CN117559673B - 一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜，属于电力传感器技术领域，通过收集基于磁共振供能的无线传感系统的工作数据，选择具有相关性的电能参数与干扰强度变量，分析稳压电源的电能参数与干扰源之间的关系，利用K‑means方法确定电能参数分类，并根据电能参数分类对干扰源的干扰等级进行划分，以作为干扰处理的依据。本发明解决了基于磁共振供能的无线传感系统由于受到外部环境干扰源的干扰，导致能量传输效率下降，进而供能不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力传感器技术领域，涉及一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜。
背景技术
利用磁场共振技术，可以实现环网柜内部无线传感器的无线供能、无线传感和无线通讯功能，克服传统有线传感器供电方式的缺点，优化现有电池供电需定期更换的方案，同时保证环网柜体内部的绝缘结构不受破坏，可广泛应用于环网柜内部传感器设备，具有部署灵活、可靠性高、使用寿命长及工作稳定等优点。
发明专利CN114069888A公开了一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜。该发明的装置包括磁场发射单元、磁场接收单元和采集单元，其中磁场发射单元包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，高频电流电源装置、天线和导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；采集单元包括相连接的传感器和稳压电源模块；磁场接收单元包括线圈模块和电容器，线圈模块连接所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射单元通过所述电磁场进行能量传递。
然而，磁共振供能的方式可能会受到外部的磁场或其他无线电设备的干扰，导致能量传输效率下降，从而使对无线传感系统的供能不稳定。因此，对于干扰信号的检测、分析和处理是解决上述问题的关键环节。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
第一方面，本申请提供了一种基于磁共振供能的无线传感系统，包括磁场发射模块、磁场接收模块、稳压电源模块、监测模块、干扰分析模块和干扰处理模块，其中：
所述磁场发射模块，包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，所述高频电流电源装置、所述天线和所述导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；
所述磁场接收模块，包括线圈模块和电容器，所述线圈模块连接所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射模块通过磁共振进行能量传递；
所述监测模块，用于监测所述稳压电源模块的电能参数，同时监测和定位外部环境的干扰源；
所述干扰分析模块，用于分析所述干扰源与所述电能参数之间的关系，确定干扰源的干扰等级；
所述干扰处理模块，用于根据所述干扰等级制定相应的干扰处理方案。
需要注意的是，本实施例是以稳压电源的电能参数（如功率、电压和电流等）作为衡量系统是否稳定供能的指标，分析干扰源的频率和强度对电能参数的影响，划分干扰等级以确定干扰源的影响程度。
进一步地，所述监测模块，当外部环境不存在干扰源时，停止监测稳压电源模块的电能参数，以节约能耗。
进一步地，所述干扰分析模块中，所述分析干扰源与电能参数之间的关系，确定干扰源的干扰等级，包括以下步骤：
S1、数据收集：收集监测模块监测的电能参数和干扰源数据，所述干扰源数据包括干扰频率和干扰强度；
S2、数据处理：剔除干扰频率与磁场发射模块产生的电磁场频率差异较大的数据样本；
S3、变量选择：计算电能参数与干扰强度之间的相关系数，选择所述相关系数大于0.7的电能参数和干扰强度作为后续分析的变量；
S4、电能参数分类：采用K-means方法对电能参数进行聚类，得到电能参数分类；
S5、干扰等级划分：根据所述电能参数分类，对相应的干扰强度数据样本进行划分，再根据划分的干扰强度数据范围，确定干扰源的干扰等级。
进一步地，步骤S3中，所述相关系数，计算公式为：
，
