特高壓直流線路寬頻域電暈電流在線測(cè)量系統(tǒng)的低功耗技術(shù)研究

劉鴻宇 劉元慶 袁海文 呂建勛 陸家榆 辛恩承

摘 要：為了給特高壓直流線路寬頻域電暈電流測(cè)量系統(tǒng)供能，研究了特高壓環(huán)境下的獨(dú)立供電技術(shù)，針對(duì)特高壓環(huán)境下發(fā)現(xiàn)的測(cè)量系統(tǒng)續(xù)航能力不足問題，對(duì)獨(dú)立供電系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了以可調(diào)占空比PWM波為控制信號(hào)的低功耗控制電路，達(dá)到降低系統(tǒng)平均功率的目的。經(jīng)過Multisium軟件對(duì)設(shè)計(jì)的可控低功耗電路的仿真為指導(dǎo)，經(jīng)改進(jìn)過后的測(cè)量系統(tǒng)續(xù)航能力得到了顯著的提升。

關(guān)鍵詞：特高壓直流 電暈電流 低功耗 PWM

中圖分類號(hào)：F407.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（c）-0037-03

隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高，電暈效應(yīng)問題成為特高壓輸電技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)問題之一。由于我國(guó)特高壓輸電線路將經(jīng)過不同地理和不同環(huán)境地區(qū)，隨著電壓等級(jí)的提高，電暈效應(yīng)問題會(huì)更加突出。電暈電流是與電暈損失是電磁環(huán)境參數(shù)直接相關(guān)的物理量，通過研究電暈電流數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)特高壓輸電線路建設(shè)的導(dǎo)線配置可提供依據(jù)。

由于電暈電流采集系統(tǒng)作為一個(gè)離線系統(tǒng)懸掛在輸電線路的高壓側(cè)一段，必將自帶一個(gè)供能系統(tǒng)為其進(jìn)行供電，供電模塊選擇為鋰電池。在復(fù)雜的外部條件下，測(cè)量系統(tǒng)必將進(jìn)行一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的工作，而電池的更換只能靠人工進(jìn)行，在有限的電池容量下，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，不僅能夠達(dá)到節(jié)省人工，減少對(duì)電暈電流測(cè)量系統(tǒng)的干擾，而且提供了一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的保障。

對(duì)于當(dāng)下的低功耗技術(shù)來(lái)說(shuō)，主要有以下的劃分，（1）系統(tǒng)級(jí)基本思想是在部分模塊進(jìn)入空閑狀態(tài)后立即關(guān)閉，主要研究如何進(jìn)行系統(tǒng)劃分和狀態(tài)預(yù)測(cè)；（2）體系結(jié)構(gòu)級(jí)主要方法是動(dòng)態(tài)功耗管理，包括動(dòng)態(tài)電壓管理、動(dòng)態(tài)頻率管理、低功耗調(diào)度策略和軟硬件劃分等。

1 電暈電流測(cè)量系統(tǒng)介紹

根據(jù)測(cè)量技術(shù)的實(shí)際情況，考慮到安全性和可靠性等因素，寬頻域電暈電流測(cè)量系統(tǒng)總體方案如下。

該測(cè)量系統(tǒng)主要由特高壓當(dāng)?shù)囟撕桶踩恢脺y(cè)量端組成，在特高壓直流實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，選擇光纖作為高壓當(dāng)?shù)囟撕桶踩恢脺y(cè)量端之間的傳輸介質(zhì)。在測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)?shù)囟撕桶踩恢脺y(cè)量端均配有光電轉(zhuǎn)換裝置。在當(dāng)?shù)囟说臄?shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)诫姽廪D(zhuǎn)換裝置，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過室外光纖傳遞到安全位置測(cè)量端的分別將電信號(hào)轉(zhuǎn)換位光信號(hào)以及將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。以達(dá)到測(cè)量數(shù)據(jù)互相傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 電暈電流測(cè)量系統(tǒng)電源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)量電路

為了達(dá)到電暈電流數(shù)據(jù)采集的目的，主要要對(duì)采集當(dāng)?shù)囟诉M(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

