柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉勝芬 潘銀松 高瑜

關(guān)鍵詞： 柔性直流輸電; 節(jié)能控制; 嵌入式系統(tǒng); 換流閥組; 電容器; 電抗器

中圖分類號： TN712+.3?34; TM721 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0134?04

Design of intelligent energy?saving control embedded system

based on flexible DC transmission

LIU Shengfen， PAN Yinsong， GAO Yu

（City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China）

Abstract： In allusion to the problems of small energy?saving coefficient and long fault alarm delay existing in the current electric energy saving control system， an intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission is proposed and designed. The framework of the intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission is constructed on the basis of analyzing the main principle of flexible DC transmission. The energy?saving control station module in the framework is mainly responsible for switching， start?stop and operation mode transformation of the flexible DC transmission device. The pole control module is responsible for control of pole opening， stopping， power and current. The converter module can control the opening， stopping， switching， and over?loading of the converter valve set. The three main modules are used to realize power energy consumption control of flexible DC transmission. In consideration of the energy saving of reactors and capacitors in the main circuit of the flexible DC transmission， the reactor parameters are selected based on the current tracking speed of flexible DC transmission and the current pulsating quantity during the switching period time， so as to realize energy saving of the electric reactor. The capacitor parameters in the flexible DC transmission are selected based on the follow?up performance of the voltage loop control， so as to realize energy saving of the capacitor. The monitoring unit of the system is designed to monitor the intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission in real time， so as to push out abnormal conditions in the form of the alarm. The experimental results show that the system has large energy?saving coefficient and short fault alarm delay， which is practical.

Keywords： flexible DC transmission; energy saving control; embedded system; converter valve set; capacitor; electric reactor

柔性直流輸電具有向無交流電源中負(fù)荷點(diǎn)輸電順暢、控制方式簡便靈活、可有效提升電網(wǎng)電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。電能節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對我國可持續(xù)發(fā)展十分重要，相關(guān)研究成果眾多[1?3]。以下列研究成果為例對當(dāng)前電能節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，為柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。郭志華等人提出并構(gòu)建基于Android的LED節(jié)能控制系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)將安卓作為操作平臺(tái)，通過LM3409HV降壓自主反饋控制，利用WiFi實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程節(jié)能LED照明控制。在通用輸入電壓狀況下，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的調(diào)整。結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行成本低，但對于節(jié)能系統(tǒng)產(chǎn)生的故障報(bào)警存在延遲。于新業(yè)等人提出并構(gòu)建一種電能節(jié)能控制系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)能夠使用戶利用手機(jī)或者PC機(jī)完成用電設(shè)備節(jié)能控制以及管理。將電能節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)用至某高校，結(jié)果表明，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，但節(jié)能系數(shù)較低。

針對上述電能節(jié)能系統(tǒng)存在的問題，提出并設(shè)計(jì)一種柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)。

1 ?柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)

1.1 ?柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)框架

柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)具備直流輸電啟停節(jié)能、傳送功率大小與調(diào)節(jié)方向等性能，還能夠?qū)Q流站和直流線路中運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控[6]。智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1中節(jié)能控制站主要負(fù)責(zé)柔性直流輸電設(shè)備投切、啟停以及運(yùn)行模式的變換等，極控制模塊可實(shí)現(xiàn)極的開啟、停止、功率和電流的控制等功能，極控制模塊性能對柔性直流輸電智能節(jié)能的好壞影響較大[7]。換流器模塊可對換流閥組開啟、停止、投切和閥組是否過荷等進(jìn)行控制。

通過柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)中節(jié)能控制站模塊、極控制模塊、換流器模塊三大主要功能模塊對直流輸電功率能耗進(jìn)行控制。

1.2 ?柔性直流輸電主電路參數(shù)選擇

針對電抗器參數(shù)選取：基于柔性直流輸電電流跟蹤速度與開關(guān)周期時(shí)間段內(nèi)電流的脈動(dòng)量，電抗器的參數(shù)選擇有上下限值進(jìn)行限制，其值表達(dá)式分別為：

[L1a≥Us1+23Ud1ΔI1amfc] （1）

[L1a<Ud1+Tc3I1amsin ωfc] ?（2）

式中：[L1a]代表電抗器的電感值;[Us1]代表三相點(diǎn)電壓的幅值;[Ud1]代表直流側(cè)電壓值;[I1am]代表相電流基波分量產(chǎn)生的幅值;[ΔI1am]代表柔性直流輸電節(jié)能允許情況下的電流脈動(dòng)量;[fc]代表載波頻率。

將電抗器參數(shù)選擇控制在式（1）和式（2）間，可有效控制電抗器功率與能耗，進(jìn)而增強(qiáng)柔性直流輸電節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)性能。

針對電容器參數(shù)選?。夯陔妷涵h(huán)控制具備的跟隨性和抗干擾因素對柔性直流輸電中的電容器參數(shù)進(jìn)行選擇[7]，其取值也存在上下限值：

