在线监测设备电源系统设计研究

詹金特 卢文华

【摘  要】在线监测设备对电力系统的正常运行具有监测作用，其长期可靠运行具有重要意义，所以保证在线监测设备供电电源能够长期有效的供电具有重要意义。本文将考虑在线监测设备的负载特性及锂电池和超级电容的充放电特性，对在线监测设备的工作状态进行分析，得到在线监测设备随时间变化的电流需求，在保证电池使用寿命的条件下，通过电池管理系统的智能选择，切换使用锂电池和超级电容来进行供电，以确保锂电池能够长期安全可靠供电，实现在线监测设备的长期有效运行。

【关键词】在线监测设备;供电电源;锂电池;超级电容;智能选择

Abstract：The on-line monitoring equipment has the function of monitoring the normal operation of the power system，and its long-term and reliable operation is of great significance.So it is of great significance to ensure the long-term and effective power supply of the power supply of the on-line monitoring equipment.In this paper，the load characteristics of the on-line monitoring equipment and the charge discharge characteristics of the lithium battery and the super capacitor will be considered，and the working state of the onsline monitoring equipment will be analyzed，and the current demand of the on-line monitoring equipment changes with time is obtained.When the battery life is guaranteed，the lithium battery and the super capacitor are used to supply power through the intelligent selection of the battery management system to ensure the long-term safe and reliable power supply of the lithium battery and the long-term and effective operation of the on-line monitoring equipment.

This work is supported by State Grid Shanxi Electric Power Company of science and technology projects（No.SGSX0408）

Key words：Online monitoring equipment，Power supply，Lithium battery，Ultra capacitor，Intelligent selection

引言

随着电网智能化的普及，输配电线路的运行状态直接关系到整个電网运行的安全和效益[1]，对输配电线路的监测越来越智能化，在线监测设备是其重要组成部分，受到了越来越多的关注。保证在线监测设备能长期正常运行具有重要意义。

目前，在线监测设备的供能方式主要有传统的锂电池供能、太阳能供能、分压电容取能、激光供能等方式以及CT 取能，相较与前三者，CT 取能应用更广泛[2-3]，成为国内学者的研究热点。

在采用CT进行取能时，当线路电流较小时，无法感应出足够的电压，将会存在电源死区，由于电流互感器的磁饱和问题，单一材质的取能磁芯工作电流范围有限，当线路断电时无法得到稳定电流，使电源无法工作。考虑感应电流的大小，同时兼顾小电流、大电流时的取能工作，采用两个不同材质的取能磁芯并行工作，根据电流范围选择合适的磁芯取能。在备用电源方面，通常选用性能优良的锂电池在一次电流过小或断电时为监测设备续能以保证其正常工作，然而由于负载在工作时会出现短时的大功率需求，无法满足供能需求，通过引入C8051F021单片机构建电源控制电路，从提高电源自适应能力的角度尝试解决上述问题，使供电电源能够有效应对不稳定的电流状况，具备长期、稳定供能的性能。有文献提出了一种锂电池和超级电容相结合的CT取能方法，能够使在线监测设备工作稳定可靠，无供电死区，并具有较大的瞬时功率。然而，这些文献没有考虑在线监测设备的工作状态以及功耗要求，而且没有考虑该供电电源是否能长期安全可靠运行。

针对以往研究中没有考虑在线监测设备的工作状态以及功耗要求，没有考虑供电电源是否能长期安全可靠运行，本文将考虑在线监测设备的具体工作状态，并考虑供电电源的使用寿命。本文将将考虑在线监测设备的负载特性及锂电池和超级电容的充放电特性，通过负载随时间变化的电流需求，在保证电池使用寿命的条件下，切换使用锂电池和超级电容来进行供电。通过电池管理系统的智能选择，确保锂电池能够安全可靠供电，在负载功率低于锂电安全电流时，选择锂电池进行供电，在负载功率需求较大时，通过超级电容供电，实现在线监测设备的长期有效运行。

1工作流程

本文将对在线监测设备的供电电源进行研究，当电力系统正常运行时，通过电流互感器为负载进行供电，并对锂电池和超级电容进行浮充，当系统出现故障时，CT将会供电不足，此时通过锂电池和超级电容来供电。考虑锂电池寿命的影响因素有温度和放电电流倍率，通过多元函数遗传算法找到锂电池安全放电电流倍率，对在线监测设备的负荷曲线进行分析，根据负荷曲线选择合适的锂电池容量，计算出锂电池的安全工作电流，当设备所需电流小于锂电池的安全电流时，选择锂电池进行供电，当设备所需电流大于锂电池的安全电流时，选择超级电容进行供电，实现在线监测设备的长期有效运行，如图1所示。

