可遠(yuǎn)程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置研究

董 斌

（國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，成都610041）

國(guó)家主干網(wǎng)正朝著特高壓方向發(fā)展，且單相導(dǎo)線結(jié)構(gòu)式也逐漸向大截面和多分裂的方向發(fā)展[1]。緊線系統(tǒng)是架線施工過程中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其施工工藝隨著發(fā)展而變化，在線路作業(yè)過程中，液壓緊線裝置推廣速度非?？靃2-3]，受到了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的重點(diǎn)關(guān)注。

文獻(xiàn)[4]將±800 kV 的特高壓輸電線路中帶電更換V 型絕緣子串作業(yè)中的實(shí)際問題當(dāng)作研究重點(diǎn)，研究制作改進(jìn)的液壓緊線器，以此使“斜拉法”能夠成功應(yīng)用至實(shí)際生產(chǎn)中，但是該緊線裝置的控制過程較為繁瑣，不能在有效時(shí)間內(nèi)控制張緊力的大??；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)并構(gòu)建了新型的液壓張緊裝置，但是沒有進(jìn)行安全性驗(yàn)證，無法保證實(shí)際應(yīng)用性；文獻(xiàn)[6]建立了拉緊裝置數(shù)學(xué)模型與帶式輸送機(jī)拉緊裝置張力控制系統(tǒng)模型，但是其嵌入式技術(shù)應(yīng)用效果較差，液壓緊線裝置智能化較低；文獻(xiàn)[7]對(duì)某型打樁船液壓裝置的特點(diǎn)進(jìn)行分析并對(duì)打樁船液壓裝置進(jìn)行有效控制，但是其應(yīng)用范圍限制在工程船舶上。

為了解決以上研究方法存在的問題，提高輸電線路液壓緊線裝置工作性能，對(duì)可遠(yuǎn)程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置進(jìn)行研究，通過報(bào)文傳送時(shí)位數(shù)列值的整合，獲得不同控制數(shù)據(jù)的估計(jì)值，對(duì)液壓緊線裝置初始運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，并在CAN通信軟件應(yīng)用中，設(shè)計(jì)緩沖區(qū)，通過判斷信息申請(qǐng)的位置和性質(zhì)，保證遠(yuǎn)程控制信號(hào)的有效傳輸，提高緊線裝置的工作性能。

1 可遠(yuǎn)程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置

上述提到了兩種傳統(tǒng)緊線模式，模式2 與模式1 比較而言更為先進(jìn)。其與張力架線工藝相融合，充分發(fā)揮了張力架線跨耐張段工作優(yōu)越性，提升了施工效率。其中，模式2 在直線塔周圍地面緊線，有效減少了高空的作業(yè)量，并降低了整體施工難度。然而在實(shí)際工程中，一旦遇到下列3 種情形，會(huì)有馳度調(diào)控困難：線路使用轉(zhuǎn)角塔情況比較多；線路水平和垂直檔距均存在很大差距；連續(xù)爬坡與下坡比較多的架線端。

在實(shí)際施工過程中，檔距落差比較大的地區(qū)，滑車的摩擦力和受力大小為成比例關(guān)系，導(dǎo)致摩擦力配置均衡性非常差，細(xì)調(diào)馳度也比較困難。鑒于實(shí)際施工和傳統(tǒng)緊線模式存在的問題，提出并設(shè)計(jì)一種新的可遠(yuǎn)程控制的液壓緊線系統(tǒng)。

1.1 液壓緊線裝置

1.1.1 液壓緊線系統(tǒng)控制基本原理

特高壓輸電線路自主式緊線裝置作業(yè)控制的基本原理為：利用改變滾筒之間間距，對(duì)因輸電線彈性伸縮導(dǎo)致的張力變化進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到最小張力點(diǎn)張力約束在某范圍內(nèi)的目的，發(fā)揮出拉緊導(dǎo)線的作用，其偏差電壓表達(dá)式為

式中：Ue代表偏差電壓；Ur代表與拉力值相應(yīng)電壓指令信號(hào)的期望值；Uf代表反饋電壓信號(hào)值。

將電子放大器具備的動(dòng)態(tài)特性整體忽略掉，輸出電流可表示為

式中：ΔI 描述的是輸出電流值；Kd描述的是電子放大器增益值。

電液伺服閥運(yùn)行過程中的傳遞函數(shù)使用的形式，由動(dòng)力元件液壓固有頻率值決定。如果伺服閥頻寬比液壓固有的頻率值大5～10 倍，能夠?qū)⑵溆米鞅壤h(huán)節(jié)的頻率偏差調(diào)節(jié)，使其滿足功率調(diào)制的頻率Gsv（s）＝1。

1.1.2 液壓緊線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

液壓緊線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為

式中：ΔF 代表質(zhì)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力向量；［M］，［C］，［K］分別代表系統(tǒng)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣；｛x｝，分別代表支點(diǎn)位移向量、速度向量以及加速度向量；｛w｝代表質(zhì)點(diǎn)阻尼向量。

