直流电晕离子流微功率取能装置、系统和方法与流程

1.本发明涉及电气工程领域，尤其是涉及直流电晕离子流微功率取能装置、系统和方法。


背景技术：

2.在电力系统逐渐向大容量、高电压和智能化方向发展的过程中，安全高效运营始终是工作的重中之重。随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术在电力系统领域中受到了广泛重视和关注。
3.当下，传统的传感器装置面临较大的应用局限，而无线传感器作为最基本的监测单元在保证电网安全可靠运行中发挥了不可替代的作用，随着“数字新基建”的兴起，以提高免维护运行寿命为目的的传感器无源自供能技术日益成为国内外的研究热点。无源自供能技术可通过电力设备本体或环境中取电，目前主流应用为电场与磁场取能等小功率或微功率取能方法。该类型的方法由于结构简单、可靠性高、便于应用等优点，成为目前使用最广泛的无源自供能技术，但由于能量来源为交变电场与磁场，无法满足高压直流场景应用下的传感器自供能要求。同时，在一定程度上也存在供能不稳定，寿命短等技术缺陷，对于输电线路的在线监测会产生不利影响。
4.综上所述，现有技术中缺少应用于高压直流场景下能够稳定安全取能的无线传感器取能装置。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供直流电晕离子流微功率取能装置，利用高压直流输电线路电晕损耗所产生的离子流，实现了直流恒定场中无线传感器难以取能的问题，具有体积小，放置灵活，输出稳定等优点，有很强的应用前景。
6.第一方面，本发明实施例提供了基于直流电晕离子流的微功率取能装置，包括：与高电位装置相连接的连接导体，与所述连接导体相连接的取能盒，以及与所述取能盒相连接的电晕电极，其中，所述高电位装置包括直流输电线，所述取能盒包括滤波模块、控制辅助模块和取能模块；所述微功率取能装置利用所述连接导体与所述直流输电线相连接，通过所述电晕电极释放的直流电晕离子流进行取能，并利用所述取能盒降低电晕脉冲产生的电磁干扰以保护后端的传感及数据传输装置。
7.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述连接导体包括金属导体勾和导线，所述取能盒包括单极型取能盒，所述单极型取能盒包括第一滤波模块、第一控制辅助模块和第一取能模块，其中，所述第一滤波模块输出支路包括低频分量支路和高频分量支路；所述第一滤波模块，通过所述金属导体勾和导线与直流输电线相连接，用于滤除流经金属导体勾的取能电流中的高频分量，并为所述第一控制辅助模块提供支路分量电
流，其中，所述支路分量电流包括用于为所述第一控制辅助模块提供稳定参考电流的低频分量电流和用于为所述第一控制辅助模块提供小功率脉冲信号的高频分量电流；所述第一控制辅助模块，分别与所述第一取能模块和所述电晕电极相连接，用于根据低频分量电流为所述第一取能模块提供相应的控制信号；所述第一取能模块，根据所述控制信号对所述参考电流进行存储。
8.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述连接导体包括绝缘绳，所述取能盒包括双极型取能茧，所述双极型取能茧包括茧型屏蔽盒和绝缘环，所述茧型屏蔽盒包括上极板、下极板和中间极板，极板间通过所述绝缘环相分隔。
9.结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述双极型取能茧还包括第二滤波模块、第二控制辅助模块和第二取能模块，其中，所述第二滤波模块为高通滤波电容；所述上极板分别与所述第二控制辅助模块和所述高通滤波电容的一端相连接，所述下极板分别与所述第二取能模块和所述高通滤波电容的另一端相连接，所述第二控制辅助模块和第二取能模块相连接以控制电能的存储。
10.结合第一方面第一种或第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述单极型取能盒通过所述金属导体勾安装在所述直流输电线上进行取能，所述双极型取能茧通过所述绝缘绳设置在所述直流输电线下方的半空中进行悬空取能，且取得的能量均为后端的所述传感及数据传输装置所使用。
11.结合第一方面第一种或第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述单极型取能盒包含1个电晕点，所述双极型取能茧包含2个电晕点，且所述双极型取能茧电晕点的位置分别位于所述上极板和下极板的电晕电极处。
12.结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述电晕电极为单点电晕电极结构或多点电晕电极结构，所述取能盒为单极型取能盒或双极型取能茧。
13.结合第一方面第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述多点电晕电极结构为同极性多点电晕发生装置。
14.第二方面，本发明实施例提供了基于直流电晕离子流的微功率取能系统，包括如上所述的基于直流电晕离子流的微功率取能装置，还包括与微功率取能装置相连接的传感及数据传输装置。
