基于單片機的輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)

汪 鵬，劉永江，溫 冰，包紫晨，湯曉穎

（1.內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.華能新能源股份有限公司，北京 100036；3.北京天潤新能投資有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

單片機是一種集成型的電路芯片設備，可在大規(guī)模電路集成技術(shù)的支持下，將I/O 中斷、只讀存儲、定時計數(shù)、脈沖調(diào)制、模擬轉(zhuǎn)換、驅(qū)動顯示等多項功能集成到一塊小型硅芯片之上，從而使得微型計算機系統(tǒng)的操作需求得到較好滿足[1-2]。單片機也叫微型單片控制器，通常具有較強的邏輯控制能力，與微型計算機操作設備相比，雖具備完整的執(zhí)行處理能力，但卻并不包含獨立的I/O 應用設備。

輸電線路桿塔是一種常見的配電網(wǎng)電量調(diào)控設備，可對電壓、電流等電子表現(xiàn)性狀進行綜合性控制[3]。隨著電網(wǎng)架設線路的延長，輸電線路桿塔所具備的電量承載能力極有可能出現(xiàn)明顯的下降變化趨勢，這也是導致過飽和電力運行行為出現(xiàn)的主要原因。傳統(tǒng)直流型評估報警系統(tǒng)通過采集電量故障頻率指標的方式，對輸電線路桿塔的電子承載能力進行準確評估，再借助特定連接設備，實現(xiàn)對報警信號的實時處理。然而此系統(tǒng)的應用能力有限，并不能實現(xiàn)對過飽和電力運行行為的有效抑制。為解決此問題，設計基于單片機的輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)，在泄放電路、儲能變壓器等多個硬件設備結(jié)構(gòu)的支持下，對桿塔傳輸承載容量及評估靈敏度參數(shù)進行準確計算，從而構(gòu)建必要的等效報警模型。

1 評估和報警系統(tǒng)的硬件設計

評估和報警系統(tǒng)的硬件由泄放電路、儲能變壓器、C51單片機三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 泄放電路

泄放電路能夠干預輸電線路桿塔單片機的連接行為，從而為評估和報警系統(tǒng)提供相對穩(wěn)定的電量傳輸環(huán)境。從輸入端到輸出端的高壓電子傳輸行為被稱為電量泄放，一般情況下，輸入端與輸出端的壓降差值越大，最終泄放出的物理壓力值也就越高。一個完整的泄放電路需要同時包含C、D、Q、R 四類電子量處理設備。其中，C、D 元件負責聚集輸電線路桿塔所需的應用電子量，Q、R 元件則負責感知電路環(huán)境中的傳輸電流與電壓，從而對后續(xù)的評估與報警指令做出相應的應對行為[4-5]。電量泄放處理設備具備較強的單片機適應性，能夠在記錄電子量傳輸數(shù)值的同時，將未完全消耗的電壓與電子流量，傳輸至下級設備應用元件之中。泄放電路示意圖如圖1 所示。

圖1 泄放電路示意圖

1.2 儲能變壓器

對于儲能變壓器來說，系統(tǒng)泄放電路直接控制該設備結(jié)構(gòu)的空開頻率與最大占空比數(shù)值，在一定程度上，能夠?qū)旊娋€路桿塔所具備的電量承載能力進行評估與計算，從而使其具備更好的過飽和電力報警行為。在單端反激傳輸行為的影響下，接線柱深入輸電桿塔設備的物理深度會逐漸增大，從而使單片機的儲能水平得到充分激發(fā)；在雙端反激傳輸行為的影響下，接線柱深入輸電桿塔設備的物理深度會逐漸減小，從而使單片機的儲能水平得到有效抑制[6-7]。簡單來說，儲能變壓器設備能夠直接控制輸電線路桿塔所具備的電量承載能力，且由于底部接線柱插入深度的改變，上部變壓結(jié)構(gòu)體所具備的承壓差水平也會出現(xiàn)變化，這也是新型報警系統(tǒng)始終具備較強電子量感知能力的主要原因。

1.3 C51單片機

C51 單片機是輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)設計的核心應用元件，同時兼顧處理能力與感知能力。在泄放電路元件的作用下，C51 單片機能夠準確記錄輸電線路桿塔所承載的電量驅(qū)動信號數(shù)量級水平，并可借助外部連接按鍵，將包含復位能力的傳輸電量傳輸至下級設備應用元件之中[8-9]。供電電源能夠干預儲能變壓器的實際接入行為，從而使相關(guān)報警元件能夠準確感知輸電線路桿塔承載力評估條件的變化情況，一方面可將配網(wǎng)輸電網(wǎng)絡調(diào)試至相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)，另一方面也可實現(xiàn)對輸入、輸出電子流量的有效控制[10]。C51 單片機結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 C51單片機結(jié)構(gòu)圖

2 評估和報警系統(tǒng)的軟件設計

在單片機設備元件的作用下，按照桿塔傳輸承載容量確定、評估靈敏度參數(shù)計算、等效報警模型搭建的處理流程，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件應用環(huán)境搭建，聯(lián)合相關(guān)硬件設備結(jié)構(gòu)，完成基于單片機的輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)設計。

2.1 桿塔傳輸承載容量

桿塔傳輸承載容量是指輸電線路桿塔在配電網(wǎng)環(huán)境中，所具備的最大電子量感知能力，由于單片機設備的影響，該項物理量受到傳輸電壓差、電阻量評估均值兩項物理量的直接影響[11-12]。傳輸電壓差數(shù)值可表示為i，在既定電量傳輸時長內(nèi)，該項物理量越小，最終計算所得的桿塔傳輸承載容量數(shù)值也就越大。電阻量評估均值可表示為yˉ，由于單片機輸入作用的影響，該項物理量在實際計算過程中，基本能夠始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)。設傳輸電壓差數(shù)值的起始值為i0，聯(lián)立上述物理量，可將桿塔傳輸承載容量計算結(jié)果表示為：