因?yàn)橐酝囊簤壕o線系統(tǒng)存在的伸縮距離受限和操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，不能在有效時(shí)間內(nèi)控制張緊力的大小，所以綜合考慮比例閥流量在工作過程中的傳遞函數(shù)，進(jìn)入油缸液體增量與忽略質(zhì)量MA的系統(tǒng)綜合摩擦力，增加伸縮距離，提升控制張緊力的控制效果，由此獲取有關(guān)測(cè)點(diǎn)張力SA的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

式中：Kbv代表比例閥增益；Gbv代表Kbv為1 時(shí)比例閥傳遞函數(shù)；A 代表油缸進(jìn)油腔的面積；MA描述的是活塞和負(fù)載的總質(zhì)量；C 描述的是活塞和負(fù)載黏性阻尼系數(shù)；K 描述的是負(fù)載彈簧剛度；βec描述的是油缸中管路有效體積膨脹系數(shù)；Cip代表油缸進(jìn)油腔油壓。

優(yōu)化后的液壓缸緊線裝置工作過程中的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模型如圖1所示。

圖1 特高壓輸電線路液壓缸緊線裝置動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模型Fig.1 Dynamic basic model of hydraulic cylinder tightening device for UHV transmission line

1.1.3 液壓緊線系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器在運(yùn)行中不依賴于工業(yè)目標(biāo)模型，利用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和模糊控制規(guī)則完成推理，從而有效地獲得合適的控制量，具有較強(qiáng)的魯棒性。

高效融合模糊控制和PID 控制是增強(qiáng)控制性能的可靠手段，為此利用模糊邏輯對(duì)PID 控制器進(jìn)行自適應(yīng)在線調(diào)整。過程中，模糊PID 控制器在自適應(yīng)狀況下將E，EC作為輸入，滿足各時(shí)間偏差與偏差變化率在PID 參數(shù)自主式調(diào)節(jié)過程中的需求，依據(jù)時(shí)間偏差與偏差變化率修改PID 參數(shù)，至此，自適應(yīng)性模糊PID 控制器設(shè)計(jì)完畢，模糊自主式調(diào)節(jié)PID 控制器框架如圖2所示。

圖2 模糊自主式調(diào)節(jié)PID 控制器Fig.2 Fuzzy self regulating PID controller

在模糊控制器語言表征提取過程中，選取系統(tǒng)偏差E 和誤差變化率EC作為模糊控制器輸入[8-9]；將KP，KI，KD作為輸出。將E，EC模糊向量的模糊子集定義為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，論域定義為｛-3，3｝；KP，KI，KD模糊向量的模糊子集定義為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，KP，KI論域?yàn)椋?3，3｝；KD論域定義為｛-0.1，0.1｝，各個(gè)模糊子集都使用三角形隸屬度函數(shù)[10]。

模糊控制規(guī)則形成過程中KP，E 與EC的模糊關(guān)聯(lián)性如表1所示?；趨?shù)KP，KI，KD對(duì)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生的影響，能夠整理出不同E，EC時(shí)KP，KI，KD自主式整定需求，由此能夠得到模糊控制規(guī)則。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules

綜合上述計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)并構(gòu)建模糊PID 控制結(jié)構(gòu)：在系統(tǒng)作業(yè)中PID 控制器具備5 個(gè)輸入量，分別為E，EC，KP，KI，KD，輸出如式（5）所示：

式中：Ti，Td代表積分和微分的時(shí)間常數(shù)；T 代表采樣周期。式（5）為控制算法。基于模糊數(shù)學(xué)規(guī)則，在相關(guān)軟件中即可構(gòu)建PID 控制器模型，進(jìn)而提高緊線裝置作業(yè)的容錯(cuò)性。

1.2 液壓緊線裝置監(jiān)控

CAN（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議）通信軟件在監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過數(shù)據(jù)采集功能模塊對(duì)液壓緊線裝置運(yùn)行過程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，所得數(shù)據(jù)通過發(fā)送和接收程序上報(bào)給監(jiān)控人員[11-13]，監(jiān)控人員可以通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)測(cè)量獲得殘余數(shù)據(jù)BT錯(cuò)誤的概率，將殘留錯(cuò)誤的概率作為報(bào)文傳送時(shí)錯(cuò)誤概率YN的函數(shù)，即：

對(duì)數(shù)列值進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過累減生成還原，即可獲得不同控制數(shù)據(jù)的估計(jì)值[14-15]。以此估計(jì)值為對(duì)液壓緊線裝置初始運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

監(jiān)控過程中的通信軟件主要包含系統(tǒng)啟動(dòng)初始化、發(fā)送以及接收程序。在將報(bào)文全部初始化完畢，通信程序進(jìn)入信息數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收環(huán)節(jié)，如圖3所示。其中，發(fā)送程序運(yùn)行中，CAN 報(bào)文以自動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)信息發(fā)送。遠(yuǎn)程監(jiān)控人員僅需利用接收到的遠(yuǎn)程幀識(shí)別符，把相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)移至發(fā)送緩沖寄存設(shè)備中，再將該報(bào)文對(duì)象編碼命令申請(qǐng)寄存設(shè)備啟動(dòng)發(fā)送[16-17]。圖3（a）為發(fā)送程序示意圖。

