《Advanced Sensor Research》：High-Performance Self-Powered Sensing System for Power Grid Applications
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本文针对智慧电网中架空输电线路的实时监测需求，提出一种基于横向摆动电磁发电机（LS-EMG）的自供能无线传感系统。该LS-EMG体积小巧（24.32 cm3），在9 Hz、2 kΩ负载下可实现2.28 mW的最大输出功率，功率密度达93.75 μW/cm3，优于现有器件。基于此，研发了一套集成低功耗高效能管理电路的自供能无线传感器系统，能够以秒级周期监测架空电缆的环境温湿度并通过蓝牙传输数据，为智慧电网中传感器的大规模、长寿命部署提供了高效可行的解决方案。
1 引言
随着信息技术与能源互联网的持续发展，智慧电网通过实时数据监测与优化管理提升电力系统效率与可靠性的能力使其日益重要。作为智慧电网的“生命线”，架空输电线路因固有缺陷和外部环境因素而面临代价高昂的停电风险。在架空输电线路的运行环境中，温湿度变化对其安全经济运行有着直接影响。从安全角度看，温湿度是导线覆冰形成的关键微气象参数。当温度接近冰点且湿度饱和时，极易形成雨凇或雾凇。对这些参数进行实时监测有助于建立覆冰预警模型，及时启动除冰措施，有效防止因覆冰过载导致的倒塔、断线等灾难性故障。从经济角度看，导线的载流量主要受限于其散热能力，而散热能力本身取决于环境温湿度、风速等条件。实时监测导线周围的微气象状态，可基于热平衡方程精确计算其动态热容量，进而在有利散热条件下实施动态增容，最大化线路利用率。因此，实现对架空线路微气象环境的精确监测与预警至关重要。通过部署分布式高精度温湿度传感器网络构建实时监测系统，可为灾害预警与安全防护提供数据驱动的决策支持，并为提升电网资产利用的经济性、最终保障电力系统在复杂多变环境中的运行鲁棒性与长期可持续性奠定基础。
然而，架空电缆规模大、分布广、环境恶劣的特点，给传感器系统的大规模部署带来了巨大挑战，尤其是如何提供可靠、持久的供电。传统化学电池容量和寿命有限，难以持续、耐久地为传感器供电，且在恶劣环境中更换电池既繁琐、成本高又不切实际。自供能技术通过将环境能量转化为电能，使设备无需外部电源即可持续运行，为此提供了极具前景的替代方案。这尤其适用于在架空电缆上部署无线自供能传感器系统，为这些关键基础设施的实时监测与维护提供了有效解决方案。
近年来，针对电网应用主要探索了三种自供能技术能源：电流互感器（CT）、太阳能和机械能。其中，CT在电网应用中研究最为广泛，其利用电磁感应将高压电缆中的磁能转化为适合为低功耗设备供电的电能。然而，输出功率不足、电流波动大可能损坏负载、大电流导致磁芯饱和损坏设备、存在小电流死区等限制，阻碍了CT的广泛应用。相比之下，太阳能电池虽能提供较高输出功率，但体积大、重量重、受天气条件影响大，且在暴露环境中存在积尘污染问题，限制了其在电网自供能无线传感器设备中的应用。机械能收集技术因其体积小、易安装、受天气条件影响小、成本较低而成为研究热点，如摩擦纳米发电机（TENG）、摩擦伏特纳米发电机（TVNG）、压电纳米发电机（PENG）和电磁发电机（EMG）等技术，可将环境风能和电缆振动转化为电能。随着该领域的不断发展，混合能量收集技术，包括TENG与EMG的耦合、太阳能发电机与PENG的耦合、以及TENG、PENG和EMG的耦合，已成为关键研究方向，这些混合系统进一步提升了功率输出密度。然而，现有微发电机普遍存在体积大、输出功率低、集成度差、寿命有限、功率输出不稳定等挑战，阻碍了其实际应用。
