一种基于电场取能的无源无线传感装置

摘要

本发明公开了一种基于电场取能的无源无线传感装置，包括能量采集器、能量管理单元以及通讯单元；能量采集器用于收集导线周围的电场能，能量管理单元用于将能量采集器收集的电场能存储与释放；能量管理单元包括整流模块、蓄能电容Cs、充放电控制电路、DC‑DC稳压模块、传感器与无线传输模块，传感器与无线传输模块用于环境信息采集以及无线发送数据；通讯单元用于将环境信息传输至数据后端。本发明工作于10KV‑35KV配网线路，该装置采用电场取能供电，不需要额外电池供能，能实现导线上电流与温度信息的采集以及无线传输，规避了电池供电方案寿命短、需经常替换、人力成本高等问题，提高了电网的智能化程度。

说明书

技术领域

本发明涉及传感装置领域，具体涉及一种基于电场取能的无源无线传感装置。

背景技术

配网是电网的重要组成部分，在电网中起着分配电能的作用，因此配网的状态监测对电网的正常运行有着重要作用，状态监测量主要为导线电流与温度，监测装置取能方式通常有CT取能、太阳能取能、振动取能、射频取能等；但现有取能方式存在取能功率不稳定，容易受环境干扰等缺点，需要额外电池供能，电池供电寿命短，需经常替换，从而增加人工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电场取能的无源无线传感装置，采用电场取能方式，其能量收集不受温度、导线电路、风速、光照等外界因素影响，只与导线电压有关，在电网中，导线电压等级是恒定的，也就意味取能装置具有稳定的能量来源，以解决背景技术中不足。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于电场取能的无源无线传感装置，包括能量采集器、能量管理单元以及通讯单元；

其中，

能量采集器用于收集导线周围的电场能，能量管理单元用于将能量采集器收集的电场能存储与释放；能量管理单元包括整流模块、蓄能电容Cs、充放电控制电路、DC-DC稳压模块、传感器与无线传输模块，电场能存储与释放过程：能量采集器收集的电场能经过整流模块整流后为蓄能电容Cs充电，当蓄能电容Cs电压上升到一定阈值后，充放电控制电路开关闭合，让蓄能电容Cs储存能量释放，经过DC-DC稳压模块稳压后，输出恒定电压，为传感器与无线传输模块提供能量；当蓄能电容Cs电压下降到一定值后，充放电控制电路开关打开，停止能量的泄放，传感器与无线传感模块停止工作，蓄能电容Cs继续充电，进入下一能量管理周期；传感器与无线传输模块用于环境信息采集以及无线发送数据；通讯单元用于将环境信息传输至数据后端。

优选的，所述能量采集器包括第一壳体以及第二壳体，所述第一壳体的内部设置有第一感应极板、第一电路板、第二电路板、第一金属板以及第一挡板，第二壳体的内部设置有第二感应极板、第二金属板以及第二挡板；

所述第一感应极板与第一壳体固定，第二感应极板与第二壳体固定，且第一感应极板与第二感应极板位置相对应，第一电路板与第二电路板固定在第一感应极板的一端内侧，第一金属板固定设置在第一壳体的内腔中部，所述第二金属板固定设置在第二壳体的内腔中部，且第二金属板与第一金属板位置相对应。

优选的，所述第一壳体的两端均固定设置有第一端盖，所述第二壳体的两端均固定设置有第二端盖，在第一壳体与第二壳体闭合后，第一端盖配合第二端盖密封第一壳体与第二壳体的内部空间，且第一金属板的两侧均固定设置有第一挡板，第二金属板的两侧均固定设置有第二挡板，在导线嵌入第一金属板与第二金属板后，第一挡板辅助第二挡板对导线限位，防止导线脱离第一金属板与第二金属板。

优选的，所述第一金属板以及第二金属板与第一感应极板和第二感应极板均为铜材料制成。

优选的，所述通讯单元中还设置有中继接收器，用于接收传感器节点信号，并将接收信息通过4G网络传输至上位机显示。

在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

本发明工作于10KV-35KV配网线路，该装置采用电场取能供电，不需要额外电池供能，能实现导线上电流与温度信息的采集以及无线传输，规避了电池供电方案寿命短、需经常替换、人力成本高等问题，提高了电网的智能化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明能量采集器的整体结构示意图；

图2为本发明能量采集器的展开示意图；

图3为本发明能量采集器的等效电气模型图；

图4为本发明负载功率与负载的关系曲线图；

图5为本发明的能量管理方案图；

图6为本发明的通讯流程图。

附图标记说明：

1、能量采集器；10、第一壳体；101、第一感应极板；102、第一电路板；103、第二电路板；104、第一金属板；105、第一挡板；106、第一端盖；20、第二壳体；201、第二感应极板；202、第二金属板；203、第二挡板；204、第二端盖；30、导线；40、铰链。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