15.第三方面，本发明实施例提供了基于直流电晕离子流的微功率取能方法，包括：利用连接导体获取直流输电线路的电流；通过滤波模块对电流进行滤波得到支路分量电流，其中，所述支路分量电流包括低频分量电流和高频分量电流；根据所述低频分量电流和高频分量电流分别形成参考电流和小功率脉冲信号，并由控制辅助模块对电晕电极和取能模块进行控制以利用电晕损耗实现直流电场自取能。
16.本发明提供了基于直流电晕离子流的微功率取能装置、系统和方法，包括与高电位装置相连接的连接导体，与连接导体相连接的取能盒，以及与取能盒相连接的电晕电极，
其中，高电位装置包括直流输电线，取能盒包括滤波模块、控制辅助模块和取能模块；该微功率取能装置利用连接导体与直流输电线相连接，通过电晕电极释放的直流电晕离子流进行取能，并利用取能盒降低电晕脉冲产生的电磁干扰以保护后端的传感及数据传输装置。本发明利用高压直流输电线路电晕损耗所产生的离子流，实现了直流恒定场中无线传感器难以取能的问题，具有以下若干优点：（1）实现了对电晕损耗的利用。（2）实现了高压直流场景应用下的传感器自供能。（3）输出稳定安全，降低电晕脉冲电磁干扰的影响，保护了后端取能电路。（4）安装位置任意、体积较小、随放随用。
17.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
18.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的微功率取能装置应用场景示意图；图2为本发明实施例提供的单极型取能盒结构示意图；图3为本发明实施例提供的另一单极型取能盒结构示意图；图4为本发明实施例提供的单极型取能盒取能支路示意图；图5为本发明实施例提供的双极型取能茧结构示意图；图6为本发明实施例提供的基于直流电晕离子流的微功率取能方法流程图。
21.图标：1
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单极型取能盒；10
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第一屏蔽盒；11
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第一滤波模块；12
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第一控制辅助模块；13
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第一取能模块；14
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电晕电极；2
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双极型取能茧；20
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第二屏蔽盒；21
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第二滤波模块；22
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第二控制辅助模块；23
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第二取能模块；24
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上极板；25
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下极板；26
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中间极板；27
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绝缘环。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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做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。
23.随着电力系统的快速发展，传统传感器装置面临较大的应用局限，而无线传感器作为最基本的监测单元在保证电网安全可靠运行中发挥了不可替代的作用，随着“数字新基建”的兴起，以提高免维护运行寿命为目的的传感器无源自供能技术日益成为国内外的研究热点。无源自供能技术可通过电力设备本体或环境中取电，目前主流应用为电场与磁场取能等小功率或微功率取能方法。该类型的方法由于结构简单、可靠性高、便于应用等优
点，成为目前使用最广泛的无源自供能技术，但由于能量来源为交变电场与磁场，无法满足高压直流场景应用下的传感器自供能要求。同时，在一定程度上也存在供能不稳定，寿命短等技术缺陷，对于输电线路的在线监测会产生不利影响。
24.综上所述，现有技术中缺少应用于高压直流场景下，能够稳定安全取能的无线传感器取能装置。基于此，本发明实施例提供了直流电晕离子流微功率取能装置、系统和方法，利用高压直流输电线路电晕损耗所产生的离子流，实现了直流恒定场中无线传感器难以取能的问题，具有体积小，放置灵活，输出稳定等优点。
