臺灣博碩士論文加值系統

本文提出將無線電能傳輸複用技術應用於線上監測系統，實現無線電能與信號同步反向傳輸，為無線感測器資料傳輸提供了新的方式，對中壓電氣設備線上監測系統具有重要的應用價值。首先，提出了採用基於負載調製技術的無線電能傳輸複用技術，將高壓側的電氣設備狀態資料傳輸至低壓側，之後通過電力線載波通信技術將低壓側接收的資料傳輸到監控中心的系統方案。接著，對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統進行建模與分析，針對系統的最大輸出功率與傳輸效率往往不可兼得，提出了將最大功效積作為優化系統傳輸線圈的目標函數。另外，還建立了E類高頻功率放大器與磁耦合結構的等效模型，對不同負載調製下對電路性能的影響進行了理論分析與模擬驗證。還對周邊金屬物對系統的影響進行了分析。
其次，為了較好的兼顧輸出功率和傳輸效率，以最大功效積為目標函數，在有限尺寸空間下對PCB線圈進行優化設計。根據開關櫃內部結構、高低壓的絕緣距離、感測器功耗、資料傳輸速率等要求，確立了實驗樣機的關鍵指標，結合理論分析與模擬結果，對系統的硬體電路參數進行了設計。
最後，基於上述的設計方法，製作了一台實驗樣機，對相關理論進行了實驗驗證，對樣機進行了系統測試，測試結果顯示線上監測系統運行穩定、可靠。基於無線電能傳輸複用技術的中壓電氣設備線上監測系統具有很好的推廣應用價值。

In this paper, the radio transmission multiplexing technology is applied to online monitoring system to achieve the synchronous reverse transmission of radio and signal. It provides a new way for wireless sensor data transmission, and has important application value for medium voltage electrical equipment online monitoring system.
First of all, a radio transmission multiplexing technology based on load modulation technology is proposed to transmit the state data of the electrical equipment on the high voltage side to the low voltage side, and then transmit the data received by the low-voltage side to the monitoring center through the power line carrier technology. Then, the modeling and analysis of the magnetic coupled resonant radio transmission system is carried out. Aiming at the maximum output power and transmission efficiency of the system, it is often impossible to have both. The maximum efficiency product is used as the objective function of the transmission coil of the optimization system.
In addition, an equivalent model of E class HF power amplifier and magnetic coupling structure is established, and the effect of different.load modulation on the circuit performance is theoretically analyzed and verified by simulation. The influence of the surrounding metal on the system is also analyzed.
Secondly, in order to give better consideration to output power and transmission efficiency, the maximum efficiency product is taken as the objective function, and the PCB coil is optimized under limited size space. According to the requirements of the switch cabinet's internal structure, high and low voltage insulation distance, sensor power consumption, data transmission rate and other requirements, the key indicators of the prototype were established. Combined with theoretical analysis and simulation results, the hardware circuit parameters of the system were designed.
Finally, based on the above design method, we made an experimental prototype, verified the relevant theory, and tested the prototype system. The test results show that the online monitoring system is stable and reliable. The on-line monitoring system of medium voltage electrical equipment based on radio transmission and multiplexing technology has good application value.

書名頁 I
中文摘要 II
英文摘要 III
誌謝 V
目錄 VI
表目錄 IX
圖目錄 X
符號說明 XV
第1章 緒論 １
1.1 研究背景與意義 １
1.2 無線電能傳輸技術 ２
1.2.1 無線電能傳輸技術的發展 ２
1.2.2 無線電能傳輸方式 ３
1.3 無線電能傳輸複用技術國內外研究現狀 ４
1.3.1 國外研究現狀 ４
1.3.2 國內研究現狀 ５
1.4 本文研究內容 ６
第2章 中壓電氣設備線上監測整體設計方案 ８
2.1 系統結構 ８
2.2 供電技術的選擇 ８
2.3 通信技術的選擇 １０
2.4 無線供電與信號同步傳輸技術 １２
2.5 電力線載波通信技術 １４
2.6 本章小結 １５
第3章 無線電能傳輸複用系統分析 １６
3.1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統 １６
3.1.1 系統的建模與分析 １６
3.1.2 系統的傳輸特性分析 １８
3.1.3 系統最大功效積的傳輸特性 ２１
3.2 高頻功率放大器 ２３
