产品︱基于物联网技术的开环式感应取电环在配网中的研究与应用
中国电工技术学会定于2016年9月26~27日在安徽省合肥市举办“2016第五届新能源发电系统技术创新大会”（原“分布式发电与微电网技术大会”），主题为“能源互联网关键技术、储能电站与微电网建设”。
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国网开封供电公司、国网鹤壁供电公司的研究人员秦福祥、孙丽亚，在2016年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，目前随着智能电网工程的推进，对取电电源的要求也在提高。
本文通过研制出一种小型化、大容量化的取电环来满足配网监测中设备所需要的电源，并结合物联网技术实现取电环容量的在线监测。
随着配电网自动化技术的发展，配电网中的智能监测监控设备应用越来越普遍，而配电网自动化系统中的智能测控设备一般是沿线安装，这就使这些智能设备的供电问题比较难以解决。
因为配电网中有些监测设备是要悬挂到架空线上的，这些设备如果靠PT供电的话，则会带来三个问题，第一是造价较高，因为PT安装的价格和相关绝缘设备的价格都很高，第二安装麻烦需要停电安装，对负荷供电持续性和可靠性收到影响，另外，增加一个PT也会增加一个系统对地故障的隐患点，这个也是供电部分非常关心的一个方面。
为此我们研究了一种可以通过架空线直接取电的技术，即采用开环式感应去电环从线路取电，供监控设备直使用的供电形式。
1 电力物联网技术
电力物联网技术是指在电力系统监测监控中运用新型监测终端，时时获得电力系统的电压、电流、功率等各种信息，通过短距离射频通信及合适的远距离通信技术，将这些电力系统信息时时传送到监控中心的一种远程的、宽泛的监测监控技术，它是建立在新型智能低功耗传感器及先进的通信技术基础上的。
近年来，随着新型电子式电压、电流互感器的出现，随着计算机技术、无线通信技术及移动互联网技术的发展，电力系统物联网技术日益受到人们的重视。目前家电行业提出了智能家电的感念并有相关产品得到了应用和推广。
同样，在电力的生产、运营和管理领域也提出了智能输配电设备的概念，并有部分物联网相关产品已经大量使用，比如，智能型架空线路指示器、智能型环网柜的应用就是这方面的一个例子，这些轻型、智能监测终端的使用使人们对配电网的监测越来越深入和全面，这些产品的应用也符合我国发展智能电网、柔性电网的发展目标。
目前国内外智能配网中环网柜内、分支箱等箱体内电源使用的取电方式主要有三种：PT电压互感器、CT电流互感器和光伏太阳能板。
1.1 加装PT供电方式
加装PT的供电方式是指在需要用电的监控设备的安装位置安装专门为给监控设备用电用的PT，有PT将10kV甚至更高电压变换成220V或100V低压交流电，监控终端以PT的低压输出为电源工作的一种监控设备供电方式。在中供电方式供电功率容易保证，是目前输电系统自动化装置中主要的供电方式。
但是这种供电方式有一下缺点：第一，安装PT需要专用的支架机构和安装的空间，而配电网监测监控设备的安装往往时在现有的线路或配电设备上安装，这种安装专用支架的空间很难保证；第二，PT价格较贵，而且有些监控设备需要悬挂在架空线路上，取电和送电两方面都需要考虑绝缘设计，这就更增加了造价，也带来的很多技术困难；第三，增加PT也就增加了一次系统接地故障的隐患，因此会降低系统供电的安全性能。综合以上原因，采用PT供电的方式很难在配电网自动化中广泛采用。
1.2 电流互感器供电的方式
电流互感器供电的方式是指将电流互感器二次侧改为半开路状态，在其断口接滤波电路，并将这个输出能量作为监控终端的工作电源，这种供电方式的优点时不需要安装特殊的安装机构，所占空间尺寸小，如果线路在架空线上的话，则可一将监控设备和电流互感器一体化安装，一次线路、取电设备及用电的监控终端都在高压部分，因此绝缘费用很低。
但是，电流互感器取电时建立在线路电流的感应基础上，由于线路一次侧电流的变化范围很大，所以电流互感器的输出也就不稳定；当一次线路电流很小时输出功率很小，可能不足以位置监控终端的实用；当线路电流特别大时，则电流互感器容易饱和，造成电流互感器的烧毁，因此，如何在线路电流变化巨大的情况下稳定可靠供电是电流互感器供电方式中很难解决的问题。
1.3 光伏太阳能板供电方式
太阳能板是一种将光能直接转换为电能的供电设备，是近期发展起来的一种新型供电形式，这种形式在偏远山区或这一些独立的监控装置供电中应用很普遍。这种供电方式清洁无污染，也没有采用电压互感器需要考虑的绝缘问题。
但是，这种供电方式只能白天供电，且太阳能板供电受天气的影响很大，有些南方的山区往往很长时间的连续阴雨天气，这些地区的监控终端如果单纯采用太阳能板供电的情况下，则往往会出现由于长时间没有太阳而停止工作的情况。
