CN110793668A - 一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，包括若干设置在高压设备待测点的温度检测模块、发射模块、通讯接口和控制层，温度检测模块与所述发射模块之间采用2.4G无线技术进行组网通讯，所述发射模块采用了共振磁耦合的无线电能传输方式为所述温度检测模块进行供能并将检测数据收集汇总，所述发射模块通过其内置的通讯接口上传检测温度信息和预处理信息至控制层，由服务器进行温度检测信息的储存和处理，并将相应的信息显示在对应的站内显示控制终端和远方显示控制终端上。本发明把无线供电引入电气设备测温装置中，利用了无线供电具有持续供电、隔离绝缘的技术优势，实现温度信息的实时传输，完成对电力设备的温度监测。

Description

一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统

技术领域

本发明属于测温技术领域，具体涉及一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统。

背景技术

电力设备发热是电网发生故障的主要诱因之一，为了提高电网稳定性，需要加强对电力设备温度的检测，安装温度测量系统。目前高压电力设备温度测量系统的一个主要难题在于温度传感器的供电问题，传统的供电方式如电池供电、高压电容降压供电等存在一定的缺陷，无法满足高压环境的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，把无线供电引入电气设备测温装置中，利用了无线供电具有持续供电、隔离绝缘的技术优势，实现温度信息的实时传输，完成对电力设备的温度监测。

本发明提供了如下的技术方案：

一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，包括若干设置在高压设备待测点的温度检测模块、发射模块、通讯接口和控制层，所述温度检测模块与所述发射模块之间采用2.4G无线技术进行组网通讯，所述发射模块采用了共振磁耦合的无线电能传输方式为所述温度检测模块进行供能并将检测数据收集汇总，同时对数据进行预处理，每个温度检测模块均带有唯一编码，发射模块收集检测数据后与设置阈值进行比对，结合温度检测模块编码，判定同一高压设备上各温度检测点的工作状态；所述发射模块通过其内置的通讯接口上传检测温度信息和预处理信息至控制层，控制层包括站内控制平台和远方控制平台的服务器，由服务器进行温度检测信息的储存和处理，并将相应的信息显示在对应的站内显示控制终端和远方显示控制终端上，同样在站内控制平台或远方控制平台上对测温系统进行设置和控制，设置和控制信息同样通过通讯接口传输至发射模块，再转发至温度检测模块完成设置流程。

优选的，所述发射模块包括依次连接的自取能模块、高频逆变电路、发射线圈、接收线圈和整流电路，自取能模块从用电设备获取电能转变为稳定直流电，高频逆变电路在此直流电的基础上进行逆变，输出用于供给发射线圈的高频交流电，发射线圈和接收线圈满足共振磁耦合，具有相同的共振频率，接收线圈从发射线圈获得的高效传输电能输出交流电至整流电路，整流电路完成交流电整流和降压，输出稳压直流电为温度检测模块供给。

优选的，所述自取能模块包括CT取电电路、电源转换模块、超级电容和锂电池并联电路，CT取电电路通过电流的隔离变换实现部分电能从导线到电源转换模块的转移，电源转换模块将来自CT取电电路的电流进行控制，使之转换成目标应用所需的可控稳定输出，所述CT取电电路和电源转换模块结合超级电容与锂电池实现一次电流在波动时电源能够为负载提供稳定的直流电压，按照马斯三定律调节超级电容和锂电池的充放电策略，延长超级电容和锂电池的寿命，实现超级电容和锂电池协同平抑能量。

优选的，所述自取能模块采用间歇控制方案和数学搜索算法，在一次侧电压波动的情况下，对取能过程中最大能量点的快速跟踪，确保取能最大化和取能充足，结合超级电容与锂电池，通过调节机制，以实现一次电流在波动时电源为发射模块和测温系统提供稳定的直流电压。

优选的，所述超级电容为后续发射模块和锂电池供电，锂电池为发射模块供电；当输电线路一次侧电流足够大时，超级电容同时为锂电池和发射模块后续供电，此时锂电池只充电不放电；当输电线路一次侧电流降低时，此时断开锂电池充电电路，超级电容只为发射模块后续供电。

