基于單片機(jī)的電氣設(shè)備電源頻率控制方法

王 卯

（保定天威恒通電氣有限公司，河北 保定 071000）

0 引 言

電氣設(shè)備的使用在電力行業(yè)中起到至關(guān)重要的作用，使用頻率的增加造成其故障現(xiàn)象頻發(fā)，大部分的檢修手段都是“壞了才修”的形式，使電氣設(shè)備檢修過程完全處于被動(dòng)的狀態(tài)，導(dǎo)致運(yùn)行隱患增加[1,2]。與電氣設(shè)備其他元件不同，電源的作用是重中之重，電源頻率控制效果穩(wěn)定與否，是決定電氣設(shè)備運(yùn)行安全與否的關(guān)鍵。因此，研究人員開始研究設(shè)備電源頻率控制方法。傳統(tǒng)設(shè)備電源頻率控制方法中，電源直流電與交流電之間的控制不完善，電流在電氣設(shè)備中的分布不夠均勻，影響電源頻率的穩(wěn)定控制[3]。基于此，本文利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)設(shè)備電源頻率控制方法，旨在實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備電源頻率的有效控制，為電力行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供保障。

1 基于單片機(jī)的電氣設(shè)備電源頻率控制方法設(shè)計(jì)

1.1 采集電氣設(shè)備電源頻率信號(hào)

本文設(shè)計(jì)的電源頻率控制方法需要利用單片機(jī)的集成效果，采用單片機(jī)終端裝置采集電氣設(shè)備的電源頻率信號(hào)，并通過單片機(jī)的中央處理單元初步處理采集到的電源頻率信號(hào)[4]。因此，在采集信號(hào)的過程中，需要考慮電氣設(shè)備的安全運(yùn)行參數(shù)與故障運(yùn)行參數(shù)，縮短電源頻率信號(hào)采集時(shí)間。首先，安裝單片機(jī)終端裝置，確定要采集信號(hào)的頻段；其次，采集電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的電源頻率信號(hào)以及電氣設(shè)備故障狀態(tài)的電源頻率信號(hào)，并同步記錄；最后，整合采集到的信號(hào)，在單片機(jī)存儲(chǔ)單元中備份，減少丟失信號(hào)的現(xiàn)象[5]。在電氣設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，需要重復(fù)上述步驟，重新進(jìn)行信號(hào)采集，對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，同樣在單片機(jī)存儲(chǔ)單元中備份。

1.2 進(jìn)行電源頻率信號(hào)處理

電力系統(tǒng)中，電氣設(shè)備至關(guān)重要，在電網(wǎng)中具有控制與保護(hù)的作用，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)可以將電網(wǎng)線路故障區(qū)域進(jìn)行投切，迅速切除電網(wǎng)故障線路，保證剩余線路可以繼續(xù)運(yùn)行[6]。電氣設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)有電源額定電壓、額定電流、開斷電流、開斷電壓以及額定熱穩(wěn)定時(shí)間等[7]。在電氣設(shè)備的運(yùn)行過程中，電源頻率信號(hào)的穩(wěn)定控制效果至關(guān)重要。一般情況下，電氣設(shè)備在不同情況下會(huì)形成不同的用電環(huán)境，供電形式也會(huì)不同。在此條件下，電氣設(shè)備的電源頻率也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。在頻率信號(hào)采集后，可以利用單片機(jī)的集成方式進(jìn)行信號(hào)初步處理，并將初次處理后的電源頻率信號(hào)作為初始信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行去噪處理，公式為：

式中，Mhandle為去噪處理后的頻率信號(hào)；Ls為電源狀態(tài)參數(shù)；β為噪聲系數(shù)；Ns為單片機(jī)電源負(fù)荷量參數(shù)；Sn為電源頻率控制指數(shù)。初次處理后的頻率信號(hào)同樣存在噪聲信號(hào)，容易影響最終電氣設(shè)備的控制效果[8]。

1.3 基于單片機(jī)計(jì)算電源頻率控制功率

傳統(tǒng)設(shè)備電源頻率控制方法中，利用相同的頻率控制元件進(jìn)行頻率控制，屬于電源控制元件的分支，在一定程度上擴(kuò)大了控制范圍，縮短了控制時(shí)間[9]。本文利用單片機(jī)技術(shù)計(jì)算電源頻率傳播量，通過集成電源電路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源頻率的精準(zhǔn)控制。電源頻率傳播量計(jì)算公式為：

式中，Jcontrol為電源頻率傳播量；Fv為電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)關(guān)系系數(shù)；Dm為信號(hào)操作數(shù)據(jù)；s為數(shù)據(jù)性能指數(shù)；βn為噪聲系數(shù)的控制處理量。由于電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，關(guān)鍵部件較多，造成電源頻率控制不穩(wěn)定的元素較多，影響電源頻率控制功率，計(jì)算出此時(shí)電氣設(shè)備電源頻率的控制功率：

式中，Kfrequency為電源頻率控制功率；k為電源徑流電流；Rui為電源實(shí)際功率。充分分析電源頻率控制環(huán)境，進(jìn)而給出最佳控制方案。

