感器供電的方式是指將電流互感器二次側(cè)改為半開路狀態(tài)，在其斷口接濾波電路，并將這個輸出能量作為監(jiān)控終端的工作電源，這種供電方式的優(yōu)點時不需要安裝特殊的安裝機構(gòu)，所占空間尺寸小，如果線路在架空線上的話，則可一將監(jiān)控設(shè)備和電流互感器一體化安裝，一次線路、取電設(shè)備及用電的監(jiān)控終端都在高壓部分，因此絕緣費用很低。但是，電流互感器取電時建立在線路電流的感應(yīng)基礎(chǔ)上，由于線路一次側(cè)電流的變化范圍很大，所以電流互感器的輸出也就不穩(wěn)定；當(dāng)一次線路電流很小時輸出功率很小，可能不足以位置監(jiān)控終端的實用；當(dāng)線路電流特別大時，則電流互感器容易飽和，造成電流互感器的燒毀，因此，如何在線路電流變化巨大的情況下穩(wěn)定可靠供電是電流互感器供電方式中很難解決的問題。

1.3光伏太陽能板供電方式

太陽能板是一種將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的供電設(shè)備，是近期發(fā)展起來的一種新型供電形式，這種形式在偏遠山區(qū)或這一些獨立的監(jiān)控裝置供電中應(yīng)用很普遍。這種供電方式清潔無污染，也沒有采用電壓互感器需要考慮的絕緣問題；但是，這種供電方式只能白天供電，且太陽能板供電受天氣的影響很大，有些南方的山區(qū)往往很長時間的連續(xù)陰雨天氣，這些地區(qū)的監(jiān)控終端如果單純采用太陽能板供電的情況下，則往往會出現(xiàn)由于長時間沒有太陽而停止工作的情況。

2　感應(yīng)取電環(huán)

2.1開環(huán)系統(tǒng)

筆者研制的感應(yīng)取電環(huán)是一種開環(huán)系統(tǒng)，通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免了以往 CT取電效率低容易飽和的缺陷；開環(huán)就是結(jié)構(gòu)上不采用閉合磁路，采用哈弗結(jié)構(gòu)的兩半磁心截面不直接接觸，用4個厚度為0.25mm特制膠片貼在4個截面上，隔斷磁心接觸，兩半磁心間存在1個mm的氣息而，從而形成開環(huán)的取電結(jié)構(gòu)。

優(yōu)點：

1）減弱了普通CT傳感器的渦流現(xiàn)象，解決了取電CT互感器的發(fā)熱問題。

2）用4個特制膠片密封了磁心截面，隔絕了空氣和水，不會發(fā)生傳統(tǒng)傳感器因截面生銹而導(dǎo)致的取電能力減低甚至無法取電的現(xiàn)象。

3）傳統(tǒng)的CT傳感器如果一旦有1mm氣息，根本無法取能，本項目通過研究MTTP技術(shù)，提高了整體電路的輸出功率。

2.2MTTP技術(shù)

MTTP技術(shù)是一種算法，電纜在運行中電流會跟隨負載的情況發(fā)生較大范圍的波動，按照 MTTP算法可以跟蹤電纜電流的變化，從而找到最佳功率點。該算法是恒壓跟蹤法，從圖1可以看出：在一次側(cè)電流變化的情況下，保證輸出電壓恒定時，其輸出功率最大，在設(shè)計時采用MTTP算法，可以最大限度地保障取電功率，提高了一次電流的能量傳遞效率。

圖1　恒壓跟蹤法圖像

2.3感應(yīng)取電環(huán)原理簡述

取電環(huán)采用開環(huán)感應(yīng)取電技術(shù)，通過非閉合式的高壓感應(yīng)器使磁場轉(zhuǎn)換成電能，然后通過整流濾波電路將交流電變成直流電，MTTP（最大功率跟蹤）控制電路使電路自動工作在最大功率點，使整個電路始終工作在效率最佳點，最后通過穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的電壓給負載供電。其特點，高壓感應(yīng)器無渦流，不發(fā)熱，不對電纜本體運行造成影響，MTTP控制電路使電路始終工作在最佳功率點，比傳統(tǒng)的CT取電效率高出8～10倍。