本研究提出一种横向摆动电磁发电机（LS-EMG），它能利用架空电缆的振动特性（在风等轻微扰动下，电缆会在特定频率范围内振动），通过惯性将电缆振动转化为磁铁在线圈平面上的摆动，进而产生电能。LS-EMG体积紧凑，仅24.32 cm3，最大输出功率2.28 mW，最大充电功率247.27 μW。与其他设计相比，我们的发电机展现出异常高的输出功率密度（93.75 μW/cm3）和充电功率密度（经倍压电路放大后为10.17 μW/cm3）。此外，我们将LS-EMG与温湿度传感器及蓝牙模块集成，创建了一套用于电网应用的高性能自供能传感器系统。该系统通过优化的电路设计和低功耗编程，实现了秒级频率的连续信号传输，且每次蓝牙传输温湿度信号仅需276.55 μJ的超低功耗。实验室和户外环境下的全系统测试均证实了其稳定性。这项工作为电网中无线传感器的部署提供了一个实用的解决方案。
2 结果与讨论
2.1 LS-EMG的结构设计与工作机制
图2a展示了横向摆动电磁微发电机（LS-EMG）的结构。总体尺寸为24.32 cm3(40 mm × 32 mm × 19 mm)。LS-EMG装置主要由弹簧片、磁铁、线圈和固定底座组成。弹簧片由NiTi-ss形状记忆合金制成，在-40°C至150°C温度范围内保持优异的超弹性。弹簧片一端固定在3D打印模具上，另一端粘接两个钕铁硼（NdFeB）磁铁（每个15 mm × 5 mm × 3 mm），表面磁场强度为0.3T。两个磁铁沿垂直方向磁化但极性相反。一个4000匝的铜线圈位于磁铁下方。
为评估器件输出性能，采用了有限元仿真。其工作原理如图2b所示。当受到外部强迫振动时，弹性模量较低的弹簧片以远大于器件其余部分的振幅振荡，驱动磁铁在线圈上方摆动。由于两个磁铁磁化方向相反，它们的摆动导致穿过线圈的磁通量发生周期性变化和反转，从而在线圈中感应出交流电。图2b上部显示了给定振动条件下磁通量φ(x)随磁铁位移变化的模拟波形，下部显示了基于法拉第电磁感应定律计算的相应输出电压V0。输出电压可由公式(1)描述，其中v(t)是给定的位移-时间函数。
为了进一步验证仿真的准确性，使用线性电机在模拟振动条件下激励LS-EMG原型，并记录其实际输出电压。实验结果如图2c所示。实验测量的电压输出波形与图2b中的仿真结果高度一致，这有力地验证了所建立有限元仿真模型的正确性和可靠性。
众所周知，任何振动装置都有其固有谐振频率。当在此谐振频率下被激励时，装置达到最大振动幅度，对于LS-EMG而言，这意味着最佳发电输出。因此，确定谐振频率对于确定器件的最佳工作频段至关重要。鉴于LS-EMG结构的复杂性及其超弹性弹簧片在工作时显著的非线性变形，通过解析方法获取谐振频率具有挑战性。因此，我们利用有限元仿真系统地模拟了器件在不同弹簧片长度下的谐振频率。仿真结果如图2d蓝色曲线所示。分析表明，器件的谐振频率与弹簧片长度成反比，即弹簧片越长，谐振频率越低。为了验证模拟精度，制造了具有不同弹簧片长度的LS-EMG原型，并实验测量了它们的谐振频率。实验数据在图2d中用红色三角形标出。实验数据与模拟曲线的密切吻合，最终验证了该有限元模型用于设计器件工作频率的准确性和可靠性。
2.2 LS-EMG的输出性能
为了验证所设计结构用于微风力振动能量收集的可行性，使用线性电机模拟微风力振动。考虑到微风力振动的频率范围（3–50 Hz），将弹簧长度调整为26.5 cm。根据先前的理论分析，LS-EMG在此弹簧长度下的谐振频率预计为9 Hz（后续部分所用所有LS-EMG的谐振频率均为9 Hz），位于微风力振动范围内。实验原型和激励系统如图3a所示。在电机振动幅度设为3 mm的情况下，测量了LS-EMG在不同频率激励下的电压和电流输出，如图3b、c所示。实验结果表明，电压和电流输出均在谐振频率9 Hz处达到最大值，峰值开路电压为17.2 V，峰值短路电流为5.3 mA。当激励频率低于9 Hz谐振频率时，LS-EMG的输出电压和电流随激励频率降低而减小。相比之下，当激励频率高于谐振频率时，器件的输出并未随激励频率增加而显著下降。这归因于虽然更高的激励频率导致弹簧片振动幅度减小，但相应的振动频率增加导致磁通量变化率更快，这两种相反效应在很大程度上相互抵消，使得器件在高于谐振频率的激励下输出性能保持相对稳定。
