一种中继式无线传能系统多负载恒压供电方法及装置与流程

本发明涉及零值绝缘子在线监测供电，并且更具体地，涉及一种中继式无线传能系统多负载恒压供电方法及装置。

背景技术：

1、为保证电网运行安全，大量智能在线监测设备投入运行，通过在线监测设备数据采集户外输电线路工作状态实现电网的全域监控。然而，传统的太阳能供电、电池供电等方式无法满足在线监测设备的持续可靠供电需求。基于近场电磁耦合实现电能无线传输是一种安全灵活且可靠的新兴供电技术，其可适应雨雾、潮湿等多种恶劣天气环境，为户外输电线路在线监测设备供电提供了一种可行的途径。近几年，有学者把无线传能技术与ct取电技术相结合，实现从高压线路取电并将其无线传输到杆塔为低压在线监测设备供电。由于输电线路到杆塔的距离随着电压等级升高而增大，中继式磁耦合无线传能技术通过在能量发射端结构单元和能量接收端结构单元中间加入中继侧结构单元，利用中继线圈的磁耦合谐振来实现中远距离下的能量传输，解决了近场耦合传输距离受限问题。目前中继式线圈装载在绝缘子串上实现现场的安装部署，在其最后一级线圈实现恒压输出为负载终端供电，然而对于绝缘子串零值检测等应用，需在绝缘子串上分布多个零值监测传感器，其供电亟需解决复杂交叉耦合作用下中继式无线传能系统多负载恒压输出问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种中继式无线传能系统多负载恒压供电方法及装置。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种中继式无线传能系统多负载恒压供电方法，包括：

3、建立中继式无线传能系统的电路等效模型，电路等效模型包括1个发射线圈、n-1个中继线圈共n个能量传输线圈，以及s个接收线圈；

4、以n个能量传输线圈的回路电流逐级递减90°为前置条件，分析非相邻的能量传输线圈之间的交叉耦合影响，并按照电流相位关系对交叉耦合影响进行归类，从电路层面抵消交叉耦合影响；

5、在消除线圈交叉耦合的条件下，推导n个能量传输线圈的回路电压与回路电流，确定恒流级线圈的电流相位与恒压级线圈的电流相位分布、电流表达式以及电压表达式；

6、基于电流相位分布，确定多负载恒压输出的线圈回路相位配置条件，并形成发射线圈节点、中继线圈节点、接收线圈节点的线圈排布方案；

7、根据恒流级线圈的电流表达式，推导得出中继式无线传能系统的多负载输出电压表达式，并由零值监测传感器的恒压供电需求，优化设计对应的线圈排布方案。

8、可选地，分析非相邻的能量传输线圈之间的交叉耦合影响，并按照电流相位关系对交叉耦合影响进行归类，包括：

9、以当前第k级能量传输线圈的回路电流为0参考相位，非相邻的能量传输线圈之间的交叉耦合影响通过线圈电流相位进行归类，包括：

10、第一类：若非相邻的第g级能量传输线圈的电流相位为-90°或90°，则归结为自消除型交叉耦合；

11、第二类：若非相邻的第g级能量传输线圈的电流相位为0°或180°，则归结为补偿消除型交叉耦合。

12、可选地，自消除型交叉耦合的消除原理为：

13、非相邻的第g级能量传输线圈在第k级能量传输线圈的回路中产生第一感应电压，相邻的第k-1级及第k+1级能量传输线圈在第k级能量传输线圈的回路中产生第二感应电压，当第一感应电压与第二感应电压呈现反相关系时，第一感应电压被抵消；

