基于能量采集的输电线环境监测和电流传感研究

  在现代社会中，电网无处不在，而随着信息技术的发展，电网也逐渐 信息化与智能化。作为电网的主体，输电线路与经济、能源、安全等问题 息息相关，是智能电网发展的重点领域。人们希望实时监测输电线数据， 然而由于电网分布广，地势复杂，传感器的供能问题成为了智能电网发展 的阻碍。能量采集技术环保、节能的理念符合现代社会价值观，近年来逐 步走进大众的视野，为解决供能问题提供了可行的解决方案。本文基于能 量采集技术，对输电线路监测这一场景下的自供能传感器系统与非接触式 电流传感进行了设计与研究。

  在自供能传感器系统中，设计了一种抗干扰的压电能量采集器。根据 采集器的输出进行整流电路与能源管理电路的设计，对温湿度传感器和无 线模块供能，随后对储能电容的电压进行分析，最后在手机终端上实时监 测温湿度数据及变化曲线。

  在电流传感的研究中，本文从采集器的输出特性出发，拟合采集器输 出电压与传输线电流的关系曲线，研究 AD 采样测电流的可行性。处理器 根据采样结果计算电流大小，将此数据发送至电脑实时显示。为了验证电 流传感的可靠性，设计了两组实验，证实了电流传感的可靠性与稳定性。 另外系统还实现了大电流的预警供能，当电流过大时，短信模块会发送预 警信息至手机。

[1] 国家电网公司-工作动态. http://smartgrid.sgcc.com.cn/kjcx/kjcx/.
[2] 王仲颖, 郑雅楠. 辉煌 40 年·专家瞭望—改革开放 40 年我国电力发展回顾与展望[J]. 中国电力企业管理, 2018, 000(025): 42-47.
[3] 国家林业和草原局. 2019 年全国森林火灾情况[J].2019.
[4] 李哲, 韩天剑. 无线传感器在智能电网中的应用[J]. 信息通信, 2016(6): 288-289.
[5] 王洪博, 朱轶智, 杨军,等. 无线供电技术的发展和应用前景[J]. 电信技术, 2010, 000(009): 56-59.
[6] 朱俊杰, 李美成. 无线传感器微能源自供电技术研究[J]. 可再生能源, 2012(11): 55-60.
[7] 黄金鑫, 张黎, 李庆民,等. 无线传感器网络自供能技术分析[C]. 中国电机工程学会高电压专业委员会 2009 年学术年会. 中国电机工程学会, 2009.
[8] 张玉国. 无线传感器网络能量自供应技术研究 [D]. 中国科学院电子学研究所, 2007.
[9] 刘丰,高迎霞,毕卫红. 电子式电流互感器高压侧供能方案的研究[J]. 高压电技术, 2007, 33(07): 72-75.
[10] 高迎霞.电子式电流互感器高压侧电路及电源的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2006.
[11] 任晓东 , 陈树勇 , 姜 涛 . 电子式电流互感器高压侧取能装置的设计 [J]. 电网技术,2008,32(18):67-71
[12] 焦斌亮等.高压输电线路 CT 取能电源设计[J].电源技术研究与设计.2013:130-133.
[13] 李澎, 蔡志斌, 罗承沐. 光电电流互感器的供能电路的研究[J]. 电工电能新技术, 2003, 22(04): 44-47.
[14] 付烈. 混合式光纤电流互感器电源的研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2004.
[15] 戚栋. 一种适应母线电流动态范围宽的光电式电流互感器供电电源[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(19): 160-164.
[16] 郜洪亮, 李琼林, 佘晓鹏, 等. 电容式电压互感器的谐波传递特性研究[J]. 电网技术, 2013, 37(11):3125-3130.
[17] 毋金涛.输电线路在线监测装置供电电源设计与实现[D].上海：交通大学，2009.
[18] 闫永巍.分布式太阳能自动气象监测系统研究及其应用 [D].哈尔滨工业大学，2009.
[19] 姜云峰，管啸天，霍江涛，等. 基于太阳能电池的移动机器人能源自治控制系统研究[J]. 河北工 业大学学报. 2011, 40(03): 30-34.
[20] 钟渝. 我国太阳能发电管理策略研究[D]. 成都:电子科技大学, 2012.
[21] 戴欣平, 马广, 杨晓红. 太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法[J]. 中国电机工程 学报, 2005, 25(08): 95-99.
[22] 赵书利, 叶烽, 朱刚. 太阳能电池技术应用与发展[J]. 船电技术, 2010, 30(04): 47-50.
[23] Vijay R., Kansal A., Hsu J., et al. Design considerations for solar energy harvesting wireless embedded systems[C]. The Fourth International Symposium on Information Processing in Sensor Networks (IPSN2005), 25 -27 April 2005, UCLA, Los Angeles, California, USA.
[24] 张亚娟.中小型风力发电系统设计与并网分析[D].北京：华北电力大学，2014
[25] D Carli, D Brunelli, D Bertozzi, et al. A high -efficiency wind-flow energy harvester using micro turbine[C]. International Symposium on Power Electronics Electrical Drives Automation & Motion. IEEE, 2010: 778 -783.
[26] Fang Y , Li Y , Huang M , et al. An Efficient Electromagnetic Wind Energy Harvester for Self-Powered Wireless Sensor Node[C]. 2019 19th International Conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS), 2019 .
[27] Bhatti N A, Syed A A, Alizai M H. Sensors with lasers: Building a WSN power grid[C]. IPSN-14 Proceedings of the 13th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks. IEEE, 2014: 261 -272.
[28] 赵长明, 王云石, 郭陆灯,等. 激光无线能量传输技术的发展[J]. 激光技术, 2020, v.44;No.249(05): 18-25.
[29] 林睿, 陆国生, 谢超,等. 基于激光供能的直流测量传感器的设计与优化[J]. 光通信研究, 2017, 000(004): 55-58.
[30] Towoo Lim, Youngmin Kim, Compact Self‑Powered Wireless Sensors for Real‑Time Monitoring of Power Lines [J]. Journ al of Electrical Engineering and Technology, 2019, 14:1321–1326.
[31] Caijiang Lu, Hai Zhou, Split-core magnetoelectric current sensor and wireless current measurement application [J]. Measurement, 2022.
[32] Mingqi Shi, Xiaolan Wang, Design of Hybrid Energy Harvesting Self-Powered Power Supply for Transmission Line Sensor [J], Earth and Environmental Science, 2020.
[33] Hyun Jun Jung, Yooseob Song, Design and optimization of piezoelectric impact-based micro wind energy harvester for wireless sensor network [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 222:314-321.
[34] Sihang Gao, Xisong Zeng, Bo Tao, Self-powered sensing of power transmission lines galloping based on piezoelectric energy harvesting [J]. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2023.