式中，p0代表傳輸電子量的起始輸入值，pe代表傳輸電子量的隨機輸入值，e代表隨機系數(shù)，t1、t2分別代表兩個不同的電量傳輸時長。

2.2 評估靈敏度參數(shù)

評估靈敏度參數(shù)能夠直接影響輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)對于過飽和電力運行行為的反應速率，在單片機設備元件的影響下，該項系數(shù)指標的實際作用能力受到偏分電量指標、電子量修復率靈敏度兩項系數(shù)值的直接影響。所謂偏分電量指標是一項功能化的電子衡量系數(shù)值，可對輸電線路桿塔造成一定強度的外力作用影響，并且大多數(shù)情況下，該項系數(shù)值的物理水平越高，最終所得到的偏分電量指標值也就越大[13-14]。電子量修復率靈敏度具備一定的電量開源作用能力，可在已知桿塔傳輸承載容量值的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)評估指令的制定造成一定影響，從而使最終的報警結(jié)果能夠借助單片機設備反映出來。設β代表偏分電量指標值，l1、l2分別代表兩個不同的電子量修復率靈敏度數(shù)值，聯(lián)立式（1），可將系統(tǒng)評估靈敏度參數(shù)計算結(jié)果表示為：

其中，代表輸電線路桿塔所承載的電子量均值，代表輸電線路桿塔所承載的電容均值。

2.3 等效報警模型

等效報警模型度量了輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)所具備的應用報警能力，其計算數(shù)值受到單片機設備執(zhí)行能力的直接影響。在一個系統(tǒng)執(zhí)行周期內(nèi)，輸電線路桿塔所承擔的電子傳輸量越大，相關(guān)設備元件所具備的報警能力也就越強，即等效報警模型的實用性水平越高[15-16]。規(guī)定λ代表既定的系統(tǒng)執(zhí)行周期度量值，由于單片機設備的干擾性影響，該項物理量的數(shù)值指標只能在0～1 的物理區(qū)間內(nèi)不斷變動。μ1、μ2分別代表兩個不同的電量承載力系數(shù)定義項，由于輸電線路桿塔作用能力的特殊性，上述兩項物理指標在整個系統(tǒng)運行周期內(nèi)，始終不具備完全相等的可能。聯(lián)立上述物理量，可將系統(tǒng)等效報警模型定義為：

式中，H1、H2分別代表兩個不同的電子量評估參量值。至此，完成各項物理系數(shù)指標的計算與處理，在單片機設備元件的支持下，實現(xiàn)輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)的順利應用。

3 實驗分析

為突出說明基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)的實際應用能力，設計如下對比驗證實驗。以圖3 所示配網(wǎng)輸電環(huán)境作為實驗背景，順次連接發(fā)電、變電、輸電、用電4 個電量傳輸環(huán)節(jié)，分別將實驗組配網(wǎng)主機與核心發(fā)電網(wǎng)絡相連，其中實驗組主機搭載基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)，對照組主機搭載傳統(tǒng)直流型評估報警系統(tǒng)。

圖3 配網(wǎng)輸電環(huán)境

QSR 指標能夠描述輸電線路桿塔所具備的電量承載能力，一般情況下，QSR 指標數(shù)值越大，輸電線路桿塔所具備的電量承載能力也就越強，反之則越弱。表1 記錄了實驗組、對照組QSR 指標數(shù)值的具體變化情況。

表1 QSR指標數(shù)值對比表

分析表1可知，隨著實驗時間的延長，實驗組QSR指標保持先上升、再交替下降上升的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果達到了83.73%。對照組QSR 指標則保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達到45.23%，與實驗組極值相比，下降了38.50%。綜上可知，應用基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)后，QSR指標數(shù)值得到了明顯促進，可在一定程度上，實現(xiàn)對輸電線路桿塔電量承載能力的持續(xù)提升。

QPR 指標能夠描述輸電線路桿塔過飽和電力運行行為的出現(xiàn)幾率，一般情況下，QPR 指標數(shù)值越大，輸電線路桿塔過飽和電力運行行為的出現(xiàn)幾率也就越高，反之則越低。表2 記錄了實驗組、對照組QPR 指標數(shù)值的具體變化情況。

表2 QPR指標數(shù)值對比表

分析表2可在，隨著實驗時間的延長，實驗組QPR指標在整個實驗過程中，始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值變化趨勢，全局最大數(shù)值結(jié)果達到了30.13%。對照組QPR 指標則始終保持不斷攀升的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數(shù)值結(jié)果達到了67.29%，與實驗組極值相比，上升了37.16%。綜上可知，應用基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)后，QPR 指標確實出現(xiàn)了明顯下降的數(shù)值變化趨勢，可有效抑制輸電線路桿塔過飽和電力運行行為的實際出現(xiàn)幾率。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)直流型評估報警系統(tǒng)相比，新型輸電線路桿塔承載力評估和報警系統(tǒng)可在單片機設備的作用下，建立完整的泄放電路體系，并可借助儲能變壓器元件，實現(xiàn)對桿塔傳輸承載容量值的準確計算，從而獲得明確的等效報警模型。從實用性方面來考慮，QSR 指標提升和QPR 指標下降的同時出現(xiàn)，能夠在增強輸電線路桿塔電量承載能力的同時，對過飽和電力運行行為的出現(xiàn)幾率進行有效控制，具有較高的實際應用可行性。