低功耗在线监测装置的环境取能方法研究

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1、低功耗在线监测装置的环境取能方法研究重庆大学硕士学位论文(专业学位)学生姓名：王云承指导教师：杜林教授学位类别：工程硕士(电气工程领域)重庆大学电气工程学院二O一五年四月StudyonAmbientEnergyHarvestingMethodsforLow-powerOnlineMonitoringDevicesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByYunchengWangSupervisedb

2、yProf.DuLinSpecialty:ME(ElectricalEngineeringField)SchoolofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要电气设备和输电线路的运行状态对电力系统的稳定可靠运行至关重要。在线监测技术能实时监测各运行参量，并可真实、有效反映设备绝缘等方面的实际情况，是目前确保设备及线路运行安全的重要技术手段。然而，在某些应用场合下，在线监测装置长期存在电源不易获取，现有供电方案可靠性差的问题，电

3、源供给成为制约在线监测技术发展的重要因素之一。针对这一问题，本文提出采用收集并转换环境能量这一新途径为低功耗电气设备在线监测装置提供电源，并通过多能量管理系统实现磁场能、温差热能、振动机械能能和太阳能的混合接入，改善了目前仅有的单一或两种环境能源收集系统存在的供能不足及输出不稳定的缺点，具有工程实际意义。本文分别采用压电能量采集器、温差热电模块和设计的一种非穿心式磁场取能装置实现振动机械能、温差热能以及磁场能的采集和转换。本文首先对三种能量的转换特性进行了理论研究，并利用搭建的环境取能试验平台分别进行了模拟取能试验，进而对这三种能量采集方法的输出功率进

4、行了定量评估，对其输出功率进行了优化分析。基于不同能量采集方法的输出特性，设计并搭建了相应的低功耗电源管理电路。低功耗电源管理电路以极低的工作能耗实现了对于微弱输入电能的调理和管理，将换能器件输出的具有不同交直流类型和大小的电压转换成无线传感器网络所需的3.3V稳定直流电压，并通过对比试验验证了环境能量混合接入的可行性和有效性。采用基于ZigBee协议的无线传感器网络作为负载进行了整机带载试验。对ZigBee无线传感器网络在不同工作模式下的功耗进行了评估，并采用搭建的环境取能电源驱动ZigBee传感器节点进行了无线温湿度遥测实验，最终验证了利用环境能量

5、采集技术给无线传感器网络供能，并应用于其他低功耗在线监测系统的可行性。关键词：在线监测，电源，环境取能，混合能量管理，无线传感器I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTTheoperationalconditionofpowerequipmentsandtransmissionlinesisquitesignificanttothestableandreliableoperationofthewholepowergrid.Real-timeconditionparameterscanbemonitoredbytheonlinemonitoring

6、technology,whichhelpstoreflecttheinsulationstatusofpowerequipmentseffectively.However,difficultiesinprovidingpowersupplyforonlinemonitoringdevicesremaintobealongstandingprobleminsomeoccasionsanditrestrictsthedevelopmentofonlinemonitoringforpowerequipments.Inordertosolveit,ambien

7、tenergyharvestinghasbeenproposedinthispaperandtheconvertedelectricitycanprovidepowersupplyforsomelow-poweronlinemonitoringdevices.Besides,magneticfieldenergy,mechanicalvibrationenergy,andthermoelectricenergyhavebeenaccessedbyhybridenergymanagementsystem,whichimprovestheinsuffici

8、entpowercapacityandinstabilityoftheexistingener