式中：r ij 表示电能参数x i 与干扰强度x j 之间的相关系数；x ki 表示x i 的第k个样本，x kj 表示x j 的第k个样本，k=1，2，…，n，其中n为样本数；和/>分别表示x i 与x j 的平均值。
进一步地，步骤S4中，所述采用K-means方法对电能参数进行聚类，得到电能参数分类，包括以下步骤：
S41、初始化聚类中心：随机选取电能参数数据集空间中的若干个数据对象作为初始聚类中心；
S42、初始化数据对象聚类簇：计算所有电能参数数据对象与所述初始聚类中心之间的欧式距离，将各数据对象划分至与初始聚类中心欧氏距离最小的类别中，形成初始聚类簇；
S43、更新聚类中心：计算各初始聚类簇的电能参数平均值，以所述平均值作为新聚类中心，再次计算所有数据对象与新聚类中心之间的欧式距离；
S44、确定最终聚类簇：重复步骤S42-S43的操作，直至聚类中心不再发生改变，确定各聚类中心所对应的最终聚类簇，并将各最终聚类簇作为电能参数分类。
进一步地，步骤S42中，所述欧式距离，计算公式为：
，
式中，d(x, C i )表示欧式距离函数；x为电能参数数据对象；C i 表示第i个聚类中心，1≤i≤k，k为聚类中心的数目；n为数据集的样本数；x j 表示数据集中第j个变量的数据对象；C ij 表示第j个变量的聚类中心。
进一步地，所述干扰处理模块中，所述根据所述干扰等级制定相应的干扰处理方案，包括以下步骤：
T1、设定干扰等级阈值，并检测当前干扰源的干扰等级；
T2、当未检测到干扰源时，不做干扰处理；
T3、当所述当前干扰源的干扰等级低于干扰等级阈值时，根据干扰源的位置，调整磁场发射模块与磁场接收模块之间的位置和距离，减少干扰源对系统的干扰；
T4、当所述当前干扰源的干扰等级高于干扰等级阈值时，采用干扰消除手段对干扰信号进行处理。
第二方面，本申请提供了一种环网柜，应用于如上所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统。
本发明的有益效果：
通过收集基于磁共振供能的无线传感系统的工作数据，选择具有相关性的电能参数与干扰强度变量，分析稳压电源的电能参数与干扰源之间的关系，利用K-means方法确定电能参数分类，并根据电能参数分类对干扰源的干扰等级进行划分，以作为干扰处理的依据。本发明解决了基于磁共振供能的无线传感系统由于受到外部环境干扰源的干扰，导致能量传输效率下降，进而供能不稳定的问题。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中一种基于磁共振供能的无线传感系统的结构图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1，第一方面，本申请提供了一种基于磁共振供能的无线传感系统，包括磁场发射模块、磁场接收模块、稳压电源模块、监测模块、干扰分析模块和干扰处理模块，其中：
所述磁场发射模块，包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，所述高频电流电源装置、所述天线和所述导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；
所述磁场接收模块，包括线圈模块和电容器，所述线圈模块连接所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射模块通过磁共振进行能量传递；
所述监测模块，用于监测所述稳压电源模块的电能参数，同时监测和定位外部环境的干扰源；
所述干扰分析模块，用于分析所述干扰源与所述电能参数之间的关系，确定干扰源的干扰等级；
所述干扰处理模块，用于根据所述干扰等级制定相应的干扰处理方案。
本实施例中，无线电磁场利用磁共振传输能量，而来自其它电磁源的干扰信号可能与磁共振的传输信号发生重叠，导致信号质量下降，甚至无法进行有效地供能。
需要注意的是，本实施例是以稳压电源的电能参数（如功率、电压和电流等）作为衡量系统是否稳定供能的指标，分析干扰源的频率和强度对电能参数的影响，划分干扰等级以确定干扰源的影响程度。
进一步地，所述监测模块，当外部环境不存在干扰源时，停止监测稳压电源模块的电能参数，以节约能耗。
进一步地，所述干扰分析模块中，所述分析干扰源与电能参数之间的关系，确定干扰源的干扰等级，包括以下步骤：
S1、数据收集：收集监测模块监测的电能参数和干扰源数据，所述干扰源数据包括干扰频率和干扰强度；
S2、数据处理：剔除干扰频率与磁场发射模块产生的电磁场频率差异较大的数据样本；
