吴纳磊，李英春，贾海旭

（石家庄科林电气股份有限公司，河北 石家庄050000）

微能源电源管理系统，是一种面向微尺寸供电器件，实现电能的整流、稳压、干扰的防护，并根据负载和外界环境的变化智能化和最优化管理电能的储存与释放的微系统。故障指示器产品是一种独特的微能源电源管理系统。

目前故障指示器产品应用广泛，在配电领域中，使用量在逐步增大。故障指示器系统由三相采集单元和汇集单元组成，A 相采集单元、B 相采集单元和C 相采集单元和汇集单元借助433 MHz 无线通信模块实现数据交互。然而故障指示器的采集单元应用在高压线路上的特点，其如何取电带载保证设备长期稳定的运行仍然是要关注和解决的事情；故障指示器的汇集单元，悬挂的电线杆上，依靠太阳能获取电量，如何稳定有效是要解决的事情。

故障指示器的采集单元安装在高压线路上，其独特的环境可感应电场，作为一种测量数据可监视线路运行和故障暂态特性。同时能采集电流，并通过TA 取电，要满足一次线路电流在0～630 A 的宽范围内的供电需求。在一次线路电流一般5 A 以上的取能满足设备的运行，忽略了一次线路电流在0～5 A时（现实中线路低负荷的情况占比不小），也可以取电，虽然大概率不能满足设备的全功能运行（每个模块和功能都运行功耗自然大一些），但是能满足设备在具备重要功能需求下的稳定运行，根据取电能力的大小来切换运行状态。本方案利用硬件的感应取电、存电和软件对取电能力的监视、软件控制供电方式的切换、软件对超级电容充放电的控制、软件对整机功耗的自动调整，最大限度的利用TA感应取电所得到的电量，在减少对设备中锂电池（一次性应用，不能充电，要求10 年内不消耗完）电量的消耗，从而延长了锂电池的使用时间的前提下，保证了在更宽的一次线路电流范围内设备的运行。在一次线路电流偏大时，软硬件结合，用独特的方法完成带载稳定、快速超级电容充电、多余电量的自如释放等功能。供电方式与运行模式自适应的应用方法，实现了外部能量获取进行自主功能调节的设备运行方案，最大限度的使用外部电源，最大限度的节省内部后备电源（锂电池一次性应用，要求10 年内不消耗完），同时保证了设备的稳定运行。

故障指示器的汇集单元，悬挂的电线杆上，应用25 W 的太阳能板和12 V/12 Ah 的可充电锂电池，太阳能和免维护蓄电池主备供电,高可靠电源系统,主供电电源作为可再生新能源，在白天提供能源，到了晚上，自动切换后备电源（电池）供电。

1 故障指示器采集单元的微能源管理策略

1.1 微能源管理策略的目的

目前故障指示器系统，作为一种挂在架空线或电缆上的配电产品，以其实用性强、使用方便、故障准确判断、故障易识别性，使其在配电领域得到广泛应用。但本产品采集单元体积小，重量轻，机械性弹力卡高压线路上，在都会用到电磁感应方式（TA 取电）取电及其电量的应用、分配、存储、放电。目前，故障指示器采集单元的电源来自于安装在电缆上的感应取电线圈产生的感应电能，因此取电能力依赖于一次线路的电流大小、磁环大小、磁环的绕线匝数。在一次线路电流实时变化的情况下，如何取到稳定适宜的电能，合理分配和应用，是本产品需要面对的技术难题。

因此需要一套有效且稳定的微能源管理策略。设备在不同工作状态有不同等级的功率消耗，同时根据外部提供能量大小进行软硬件结合的自动功能调整，即保证了外部电源充足时的电源应用，又实现了设备在低能源获取应用情况下正常工作。

TA感应取能根据一次线路电流大小的变化而变化，导致其输出功率的变化性，增加了设备运行的难度，如何高效、灵活、节能的应用和分配电源，能最大限度的获取感应出的电源，是本产品设计方面面临的难题。依靠软件和硬件结合的方法，制定了一套有效且稳定的电源管理策略。

