高壓電力線路電源控制系統(tǒng)研究

摘? 要：為了提高高壓電力線路電源控制的可靠性，設(shè)計(jì)了高壓電力線路電源控制系統(tǒng)。選擇電力調(diào)節(jié)裝置和電力調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成系統(tǒng)硬件，采用云端在線分析電源電力的方法，計(jì)算閉環(huán)電源底層電力負(fù)荷量，結(jié)合系統(tǒng)所在的本地服務(wù)器，傳輸供電數(shù)據(jù)，并通過規(guī)劃中頻電路門檻、選擇控制線路等方式，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效實(shí)現(xiàn)電廠電源電壓的控制，滿足電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行需求。

關(guān)鍵詞：高壓電力線路;電源控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì);電力調(diào)制解調(diào)器

中圖分類號(hào)：TM774;TM44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 章編號(hào)：2096-4706（2020）20-0057-03

Research on Power Control System of High Voltage Power Line

JI Zhiliang

（State Grid Shanghai Electric Power Company Economic and Technological Research Institute，Shanghai? 200122，China）

Abstract：In order to improve the reliability of high voltage power line power control system，a high voltage power line power control system is designed. The power conditioning device and power modem are selected to constitute the system hardware. Using the method of online analysis of the power supply in the cloud，calculate the bottom power load of the closed-loop power supply. Combined with the local server where the system is located，the power supply data is transmitted，and the system software design is completed by planning the intermediate frequency circuit threshold and selecting the control line. The experimental results show that the designed control system can effectively control the power supply voltage of the power plant in practical applications and meet the actual operation requirements of the power grid.

Keywords：high voltage power line;power control;system design;power modem

0? 引? 言

電力產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，提升了社會(huì)用電穩(wěn)定性與可靠性的同時(shí)，對(duì)高壓電力的需求也越來越多。傳統(tǒng)的電源控制采用的是集成電路方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅極易受到外界環(huán)境的影響，同時(shí)在使用中系統(tǒng)整體的可靠性相對(duì)較差，不符合現(xiàn)代化電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。突發(fā)的高壓電力線路問題導(dǎo)致的安全事故，不僅會(huì)對(duì)電力產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)造成一定影響，而且也會(huì)在一定程度上影響居民的正常用電[1]。例如，區(qū)域高壓供電線路出現(xiàn)短時(shí)擁塞，導(dǎo)致高壓供電線路電源負(fù)荷供電不足，嚴(yán)重影響居民正常生活。與現(xiàn)代化電力產(chǎn)業(yè)的需求相比，傳統(tǒng)電源控制系統(tǒng)的開發(fā)周期長、成本造價(jià)高，并且簡單的結(jié)構(gòu)使傳統(tǒng)系統(tǒng)只能應(yīng)用于小規(guī)模高壓電力電源控制中，無法滿足電力企業(yè)的發(fā)展需求，也導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行存在一定安全隱患。輸電線路的受電端，經(jīng)常為大型企業(yè)、工廠、重要基礎(chǔ)設(shè)施等供電，用戶站供電穩(wěn)定至關(guān)重要，電壓幅值、波形、頻率，是電能質(zhì)量的主要指標(biāo)，特別是一級(jí)重要用戶。雖然電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，但區(qū)域電網(wǎng)的供電穩(wěn)定，仍受到不確定因素的考驗(yàn)，如夏冬季高峰用電，臺(tái)風(fēng)、雷暴雨天，這些因素影響仍然影響著用戶側(cè)的電能質(zhì)量。國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院長期承接高壓電力工程設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，筆者為公司設(shè)計(jì)部門在職員工，從事高壓輸電線路的設(shè)計(jì)工作。為了改善上述問題，本文研究了高壓電力線路電源控制系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了電源控制系統(tǒng)的硬件及軟件，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)成果的有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的有效控制，提高了用戶側(cè)電壓幅值、波形及頻率的抗干擾能力，保障電流電壓在一定范圍內(nèi)的高可靠性。

1? 高壓電力線路電源控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高壓電力線路電源控制電路連接由電力調(diào)節(jié)裝置內(nèi)置TU2305-L4型號(hào)微型數(shù)據(jù)芯片，電力調(diào)制解調(diào)器主要由STC 89C52單片機(jī)及外圍元件構(gòu)成，高壓電力線路電源控制電路連接如圖1所示。