25.图1为本发明实施例提供的微功率取能装置应用场景示意图。
26.参照图1，基于直流电晕离子流的微功率取能装置包括：与高电位装置相连接的连接导体，与连接导体相连接的取能盒，以及与取能盒相连接的电晕电极，其中，高电位装置包括直流输电线，取能盒包括滤波模块、控制辅助模块和取能模块；微功率取能装置利用连接导体与直流输电线相连接，通过电晕电极释放的直流电晕离子流进行取能，并利用取能盒降低电晕脉冲产生的电磁干扰以保护后端的传感及数据传输装置。对于高压直流输电线路，准许一定功率的电晕损耗，可在空间形成离子流。本装置即利用该离子流，解决了直流恒定场引起的静电感应导致难以构建取能回路的问题。
27.图2和图3为本发明实施例提供的单极型取能盒和双极型取能茧结构示意图。本实施例所提出的高压直流场景下的电场微功率取能装置，可通过单电极型取能盒安装在导线上进行取能（实施例一），也可通过双电极型取能茧由绝缘固定装置固定在导线下，在空中悬浮取能（实施例二）。取到的能量可为后端测量装置所使用，实现了对电晕损耗的利用，且便于安装，为直流电场传感器的自取能问题提供了一种便捷的研究思路。为便于本领域技术人员对本发明实施例提供的微功率取能装置进行理解，下面将结合图2和图3所示内容，对单极型取能盒和双极型取能茧的结构及功能分别作以说明。
28.实施例一：参照图2，取能盒为单极型取能盒1，连接导体为金属导体勾和导线，单极型取能盒1利用金属导体勾等部件安装在直流输电线上进行取能，取得的能量可为后端的传感及数据传输装置所使用。
29.对于单极性取能盒中的第一屏蔽盒10，可通过金属导体勾与高电位装置（直流输电线）连接在一起，经由金属导线通过滤波模块连接至取能装置。具体地，单极型取能盒的内部电路功能单元主要包括第一滤波模块11、第一控制辅助模块12和第一取能模块13，其中，第一滤波模块11输出支路包括低频分量支路和高频分量支路，下面将对各模块之间连接关系和工作原理作以阐述。
30.第一滤波模块11，通过金属导体勾和导线与直流输电线相连接，用于滤除流经金属导体勾的取能电流中的高频分量，并为第一控制辅助模块12提供支路分量电流，其中，支路分量电流包括用于为第一控制辅助模块12提供稳定参考电流的低频分量电流和用于为第一控制辅助模块12提供小功率脉冲信号的高频分量电流；具体地，单极型取能盒的滤波模块可有效滤除取能电流中的高频分量，保护后端的元件防止过压产生，并为辅助控制模块提供稳定的参考电流。滤波模块的输出分为两条支路，其中低频分量支路可为控制辅助模块提供稳定的参考电流，并由取能支路进行电能存储；高频分量向控制辅助模块提供小功率脉冲信号。简单来说，滤波模块将电流分量按高
频与低频分别输出，低频分量经控制辅助模块（可提供参考电压）流向取能支路，由取能电容将能量存储起来；滤波模块的另一条支路提供开关元件的触发脉冲，进而达到取能的目的。
31.第一控制辅助模块12，分别与第一取能模块13和电晕电极14相连接，用于根据低频分量电流为第一取能模块提供相应的控制信号；具体地，辅助控制模块可为取能支路提供必要的控制信号。
32.第一取能模块13，根据控制信号对参考电流进行存储。
33.具体地，如图3所示，本发明实施例提供的取能装置实际上是通过与大地
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杆塔
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输电线
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屏蔽盒
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电晕电极
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空气
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大地构成的回路来实现。滤波模块与控制辅助模块实际上构成了一个二端口网络，可将图3中滤波模块和控制辅助模块的相连处视为端口。其一侧端口与直流输电线及电晕电极连接，另一端口与取能支路级联，取能支路也为一个二端口网络，其另一端口与无线传感器连接。
34.为进一步方便本领域的技术人员理解本发明实施例提供的取能装置，图4为本发明实施例提供的取能支路电路示意图。图中所示为两级取能回路，由igbt（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管）等可控元件作为开关。igbt采取脉冲控制导通模式，其脉冲由辅助控制模块在第一级电容（取能电容）达到预设阈值电压时给出（预设阈值电压由控制辅助模块给出），可控元件接收脉冲信号从而导通，能量转移至储能电容中。电路采用欠阻尼参数，在电流过零点可自动关断，进而完成单次由取能电容向储能电容充电的过程。
35.为了进一步提升取能效率，本发明实施例还提供了采用如图2所示的同极性多点电晕发生装置。本实施例所述的单极型取能盒包含1个电晕点，但根据图2所示的电晕电极位置不难理解，可将电晕电极设置为同极性多点电晕发生装置，进而增加空间中电晕离子流的数值水平。