3.2.1 放大器拓撲的選擇 ２３
3.2.2 E類高頻功率放大器的建模分析 ２３
3.2.3 模擬驗證 ２６
3.3 無線電能傳輸複用技術分析 ２８
3.3.1 負載調製技術 ２８
3.3.2 電阻調製技術的定量分析 ３１
3.3.3 電容調製技術的定量分析 ３３
3.3.4 電容調製技術的模擬驗證 ３５
3.4 周邊金屬物對線上監測系統的影響分析 ３６
3.4.1 金屬物對線圈影響的模擬分析 ３６
3.4.2 金屬物對信號傳輸的影響 ４０
3.5 本章小結 ４１
第4章 中壓電氣設備線上監測系統設計 ４２
4.1 系統設計指標與系統框圖 ４２
4.2 磁耦合結構的設計與優化 ４３
4.2.1 傳輸線圈的選擇 ４３
4.2.2 PCB傳輸線圈的優化設計 ４４
4.2.3 PCB線圈的製作與測試 ５１
4.2.4 與基於最大效率優化的線圈比較 ５２
4.3 E類高頻功率放大電路的硬體設計 ５３
4.4 AC/DC穩壓電路的設計 ５６
4.4.1 反激變壓器的設計 ５７
4.4.2 反激變換器開關器件的選取 ５７
4.5 信號通信機構的設計 ５８
4.5.1 調製電路的設計 ５８
4.5.2 解調電路的設計 ５９
4.5.3 電力線載波通信電路的設計 ６２
4.6 本章小結 ６３
第5章 實驗和結果分析 ６４
5.1 實驗驗證 ６４
5.1.1 驗證平臺 ６４
5.1.2 最大功效積的傳輸特性分析 ６４
5.1.3 E類高頻功率放大電路的實驗驗證 ６５
5.1.4 負載調製技術的實驗驗證 ６７
5.1.5 與基於最大效率模擬優化的線圈比較 ７０
5.2 樣機實驗 ７１
5.2.1 樣機實物 ７１
5.2.2 AC/DC變換器的關鍵波形 ７１
5.2.3 電能與信號同步傳輸 ７１
5.2.4 電能與信號同步傳輸時系統的穩定性分析 ７２
5.2.5 系統的通信速率測試 ７４
5.2.6 系統運行測試 ７５
5.3 本章小節 ７６
總結與展望 ７８
參考文獻 ８０

[1] Fang X, Misra S, Xue G, et al. Smart Grid — The New and Improved Power Grid: A Survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2012, 14(4):944-980.
[2] Farhangi H. The path of the smart grid[J]. IEEE Power & Energy Magazine, 2010, 8(1):18-28.
[3] Liu S, Cao Y, Hou C, et al. Development of on-line monitoring system of switchgear[C]// International Conference on Electric Power Equipment - Switching Technology. IEEE, 2011:295-298.
[4] 楊偉，「電氣接點溫度線上監測解決方案電氣技術」， 2014(01)：135-136．
[5] 趙月靈，代瑩，程秋秋，等．「基於ZigBee技術的變電站無線測溫線上監測系統研究及應用」，電氣時代，2015(9)：47-49．
[6] 丁道振，「基於ZigBee的高壓開關櫃觸頭溫度線上監測系統研究」，集美大學，碩士論文，2013．
[7] Zou Y, Huang X, Tan L, et al. Current Research Situation and Developing Tendency about Wireless Power Transmission[C]// International Conference on Electrical and Control Engineering. IEEE, 2010:3507-3511.
[8] Brown W C. The History of Power Transmission by Radio Waves[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1984, 32(9): 1230-1242.
[9] 莊逢甘，李明，王立，等．「未來航太與新能源的戰略結合——空間太陽能電站」，中國航太，2008， (07)：36-39．
[10] Kurs A,Karalis A,Moffatt R,et al.Wireless powertransfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007,317(5834):83-86.
[11] 楊芳勳，「基於 ICPT 的無線電能傳輸網關鍵技術研究」，重慶: 重慶大學, 碩士論文，2012．
[12] 範興明，莫小勇，張鑫．「無線電能傳輸技術的研究現狀與應用」，中國電機工程學報，2015(10)：2584-2600．
[13] Esser A, Nagel A. Contactless high speed signal transmission integrated in a compact rotatable power transformer[C]// European Conference on Power Electronics and Applications. IET, 1993:409-414 vol.4.
[14] Hirai J, Kim T W, Kawamura A. Study on crosstalk in inductive transmission of power and information[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1999, 46(6):1174-1182.
[15] Sato F, Nomoto T, Kano G, et al. A new contactless power-signal transmission device for implanted functional electrical stimulation (FES)[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40(4):2964-2966.
[16] Won Y J, Kang S J, Hwang K S, et al. Research for wireless energy transmission in a magnetic field communication system[C]// IEEE International Symposium on Wireless Pervasive Computing. IEEE, 2010:256-260.
[17] 周錦鋒，「感應耦合電能傳輸系統中信號傳輸技術研究」，重慶大學，碩士論文，2009．
[18] 王琛琛，「感應耦合式電能與信號混合傳輸系統研究」，重慶大學，碩士論文， 2010．
[19] 劉洋，「ICPT系統中信號雙向傳輸機理研究」，重慶大學，碩士論文，2013．
[20] 郝瀟瀟，「基於雙諧振耦合的能量與信號傳輸技術研究」，哈爾濱工業大學，碩士論文，2014．
[21] 趙崇文，「一種基於電磁耦合的無線能量/信號頻分複合傳輸方法研究」，浙江大學，碩士論文，2014．
[22] Zhang Z, Chau K T, Qiu C, et al. Energy Encryption for Wireless Power Transfer[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(9):5237-5246.