1.2 微能源管理策略的方法

设备在不同工作状态有不同等级的功率消耗，根据外部提供能量大小进行自动功能调整，实现设备在低能源获取应用情况下正常工作。实现程序的功能模块划分和功耗区分，在磁环输出功率变化时，功能模块调整，软件控制电源供电方式的切换，程序实现起来有些复杂，但最大限度的依靠TA感应取能，减少对设备中锂电池电量的消耗，从而延长了锂电池的使用时间。

1.2.1 运行状态划分及供电方式

设备3 种运行状态，睡眠模式（具备比较器ACMP监测）、部分功能模式（仅具备基本的数据采样，关闭了其他运行模块）、全功能运行模式（具备各项功能模块运行正常）。

部分功能运行状态：仅开启系统时钟、A/D 采样、比较器ACMP。本状态具备故障指示器设备的最基本功能，遥测采集和故障判断。可根据检测到的TA取电能力快速的切换到睡眠模式或全功能运行模式，也可以根据现场采样和故障判断切换到睡眠模式或全功能运行模式。部分功能运行状态的功耗为全功能运行模式时功耗的30%左右，降低了设备运行的功耗。部分功能运行状态还可以根据系统时钟主频大小的调整、采样频率（每周波采样点数）的来调整功耗，30%的比例还可以进行调整。

功耗介绍：全功能运行模式功耗为100%，部分功能模式功耗降为40%，睡眠模式功耗降为3%。

电源供电方式：锂电池、超级电容、整流桥后的电解电容通过使能DCDC 直流电源芯片，将电源输给恒压输出电源芯片（输出3.3 V）。

1.2.2 电源管理

电磁感应方式（TA取电）取电，根据取电能力的大小，软件监视的线路电流的数据、储能的后备电源（电池）、超级电容的电压等实时参数，决定选用哪种供电方式和选用哪种运行模式。

1.2.3 电源的硬件监控和电源使用的先后顺序

微能源管理策略流程图如图1所示。

图1 微能源管理策略流程图

TA 感应取电提供电源，电源监视模块(硬件)控制电解电容电压最高在3.7 V，当监视到电解电容电压高于3.7 V时，此电源监视模块输出高电平，控制整流模块前端的MOS管组成的旁路导通，即将磁环短接，将多余的电量释放。在TA 感应取电充足时，使能DC/DC直流电源芯片，直流电通过恒压输出电源芯片输出稳定电压，输送到CPU模块、模拟采集电路、其他外设，供设备运行；同时电解电容多余的电量给超级电容充电；在TA感应取电提供电源不足以带动设备运行时，供电方式要切换到后备电源（超级电容或电池）供电，超级电容有电先放电，超级电容没电，再由锂电池供电。

2 微能源管理具体实现策略

电路采用TA磁环感应取电，利用智能控制策略实现对电源的合理应用；采用超级电容作为后备电源，在取能充足时，利用可变阀控电压充电方法完成对超级电容充电；利用微处理器中模拟比较器（ACMP）对整流后电解电容电压变化进行判断，用实时的计算结果来分析和控制电源系统应用；在无取电电源和超级电容无电情况下，由锂电池提供电源。在不同的供电方式下，调整设备运行模式，以达到电源和运行模式自适应、可调节的运行方法。供电方式与运行模式自适应的应用方法，实现了外部能量获取进行自主功能调节的设备运行方案，最大限度的使用外部电源，最大限度的节省内部电源，同时保证了设备的稳定运行。

设备挂在一次高压线路上，通过TA 感应取电后，经硬件保护电路和智能控制保护电路（释放浪涌高压和故障电流的冲击），经过整流模块将电能存在电解电容，用电源监控芯片来监控“整流模块”中电解电容电压V_DR，防止此充电电压过大，当电压V_DR大于电容器件电压额定值Unc时，电源监视模块将自动调整电流取电采集电路，控制Q1双MOS 管导通，电流就会从两个MOS 管流过。电流流经旁路，后续电路将无电源输入到整流模块。此时后续电路将从整流模块内的存电电容取电，随着电量的消耗，电源监视模块监测到电容电压V_DR