14、补偿消除型交叉耦合的消除原理为：

15、第k级能量传输线圈回路的自感电压与电容电压，用于补偿由电流相位为0°或180°的非相邻第g级能量传输线圈所产生的交叉耦合影响，其中第

k级线圈回路的自感、电容与补偿消除型交叉耦合满足条件：

16、

17、式中，

u

lk代表第

k级线圈回路的自感电压，

u

ck代表第

k级线圈回路的补偿电容电压，

u

kg代表第

g级线圈在第

k级线圈的感应电压。

18、可选地，在消除线圈交叉耦合的条件下，各级能量传输线圈的回路电流逐级递减90°，得到的电流相位分布表示为：

19、

20、其中，

u

inv为发射线圈回路的输入电压，

i

i表示第

i级线圈的电流，mi(i+1)表示相邻线圈之间的互感，reqi表示第

i级线圈的等效阻抗，ω是系统角频率；

21、恒流级线圈回路的电流表达式与恒压级线圈回路的输出电压表达式为：

22、

23、

24、其中，恒压级线圈电流相位为0°/-180°，恒流级线圈电流相位为-90°/90°，

uinv代表逆变器的输出电压，

m(2i+1)(2i)代表第2i+1级线圈与第2i级线圈之间的互感，

m(2i-1)(2i)代表第2i-1级线圈与第2i级线圈之间的互感，

ik_even代表第

k级恒流级线圈的电流，

uk_odd代表第

k级恒压级线圈的电压。

25、可选地，恒流级线圈为电流相位为-90°或90°的能量传输线圈，恒压级线圈为电流相位为0°或-180°的能量传输线圈。

26、可选地，线圈排布方案为：

27、发射线圈节点用于实现能量注入；

28、中继线圈节点用于实现能量的中继传输；

29、接收线圈节点对应负载终端实现负载供电；

30、所有接收线圈仅从恒流级线圈耦合能量，且每个接收线圈均为恒压级线圈，以实现一路多载恒压输出；

31、恒流级线圈作为接收线圈与下一级中继线圈的能流分支节点；

32、恒流级线圈的下一级中继线圈为恒压级线圈，恒压级线圈的回路中全部阻抗的电压总和是恒定的。

33、可选地，一路多载恒压输出的发射线圈与各中继线圈的排布方案与对应的相位配置条件为：

34、发射线圈（0°）→ 中继线圈（-90°）→ 中继线圈（-180°）→ 中继线圈（90°）→ 中继线圈（0°）→ ……；

35、并且，配置电流相位为-180°或0°的接收线圈，分别从电流相位为-90°或90°的对应的恒流级线圈耦合能量，形成负载终端输出。

36、可选地，多负载输出电压表达式为：

37、

38、式中，

m

k_oj为第

k级恒流级中继线圈与第

j个（

j=1,2,…,

s）接收线圈之间的互感，

u

oj为第

j个（

j=1,2,…,

s）负载的输出电压，ω是系统角频率，

ik_even代表第

k级恒流级线圈的电流，

uinv代表逆变器的输出电压，

m(2i+1)(2i)代表第2i+1级线圈与第2i级线圈之间的互感，

m(2i-1)(2i)代表第2i-1级线圈与第2i级线圈之间的互感。

39、可选地，由零值监测传感器的恒压供电需求，优化设计对应的线圈排布方案，包括：

40、通过调节能量传输线圈与接收线圈之间的互感取值，以满足零值监测传感器的恒压供电需求；

41、优化设计的顺序为：以各级线圈的匝数与半径为优化变量，按照先优化能量传输线圈、后优化接收线圈的分层优化顺序，设计对应的发射线圈、中继线圈及接收线圈。

42、根据本发明的另一个方面，提供了一种中继式无线传能系统多负载恒压供电装置，包括：

43、建立模块，用于建立中继式无线传能系统的电路等效模型，电路等效模型包括1个发射线圈、n-1个中继线圈共n个能量传输线圈，以及s个接收线圈；

44、消除模块，用于以n个能量传输线圈的回路电流逐级递减90°为前置条件，分析非相邻的能量传输线圈之间的交叉耦合影响，并按照电流相位关系对交叉耦合影响进行归类，从电路层面抵消交叉耦合影响；

45、确定模块，用于在消除线圈交叉耦合的条件下，推导n个能量传输线圈的回路电压与回路电流，确定恒流级线圈的电流相位与恒压级线圈的电流相位分布、电流表达式以及电压表达式；

46、形成模块，用于基于电流相位分布，确定多负载恒压输出的线圈回路相位配置条件，并形成发射线圈节点、中继线圈节点、接收线圈节点的线圈排布方案；

47、优化模块，用于根据恒流级线圈的电流表达式，推导得出中继式无线传能系统的多负载输出电压表达式，并由零值监测传感器的恒压供电需求，优化设计对应的线圈排布方案。

48、根据本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行本发明上述任一方面所述的方法。

49、根据本发明的又一个方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现本发明上述任一方面所述的方法。

50、从而，本发明提出一种面向零值绝缘子在线监测的中继式无线传能系统多负载恒压供电方法。首先，建立中继式无线传能系统的电路等效模型，在中继式线圈回路电流逐级相差90°的前置条件下，分析非相邻线圈之间的交叉耦合影响，给出消除非相邻线圈间交叉耦合的方法；按照发射线圈节点、中继线圈节点、终端线圈节点对线圈进行排布，并分析各线圈节点电流相位与多负载恒压输出的关系，确定多负载恒压输出的线圈回路相位配置条件；推导中继式磁耦合无线供电系统多负载的输出电压表达式，由零值监测传感器的恒压供电需求，反推线圈间的互感取值，并设计出对应的发射线圈、中继线圈及终端线圈，实现一路多载的中继式无线传能系统的多负载恒压输出；本发明通过在各个恒流级中继线圈节点增设终端线圈实现多负载恒压输出，克服了当前中继式无线传能系统只提供一个恒压输出的弊端，为面向零值绝缘子在线监测的供电场景提供了解决方案。