CAN 報(bào)文信息的接收程序也是CAN 控制器自主式完成，一旦接收到發(fā)送完的標(biāo)志位，程序由接收緩沖器中將接收數(shù)據(jù)讀取出來。以提升系統(tǒng)工作效率為目的，接收過程使用的是中斷方式。圖3（b）為接收程序示意圖。

圖3 CAN 通信軟件示意圖Fig.3 Schematic diagram of CAN communication software

通過通信軟件設(shè)計(jì)，為液壓緊線裝置運(yùn)行監(jiān)控提供支撐。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為增強(qiáng)液壓緊線裝置工作性能和驗(yàn)證可遠(yuǎn)程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置有效性，進(jìn)行一次相關(guān)性測(cè)試，引入CAN 設(shè)計(jì)一個(gè)緊線裝置工作過程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)采集特高壓輸電線路液壓緊線裝置運(yùn)行過程中的液壓缸壓力值和位移值等一系列相關(guān)參數(shù)以及控制液壓泵與各種閥的功能，其液壓緊線裝置如圖4所示。

圖4 液壓緊線裝置Fig.4 Hydraulic tightening device

由圖4 可知，CAN 總線下通信接口設(shè)計(jì)：監(jiān)控系統(tǒng)的單片機(jī)和CAN 總線之間互為連接的模式主要為片外連接、片內(nèi)集成。相對(duì)來說，比較傳統(tǒng)和典型的方式將CPU（中央處理器）和CAN 控制器以及總線收發(fā)器相互連接，再接入總線網(wǎng)絡(luò)，這種情況會(huì)使CPU 的外圍電路呈現(xiàn)出復(fù)雜化的特性，系統(tǒng)很容易受到外界影響。綜上所述，該系統(tǒng)引入C8051F040 型單片機(jī)，該單片機(jī)在一塊芯片上共集成了64 KB Flash，4352 B RAM，CAN 總線控制器2.0 等。在電流沖擊下，以保護(hù)收發(fā)器為目的，在其引腳位置各自利用一個(gè)5 Ω 限流電阻和CAN 連接，在CANH，CANL（兩種信號(hào)線）和地間各自連接一個(gè)二極管。以防止總線上高頻干擾與電磁輻射，CANH，CANL 和地間各連接一個(gè)濾波電容。除此之外，操作人員利用觸摸屏幕實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置，利用LCD 顯示器對(duì)各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。將所設(shè)計(jì)的裝置系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在Smulink 上實(shí)現(xiàn)，并與文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行對(duì)比，得到的液壓緊線系統(tǒng)性能對(duì)比效果，如表2所示。

表2 不同方法的液壓緊線系統(tǒng)性能效果Tab.2 Performance effect of hydraulic tightening system with different methods

由表2 可知，本文方法驗(yàn)算材料的安全系數(shù)為3，而材料的極限應(yīng)力除以一個(gè)大于1 的系數(shù)n 則稱為安全系數(shù)，當(dāng)被除數(shù)越低，得到的系數(shù)越高，本文方法的n=3，與1 相近，則說明其極限應(yīng)力較大，安全程度高，系統(tǒng)安全性能得到保證，所以CAN 控制器的引腳與收發(fā)器間能夠不直接進(jìn)行連接，可以通過根據(jù)高速光耦組建的隔離電路之后，再和收發(fā)器連接，由此就能夠很好地隔離開總線各節(jié)點(diǎn)電氣，容錯(cuò)性能良好，有效抑制了干擾。

為進(jìn)一步驗(yàn)證可遠(yuǎn)程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置的有效性，利用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對(duì)比分析其監(jiān)控系統(tǒng)的控制分布結(jié)果如圖5所示。

圖5 液壓緊線裝置監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾性能分布對(duì)比結(jié)果Fig.5 Comparison results of anti-interference performance distribution of monitoring system of hydraulic tightening device

由圖5 可知，利用文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行液壓緊線裝置監(jiān)控系統(tǒng)的控制分布不均勻。而利用本文方法進(jìn)行液壓緊線裝置監(jiān)控系統(tǒng)的控制，其結(jié)果分布均勻，說明監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息通信順暢，能夠高效實(shí)現(xiàn)液壓緊線裝置的遠(yuǎn)程控制。

3 結(jié)語

鑒于特高壓輸電線路緊線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義，提出可遠(yuǎn)程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置。通過實(shí)時(shí)采集緊線裝置液壓缸壓力值、位移值、速度值、流量值和溫度等一系列參數(shù)以及控制液壓泵與各種閥的功能提高緊線系統(tǒng)運(yùn)行性能，增強(qiáng)緊線系統(tǒng)作業(yè)時(shí)的智能化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，裝置運(yùn)行性能良好，且監(jiān)控系統(tǒng)通信性能也十分順暢，有效抑制干擾，可對(duì)液壓緊線裝置實(shí)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)增強(qiáng)特高壓輸電線路正常運(yùn)行性能。