S3、变量选择：计算电能参数与干扰强度之间的相关系数，选择所述相关系数大于0.7的电能参数和干扰强度作为后续分析的变量；
S4、电能参数分类：采用K-means方法对电能参数进行聚类，得到电能参数分类；
S5、干扰等级划分：根据所述电能参数分类，对相应的干扰强度数据样本进行划分，再根据划分的干扰强度数据范围，确定干扰源的干扰等级。
本实施例中，由于能量是以磁共振的方式进行传输的，磁场接收模块需要与磁场发射模块保持相同或相近的频率，对系统能够产生干扰的信号也应与磁场发射模块产生的电磁场频率保持相同或相近，因此在分析过程中剔除了干扰频率与磁场发射模块产生的电磁场频率差异较大的数据样本。此外，干扰源强度对稳压电源电能参数有显著影响，然而用于表示干扰强度和电能参数的变量较多，例如干扰强度可以用功率、信噪比、电磁场强度和谱密度等变量来表征，导致难以确定具有代表性的变量，因此，本发明利用相关系数选择关联性较强的电能参数与干扰强度变量作为分析的对象。最后，稳压电源的电能参数是衡量系统供能状态的指标，通过对电能参数进行分类可以获得在不同干扰强度下的供能状态，本实施例采用K-means方法对电能参数进行聚类，最终得到电能参数分类，因为用于分析的电能参数与干扰强度之间存在相关性，所以根据电能参数分类对干扰强度进行划分，可以较为显著地确定干扰源的等级。
进一步地，步骤S3中，所述相关系数，计算公式为：
，
式中：r ij 表示电能参数x i 与干扰强度x j 之间的相关系数；x ki 表示x i 的第k个样本，x kj 表示x j 的第k个样本，k=1，2，…，n，其中n为样本数；和/>分别表示x i 与x j 的平均值。
进一步地，步骤S4中，所述采用K-means方法对电能参数进行聚类，得到电能参数分类，包括以下步骤：
S41、初始化聚类中心：随机选取电能参数数据集空间中的若干个数据对象作为初始聚类中心；
S42、初始化数据对象聚类簇：计算所有电能参数数据对象与所述初始聚类中心之间的欧式距离，将各数据对象划分至与初始聚类中心欧氏距离最小的类别中，形成初始聚类簇；
S43、更新聚类中心：计算各初始聚类簇的电能参数平均值，以所述平均值作为新聚类中心，再次计算所有数据对象与新聚类中心之间的欧式距离；
S44、确定最终聚类簇：重复步骤S42-S43的操作，直至聚类中心不再发生改变，确定各聚类中心所对应的最终聚类簇，并将各最终聚类簇作为电能参数分类。
进一步地，步骤S42中，所述欧式距离，计算公式为：
，
式中，d(x, C i )表示欧式距离函数；x为电能参数数据对象；C i 表示第i个聚类中心，1≤i≤k，k为聚类中心的数目；n为数据集的样本数；x j 表示数据集中第j个变量的数据对象；C ij 表示第j个变量的聚类中心。
进一步地，所述干扰处理模块中，所述根据所述干扰等级制定相应的干扰处理方案，包括以下步骤：
T1、设定干扰等级阈值，并检测当前干扰源的干扰等级；
T2、当未检测到干扰源时，不做干扰处理；
T3、当所述当前干扰源的干扰等级低于干扰等级阈值时，根据干扰源的位置，调整磁场发射模块与磁场接收模块之间的位置和距离，减少干扰源对系统的干扰；
T4、当所述当前干扰源的干扰等级高于干扰等级阈值时，采用干扰消除手段对干扰信号进行处理。
本实施例中，考虑到不同干扰强度对磁共振供能的影响力不同，设定了可接受的干扰等级阈值，当未超过阈值时，调整干扰源和系统之间的位置，以减少干扰源的干扰；当超过阈值时，可采用干扰消除手段对干扰进行消除处理，所述干扰消除手段可包括使用屏蔽材料进行物理隔离、采用抗干扰滤波器来过滤干扰信号、重新选择合适的电磁场工作频率等。
第二方面，本申请提供了一种环网柜，应用于如上所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统。
本发明的有益效果：
通过收集基于磁共振供能的无线传感系统的工作数据，选择具有相关性的电能参数与干扰强度变量，分析稳压电源的电能参数与干扰源之间的关系，利用K-means方法确定电能参数分类，并根据电能参数分类对干扰源的干扰等级进行划分，以作为干扰处理的依据。本发明解决了基于磁共振供能的无线传感系统由于受到外部环境干扰源的干扰，导致能量传输效率下降，进而供能不稳定的问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于：包括磁场发射模块、磁场接收模块、稳压电源模块、监测模块、干扰分析模块和干扰处理模块，其中：