本实施例所述一种基于电场取能的无源无线传感装置，包括能量采集器1、能量管理单元以及通讯单元；

其中，

能量采集器1用于将导线周围的电场能收集起来，安装于导线30上，采用开合结构，安装方便运行可靠，可实现电网不停电安装；

能量管理单元用于能量的存储与释放管理，由于能量微弱，采用了收集-存储-释放的能量管理方案；

通讯单元用于电流与温度信息的传输，为实现远距离传输，采用节点-中继-后台方案。

本实施例中，由于能量采集器1安装于导线30上，并采用开合结构便于安装，因此我们对能量采集器1的结构优化，优化后的能量采集器1结构如下：

请参阅图1所示，能量采集器1包括第一壳体10以及第二壳体20，且第一壳体10与第二壳体20通过铰链40活动连接，并在第一壳体10与第二壳体20远离铰链40的一侧开设通孔，当第一壳体10与第二壳体20闭合后，使用螺栓插入第一壳体10与第二壳体20后套上螺母，固定第一壳体10与第二壳体20；

请参阅图2所示，所述第一壳体10的内部设置有第一感应极板101、第一电路板102、第二电路板103、第一金属板104以及第一挡板105，第二壳体20的内部设置有第二感应极板201、第二金属板202以及第二挡板203；

其中，第一感应极板101与第一壳体10固定，第二感应极板201与第二壳体20固定，且第一感应极板101与第二感应极板201位置相对应，第一电路板102与第二电路板103固定在第一感应极板101的一端内侧，第一金属板104固定设置在第一壳体10的内腔中部，所述第二金属板202固定设置在第二壳体20的内腔中部，且第二金属板202与第一金属板104位置相对应；

进一步的，所述第一壳体10的两端均固定设置有第一端盖106，所述第二壳体20的两端均固定设置有第二端盖204，在第一壳体10与第二壳体20闭合后，第一端盖106配合第二端盖204密封第一壳体10与第二壳体20的内部空间，且第一金属板104的两侧均固定设置有第一挡板105，第二金属板202的两侧均固定设置有第二挡板203，在导线30嵌入第一金属板104与第二金属板202后，第一挡板105辅助第二挡板203对导线30限位，防止导线30脱离第一金属板104与第二金属板202；

进一步的，除第一感应极板101、第二感应极板201、第一金属板104与第二金属板202外，能量采集器1的其它部件全采用高分子绝缘材料制成，使用寿命长，且第一金属板104以及第二金属板202与第一感应极板101和第二感应极板201均为铝或铜材料制成。

能量采集器1可应用于裸导线30或带有绝缘层导线30，当导线30裸露时，第一金属板104以及第二金属板202直接与导线30接触，形成等电位体，能量采集器1收集导线30与第一感应极板101和第二感应极板201之间的能量；

当导线带有绝缘层时，能量采集器1收集第一金属板104以及第二金属板202与第一感应极板101和第二感应极板201之间的能量，采集器采用开合结构，可方便实现采集器的安装与拆卸。

根据麦克斯韦方程组，时变的电场会产生位移电流，因此可收集分布电容之间的位移电流，将之存储为负载供能，因此我们通过以下方案管理能量：

我们在第一电路板102与第二电路板103上集成能量管理单元，能量管理单元包括整流模块、蓄能电容Cs、充放电控制电路、DC-DC稳压模块、传感器与无线传输模块，其中，传感器包括电流传感器与温度传感器，传感器与无线传输模块均为低功耗芯片。

请参阅图3所示，C1为导线与能量采集器1之间的分布电容，C2为能量采集器1与大地之间的分布电容，RL为等效负载，根据公式：

负载功率为：

计算得到负载功率与负载之间的关系如图4。从图中看出，负载功率很低，且在满足阻抗匹配条件(

能量管理方案如图5所示，能量存储与释放过程：能量采集器1收集的电场能经过整流模块整流后为蓄能电容Cs充电，当蓄能电容Cs电压上升到一定阈值后，充放电控制电路开关闭合，让蓄能电容Cs储存能量释放，经过DC-DC稳压模块稳压后，输出恒定电压，为传感器与无线传输模块提供能量；当蓄能电容Cs电压下降到一定值后，充放电控制电路开关打开，停止能量的泄放，传感器与无线传感模块停止工作，蓄能电容Cs继续充电，进入下一能量管理周期。

其中整流模块用于将交流转换为直流，DC-DC稳压模块用于将蓄能电容Cs释放的电压转换为稳定直流电压输出，传感器与无线传输模块用于环境信息采集(电流、温度)以及无线发送数据(zigbee、lora、433Mhz等技术)。

本实施例中，请参阅图6所示，在通讯单元中，由于能量采集器1输出功耗较低，无法实现远距离信号传输，因此需设置中继接收器，用于接收单个传感装置节点信号，并将接收信息通过4G网络传输至上位机显示。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。