[23] 丁道振，「基於ZigBee的高壓開關櫃觸頭溫度線上監測系統研究」，集美大學，碩士論文，2013．
[24] 王奎英，「基於ZigBee技術的高壓開關櫃溫度測量研究」，南京理工大學，碩士論文，2011．
[25] 秦歡，「高壓測量系統感應取能電源設計」，現代電力，2009，26(05)：32-36．
[26] 王書瑤，「電網高壓線上監測系統供能電源的設計」，電源技術，2012，36(08)：1196-1220．
[27] 塗以鵬，許文海，楊明偉，朱煒，「鐳射供能在光電互感器中的應用」，儀器儀錶學報，2005,26(A2)：158-160,163．
[28] Yanqiu LI，Weiliang CHENG. A Novel Temperature Monitoring System Based on FBG for Switchgear，Power and Energy Engineering Conference. 2010 Asia-Pacific，2010：1-4.
[29] 時斌，「光纖傳感器在高壓設備線上測溫系統中的應用」，高電壓技術，2007，33(8)：169-173．
[30] 宋文，「無線感測器網路技術與應用」，電子工業出版社，2007．
[31] Shorey R, B.A. Miller. The Bluetooth technology: merits and limitations[C]// IEEE International Conference on Personal Wireless Communications. IEEE, 2002:80-84.
[32] Tramarin F, Vitturi S, Luvisotto M, et al. The IEEE 802.11n wireless LAN for real-time industrial communication[C]// Factory Communication Systems. IEEE, 2015:1-4.
[33] Andrew Wheeler，Ember Corporation. Commercial Applications of Wireless Sensor Networks Using ZigBee. IEEE Communications Magazine， 2007，4(45)：70—77.
[34] Want R. An introduction to RFID technology[J]. IEEE Pervasive Computing, 2006, 5(1):25-33.
[35] 王琛琛，「感應耦合式電能與信號混合傳輸系統研究」，重慶大學，碩士論文，2010．
[36] 周錦鋒，「感應耦合電能傳輸系統中信號傳輸技術研究」，重慶大學，碩士論文，2009．
[37] Kawamura A, Ishioka K, Hirai J. Wireless transmission of power and information through one high-frequency resonant AC link inverter for robot manipulator applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 3(3):503-508.
[38] 夏晨陽，李玉華， 雷軻，等．「變負載ICPT系統電能與信號反向同步傳輸方法」，中國電機工程學報，2017，37(6)：1857-1866．
[39] 詹聖紅，「電力線載波技術在設施監測系統中的應用」，上海交通大學，碩士論文，2007．
[40] 盧文成，丘小輝，毛行奎，「磁諧振無線電能傳輸系統的阻抗匹配特性分析」，電器與能效管理技術, 2015(6)：1-5．
[41] 翟淵，孫躍，戴欣，等．「磁共振模式無線電能傳輸系統建模與分析」，中國電機工程學報，2012,32(12)：155-160．
[42] Cheon S, Kim Y H, Kang S Y, et al. Circuit-Model-Based Analysis of a Wireless Energy-Transfer System via Coupled Magnetic Resonances[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(7):2906-2914.
[43] A K, A K, R M, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. 2007,317(5834):83-86.
[44] 董苗苗，「磁耦合諧振式無線電能傳輸的研究」，華北電力大學，碩士論文，2014．
[45] 譚暢，「磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功率放大器的設計與實現」，南京理工大學，碩士論文，2017．
[46] 高葆新，梁春廣，「高效率E類放大器」，半導體技術，2001，26(8)：44-48．
[47] 屈定波，「基於E類放大器的2MHz射頻電源研究」，哈爾濱工業大學，碩士論文，2007．
[48] 沈錦飛，惠晶，吳雷，「E類高頻諧振式DC/AC變換器」，電力電子技術，2002，36(1)：4-6．
[49] Want R. An introduction to RFID technology[J]. IEEE Pervasive Computing, 2006, 5(1):25-33.
[50] 陳琛，黃學良，孫文慧，等．「金屬障礙物對磁耦合諧振無線電能傳輸系統的影響」，電工技術學報，2014，29(9)：22-26．
[51] SU Y P, LIU X, HUI S Y R. Mutual Inductance Calculation of Movable Planar Coils on Parallel Surfaces[J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2009,24(3-4):1115-1123.
[52] 丘小輝，盧文成，毛行奎，「一種提高PCB線圈的近距離傳輸效率的方法」，電氣技術，2015，16(11)：7-11．
[53] MOHAN S S, HERSHENSON M D, BOYD S P, et al. Simple accurate expressions for planar spiral inductances[J]. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 1999,34(10):1419-1424.
[54] LEE W, SON W, OH K, et al. Contactless Energy Transfer Systems Using Antiparallel Resonant Loops[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013,60(1):350-359.