36.实施例二：参照图5，取能盒为双极型取能茧2，连接导体为绝缘固定装置，其中绝缘固定装置主要部件为绝缘绳，其通过将取能茧设置在直流输电线下方的半空中进行悬空取能，取得的能量可为后端的传感及数据传输装置所使用。由于电晕本身只与周围电场（方向、大小）有关，本发明实施例提供的双极型取能茧可以减少与主回路的电路直接连接，提高输电主设备的安全性。
37.相比于上述实施例提供的单极型取能盒，双极型取能茧与其在内部电路连接关系上有所不同。双极型取能茧的内部电路功能单元主要包括第二滤波模块21、第二控制辅助模块22和第二取能模块23，其中，第二滤波模块21为高通滤波电容；上极板24分别与第二控制辅助模块和高通滤波电容的一端相连接，下极板25分别与第二取能模块和高通滤波电容的另一端相连接，第二控制辅助模块22和第二取能模块23相连接以控制电能的存储。相比于单极型取能盒，双极型取能茧的辅助控制模块先与取能支路串联，其组成的整体与滤波模块并联后，与装置两侧的电晕点连接。其中，滤波模块本质上为高通滤波电容。
38.对于双极性取能盒的屏蔽盒，装置由绝缘绳悬挂于高电位装置下，其上极板24、中间极板26、下极板25和绝缘环27共同构成了第二屏蔽盒20，板间由绝缘环27分隔；取能装置两端分别与上下极板连接。具体地，双极型取能茧各部件的机械结构主要包括梭形屏蔽盒
和绝缘环，梭形屏蔽盒包括上极板24、下极板25和中间极板26，极板间通过绝缘环27相分隔。双极型取能茧的第二屏蔽盒20优选半球形上、下极板以及圆柱形绝缘环，这样的设计可以降低第二屏蔽盒的曲率半径。根据图6所示的电晕电极位置可以看出，双极型取能茧包含2个电晕点，且双极型取能茧电晕点的位置分别位于上极板和下极板的电晕电极处。需要说明的是，上述实施例提及的单极型取能盒的屏蔽盒与双极型的机械结构设计相类似，亦为半球形上、下极板和圆柱形绝缘环相结合的结构，以保证屏蔽盒壳体的光滑均匀，避免在屏蔽盒壳体发生电晕。
39.本发明实施例一和二仅为示例性实施例，根据本发明实施例提供的技术方案不难理解，该微功率取能装置的取能盒可以为单极型取能盒或双极型取能盒，其电晕电极可以为单点电晕电极结构或多点电晕电极结构，均可根据取能现场对于场景和效率等方面的要求来进行选择和设计。
40.根据本发明的示例性实施例，基于直流电晕离子流的微功率取能系统包括如上所述的基于直流电晕离子流的微功率取能装置，还包括与微功率取能装置相连接的传感器装置等。
41.具体地，整个取能装置供电采取“长时充电，短时放电”的思路，电晕离子流可视为电流源，通过容值较小的取能电容可提高平均取能功率，逐次放电以较低的电容电压累积传感器单次工作所需的能量至储能电容，从而实现对传感器的电能供给。后端的传感器则主要考虑应用非电磁量监测，如开关动作触头温度、输电线弧垂（对地距离）监测等，其中输电线弧垂（对地距离）监测可通过本身取能功率水平与传感器动作时间进行监测。
42.本发明提供的基于直流电晕离子流的微功率取能装置，通过利用电晕电极产生的电晕离子流进行取能，由屏蔽盒降低电晕脉冲产生的电磁干扰，保护末端的传感及数据传输装置。具有下述几项优点：（1）实现了高压直流场景应用下的传感器自供能。通过对直流电晕离子流的应用，解决了直流恒定场引起的静电感应引起的难以构建取能回路的问题。
43.（2）实现了对电晕损耗的利用。低频分量为控制辅助模块提供稳定的参考电流，并由取能支路进行存储，高频分量可用于提供脉冲触发信号。
44.（3）输出稳定。一方面通过屏蔽盒降低了电晕脉冲电磁干扰的影响，另一方面也通过滤波模块滤除电流中高频分量，保护了后端取能电路，同时也可提供稳定的参考电流。
45.（4）安装位置灵活、体积较小、随放随用。电源由高压电位及电晕电极共同产生，可将“单电极型”取能盒装置安装在高压设备，或导线杆塔等低压设备端；也可按照“双电极型”取能茧悬空放置。
46.实施例三：图6为本发明实施例提供的基于直流电晕离子流的微功率取能方法。
47.参照图6，基于直流电晕离子流的微功率取能方法包括：步骤s101，利用连接导体获取直流输电线路的取能电流；步骤s102，通过滤波模块对电流进行滤波得到支路分量电流，其中，支路分量电流包括低频分量电流和高频分量电流；步骤s103，根据低频分量电流和高频分量电流分别形成参考电流和小功率脉冲信号，并由控制辅助模块对电晕电极和取能模块进行控制以利用电晕损耗实现直流电场自取
能。
48.具体地，该方法可利用滤波模块、辅助控制模块和取能模块来实现。由滤波模块滤除取能电流中的高频分量，保护后端的元件防止过压产生，并为辅助控制模块提供稳定的参考电流。输出可分为两条支路，其中低频分量支路可为控制辅助模块提供稳定的参考电流，并由取能支路进行存储；高频分量向控制辅助模块提供小功率脉冲信号，辅助控制模块则为取能支路提供必要的控制信号，进而利用电晕电极产生的电晕离子流进行取能。
49.需要说明的是，本发明实施例提供的基于直流电晕离子流的微功率取能方法，与上述实施例提供的基于直流电晕离子流的微功率取能装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。