采集當(dāng)?shù)囟酥饕晌宀糠纸M成：光電轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)據(jù)采集卡模塊、控制電路板、供電模塊、傳感器模塊。其中傳感器模塊，采集卡模塊以及光電轉(zhuǎn)化模塊為此采集當(dāng)?shù)囟说闹饕娔芟牟糠帧鞲衅饕约安杉ú杉妷簲?shù)據(jù)以及電流數(shù)據(jù)，傳輸至當(dāng)?shù)囟薝SB—光纖轉(zhuǎn)換器，將電信號(hào)形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)形式的數(shù)據(jù)，通過與其相連的室外光纜光纖傳輸至測(cè)量系統(tǒng)本地端，由本地端USB—光纖轉(zhuǎn)換器（LEX）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，傳輸至高性能計(jì)算機(jī)。

其中，電源模塊的構(gòu)成為：電模塊的選擇為兩塊40 AH的可充電鋰電池，提供系統(tǒng)所需的+12 V電源。

2.2 能源控制設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)整體耗能大，電暈電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電池消耗快，需要頻繁更換。因此，需要對(duì)供電模塊進(jìn)行電壓電流控制，在該系統(tǒng)的構(gòu)架中，選用的是控制電路板，如圖1所示：

圖3表示的是供電模塊的組成以及控制方式，其中供電模塊主要由電源模塊和控制通斷的控制板組成?？刂瓢逅獙?shí)現(xiàn)的功能主要有四個(gè)部分：電壓波形調(diào)理部分，電壓轉(zhuǎn)換部分，設(shè)備保護(hù)部分，信號(hào)切換部分。

電壓波形調(diào)理部分：由于電池采用的是輸出電壓12 V，容量40 Ah的充電鋰電池。在輸出電壓方面，會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，通過15組的電池輸出電壓采集數(shù)據(jù)來(lái)看，電池的輸出電壓主要波動(dòng)在12.3 V～13.2 V之間。為了輸出電壓的穩(wěn)定，保證后續(xù)設(shè)備的工作正常，加入電壓波形調(diào)理電路，穩(wěn)定電池電壓的輸出。

電壓轉(zhuǎn)換：經(jīng)過電壓波形調(diào)理后的電池輸出為穩(wěn)定的12 V直流電壓，需要供電的設(shè)備主要有：串口/USB部分，光電轉(zhuǎn)化部分，采集系統(tǒng)采集卡部分。其中，由于串口/USB部分主要作用對(duì)采集系統(tǒng)命令的收發(fā)。在采集過程中需要保持對(duì)其的長(zhǎng)期供電，工作壓為5 V，光電轉(zhuǎn)換部分主要作用是將電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)傳輸回本地安全測(cè)量端，工作電壓為5 V。采集卡部分為該能源模塊主要的供電部分，也是該采集系統(tǒng)的核心部分，主要是在電暈電流試驗(yàn)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其工作電壓為6 V。

設(shè)備保護(hù)部分：由于該控制板的安裝位置處于特高壓環(huán)境之下，于電壓等級(jí)在百萬(wàn)伏左右，瞬間高壓脈沖容易破壞傳感元件，瞬間高壓脈沖極易破壞采集卡通道，為防止此類情況發(fā)生，可在電阻兩端加上保護(hù)電路，并聯(lián)P6KE15CA瞬態(tài)抑制二極管TVS和2R-75V陶瓷放電二極管。除了過壓保護(hù)，將采集卡所有探頭都進(jìn)行短路保護(hù)。使用繼電器加上TVS管和氣體放電管，可以達(dá)到保護(hù)采集卡的目的。

通過能源消耗的方式以及控制電路板的工作模式，在電壓波形調(diào)理的部分，可以引入控制電壓輸出的模塊。從而達(dá)到控制功率消耗的目的。

3 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

3.1 低功耗設(shè)計(jì)的必要性

特高壓交流電暈電流測(cè)量系統(tǒng)工作的過程中，使用的供電系統(tǒng)是可充電鋰電池置于遠(yuǎn)程端一體式保護(hù)桶內(nèi)。在該研究所考慮的供能設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)程端的電能消耗主要可以分為兩個(gè)部分：

（1）測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程端電流采集模塊中的光纖開關(guān)遠(yuǎn)程端需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷保持運(yùn)行，這是在不進(jìn)行電暈電流測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)的最大能耗。

（2）進(jìn)行電暈電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要能耗設(shè)備有：采集卡，光電轉(zhuǎn)換器，光電傳輸電路。其中，采集卡配備有獨(dú)立散熱器進(jìn)行散熱，能耗最高，是主要能耗設(shè)備。

因此，在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間不間斷的電暈電流測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程端電池進(jìn)行更換，研究一種新的供電方法，減少電池更換次數(shù)，加強(qiáng)系統(tǒng)的續(xù)航性。