所述磁场发射模块，包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，所述高频电流电源装置、所述天线和所述导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；
所述磁场接收模块，包括线圈模块和电容器，所述线圈模块连接所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射模块通过磁共振进行能量传递；
所述监测模块，用于监测所述稳压电源模块的电能参数，同时监测和定位外部环境的干扰源；
所述干扰分析模块，用于分析干扰源与电能参数之间的关系，确定干扰源的干扰等级；
所述干扰处理模块，用于根据所述干扰等级制定相应的干扰处理方案；
其中，所述干扰分析模块中，所述分析干扰源与电能参数之间的关系，确定干扰源的干扰等级，包括以下步骤：
S1、数据收集：收集监测模块监测的电能参数和干扰源数据，所述干扰源数据包括干扰频率和干扰强度；
S2、数据处理：剔除干扰频率与磁场发射模块产生的电磁场频率差异较大的数据样本；
S3、变量选择：计算电能参数与干扰强度之间的相关系数，选择所述相关系数大于0.7的电能参数和干扰强度作为后续分析的变量；
S4、电能参数分类：采用K-means方法对电能参数进行聚类，得到电能参数分类；
S5、干扰等级划分：根据所述电能参数分类，对相应的干扰强度数据样本进行划分，再根据划分的干扰强度数据范围，确定干扰源的干扰等级。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于：所述监测模块，当外部环境不存在干扰源时，停止监测稳压电源模块的电能参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于：步骤S3中，所述相关系数，计算公式为：
，
式中：r ij 表示电能参数x i 与干扰强度x j 之间的相关系数；x ki 表示x i 的第k个样本，x kj 表示x j 的第k个样本，k=1，2，…，n，其中n为样本数；和/>分别表示x i 与x j 的平均值。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于：步骤S4中，所述采用K-means方法对电能参数进行聚类，得到电能参数分类，包括以下步骤：
S41、初始化聚类中心：随机选取电能参数数据集空间中的若干个数据对象作为初始聚类中心；
S42、初始化数据对象聚类簇：计算所有电能参数数据对象与所述初始聚类中心之间的欧式距离，将各数据对象划分至与初始聚类中心欧氏距离最小的类别中，形成初始聚类簇；
S43、更新聚类中心：计算各初始聚类簇的电能参数平均值，以所述平均值作为新聚类中心，再次计算所有数据对象与新聚类中心之间的欧式距离；
S44、确定最终聚类簇：重复步骤S42-S43的操作，直至聚类中心不再发生改变，确定各聚类中心所对应的最终聚类簇，并将各最终聚类簇作为电能参数分类。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于：步骤S42中，所述欧式距离，计算公式为：
，
式中，d(x, C i )表示欧式距离函数；x为电能参数数据对象；C i 表示第i个聚类中心，1≤i ≤k，k为聚类中心的数目；n为数据集的样本数；x j 表示数据集中第j个变量的数据对象；C ij 表示第j个变量的聚类中心。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于：所述干扰处理模块中，所述根据所述干扰等级制定相应的干扰处理方案，包括以下步骤：
T1、设定干扰等级阈值，并检测当前干扰源的干扰等级；
T2、当未检测到干扰源时，不做干扰处理；
T3、当所述当前干扰源的干扰等级低于干扰等级阈值时，根据干扰源的位置，调整磁场发射模块与磁场接收模块之间的位置和距离，减少干扰源对系统的干扰；
T4、当所述当前干扰源的干扰等级高于干扰等级阈值时，采用干扰消除手段对干扰信号进行处理。
7.一种环网柜，其特征在于：应用于如权利要求1-6任一项所述的一种基于磁共振供能的无线传感系统。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Publication date |
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| CN117559673A (zh) | 2024-02-13 |
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