本发明的有益效果是：本发明结合高压感应取能、能量平抑、无线电能传输等技术为无线测温系统进行可靠供电；针对变电站高压设备，设计建立取能线圈模型，采用间歇控制方案和数学搜索算法，实现对最大能量点的快速跟踪，以确保取能充足；结合超级电容和锂电池特性，按照马斯三定律调节电池充放电规律，实现对能量的平和调节及延长电池寿命；采用共振磁耦合无线电能传输技术，保证各个温度测量点的持续稳定供能；采用近场通讯和远距离通信，实现温度信息的实时传输，完成对电力设备的温度监测。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明无线测温传感器监测方案示意图；

图3是本发明结合超级电容与锂电池的电流互感器取电方案示意图；

图4是本发明自取能模块能量流程图；

图5是本发明共振磁耦合无线电能传输方案示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，为实现对站内高压设备的监测，采用无线测温一体化系统方案，采取模块化和分级化相结合的设计，一方面可以提高温度检测模块布置的灵活性，满足高压设备的测温需求，另一方面也提高了系统的可维护性和可扩展性。由于变电站内所需测温的高压设备较多，并且存在一个高压设备需要同时对若干个点取样的情况，因此在温度监测系统中将每个高压设备划分成同一级的独立分区。对于同一高压设备上，若干个温度检测模块放置在待测点，由至少一个位于该高压设备上的发射模块进行供能，温度检测模块与发射模块间采用2.4G无线技术进行组网通讯，由发射模块将其所供能的温度检测模块的检测数据收集汇总，同时对数据进行预处理。每个温度检测模块均带有唯一编码，发射模块收集检测数据后与设置阈值进行比对，结合温度检测模块编码，判定同一高压设备上各温度检测点的工作状态。站内所需测温的高压设备上的温度信息由发射模块通过其内置的通讯接口上传，形成通讯层，由于每个发射模块均带有唯一编码，即实现了对站内高压设备的辨别，同时通讯接口所上传的温度信息中包含了预处理的工作状态判定信息。通过设置通信接口协议及组网方式可以实现温度检测信息的按需传输，形成控制层。可以分别传输至站内控制平台和远方控制平台的服务器上，由服务器完成温度检测信息的储存和处理，并将相应的信息显示在对应的站内显示/控制终端和远方显示/控制终端上。操作人员同样可以在站内控制平台或远方控制平台上对测温系统进行设置和控制，设置和控制信息同样通过通讯接口传输至发射模块，再转发至温度检测模块完成设置流程。最终实现的无线测温系统，可以实现对监测数据的存储和分析，并且能自主对监测数据进行分析采取对应措施，同时引入2.4G可以实现同一设备上不同温度采样点的监测数据汇总，汇总后数据可存储于站内屏柜，上述温度监测数据可以接入站控平台或统一调度中心的远方控制平台。

如图2所示，为了满足待测电力设备的绝缘和电磁兼容要求，采用了共振磁耦合的无线电能传输给温度检测传感器模块供能，采用了2.4G无线技术进行近距离组网通讯，实现传感器工作状态、测量温度等信息实时传输。由于2.4G无线技术有着功耗低、模块体积小、成本低廉、通讯可加密、传输延时低、可靠性高、组网灵活等优势，有利于降低温度检测模块的体积和功耗，同时可以形成一个发射模块对多个温度检测模块供电，多个温度检测模块通过2.4G无线技术传输数据至一个发射模块的系统布局，实现了对不同用电设备的灵活检测，具体的，如图2所示，就近安装在电力设备上的温度检测模块对改点的温度进行采样，内置的采样模块将温度数据以数字信号的方式传输至传感器模块2.4G无线模块，接着2.4G对数据进行预处理，加入温度检测模块工作状态信息及识别码。同一电力设备上的若干个温度检测模块与该电力设备上的某一发射模块通过2.4G进行组网，将数据传输至该发射模块进行汇总。发射模块对所有温度检测模块的温度数据进行分析处理，通过与预设的报警阈值进行比较，若温度超过报警阈值则在数据中加入温度异常报警信息；同时发射模块内置有看门狗程序，对所有组网内的温度检测模块通讯进行定时检测，若通讯异常则在数据中加入通讯异常的报警信息。经过以上数据处理后，发送至远方服务器。远方服务器接收数据后，将数据转发至温度远程监测平台再按需发送至检测终端，实现无线测温系统的远程监测，同时对温度数据进行存储，为对电力设备状态的历史分析提供数据支撑，实现了对电力设备的实时无线测温、异常报警、历史状态分析等功能。