為了達(dá)到這個(gè)目的，從該電暈電流測(cè)量系統(tǒng)電能消耗入手。

從測(cè)量開始，電源系統(tǒng)開始對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，其工作的總功率為19.5 W，加上內(nèi)部線路的消耗的功率，總功率約為20 W，而該系統(tǒng)所使用的為兩塊輸出電壓為12 V，容量為40 Ah的鋰電池，總能量為960 Wh，可供測(cè)量系統(tǒng)工作48 h，從實(shí)際的實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，每天實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8～10 h?？晒┦褂脮r(shí)間為4～6天。由于安裝位置的原因，電池的更換是需要人工并且比較耗時(shí)，所以，為了節(jié)省時(shí)間和人力，設(shè)備低功耗的設(shè)計(jì)是十分有必要的。

3.2 低功耗設(shè)計(jì)的方法與結(jié)果

3.2.1 系統(tǒng)工作模式

為了達(dá)到系統(tǒng)低功耗的目的，首先，明確該電暈電流系統(tǒng)的工作方式。

電暈電流工作有三種模式。在短時(shí)工作的模式之下，設(shè)備的有效工作時(shí)間占總工作時(shí)間的1/4，長(zhǎng)期工作模式之下占比為1/4～1/5，快速工作模式之下比例為1/4～1/3。

從工作模式中可以看出，采集系統(tǒng)工作時(shí)，大量的時(shí)間是將電池的能量浪費(fèi)掉而并沒有用在數(shù)據(jù)的采集之上。因此，可以通過控制采集卡電源的通斷達(dá)到節(jié)省電能的作用。

3.2.2 PWM低功耗設(shè)計(jì)

為了降低采集系統(tǒng)的平均功率，采用PWM波的方式對(duì)采集系統(tǒng)的電壓通斷進(jìn)行控制。

由于設(shè)備的功耗與電壓的平方成正比關(guān)系，降低供電電壓是降低功耗的有效手段。該研究在電暈電流測(cè)量系統(tǒng)中引入動(dòng)態(tài)電壓縮放技術(shù)（DVS），這是一種動(dòng)態(tài)的功耗管理方法，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷高時(shí)，加大供電電壓的輸入，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷低時(shí)，降低供電電壓的輸入。不僅能夠保證系統(tǒng)的工作性能的完美，而且能夠有效地降低系統(tǒng)功耗。

在這樣的一個(gè)系統(tǒng)中，關(guān)鍵核心為DC/DC電路，并且引入PWM波發(fā)生器作為門控信號(hào)，通過該改變PWM波的占空比達(dá)到控制電壓的目的。圖4為系統(tǒng)的工作方式圖。

在該研究的低功耗研究中，選擇使用Buck電路作為被PWM波信號(hào)控制的電路。

圖3為buck電路的基本仿真圖，經(jīng)過調(diào)制后，當(dāng)PWM波處于高電平時(shí)輸出電壓，而當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，輸出電壓基本為零，當(dāng)系統(tǒng)處于有效的工作時(shí)間時(shí)，調(diào)制PWM波輸出高電平，當(dāng)處于系統(tǒng)非有效工作時(shí)間，調(diào)制PWM波輸出低電平。

通過對(duì)于系統(tǒng)加入調(diào)制PWM波低功耗電路，經(jīng)過實(shí)地測(cè)量，在進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)之前，系統(tǒng)的功耗達(dá)到了19.5 Wh，而在經(jīng)過低功耗設(shè)計(jì)之后，系統(tǒng)的功耗降到了8.8 Wh，效率提高了一倍左右。該研究的設(shè)計(jì)在保證測(cè)量系統(tǒng)的性能的基礎(chǔ)上有效地降低了系統(tǒng)的平均功耗，使測(cè)量系統(tǒng)的工作時(shí)間從4～6 d延長(zhǎng)到8～12 d。說(shuō)明該研究所設(shè)計(jì)的基于PWM波調(diào)制的系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)是合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 以電暈電流測(cè)量系統(tǒng)為背景，設(shè)計(jì)了一套以鋰電池為核心的能源控制系統(tǒng)。保證了電暈電流測(cè)量系統(tǒng)的正常高性能地工作。

（2） 為了使系統(tǒng)更加高效地工作在較為惡劣的環(huán)境之下，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的低功耗控制方式與電路。有效地降低了系統(tǒng)的平均功耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)的續(xù)航能力。

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