[C≥12RΔUdc] ? （3）

[C<TRRln6-8.26UmUdc] ? ?（4）

式中：[C]代表電容器的電感值;[TR]代表柔性直流電壓由初始值到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后最小的直流電壓需要上升的時(shí)長;[R]代表柔性直流側(cè)的等效電阻值;[Um]代表交流側(cè)相電壓的幅值;[Udc]代表直流電壓波動(dòng)幅值[8]。

將電容器參數(shù)選擇控制在式（3）和式（4）間，可有效控制電容器功率與能耗，還能進(jìn)一步增強(qiáng)柔性直流輸電節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)性能。

1.3 ?柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)監(jiān)控單元

依據(jù)柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)的特性，為了更好地實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電智能節(jié)能控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)能過程中出現(xiàn)的異常并報(bào)警，需要設(shè)置監(jiān)控功能模塊[9]。根據(jù)以上分析與計(jì)算，構(gòu)建的柔性直流輸電智能節(jié)能控制系統(tǒng)監(jiān)控單元如圖2所示。

要監(jiān)視柔性直流輸電智能節(jié)能控制系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)和換流器以及斷路器等部分的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警，適應(yīng)柔性直流輸電智能節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行，需要在現(xiàn)存采集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對信息數(shù)據(jù)的采集范圍進(jìn)行擴(kuò)展，并利用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和各換流站進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互[10]。數(shù)據(jù)采集層采集直流系統(tǒng)中關(guān)于輸電節(jié)能的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)中心對采集到的信息進(jìn)行分析，完成柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)將出現(xiàn)的異常狀況以告警形式推送出來。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中對柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Matlab，實(shí)驗(yàn)過程中的主要參數(shù)如下：額定容量為1 000 MV·A;額定功率為1 000 MW;額定的直流電壓為±330 kV;等值電阻為0.99 Ω;等值電感值為1.3 mH。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為：電能節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能系數(shù);系統(tǒng)異常告警延遲。

2.1 ?實(shí)驗(yàn)一

不同系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)對比如圖3所示。

根據(jù)圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)在不同實(shí)驗(yàn)次數(shù)下，展現(xiàn)出了較強(qiáng)的節(jié)能性能。利用柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)中節(jié)能控制模塊、極控制模塊、換流器模塊三大主要功能模塊對直流輸電功率能耗進(jìn)行了控制，初步提升了柔性直流輸電節(jié)能系數(shù)。又分別將電抗器參數(shù)和電容器參數(shù)選擇控制在合理范圍內(nèi)，不僅高效控制了電抗器和電容器功率與能耗，還增強(qiáng)了柔性直流輸電節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)節(jié)能性能，進(jìn)一步提升了柔性直流輸電節(jié)能系數(shù)。從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)相比當(dāng)前系統(tǒng)在節(jié)能性能方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，且具有科學(xué)性與魯棒性。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)二

不同系統(tǒng)異常告警延遲對比分析如圖4所示。圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[5]所提系統(tǒng)的異常告警延遲相比，柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)異常告警延遲更短。所提系統(tǒng)依據(jù)柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了系統(tǒng)的監(jiān)控功能模塊。該模塊以監(jiān)視柔性直流輸電智能節(jié)能控制系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)和換流器以及斷路器等部分的運(yùn)行狀態(tài)為主要任務(wù)，實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，以此來提升直流輸電節(jié)能控制系統(tǒng)的異常告警效率，降低告警延遲。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了所提系統(tǒng)的性能更為完善，合理性更強(qiáng)。

綜合圖3和圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所提柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)在輸電節(jié)能方面和異常告警延時(shí)方面均優(yōu)于當(dāng)前系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)性能優(yōu)越性強(qiáng)，且可實(shí)踐性也較強(qiáng)。

3 ?結(jié) ?論

柔性直流輸電是一種新型的電網(wǎng)輸電技術(shù)，于電網(wǎng)未來發(fā)展與開拓中前景廣闊。針對柔性直流輸電的不斷研究與推廣，要在實(shí)際情況基礎(chǔ)上，對其輸電過程進(jìn)行節(jié)能控制，提出并構(gòu)建了柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要功能模塊為節(jié)能控制站模塊、極控制模塊、換流器模塊，利用這三個(gè)模塊可在很大程度上控制柔性直流輸電能耗。合理選擇了電抗器和電容器參數(shù)，以此將這兩部分的能耗控制在合理范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的監(jiān)控單元，對節(jié)能數(shù)據(jù)信息和是否存在異常進(jìn)行監(jiān)測。通過實(shí)驗(yàn)證明了所提方法的可靠性，下一步可針對柔性直流輸電智能節(jié)能控制嵌入式系統(tǒng)的可視化界面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，為該領(lǐng)域性能的擴(kuò)展提供支撐。

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