1.1? 電力調(diào)節(jié)裝置

電力調(diào)節(jié)裝置內(nèi)置UAA5405保護(hù)層、TU2305-L4型號(hào)微型數(shù)據(jù)芯片。其裝置內(nèi)包括2路模擬數(shù)據(jù)傳輸路徑、3路GPIO數(shù)據(jù)傳輸路徑，可滿足電力環(huán)境下電壓（電流）的導(dǎo)入/導(dǎo)出[2]。同時(shí)，調(diào)節(jié)裝置內(nèi)具有額定電壓超標(biāo)指示燈，與標(biāo)準(zhǔn)的SMA天線連接，當(dāng)流經(jīng)的電流、電壓值超出指定范圍時(shí)，指示燈閃爍。

此裝置是一款適用于室內(nèi)穩(wěn)定工作環(huán)境的電力數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)設(shè)備，同時(shí)配備的IP50等級(jí)安全防護(hù)外殼，具備絕緣功能，外殼與內(nèi)接芯片之間具有隔絕層，用于避免裝置出現(xiàn)漏電現(xiàn)象[3]。為了滿足高壓電環(huán)境下的運(yùn)行需求，電力裝置端口增設(shè)64位數(shù)據(jù)處理芯片，不僅支持?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)營商的2/3/4G網(wǎng)絡(luò)，而且也可最大限度保障電力數(shù)據(jù)接入端無線數(shù)據(jù)的容量。

1.2? 電力調(diào)制解調(diào)器

電力調(diào)制解調(diào)器是一種音頻通信設(shè)備，采用FSK方式調(diào)制，主要由單片機(jī)及外圍元件構(gòu)成，能夠配合較多通信信道傳輸數(shù)據(jù)信息。為了滿足電源接入數(shù)據(jù)的通信需求，本文系統(tǒng)選擇了電力調(diào)制解調(diào)器作為終端的通信服務(wù)器。同時(shí)，內(nèi)置F285型號(hào)電力數(shù)據(jù)微型處理器，使導(dǎo)入的數(shù)據(jù)支持電源運(yùn)行中，多路CPU的在線同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

此外，選擇電力定位識(shí)別技術(shù)導(dǎo)入電源數(shù)據(jù)的來源，配備多個(gè)電源接口與數(shù)據(jù)鑒別面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力數(shù)據(jù)的全維度分析。在裝置內(nèi)安裝Intel Core i7-9700 CPU與128位的計(jì)算芯片，提升ECC的處理頻率，從而滿足對(duì)電源數(shù)據(jù)的抓取需求。

2? 高壓電力線路電源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 跟蹤高壓電力線路電流閉環(huán)分配量

在控制高壓電力線路電源時(shí)，應(yīng)先檢測(cè)系統(tǒng)供電端的電源最大承受負(fù)荷量，同時(shí)考慮如何將超負(fù)荷電力值平均轉(zhuǎn)移并分配到電源減載節(jié)點(diǎn)上[4]。智能云端在線分析電力系統(tǒng)具有發(fā)電速度快、電源檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、云端傳輸和儲(chǔ)存信息容量大等特點(diǎn)。智能云端在線分析電力系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

智能化云端在線分析電力系統(tǒng)服務(wù)器使用CPU處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果獲取電力狀況，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析與整體控制;發(fā)電模塊利用發(fā)電機(jī)組發(fā)電為整體供電;變壓模塊通過變壓器組對(duì)電源進(jìn)行電壓、電流轉(zhuǎn)換，并通過電纜向服務(wù)器傳送變壓后的電源信息。電源檢測(cè)模塊主要是利用電壓表和電流表二次檢測(cè)電源電壓和電流，并將檢測(cè)出的電源信息通過電纜傳送到服務(wù)器;電源存儲(chǔ)模塊采用大型電力存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)電量，通過電纜將電量信息實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器。智能云端在線分析電力系統(tǒng)界面如圖3所示。

本文選擇采用云端在線分析電源電力的方式，計(jì)算閉環(huán)電源第i層的電力負(fù)荷量為：

其中，D為低頻狀態(tài)下的負(fù)荷節(jié)點(diǎn);R為負(fù)荷占比;j為i級(jí)的電源負(fù)荷節(jié)點(diǎn);L為擾動(dòng)負(fù)荷敏感度。結(jié)合不同電源級(jí)別在低頻狀態(tài)下電源負(fù)荷量占總量的百分比，控制系統(tǒng)電流平均分配量的計(jì)算公式為：

其中，K為低頻電源容量約束條件;λ為電源運(yùn)行頻率參數(shù)，Gd為頻率變化時(shí)間常數(shù)。根據(jù)上述計(jì)算公式，監(jiān)控電源控制系統(tǒng)低頻減載功率的平衡狀況，并通過網(wǎng)間連接設(shè)備，將獲取的電源參數(shù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過單片機(jī)將傳輸方式轉(zhuǎn)化為傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議的傳輸方式。

