针对地下电缆防破坏装置的供电电路设计

杨霁，王涛，薛志鹏，刘林，况林杰，赵蕊

(1.国网重庆市电力公司綦南供电分公司，重庆，401420；2.重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆，400054)

0 引言

随着人们对城市环境美化程度要求的提高，城市配电网络逐渐从架空线路的使用转换为电力电缆的大量使用，但随之而来将面临电力电缆由于城市道路施工、电缆沟道沁水等情况引发的电缆线路遭受外力破坏情况。于是，能够快速准确的在故障前对电力电缆防外力破坏进行预警显得十分重要。

目前，感知层的电子及传感器设备的能源供给大都依赖于传统的化学电池，虽然这种能源供给方式较为稳定，但是电缆布线复杂、繁琐，适应环境要求高，另外电池供电寿命有限，更换电池费时又费力。

为保障电力电缆防外破坏装置能够安全稳定的运行，本文为其提供了一种可靠供电方式，采用市电、太阳能和锂电池互补的方式为其负载供电，为今后对于电力电缆防外破坏的研究打下基础。本次供电设计采用以下方案：当工作环境周围有可供使用的市电时，通过将市电经降压、整流、滤波、稳压等处理后转换为可靠直流电直接给负载供电。但当现场没有可直接使用的外部电源时，采用太阳能和锂电池结合的方式进行供电。当太阳能充足的时候，在给负载供电的同时也给锂电池充电，若在太阳能不足时，则只由锂电池为负载供电。通过灵活的供电方案，形成优势互补，解决监测系统中经常遇到的供电不足的难题。

1 电源总体结构

系统原理框图如图1所示。该系统具有两种供电方式。第一种供电方式为将220V市电变换为稳定直流电为负载供电；第二种供电方式则由太阳能、锂电池共同供电，首先对太阳能进行最大功率点跟踪（MPPT）控制，使太阳能始终于最大功率点输出，来提高能量收集效率，然后通过能量管理电路判断是否有充足的太阳能，若太阳能充足时，那么太阳能经过稳压过后直接给负载供电同时又给锂电池充电，若太阳能不充足时，则由锂电池给负载供电。同时锂电池不能过度充电也不能过度放电，过充和过放会对锂电池的使用寿命产生影响，所以必须对锂电池进行过充过放保护。

图1 系统原理框图

2 市电供电电路设计

若在负载附近存在市电，则优先考虑利用市电为负载供电。图2为在Multisim中搭建的电路图，该电路主要由降压、整流滤波、稳压模块构成。市电用220V交流电压源表示。

图2 仿真电路图

■2.1 降压模块

首先，要对220V的交流电作降压处理，降压后的电压为12V。系统通过一个变比为18:1的变压器实现降压变换，同时起到一个隔离的作用，将市电与后面的电路隔离，保证了后面电路的安全。

■2.2 整流滤波模块

本文仿真中采用4个二极管组成全波整流桥，将降压后的交流电压接变为直流电，整流后的波形如图3所示，由于在仿真软件中各个器件都是理想的，所以整流后的波形为全为正的连续半波。整流后需要滤波，可以很大程度上减少杂波，可得到比较纯净的直流电[1]，本次设计采用电容滤波。

图3 整流后波形

■2.3 稳压模块

经过整流滤波后得到的直流电相比于负载所需要的电压仍然较大，且市电存在波动，输出的直流电也是不稳定的，为了给负载提供稳定的电压，需经过稳压芯片将电压稳定为5V输出。

LM2596拥有1.2V~37V的可调输出电压，有着3.3V，5V，12V经典稳压值。LM2596的调压误差在4%以内，且具有完善的保护电路，电流限制等功能，所需要的外围器件极少。根据性能指标，本次设计选取LM2596-5V的稳压电路。

关于LM2596的外围电路，厂方已经给出了参考电路，这里不做修改，值得注意的是，由于外围电路存在电感，故在制作实体电路时，反馈线要尽量避免电感，减少电磁干扰。稳压后的波形如图4所示。可以看出此电路可以将电压稳定在5V左右。

图4 稳压后波形

3 太阳能供电电路设计

太阳能是一种十分有潜力的清洁能源，太阳能的利用对我国的经济发展和环境保护有着重要意义，随着光伏产业的发展，太阳能也成为了最为方便采集的环境能量之一，同时，太阳能作为市电的后备能源，可以有效地解决在恶劣环境中供电不稳定的问题[2]。

光伏发电的基本原理是光生伏特效应，即当太阳光照射到光伏电池上时，利用半导体器件将太阳能直接转化为直流电能，其核心组成部分是半导体P-N结[3]。

■3.1 太阳能数学模型

当光伏电池被一定光照强度的太阳光照射时可以看作是一个理想的恒流电源，所以可以将光伏电池等效电路表示如图5所示，用恒流源和二极管并联表示。其中IPH为等效电流源的内电流；RSH为内部的等效旁路电阻，一般为千欧数量级；RS为内部的等效串联电阻（小于1欧姆）[4]；RL表示光伏电池的等效外接负载电阻。图6为光伏电池伏安特性曲线。ISC为光伏电池短路电流；VOC为开路电压；图中阴影部分面积S表示光伏电池的输出功率。在光伏电池正常工作时，为了提高太阳能的利用率，通常让其输出功率达到最大，所以在输出电压不断变化的过程中必定存在一个电压Vm使光伏电池的输出功率达到最大Pm，通常情况下该最大功率点的电压Vm大概为输出电压VOC的80%。

