基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统研究

基于太阳能 -风能互补的 WSN节点自供电系统研究

孙玉明

国网安徽省电力有限公司阜阳供电公司 安徽省阜阳市 236000

摘要：现在大部分传感器节点依然用电池来提供能量，并且节点往往都是布置在一些难以到达的地方，单汇聚节点往往因为担负更多的任务，而使能量很早就耗尽，致使无线传感器网络的整体寿命结束。WSN节点作为无线监测传感系统的核心，在大量的工程项目中具有实用意义，尤其是对于供配电系统，当前已经开始广泛采用這一技术实现对所有电力参数的分析和监测工作。在这类节点运行过程中需要消耗一定的电能，当前开发出了自然能源转换系统完成具体的供电任务。

关键词：太阳能-风能互补系统；WSN节点；自供电系统

随着社会的飞速发展，无线传感器网络许多地方都扮演着重要的角色。无线传感器网络是一个复杂的网络系统。在军事国防、交通运输、环境监测、能源设施等方面都有很好的应用。WSN节点自供电系统由于在运行过程中要求电压保持稳定，并且无论何种情况下都能够提供稳定的电能，所以采用的自然能源转换系统和原有的供配电系统来说要属于独立的范畴，要通过对太阳能-风能互补系统的全面升级和优化，提高供配电功率的稳定性，同时建设USP电源系统以及配置蓄电池，防止WSN节点无法运行。

1 基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统设计框架

1.1无线传感器网络节点的结构

　　方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

1.2 稳压设计

无论是太阳能还是风能发电机组，当前都开发出了一系列的稳压设计思路，比如太阳能机组中通过对于脆弱节点的研究和分析，确定配置无功补偿电路的相关参数、太阳能发电系统和供配电网络的连接区域等，这类措施都可以提高电压的稳定度。在实际的作用过程，稳压设计工作要成为太阳能-风能互补工作体系的研究重点，比如研究的参数有是否这两个系统可以处于源源不断的电能提供状态、对整个节点供配电网络造成了影响等，在此基础上才可以确保所有节点不会出现超负荷运行问题。

1.3 能耗设计

WSN节点本身的能耗量较低，但是大量的节点装置共同运行时，其对于能源的消耗量会大幅提高，所以要求太阳能-风能互补系统能够实现整个区域和节点系统的供电要求。在实际的运行过程中，要求能耗设计要从WSN节点的总数量和单个节点能耗的角度分析，确定整个系统能否处于稳定安全的运行状态，此外也要做好对于这类工作的详细规划和分析工作，让最终建成的供配电系统能够符合整个传感系统的各项需求。

1.4 传感器模块分析

传感器模块的分析要从节能性和运行稳定性两个角度切入，对于节能性，要研究当地太阳能发电系统和风能发电系统能够发出的电能总量，并确定WSN节点需要配置的数量，在此基础上才可确保节点都能够处于稳定的运行状态。对于传感器的本身质量，要分析能量转换装置和各类节点机间的连接质量，在此基础上确保整个工作系统的完善运行，让自供电系统的运行质量提高。

2 基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统设计方法

2.1 发电设备装配

发电设备的装配按照太阳能和风能发电装置的要求建设，对于太阳能发电系统，需要完成的装配任务是太阳能发电板，要根据当地的光照环境和自然环境合理控制，比如发现当地的常年光照量较大，建设过程可考虑适当降低太阳能发电板的数量，以达到降低建设资金的目的。同时在支架的配置过程中可以考虑是否采用可活动支架，调整太阳能发电板和阳光之间的夹角。

对于风能发电装置，要分析整个发电系统的发电总量、发电系统的运行质量和运行温度、发电系统的自身强度等，要求所有装置都要按照最高精度的要求被合理配置，从而让这一系统的运行质量获得提高，防止其中存在严重的干扰问题，在这类装置的装配工作完成之后，要做好试运行工作，研究这一装置能够发出的总功率，并且与设计参数横向对比。

2.2 辅助设备装配

辅助装修的装配包括太能发电系统的可活动支架、风力发电系统的地面连接装置、整个供配电系统中的无功补偿装置等，要求所有这些装置都处于安全稳定的运行状态。比如对于当前已经开发出的各类无功补偿装置，要在装配过程完全按照电路图以及设计构件的规范选择所有的硬件设施，同时确保线缆和这类设施间的连接强度符合规定。比如对于无功补偿装置中的电容器和与大容量电容器连接的线缆，要采用优质的焊接工艺防止在后期的运行过程中，焊接点上出现腐蚀问题，并且在连接之后也可以采用人工检查的方式分析装置之间的连接强度，严格防止在长期的作用下，出现连接点的应力损坏问题。

2.3 运行参数协调

运行参数协调事实上在设计过程中就已经完成，但是为了保证整个WSN节点系统的运行稳定度，需要做好对于实践性参数的与测试工作。测试内容是在通电之后，研究单个节点本身的运行环境和本身承受的电力参数，包括电压、电流以及节点的运行功率，通常情况下，设计过程允许存在一个误差，而这一误差要保证符合设计标准，当发现某节点装置的实际精度高于设计标准值时，则可确定当前配置的装置在一定程度上无法满足整个系统的稳定运行要求，需要协调的内容为是否需要更换该区域中的WSN节点模块，或者研究可否通过太阳能-风能互补系统的运行参数协调，让整个节点系统的运行状态符合配置模块的自身需求。通常情况下，这一参数可以保持稳定的运行状态，但是也要做好相应的故障检修准备，在发现问题的第一时间能够解决和处理问题，防止WSN节点系统停摆。

2.4 运行状态监测

运行状态的监测要在后续的日常运行过程中长期落实，监测的内容有WSN节点的故障率、节点本身的各项电力参数等，要求需要把所有管理参数纳入到统一性的核查框架之内。由于当前已经开发出了各类新型计算机技术，有大数据技术和云计算技术，其中大数据技术可以应用于节点运行状态的监测过程，检测项目是该节点承受的电力负荷、节点的本身运行参数以及节点区域的故障，要求所有这些参数都要由云计算系统经过处理后反馈给电力调度人员和WSN节点系统的运行状态监测人员，当发现某一节点的故障率要远高于整个系统中的其余节点时，则可确定这一节点系统中存在缺陷，不可只在单纯的节点替换工作之后就认为这一故障被清除，而是要分析这一节点之所以存在这一故障的原因，并做好专业的处理工作。

2.5 工作成效預测

工作成效的预测是要在整个自供电系统建设完成之后，通过各项参数的分析和调节，确定今后一段时间内所有节点是否能够处于安全稳定的运行状态。在实际的运行过程中，也要收集各个节点的运行参数以及计算故障发生几率，当发现这一系统运行质量不能符合相关规章制度要求的基础之上，则要查找和明确当前这一工作形式中存在的问题，在此基础上给出针对这些问题的解决方法。

3 结语

综上所述，基于太阳能-风能互补系统的WSN节点装配工作中，要详细分析节点的本身运行功率、节点的配置数量等数据，并做好相应的优化和升级工作。在建成了工作框架之后，则需要做好所有装置的全面建设工作，并且通过相应的运行质量预测和工作状态的实时性监测工作，确保整个系统能够处于安全稳定的运行状态。

参考文献：

1. 黄瑞.基于环境能量收集的自供能无线传感系统的能量管理研究[D].电子科技大学,2019.

2. 屈辰,陶然,李刚等.基于环境能量自供电的无线传感器节点设计[J].科技创新导报,2018,15(26):125-127.