同時(shí)，通過系統(tǒng)所在的本地服務(wù)器以及物聯(lián)網(wǎng)智能終端服務(wù)設(shè)備，對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問測(cè)量的電源進(jìn)行傳輸[5]。并連接網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云端在線分析平臺(tái)當(dāng)中實(shí)施深度分析，從而完成對(duì)高壓電力線路電流閉環(huán)分配量的跟蹤。

2.2? 控制中頻電源電壓

綜合上述跟蹤的高壓電力線路電流閉環(huán)分配量，結(jié)合電源控制實(shí)際運(yùn)行情況，建立控制系統(tǒng)內(nèi)電源參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接，并以電力負(fù)載量作為依據(jù)，對(duì)中頻電源電壓進(jìn)行控制，步驟為：

第一步：獲取控制系統(tǒng)在運(yùn)行中的內(nèi)部低頻荷載電源數(shù)據(jù)，將多種電力信息建立與互聯(lián)網(wǎng)的連接，構(gòu)建電力峰值控制與調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在任何時(shí)間、地點(diǎn)、資源的相互連通，并將獲取的數(shù)據(jù)整理后實(shí)時(shí)上傳至控制調(diào)度中心。

第二步：規(guī)劃中頻電路門檻，并延展核心電網(wǎng)，以滿足控制系統(tǒng)最大荷載量為控制目標(biāo)，綜合在線監(jiān)測(cè)得到的系統(tǒng)運(yùn)行電力實(shí)際負(fù)荷量，判斷系統(tǒng)中是否存在滿足低頻減載控制路線[6]，當(dāng)線路不滿足控制條件時(shí)，選擇跳過此條控制線路，進(jìn)入下一條控制線路的判斷，直到完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有控制線路的完整檢索，從而通過控制線的識(shí)別，完成高壓線路電源的控制。

2.3? 穩(wěn)定電源控制電路

本文設(shè)計(jì)的高壓電力線路電源控制系統(tǒng)采用全橋移項(xiàng)電路，配備PWM控制開關(guān)作為電路的控制器，此種類型電路的功能更加完善，且具備完整的自適應(yīng)區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路的軟啟動(dòng)與自動(dòng)切斷功能。系統(tǒng)以ACT8990芯片作為設(shè)計(jì)電源控制電路的核心，在規(guī)劃電路布局安排時(shí)，可根據(jù)時(shí)鐘與鋸齒波的形成規(guī)律，設(shè)計(jì)電路中的電源電壓保護(hù)模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊等。當(dāng)線路輸出閉環(huán)電流后，采集電路的流出信息，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用電路對(duì)過壓系統(tǒng)的保護(hù)。

3? 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以電力市場(chǎng)內(nèi)某變電站作為此次實(shí)驗(yàn)的試點(diǎn)場(chǎng)所，將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用到高壓電廠中，以此驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性。分別利用本文提出的電源控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)該電廠電源進(jìn)行控制，對(duì)比控制后變電站電源的穩(wěn)定運(yùn)行能力，共設(shè)定3輪控制過程，記錄使用系統(tǒng)控制前、使用系統(tǒng)控制時(shí)及使用系統(tǒng)控制后電源出口電壓的運(yùn)行頻率，并以此作為判定系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的依據(jù)。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制成如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)圖4中曲線可以看出，本文系統(tǒng)在進(jìn)行電源電壓控制時(shí)，由終端輸出的電壓值相對(duì)較穩(wěn)定，可有效地控制電源電壓在130～ 160 kV范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)流經(jīng)電源電流的穩(wěn)定運(yùn)輸。而傳統(tǒng)系統(tǒng)在進(jìn)行電源電壓控制時(shí)，輸出的電源電壓的運(yùn)行不穩(wěn)定，盡管也可將電源電壓控制在200 kV以下，但電壓波動(dòng)較大，系統(tǒng)的整體運(yùn)行不穩(wěn)定。通過上述對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得出此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：相比傳統(tǒng)的電源控制系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的高壓電力線路電源控制系統(tǒng)在對(duì)電源電壓實(shí)際控制過程中，可實(shí)現(xiàn)電源電壓的穩(wěn)定控制，滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要。

4? 結(jié)? 論

為提高高壓電力線路電源控制系統(tǒng)的可靠性，本文從跟蹤高壓電力線路電流閉環(huán)分配量與控制中頻電源電壓兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)了高壓電力線路電源控制系統(tǒng)。采用設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，對(duì)于電源電壓具有顯著的控制效果。因此，在后期的相關(guān)研究工作中，應(yīng)加大本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在電力市場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)用，通過不斷實(shí)踐，掌握系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的問題，改進(jìn)問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的完善。

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作者簡介：嵇志良（1989.12—），男，漢族，上海人，助理工程師，本科，研究方向：電力工程輸電線路。