随后，使用可变电阻箱测量了在9 Hz频率激励下LS-EMG在不同外部负载下的最大输出电压，并计算了相应的平均功率，如图3d所示。在2 kΩ外部负载下，LS-EMG的最大平均功率达到2.28 mW，单位输出密度为93.75 μW/cm3。与现有电网能量收集发电机相比，LS-EMG展现出显著优势，其输出功率密度是先前报道发电机的两倍。
2.3 自供能传感系统
高空电缆周围的温湿度波动会损害其绝缘性，增加短路和设备损坏的风险。及时监测这些环境因素有助于采取预防措施，确保电缆在恶劣天气条件下的稳定运行，并提高电网的整体可靠性和安全性。因此，监测温湿度对于保障输电线路的可靠运行至关重要。如图1a所示，我们将LS-EMG与商用温湿度传感器集成，开发了一套自供能传感系统。该系统包括安装在输电线路上的自供能无线温湿度模块和无线接收模块。
系统电路图如图4a(i)所示。LS-EMG通过振动产生能量，经倍压电路放大后存储在电容器中。该电容器连接一个低压差稳压器，当电容器两端电压达到4.3 V时，稳压器启动，输出稳定的3.3 V为后端电路供电。此电压为温湿度传感器和微控制器单元（MCU）供电，实现数据采集并通过蓝牙传输至接收终端。
电路的低功耗设计如图4a(ii)所示。MCU接收到低压差稳压器输出的3.3 V后，启动系统，注册睡眠事件并激活定时器。然后发送温度测量命令，促使传感器收集温度数据，同时MCU进入睡眠模式以最小化功耗。70 ms后，MCU唤醒以发送湿度测量命令，传感器开始收集湿度数据，随后MCU再次进入睡眠模式。再过70 ms后，蓝牙模块激活以传输温湿度数据，数据在接收终端以图像形式显示。
随后，我们使用功耗分析仪分析了整个后端电路的功耗。单次传输温湿度信号的功耗分析如图4b所示，可分为三个阶段。第一阶段，MCU启动、初始化并注册睡眠事件，总能耗133.9 μJ。第二阶段，MCU依次发送温度和湿度测量命令，同时传感器收集并存储数据，总能耗75.90 μJ。第三阶段，蓝牙模块传输存储的数据，消耗66.73 μJ。因此，单次信号传输的总能耗为276.55 μJ。
除了使用功耗分析仪，我们还通过测量电容器两端的电压变化进一步验证了功耗。将一个68 μF电容器连接到电路，并使用8 Hz外部激励频率和3 mm振幅激活LS-EMG。电容器电压最初被充电至4.3 V。一旦达到此阈值，电压调节器被触发，促使温湿度传感器收集数据并通过蓝牙传输信号。因此，电容器电压因能量消耗而下降。随后，电容器开始重新充电，直到电压恢复到4.3 V，此时下一个数据采集和传输周期开始。这种能量收集和信号传输的重复过程导致电容器两端的电压周期性波动，如图4c所示。通过计算单次传输期间的电压变化，我们确定电容器每次信号传输的能耗为252.70 μJ。该值略低于分析仪测量的值（图4b），我们将其归因于LS-EMG的持续运行，在为电容器充电的同时也在释放能量，导致此方法测量的功耗略小于功耗分析仪获得的值。