1.4 實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備電源頻率的穩(wěn)定控制

當(dāng)電氣設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，電氣部分的結(jié)構(gòu)特性較復(fù)雜，電源具有外形小、不易氧化以及重量輕的特點(diǎn)，可以減少外界條件的影響，更好地為電氣設(shè)備服務(wù)。電源開斷能力較大，可以承受較大的電壓與電流，是電氣設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵[10]。為了實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備電源頻率的穩(wěn)定控制，本文首先采集電源頻率信號(hào)，利用單片機(jī)終端裝置進(jìn)行信號(hào)精準(zhǔn)采集，采集過程中可以利用單片機(jī)中央處理單元進(jìn)行初步信號(hào)處理；其次利用相關(guān)公式進(jìn)行二次去噪處理，減少信號(hào)噪聲對(duì)電源控制的影響；最后利用單片機(jī)技術(shù)計(jì)算電源頻率控制功率，得出最佳控制方案。通過以上研究，可以將電源頻率保持在穩(wěn)定控制狀態(tài)，為電氣設(shè)備提供充足的運(yùn)行保障。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法具有實(shí)用效果，對(duì)上述方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以傳統(tǒng)設(shè)備電源頻率控制方法與本文設(shè)計(jì)的設(shè)備電源頻率控制方法對(duì)比的形式呈現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果如下所述。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

為了保證電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，本文選取外形尺寸為1 500 mm×600 mm×400 mm的電氣設(shè)備，并將其額定電流控制在≤60 A的范圍內(nèi)，此時(shí)殼體防護(hù)等級(jí)為IP55。本文使用CD-4046芯片，將電源電路設(shè)置為時(shí)鐘模塊電路，晶振數(shù)值為8.26 MHz，并采用復(fù)位模塊作為電源核心模塊，保證微調(diào)電容不超過30 pF。當(dāng)電氣設(shè)備開始運(yùn)行時(shí)，電源頻率的控制效果往往難以把控，使用本文設(shè)計(jì)的控制方法所需的控制時(shí)間如表1所示。

表1 本文設(shè)計(jì)的方法控制電源頻率所需時(shí)間

如表1所示，本文隨機(jī)選取8個(gè)電氣設(shè)備電源，并將其進(jìn)行編號(hào)，分別為MT11L-1～MT11-8。利用本文設(shè)計(jì)的方法后，控制時(shí)間在MT11L-1～MT11L-5樣本中會(huì)隨著電源的增加而增加，但是控制電源頻率所需時(shí)間在增加至0.306 s之后，可以保持穩(wěn)定。因此，可以保證本文設(shè)計(jì)的控制方法可以適用于大部分的設(shè)備電源頻率控制。在此條件下，分析該控制方法的有效率，如圖1所示。

圖1 本文設(shè)計(jì)的控制方法的控制有效率

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的控制方法在60 h內(nèi)出現(xiàn)了穩(wěn)定期與增長(zhǎng)期兩種情況。隨著時(shí)間的增加，0～20 h為增長(zhǎng)期，20～40 h趨于穩(wěn)定，為穩(wěn)定期，緊接著40～60 h又呈現(xiàn)了增長(zhǎng)趨勢(shì)，為增長(zhǎng)期。表明電氣設(shè)備的電源頻率會(huì)隨著電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增加而發(fā)生變化，主要是由電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)間段的不同導(dǎo)致的。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文將傳統(tǒng)設(shè)備電源頻率控制方法與本文設(shè)計(jì)的設(shè)備電源頻率控制方法進(jìn)行對(duì)比，并以圖譜的形式將兩種控制方法的波特率進(jìn)行繪制，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖2所示，當(dāng)本文設(shè)計(jì)的方法控制波特率為50 Bd/s、100 Bd/s、150 Bd/s、200 Bd/s、250 Bd/s、300 Bd/s時(shí)，相位差基本保持一致，具有更加穩(wěn)定的電源頻率控制效果，符合本文研究目的。

3 結(jié) 論

近些年來(lái)，電氣設(shè)備的使用逐漸增加，為人們提供了更加安全的運(yùn)行環(huán)境。電源頻率控制在電氣設(shè)備運(yùn)行中起到至關(guān)重要的作用，當(dāng)電源頻率較高時(shí)，電氣設(shè)備會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱情況，造成較大的安全隱患；當(dāng)電源頻率較低時(shí)，電氣設(shè)備會(huì)出現(xiàn)不平衡發(fā)電的情況，使電氣設(shè)施運(yùn)行卡頓，影響設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。因此，設(shè)備電源頻率控制方法得到了人們的關(guān)注。傳統(tǒng)設(shè)備電源頻率控制方法的控制時(shí)間較短，在一定程度上可以節(jié)省控制時(shí)間，但是在其控制下，電氣設(shè)備的控制波特率較不穩(wěn)定，影響其控制效果?；诖?，本文利用單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)設(shè)備電源頻率控制方法，旨在為電氣設(shè)備提供更加穩(wěn)定的控制效果，減少設(shè)備故障的現(xiàn)象。