2.1 整流模块

交流电经过整流桥输出方波直流，经电解电容电容存储后，输出直流电压V_DR。处理器的模拟比较器ACMP 对电解电容C29 电压变化进行监测和判断，来控制超级电容充放电、锂电池后备电源是否投入。

2.2 供电方式与运行模式自适应的应用方法，最大限度的使用外部电源，最大限度的节省内部电源

根据TA感应取电的能力，调整运行模式；取电的能力越大，设备运行状态越全面，如图2所示。

图2 软件运行状态策略图

运行模式、线路供电能力（一次电流）、供电方式方式对应表，如表1所示。

表1 供电方式方式对应表

3 具体管理策略

输电线路上的故障指示器，经过电流取电获得随电流大小变化的电源，将整流桥后面的电解电容电压充高，微控制器片上模拟比较器（ACMP），采集和比较电解电容电压，达到设置值后，将CPU由睡眠模式唤醒。电压DR 经超级电容充放电控制模块控制给超级电容充电或放电。同时直流电DR 经DC变换模块输出与电池电压相同的电压，此时若有电压，则CPU控制电池不投入，此电压经稳压电源芯片转换成所需电压Vcc，给CPU模块、模拟采集电路、无线射频模块、温度芯片、铁电等核心部分供电。整个运行过程，模拟采集电路会将多个点采集到的电压，CPU经过综合判断，切换运行状态。整个电源系统可靠稳定有序的运行。

机壳主体安装两个半磁环，其中一个半圆磁环均匀绕制铜导线，形成TA感应取电模块，引出交流电。

交流电经过硬件保护模块和智能控制保护模块（释放浪涌高压和故障电流的冲击），输入到整流模块。整流模块输出直流电，存储到电解电容。电源监视模块实时监视电解电容电压V_DR的大小，当V_DR>Unc（电容器件电压额定值）时，电源监视模块将自动调整电流取电采集电路，控制整流模块前的两个MOS管导通，旁路的导通，可将多余的电能量释放。随着电解电容电能量的消耗，电源监视模块监测到电解电容电压降低，V_DR

使能DC 直流电源芯片的方式供电，可将电解电容的电经恒压输出电源芯片输送到各个应用模块，给CPU、A/D 采集、无线模块、铁电、温度芯片等核心部分供电。

4 根据供电能力实现电源切换与运行模式自适应的应用方法

锂电池供电时，证明无供电能力，软件控制设备设备运行状态由全功能运行模式切换为睡眠模式。进睡眠模式后，此模式为全功能运行时功耗的3%。 此时比较器ACMP 监测检整流桥后电解电容电压的过压阈值。当一次线路电流变大，TA感应取电提供电源,电解电容电压由小变大，处理器MCU通过比较器ACMP 检测到其电压达到过压阈值，设备从睡眠模式唤醒，软件进行电源供电方式切换，由锂电池供电切换为使能DCDC 直流电源芯片的方式供电（电源来自TA 感应取电），此时运行模式进入部分功能运行模式（此模式为全功能运行时功耗的40%），仅启动系统时钟、A/D采样模块和比较器ACMP。

部分功能运行模式，使能DCDC 直流电源芯片的方式供电时（配置比较器ACMP 检电解电容电压的低压阈值，实时判断TA 感应取电的供电能力），在供电中电解电容电压未降到低压阈值，TA感应取电能供设备正常运行，有供电能力；若在供电中检测到电解电容电压降到低压阈值，证明TA感应取电不能供设备当前的运行模式运行，需要软件进行电源供电方式切换，由使能DCDC 直流电源芯片的方式供电切换为锂电池供电，设备运行状态由部分功能运行模式切换为睡眠模式。比较器ACMP 以软件中断形式检测阈值速度很快，用时20μs以下。经过一定时间的检测，本模式运行稳定，证明TA感应取电有供电能力，尝试切换运行模式，由部分功能运行模式切换到全功能运行模式。