如图3所示，共振磁耦合无线电能传输系统方案，为实现对无线测温系统中温度检测传感器模块的稳定能量供给，采取共振磁耦合无线电能传输方式供能。自取能模块从用电设备获取电能之后，经由超级电容与锂电池相结合的供电电路转变为稳定直流电，高频逆变电路在此直流电的基础上进行逆变，输出用于供给发射线圈的高频交流电；发射线圈经过特殊设计，可以将此高频交流电转变为具有良好方向性的高频交变磁场；接收线圈同样也经过特殊设计，与发射线圈具有相匹配的共振频率，可以在此交变磁场中高效获得电能，输出交流电至整流电路；整流电路完成交流电整流和降压，输出符合温度传感器电路供电要求稳压直流电，完成无线电能传输，温度传感器获得稳定电能供给。发射线圈和接收线圈满足共振磁耦合的参数设计要求，即具有相同的共振频率，在发射线圈产生的交变磁场中发生共振，实现能量从发射线圈往接收线圈的高效传输。由于共振磁耦合技术的传输原理是共振，而非近距离的电磁感应，因此具有较长的传输距离和较高的传输效率，可以满足对布置在电力设备上不同位置的温度监测模块供电，同时也可以在一个发射线圈方向布置多个接收线圈，实现能量的一对多供应，降低了系统设备数量，简化了系统结构，增加了方案的灵活性和适用性，提高了系统的整体可靠性。

如图4和图5所示，具体取电方案，电流互感器(CT)取电系统由取电CT(取能互感器)和电源转换模块(将CT取得的电能量转化为所需要的直流电压)两部分组成。在某些情况下，高压设备可能流经巨大的短时故障电流，这时电流感应电源需加装专门配套的限流器。CT取电电路，用于获取经CT变换而来的电流信号，并将其转换为稳定的直流电压。在高压设备空载或故障时，一次侧电流过小的情况下，需要备用储能电源供电。本发明设计的CT取电电路包括能量泄放电路(保护电路)、整流滤波电路、DC/DC模块电路等，和后备电池电路等。CT(取能互感器)的作用是通过电流的隔离变换实现部分电能从导线到感应电源模块(电源转换模块)的转移。电源转换模块的作用是将来自取能互感器的电流进行控制，使之转换成目标应用所需的可控稳定输出。采用间歇控制方案，并借鉴于数学搜索算法，在取能过程中随着电能的波动能够自动对最大能量点的快速跟踪，实现取能最大化和取能充足。本方案结合了超级电容与锂电池实现一次电流在很小至较大范围波动时电源能够为负载提供稳定的直流电压，按照马斯三定律调节超级电容和锂电池的充放电策略，延长超级电容和锂电池的寿命，实现超级电容和锂电池协同平抑能量的作用。

本方案对CT取能线圈的设计包含线圈材料于线圈结构的设计。铁芯材料的选择原则是尽量减小启动电流以提高能量传递效率，降低损耗。考虑到提高初始磁导率是减小启动电流唯一有效的方法，因此铁芯可以选用具有较高的初始磁导率的微晶合金材料。铁芯采用两个半圆结构，可满足现场不停电方式下经过特殊设计的外壳套装在电缆上。至于线圈结构，采取给铁芯开气隙的方式防止铁芯长期工作于饱和或深度饱和状态。

线圈的绕线方式选取：

1)使匝数密度和截面积保持均匀，可消除或有效地减小干扰磁场平行分量和导线与线圈相对位置变动的影响；

2)在骨架中心绕制一圈与线圈走向相反的回线，可消除或有效地减小干扰磁场垂直分量的影响。最终实现的取能线圈，采用上下分体设计便于安装，适用于变电站内高压设备，可以从中提取电能供给后续电路。

如图5所示，取电线圈能量直接为超级电容充电。超级电容可以为后续无线传能系统供电，也可以为锂电池充电，锂电池可以为无线传能系统供电。当输电线路一次侧电流足够大时，超级电容同时为锂电池和传能系统供电，此时锂电池只充电不放电。当输电线路一次侧电流降低时，此时断开锂电池充电电路，超级电容只为无线传能系统供电。必要时，可以打开锂电池供电电路，让超级电容和锂电池同时为无线传能系统供电。若电流恢复正常，则可以打开锂电池充电电路继续为锂电池充电。若一次侧电流过低时，断开电容供电电路，超级电容只通过CT充电。而无线传能系统由锂电池供电。在超级电容充电完成后，视一次侧电流情况而定，可以合理分配电容为无线传能系统和锂电池供电。结合超级电容与锂电池，通过上述能量平抑系统，可以实现一次电流在很小至较大范围波动时电源能够为无线传能系统稳定供电，实现无线测温系统的正常运行。最终实现的平抑模块，可实现整流、DC-DC变换等功能，适用工况范围宽，结合采用超级电容和锂电池，可以在无外界供能的情况下维持无线测温系统正常工作至少1h。