2在线监测设备负载曲线

以往在线监测系统供电电源的研究都没有对设备的工作状态进行研究，没有考虑其负载特性，本文将对在线监测系统的负载特性进行分析，在线监测系统的工作状态包括：1.基本运行模式，2.单独的信息采集模式，3.单独的信息传输模式，4.信息采集与信息传输相结合的模式。

假设基础运行模块功耗P0，信息采集模块功耗PS，信息传输模块功耗PT。四种供能模式及工作时间如表1所示：

图2为CT取能电源的整体构成，该电源由取能模块、电能监测控制模块、切换模块和锂电池模块和超级电容电池模块构成。取能模块通过电流互感器进行感应取电，电能监测控制模块通过对电流值的判断，控制切换模块动作，在负载电流小于锂电池放电安全电流时，选择锂电池供电;在负载电流大于锂电池放电安全电流时，选择超级电容电池进行供电。锂电池模块包括充电时的充电及保护模块、锂电池及放电时的升压模块，超级电容电池模块包括超级电容电池及放电时的降压稳压模块。

工作过程如下：当系统正常运行时，通过电流互感器进行感应取电，通过整流模块为负载提供直流电源，同时为锂电池和超级电容电池进行供电，当输配电线路发生雷击时，线路上会产生很大的冲击电流，此时取能磁芯会感应出很高的冲击电压，对电源电路造成危害，因此需要设置保护电路。所以，在为锂电池进行供电时，加入充电及保护模块。当系统出现故障，电路中由于电流过低无法进行感应取电，此时锂电池和超级电容电池作为电源进行供电，由于锂电池的寿命比较短，放电电流对电池寿命影响较大，而超级电容电池的寿命比较长，所以，计算出锂电池的安全放电电流范围，通过电能监控模块对电流进行监测，通过切换模块，在安全放电电流范围内选择锂电池供电，在大于安全放电电流时选择超级电容电池进行供电。

5在线监测设备供电电源系统实现

本文设计的供电电源主要是应用在线路绝缘子泄露电流在线监测装置，因此使用的是CT取能结合锂电池和超级电容电池进行供电的解决方案。

本文的在线监测装置采用的主芯片为DSP微处理器模块，选用TMS320F28335，该模块的供电电压为5V，额定功率1.46W，该模块非常适合现场监测和控制场合，具有方便的监测数据计算处理功能，并且接口丰富，方便扩展。信息采集模块选用AD公司的AD7616芯片，这个芯片支持对16个通道进行双路同步采样，采用5 V单电源供电，可以处理±10 V、±5 V和±2.5 V真双极性输入信号，同时每对通道均能以高达1 MSPS的吞吐速率和90.5 dB SNR采样，非常适合线路在线监测应用。该芯片的峰值功率0.5W，加上前面放大和滤波调理电路，整个信号采集模块功耗接近1W。信息传输模块采用GPRS模块，选用Kingcomtek公司的G3524模块，该模块具有射频指标好且稳定、低功耗、支持四频的特点。该模块在SLEEP 模式下的耗流为0.9mA，在Class 1模式发射功率1W，在Class2模式发射功率为2W。

根据负荷情况，考虑电源模块的效率，我们设计取电CT 的容量为10VA，整流模块采用反激式开关电源设计。整流模块采 用 MB10S，锂电池充电及保护模块、锂 电 池 升 压 模 块 分 别 采 用CN3062、RT9266 芯片及相关外围电路构成。CN3062 能实现锂电池过充、过放保护及充电电流的自动调节。电源的供电能力由超级电容、锂电池及 RT9266 芯片自身性能所决定。超级电容和锂电池的供电切换电路由MOS开关来实现，整个的控制由DSP芯片TMS320F28335实现。

6實验分析

采用 8个容量为120F，额定电压2.3V 的超级电容进行串联，组成超级电容组进行辅助供电。电源在超级电容和锂电池组合供能方式的支持下能够满足包括带有通信模块的线路监测设备需求。

通过锂电池和超级电容电池的配合，在输变电线路故障时，可以对在线监测设备进行长期有效的供电。

7 结论

本文在对在线监测设备电源系统设计进行研究时，不仅考虑在线监测设备的具体工作状态及功率变化情况，而且考虑供电电源的使用寿命。研究在线监测设备的负载特性及锂电池和超级电容的充放电特性，通过负载随时间变化的电流需求，在保证电池使用寿命的条件下，切换使用锂电池和超级电容来进行供电。

当电力系统正常运行时，通过电流互感器为负载进行供电，并对锂电池和超级电容进行浮充，当系统出现故障时，CT将会供电不足，此时通过锂电池和超级电容来供电。考虑锂电池寿命的影响因素，通过多元函数遗传算法找到锂电池放电安全电流，对在线监测设备的负荷曲线进行分析，当设备所需电流小于锂电池的安全电流时，选择锂电池进行供电，当设备所需电流大于锂电池的安全电流时，选择超级电容进行供电，该过程实现了在线监测设备的长期有效运行。

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