图5 光伏电池等效电路图

图6 光伏电池伏安特性曲线

根据光伏电池等效电路和伏安特性曲线，可将光伏电池的物理模型转换成为数学模型，其描述如下[4]：

其中Ipn为P-N结二极管的电流；ISH为流过等效旁路电阻的电流；IS为等效二极管的逆向饱和电流，与光电材料有关，一般看作常数；k为Boltzmann常数（1.38×10-23J/K）；q为电子电荷量（1.602×10-19）；T为环境中的绝对温度开尔文；A为光伏电池内部P-N结的曲线常数[5]。

■3.2 MPPT控制

光伏电池的最大功率点位置会随着电池在温度或光照条件下的不同而不同，因此在光伏发电中为提高整个系统的效率，一个重要的方法就是使光伏电池始终工作在最大功率点附近。MPPT控制就是根据光伏电池的输出电压和电流的情况来调整PWM波的占空比，改变DC/DC电路开关管的开关周期，从而改变占空比调整光伏电池的输入阻抗，与负载阻抗产生动态匹配[6],当光伏内阻等于负载电阻时，光伏电池以最大功率输出。目前，在光伏发电中运用较为广泛的最大输出功率跟踪方法主要有定电压法、最优梯度法、恒压跟踪法、扰动观测法、电导增量法等。相比其他控制方法。电导增量法具有精度高、快速跟踪、稳定度高等优点，所以本次设计采用电导增量法，其控制原理如下[7]：

设光伏电池输出功率：

将式7对V求导得：

如图7电导增量法最大功率跟踪控制原理图所示，图中Pm为最大输出功率，Vm是最大输出功率点输出电压；Pn是光伏电池当前输出功率，Vn是当前输出功率点对应的电压。当时，V=Vm。

图7 电导增量法最大功率跟踪控制原理图

分别将上述3种情况代入式（8）：

当V

当V>Vm时，

当V=Vm时，

4 锂电池管理电路

本次设计采用锂电池对能量进行储存，锂电池具有使用寿命长，充放电次数能够达到500-1000次，存储能量密度高，没有记忆效应，可随时补充等优点。锂电池得安全工作电压在3.2V~3.6V之间，所以当电池的工作电压高于3.6V或低于3.2V时，电池将会受到警戒，电压继续上升或者下降将会出现过充过放现象，会影响到电池的使用性能和寿命，因此在电池的充放电过程中，需要控制电池的端电压处于安全范围内[8]。

■4.1 锂电池充电管理

本次设计中，充电管理电路如图8所示，其中充放电控制芯片为BL4056B。BL4056B内部集成了恒压、恒流、防倒灌和热保护等诸多功能，在大功率和高温环境下对芯片温度加以限制，其充电电流可以通过外部电阻进行调节，并且，在充电电流达到最终浮充电压之后将至设定值1/10时，BL4056B将自动停止充电。

图8 锂电池充电管理电路

电池充电时，7管脚输出低电平，D4灯亮，表示充电正在进行，充电电流由2管脚与地之间的电阻决定，当充电结束时，7管脚输出高阻态，6管脚输出低电平，D3灯亮。

■4.2 锂电池保护电路

如果锂电池在充满的状态下继续充电的话将会导致电池的正极材料结构发生变化，如果电池一直处于过放电状态，会使电池内部发热，同时使电池正负极活性物的可逆性受到损坏，除此之外锂电池在使用的过程中还必须考虑过温和过流的情况，不管是哪一种情况都会对锂电池造成不好的影响，所以必须对锂电池进行保护设计，从而提高电池的使用寿命。

锂电池保护电路如图9所示。本次设计采用R5421芯片对锂电池进行保护，该芯片能够对锂电池进行过充、过放保护，同时还可以防止外部短路电流过大。Dout为过放保护输出脚，Cout为过充保护输出脚，当检测到电池电压高于一个阈值的时候，Cout脚就会转变为低电平，CMOS管将不会导通，将电源与电池断开；当检测到电压低于另一个阈值时，Dout将会转变为高电平，将电源与电池连接，给电池充电。当检测到过电流时，将负载与电池分离，Dout电平切换为高电平。

图9 锂电池保护电路

■4.3 能量管理电路

能量管理电路采用两路电源自动切换电路，第一路为当太阳能的能量足够的时候，太阳能经稳压电路后既给负载供电又给锂电池充电，此时电池不给负载供电；当太阳能的能量不够的时候自动切换到第二路，则只由电池给负载供电。在两路电源的自动切换过程中需保证无震荡，并且具有较小的能量损耗，从而实现对电能的管理,使负载得到长期稳定的供电。

本次设计采用比较器来判断太阳能是否有足够的能量给负载供电。其设计方案如图10所示：首先采集光伏电池两端的输出电压，与参考电压Vref作比较，当光伏电池的输出高于Vref时，比较器输出高电平，使三极管Q1导通，太阳能经过稳压过后给负载供电同时又给锂电池充电，这里的稳压电路与上述市电稳压模块电路一样，故不再赘述，比较器输出高电平后经过一个反相器使三极管Q2截止，锂电池不再向负载供电；当光伏电池的输出电压小于Vref时，则比较器输出低电平，三极管Q1不能导通，同时比较器的输出经过一个反相器输出为高电平，使三极管Q2导通，锂电池给负载供电。

图10 能量管理电路

5 结束语

本文为地下电缆防破坏装置感知层中的电子及传感器设计了一种可靠的供电电路，采用市电、太阳能和锂电池互补的方式为其负载供电。当现场有可用市电时，优先考虑市电供电，当没有可用市电时，采用太阳能和锂电池供电，利用MPPT控制技术，提高能源的利用率，通过能量管理，从而使负载得到长期稳定供电，保障了电缆的安全运行，通过对锂电池的充放电及保护电路设计，保证了锂电池的安全，延长了其工作周期。该设计具有实用性强、安全可靠性高、成本低，具有较好的推广性的优点，能够给一些低功耗设备提供长期稳定的电源。