2 感应取电环
2.1 开环系统
笔者研制的感应取电环是一种开环系统，通过特殊的结构设计，避免了以往CT取电效率低容易饱和的缺陷；开环就是结构上不采用闭合磁路，采用哈弗结构的两半磁芯截面不直接接触，用4个厚度为0.25mm特制胶片贴在4个截面上，隔断磁芯接触，两半磁芯间存在1个mm的气息而，从而形成开环的取电结构。
优点：1）减弱了普通CT传感器的涡流现象，解决了取电CT互感器的发热问题；
2）用4个特制胶片密封了磁芯截面，隔绝了空气和水，不会发生传统传感器因截面生锈而导致的取电能力减低甚至无法取电的现象；3）传统的CT传感器如果一旦有1mm气息，根本无法取能，本项目通过研究MTTP技术，提高了整体电路的输出功率。
2.2 MTTP技术
MTTP技术是一种算法，电缆在运行中电流会跟随负载的情况发生较大范围的波动，按照MTTP算法可以跟踪电缆电流的变化，从而找到最佳功率点。该算法是恒压跟踪法，从下图可以看出：在一次侧电流变化的情况下，保证输出电压恒定时，其输出功率最大，在设计时采用MTTP算法，可以最大限度地保障取电功率，提高了一次电流的能量传递效率。
图1 恒压跟踪法图像
2.3 感应取电环原理简述
取电环采用开环感应取电技术，通过非闭合式的高压感应器使磁场转换成电能，然后通过整流滤波电路将交流电变成直流电，MTTP（最大功率跟踪）控制电路使电路自动工作在最大功率点，使整个电路始终工作在效率最佳点，最后通过稳压电路输出稳定的电压给负载供电。
其特点，高压感应器无涡流，不发热，不对电缆本体运行造成影响，MTTP控制电路使电路始终工作在最佳功率点，比传统的CT取电效率高出8-10倍。
图2 开环取电装置原理图
2.4取电环工作状态的监测
取电环内部安装有电流监测模块和无线发射模块，结合配网已实施的物联网项目，可以实现取电环电流容量的实时在线监测，当发现取电环内部容量为0或者达到80%时进行后台报警提醒，防止取电环因为负荷运行带来的取电环不工作影响其他系统，取电环发热、短路等故障。
3 无线传感器网络数据传输
在特定的设置参数下，取电环只能在限定的环境温度及电流变化范围内实现最大功率跟踪（MTTP），为了实现取电环工作环境变化超出限定范围后取电环仍然能够获得最大功率输出，并且实时监测取电环的工作状态，笔者采用无线传感器网络实现对取电环的实时监控。
无线传感器自组网络与传统的以太网结构类似，分为标准的五层结构：包括应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。同时还包括自身特有的能量管理器，拓扑管理器及任务管理器。这种无线传感器的组网与运行方式保证了各个传感器间能够高效、节能、可靠地传输监测数据。
物联网系统中的无线自组网络的数据传输协议采用标准的ZIGBEE协议，实现稳定、可靠低功耗的无线传输。通过相应的数据模型，传感器数据在各个传感器之间采用心跳的方式传输。
物联网系统中的汇聚节点通过收集到各个传感器上送的传感器数据后，通过相应的网络层传输，传输给物联网系统主站，进行数据的处理。具体流程采用下图的方式：
图3 物联网数据传输流程图
其中配电线路的感知设备采集数据和传输至监测装置，各厂家所采用的通信手段均不相同，监测装置到汇聚控制器主要以RS485总线或光纤进行传输；汇聚控制器到统一接入网关的传输主要有以下几种方式实现：第一，可直接通过光纤传输（电力专网）到统一接入网关或通过变电站到统一接入网关。第二，可通过电力无线专网到变电站，也可通过电力宽带载波到变电站，然后由EPON光接入网传输到统一接入网关或通过公网（APN）到统一接入网关。
4 应用情况
笔者基于以上原理研究设计的取电环已经在我公司的配电网监测系统中小批量使用，通过近半年的使用情况看，工作性能稳定、质量可靠，在线路最小电流超过5A的情况下，完全可以满足常规监测设备供电的要求，并且减少了维护、维修的工作量，达到了预定的设计要求。
5 结语
取电环具有独特的取能方式和设计理念，线路通电就可以稳定供电，具有稳定可靠供电、长期免维护运行等特点，克服了太阳能和PT、CT取电的不足，安全稳定、低成本、施工方便，解决现场设备供电难题。
为线路上在线检测、监控、巡检、防盗等电气设备提供稳定的电源供应，替代现有的传统互感取电装置，传统取电装置存在输出功率小，有涡流，发热严重，影响电缆安全运行，本取电装置，在同尺寸，同等工作条件下，预计是传统取电的8-10倍，无涡流，不发热或微发热，对设备本体不造成安全隐患，适用范围宽，不受环境限制。
另外结合物联网技术还实现了取电环容量的实时在线监测，防止取电环因为负荷运行带来的取电环不工作影响其他系统，取电环发热、短路等故障。