圖2　開環(huán)取電裝置原理圖

2.4取電環(huán)工作狀態(tài)的監(jiān)測

取電環(huán)內(nèi)部安裝有電流監(jiān)測模塊和無線發(fā)射模塊，結(jié)合配網(wǎng)已實施的物聯(lián)網(wǎng)項目，可以實現(xiàn)取電環(huán)電流容量的實時在線監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)取電環(huán)內(nèi)部容量為0或者達到80%時進行后臺報警提醒，防止取電環(huán)因為負荷運行帶來的取電環(huán)不工作影響其他系統(tǒng)，取電環(huán)發(fā)熱、短路等故障。

3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

在特定的設(shè)置參數(shù)下，取電環(huán)只能在限定的環(huán)境溫度及電流變化范圍內(nèi)實現(xiàn)最大功率跟蹤（MTTP），為了實現(xiàn)取電環(huán)工作環(huán)境變化超出限定范圍后取電環(huán)仍然能夠獲得最大功率輸出，并且實時監(jiān)測取電環(huán)的工作狀態(tài)，筆者采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對取電環(huán)的實時監(jiān)控。

無線傳感器自組網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似，分為標準的5層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層，傳輸層，網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)鏈路層，物理層。同時還包括自身特有的能量管理器，拓撲管理器及任務(wù)管理器。這種無線傳感器的組網(wǎng)與運行方式保證了各個傳感器間能夠高效、節(jié)能、可靠地傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的無線自組網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用標準的ZIGBEE協(xié)議，實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠低功耗的無線傳輸。通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，傳感器數(shù)據(jù)在各個傳感器之間采用心跳的方式傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點通過收集到各個傳感器上送的傳感器數(shù)據(jù)后，通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層傳輸，傳輸給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主站，進行數(shù)據(jù)的處理。具體流程采用圖3的方式。

圖3　物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖

其中配電線路的感知設(shè)備采集數(shù)據(jù)和傳輸至監(jiān)測裝置，各廠家所采用的通信手段均不相同，監(jiān)測裝置到匯聚控制器主要以RS485總線或光纖進行傳輸；匯聚控制器到統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)的傳輸主要有以下幾種方式實現(xiàn)：①可直接通過光纖傳輸（電力專網(wǎng)）到統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)或通過變電站到統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)；②可通過電力無線專網(wǎng)到變電站，也可通過電力寬帶載波到變電站，然后由EPON光接入網(wǎng)傳輸?shù)浇y(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)或通過公網(wǎng)（APN）到統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)。

4　應(yīng)用情況

筆者基于以上原理研究設(shè)計的取電環(huán)已經(jīng)在我公司的配電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中小批量使用，通過近半年的使用情況看，工作性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠，在線路最小電流超過 5A的情況下，完全可以滿足常規(guī)監(jiān)測設(shè)備供電的要求，并且減少了維護、維修的工作量，達到了預(yù)定的設(shè)計要求。

5　結(jié)論

取電環(huán)具有獨特的取能方式和設(shè)計理念，線路通電就可以穩(wěn)定供電，具有穩(wěn)定可靠供電、長期免維護運行等特點，克服了太陽能和PT、CT取電的不足，安全穩(wěn)定、低成本、施工方便，解決現(xiàn)場設(shè)備供電難題。為線路上在線檢測、監(jiān)控、巡檢、防盜等電氣設(shè)備提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)互感取電裝置，傳統(tǒng)取電裝置存在輸出功率小，有渦流，發(fā)熱嚴重，影響電纜安全運行，本取電裝置，在同尺寸，同等工作條件下，預(yù)計是傳統(tǒng)取電的8～10倍，無渦流，不發(fā)熱或微發(fā)熱，對設(shè)備本體不造成安全隱患，適用范圍寬，不受環(huán)境限制。另外結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還實現(xiàn)了取電環(huán)容量的實時在線監(jiān)測，防止取電環(huán)因為負荷運行帶來的取電環(huán)不工作影響其他系統(tǒng)，取電環(huán)發(fā)熱、短路等故障。

[1] 張美燕. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息處理技術(shù)研究[D].杭州: 浙江工業(yè)大學(xué), 2008.

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[4] bigwang2007. MPPT算法分析[EB/OL][2016-03-18]. http://wenku.baidu.com.

秦福祥（1972-），男，國網(wǎng)鶴壁供電公司主任，本科，研究方向電力系統(tǒng)自動化。