如图1-图5所示，本发明解决了如下问题：基于高压设备的高压工频磁场特性和测温系统的功率、电压等参数要求，搭建高压工频取能线圈模型，分析高压工频磁场线圈取能特性，总结线圈取能规律；设计能量平抑系统，平衡调节取能线圈和测温系统能量供给关系，实现电能稳定持续供应，满足测温系统能量要求；利用共振磁耦合无线电能传输技术为测温系统进行能量供应，解决测温系统绝缘、能量供应问题等问题，实现测温系统的小型化，提高测温系统运行稳定性；针对高压设备，进行温度传感器排布方案的设计和通讯方式的研究，实现对设备温度的准确测量和信息输送；搭建了一套基于共振磁耦合的感应取电自供能无线测温系统，运用感应取能、能量平抑、无线电能传输和近场通讯等技术，实现对电力相关设备进行温度的准确测量和监测，并对无线测温系统进行相关试验验证分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，其特征在于，包括若干设置在高压设备待测点的温度检测模块、发射模块、通讯接口和控制层，所述温度检测模块与所述发射模块之间采用2.4G无线技术进行组网通讯，所述发射模块采用了共振磁耦合的无线电能传输方式为所述温度检测模块进行供能并将检测数据收集汇总，同时对数据进行预处理，每个温度检测模块均带有唯一编码，发射模块收集检测数据后与设置阈值进行比对，结合温度检测模块编码，判定同一高压设备上各温度检测点的工作状态；所述发射模块通过其内置的通讯接口上传检测温度信息和预处理信息至控制层，控制层包括站内控制平台和远方控制平台的服务器，由服务器进行温度检测信息的储存和处理，并将相应的信息显示在对应的站内显示控制终端和远方显示控制终端上，同样在站内控制平台或远方控制平台上对测温系统进行设置和控制，设置和控制信息同样通过通讯接口传输至发射模块，再转发至温度检测模块完成设置流程。

2.根据权利要求1所述的一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，其特征在于，所述发射模块包括依次连接的自取能模块、高频逆变电路、发射线圈、接收线圈和整流电路，自取能模块从用电设备获取电能转变为稳定直流电，高频逆变电路在此直流电的基础上进行逆变，输出用于供给发射线圈的高频交流电，发射线圈和接收线圈满足共振磁耦合，具有相同的共振频率，接收线圈从发射线圈获得的高效传输电能输出交流电至整流电路，整流电路完成交流电整流和降压，输出稳压直流电为温度检测模块供给。

3.根据权利要求2所述的一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，其特征在于，所述自取能模块包括CT取电电路、电源转换模块、超级电容和锂电池并联电路，CT取电电路通过电流的隔离变换实现部分电能从导线到电源转换模块的转移，电源转换模块将来自CT取电电路的电流进行控制，使之转换成目标应用所需的可控稳定输出，所述CT取电电路和电源转换模块结合超级电容与锂电池实现一次电流在波动时电源能够为负载提供稳定的直流电压，按照马斯三定律调节超级电容和锂电池的充放电策略，延长超级电容和锂电池的寿命，实现超级电容和锂电池协同平抑能量。

4.根据权利要求2所述的一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，其特征在于，所述自取能模块采用间歇控制方案和数学搜索算法，在一次侧电压波动的情况下，对取能过程中最大能量点的快速跟踪，确保取能最大化和取能充足，结合超级电容与锂电池，通过调节机制，以实现一次电流在波动时电源为发射模块和测温系统提供稳定的直流电压。

5.根据权利要求3所述的一种共振磁耦合感应取电自供能无线测温系统，其特征在于，所述超级电容为后续发射模块和锂电池供电，锂电池为发射模块供电；当输电线路一次侧电流足够大时，超级电容同时为锂电池和发射模块后续供电，此时锂电池只充电不放电；当输电线路一次侧电流降低时，此时断开锂电池充电电路，超级电容只为发射模块后续供电。

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