全功能运行模式，使能DCDC 直流电源芯片的方式供电时（配置比较器ACMP 检电解电容电压的低压阈值，实时判断TA 感应取电的供电能力），在供电中电解电容电压未降到低压阈值，TA感应取电能供设备正常运行，有供电能力；若在供电中检测到电解电容电压降到低压阈值，证明TA感应取电不能供设备正常运行，需要软件进行电源供电方式切换，由使能DCDC 直流电源芯片的方式供电切换为锂电池供电，设备运行状态由全功能运行模式切换为睡眠模式。

在使能DCDC 直流电源芯片的方式供电时，当电解电容电压未降到比较器ACMP 配置的低压阈值，认为TA感应取电能供设备正常运行，再次配置比较器ACMP 两个阈值（高阈值和低阈值），电解电容电压大于高阈值，软件控制电路将电解电容与超级电容连通，电能流到超级电容，此时电解电容电压会降低；电解电容电压小于低阈值时，软件控制电路将电解电容与超级电容断开，停止充电后，TA 感应取电的持续供电，电解电容电压又会升高，达到高阈值后再启动超级电容充电，如此循环操作，可将超级电容充上电。这种软硬件结合的操控方法命名为可变阀控电压充电方法，达到的效果是电解电容电压为周期性锯齿状波形，超级电容电压在慢慢升高。

在一次线路没有电流，TA就无法感应取电，软件实时采集超级电容电压，检测到超级电容有电，软件控制超级电容放电，超级电容放电时将连接到电解电容，此时使能DCDC 直流电源芯片，电能量输送到各个模块；如果检测到超级电容没有电，关闭超级电容放电，不使能DCDC 直流电源芯片输，切换为锂电池供电，设备运行状态由全功能运行模式切换为睡眠模式。

供电方式与运行模式自适应的管理策略，实现了外部能量获取进行自主功能调节的设备运行方案，最大限度的使用外部电源，最大限度的节省内部电源，同时保证了设备的稳定运行。

5 故障指示器汇集单元的微能源管理策略

5.1 故障指示器汇集单元设备

故障指示器的汇集单元，悬挂的电线杆上，应用25 W的太阳能板和12 V/12 AH的可充电锂电池，太阳能和免维护蓄电池分别作为主备电源的供电方式。主供电电源作为可再生新能源，在白天提供能源，到了晚上，自动切换后备电源（电池）供电。但太阳能取电方式容易受到阳光强弱、雨雪天气、季节气候的影响，如何有一个高可靠电源系统,需要制定智能的、优越的能源管理策略。

设备功耗0.2 VA，电池充满后理论上可待机718 h，可满足长期雨雪天等阳光不足的情况。

5.2 电源管理策略

太阳能板取能后输出20 V左右直流电压，电路板的电源输入端有稳压超级电容；微处理器MCU实时采集直流量太阳能板输入电压和超级电容，在后备电源（电池供电）时，当满足太阳能板输入电压大于等于16 V且超级电容充满电时，供电方式由电池供电切换为主电源供电。在主电源供电时，当检测到太阳能板输入电压小于16 V且超级电容电压低于放电门槛值时，由主电源供电切换为后备电源（电池供电）。如果设备断电状态下，太阳能板感应光得电后自动上电，微处理器MCU开始运行，启动电源切换。

5.3 汇集单元电源管理策略图

图3 汇集单元电源管理策略图

5.4 汇集单元电源管理策略结论

供电方式与实时变化的取电能力形成了自适应的管理策略，最大限度的使用外部电源，最大限度的节省内部电源，同时保证了设备的稳定运行。避免了人员的维护，省去的其他供电方式的硬件设施，达到了经济节约的目的。

6 结束语

故障指示器作为一种线路架空设备，汇集单元、采集单元多设备的组合，实现线路电流、电场，光伏能源的重新组合使用，通过一种策略，建立进行架空线路设备能量优化处理方案，通过能量管理和自适应的分配策略，能解决能源储备和能源使用的问题，达到设备的运行控制和设备间的协作运行，这种方案可以很好的推动架空线设备的稳定运行，与实现经济效益最大化。