我们还验证了LS-EMG在不同外部激励频率下对68 μF电容器的充电能力，如图4d所示。结果表明，在8至16 Hz的外部激励频率范围内，LS-EMG能够将电容器充电至4 V。在9 Hz激励频率下，电容器仅需2.2秒即可达到4 V，充电功率为247.27 μW，体积充电功率密度为10.17 μW/cm3。此外，我们检查了LS-EMG在较低激励频率（8 Hz）下对不同电容值电容器的充电能力，如图4e所示。结果表明，即使在此较低频率下，LS-EMG也能在短时间内将68 μF至1000 μF的电容器充电至4 V。这些结果清楚地证明了LS-EMG在实际应用中的鲁棒性。
随后，我们演示了完整自供能无线温湿度传感系统的连续蓝牙信号传输。将设备安装在直线电机上以模拟微风条件下的振动。同时，接收器连接到计算机以接收实时温湿度数据，并用于生成相应图表。实验室测试设置如图5a所示。电机频率设为9 Hz，振幅3 mm，测试持续5分钟。测试期间，在设备附近使用热风枪模拟实际运行中可能发生的温湿度波动（图5b）。测试结果如图5c所示。如图所示，自供能传感设备在振动过程中持续发出信号，并被终端成功接收。当热风枪靠近传感器时，温度迅速升高，湿度快速下降。随着热风枪远离传感器，温度和湿度逐渐恢复到初始水平。以上结果表明，基于LS-EMG的自供能传感系统能够高效收集环境能量进行供电，并在振动环境中实现稳定、连续的传感监测。
为了进一步评估器件在实际应用中的鲁棒性，我们设计了谐振频率从4到10 Hz不等的LS-EMG。然后测试了上述不同谐振频率的LS-EMG在1至20 Hz外部激励频率和3至9 mm振动幅度范围内能够实现温湿度信号传输和接收的频率范围，如图5d所示。结果表明，对于单个器件，振动幅度增加会导致信号传输带宽更宽。此外，在固定振动幅度下，LS-EMG的谐振频率越高，对应的信号带宽越大。这些发现为设计适应各种振动环境的LS-EMG器件奠定了基础，并证明LS-EMG拥有较宽的工作带宽，非常适合应用于高空电缆、无线系统和自供能传感器。
此外，为了评估其在监测电缆环境温湿度方面的有效性，将自供能传感系统悬挂在室外架空电缆上（安装在五层楼屋顶，钢芯铝绞线，横截面积120 mm2，离地高度20 m，档距43 m）。测试持续1小时，如图5e所示。封装后的设备尺寸为50 mm × 50 mm × 25 mm，质量为37 g。实验期间，LS-EMG将电缆振动能量转化为电能，随后由高效的后端电路处理，驱动温湿度传感器并通过蓝牙实现数据传输。接收终端位于距离电缆50米处，持续采集自供能传感系统传输的温湿度数据。成功接收数据的时间分布如图5f所示。
考虑到该设备的实际部署意图，我们进一步进行了系统的工程可靠性评估。长期稳定性测试表明，在连续73天的运行中，LS-EMG的输出性能没有明显退化。高低温循环测试表明，在连续128小时分别暴露于-40°C和60°C两种极端温度后，设备仍保持稳定的输出，未观察到退化。为了进一步评估其长期服务潜力，我们对LS-EMG的关键弹性部件——弹簧片进行了加速寿命测试。在58 Hz外部激励下，该部件连续振动74天无故障，累积超过3.7亿次循环。外推至典型工作条件（9 Hz工作频率，每天4小时），预计使用寿命超过7.5年，大幅超过传统电池的寿命。总之，我们设计的LS-EMG为高空电缆环境中的自供能传感器提供了一个有前景的解决方案，在输出性能和环境鲁棒性方面均展现出显著优势。
3 结论
在本研究中，我们开发了一种紧凑、易于安装且具有高输出功率密度的横向摆动电磁发电机（LS-EMG），旨在满足部署在高空电缆上的无线传感器的要求。LS-EMG的紧凑尺寸为40 mm × 32 mm × 19 mm，利用电磁转换原理产生2.28 mW的输出功率，体积功率密度达93.75 μW/cm3，是先前研究成果的两倍。此外，LS-EMG经倍压电路放大后，仅需2.2秒即可将68 μF电容器充电至4 V，充电功率为247.27 μW，对应的体积充电功率密度为10.17 μW/cm3。我们还设计了集成蓝牙传输的低功耗温湿度后端电路，收集和传输单组温湿度数据的功耗为276.55 μJ。最后，我们将这些技术集成，开发了一套用于监测高空电缆环境温湿度的高性能自供能传感系统，并在实际应用中成功展示了其性能。这项研究有助于推动长寿命供电技术的进步，并为未来智慧电网实现无源无线监测解决方案提供了可能。
4 实验部分
4.1 LS-EMG的制备
LS-EMG包括弹簧片、钕铁硼磁铁、线圈和固定底座。弹簧片由NiTi-ss记忆合金制成，在-40°C至150°C温度范围内保持优异的超弹性。弹簧片尺寸为26.5 mm × 4.5 mm × 0.1 mm（弹簧片长度对应9 Hz结构）。每个磁铁尺寸为15 mm × 5 mm × 3 mm，表面磁场强度为0.3 T。线圈由铜线绕制，共4000匝。底座使用Bambu Lab X1-Carbon Combo打印机和ABS材料3D打印而成。底座上开有槽以容纳楔块。将弹簧片插入底座后，用楔块将其固定到位。磁铁使用紫外固化粘合剂粘在弹簧片上，而线圈固定在底座上，并与磁铁保持指定距离。
4.2 输出性能测量方法
使用KEYSIGHT B2985A静电计、KEITHLEY 6517B静电计和DA-ARM1651高灵敏度数据采集卡评估LS-EMG的电输出性能。使用BLU 939功耗分析仪分析电路的功耗。
4.3 负载功率计算方法
为了评估LS-EMG的负载功率输出，将可变电阻箱与LS-EMG电路串联，同时将静电计并联在电阻两端以测量电压降。LS-EMG在9 Hz频率和3 mm振动幅度的正弦激励下工作。对于每个电阻设置，记录电阻两端的电压。从记录的波形中，选取一段表现出稳定振荡的6秒片段进行分析。通过将每个瞬时电压值平方、求和、除以总数据点数然后取平均值的平方根，计算该区间内的均方根电压Urms。然后使用公式(2)确定每个电阻R对应的负载功率P。
4.4 电容器充电功率计算方法
为评估LS-EMG对不同容量电容负载的充电能力，将不同电容值的电容器分别连接到电路中。将静电计并联在每个电容器两端，以持续监测充电过程中的电压。每次试验中，LS-EMG在一致的激励条件下运行，允许充电进行直到电容器电压达到4 V。记录充电时间T（定义为电压从0 V上升到4 V所需的时间）。每个电容器的平均充电功率P使用公式(3)计算，其中C为电容，VF为最终电压（设定为4 V），T为充电时间。
4.5 系统后端电路设计
LS-EMG产生的电流首先通过倍压电路进行放大处理，然后导向电容器进行充电。当电容器两端电压达到4.3 V时，触发低压差稳压器（型号WL9005S5-30），为后端模块提供稳定的3.3 V输出。使用的温湿度传感器是SHT-20型号，其温度分辨率为0.01°C，湿度分辨率为0.04% RH。采用的微控制器单元（MCU）是NRF52832型号。
4.6 自供能传感系统驱动频率范围测试方法
为评估在不同激励幅度下能够驱动基于LS-EMG的自供能温湿度传感系统的频率范围，将设备安装在直线电机上。在每个固定振动幅度下，逐渐增加激励频率，直到LS-EMG能够持续为后端电路供电并产生稳定的传感信号。此过程在不同振动幅度下重复进行。LS-EMG的工作频率范围由此确定，即识别出在每个激励幅度下支持稳定信号输出的、对应于不同谐振模式的振动频率区间。
4.7 用于室外电缆监测的自供能传感系统测试方法
为评估基于LS-EMG的自供能传感系统用于室外电缆监测的适用性，将设备封装并牢固安装在架空电缆上，以确保其在真实世界条件下的稳定运行。自供能传感系统部署在室外架空电缆上（钢芯铝绞线，横截面积120 mm2，安装在五层楼屋顶，离地高度20 m，档距43 m）。通过观察接收器接收到的温湿度信号，评估系统从环境振动中连续收集能量并监测电缆环境温湿度的能力。
