特高壓直流線路寬頻域電暈電流在線測量系統的低功耗技術研究

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量系統供能，研究了特高壓環境下的獨立供電技術，針對特高壓環境下發現的測量系統續航能力不足問題，對獨立供電系統進行低功耗設計。設計了以可調占空比PWM波為控制信號的低功耗控制電路，達到降低系統平均功率的目的。經過Multisium軟件對設計的可控低功耗電路的仿真為指導，經改進過后的測量系統續航能力得到了顯著的提升。

關鍵詞：特高壓直流 電暈電流 低功耗 PWM

中圖分類號：F407.61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0037-03

隨著我國電力工業的發展，輸電系統電壓等級的提高，電暈效應問題成為特高壓輸電技術關鍵技術問題之一。由于我國特高壓輸電線路將經過不同地理和不同環境地區，隨著電壓等級的提高，電暈效應問題會更加突出。電暈電流是與電暈損失是電磁環境參數直接相關的物理量，通過研究電暈電流數據對改進特高壓輸電線路建設的導線配置可提供依據。

由于電暈電流采集系統作為一個離線系統懸掛在輸電線路的高壓側一段，必將自帶一個供能系統為其進行供電，供電模塊選擇為鋰電池。在復雜的外部條件下，測量系統必將進行一個長時間的工作，而電池的更換只能靠人工進行，在有限的電池容量下，對測量系統進行低功耗設計，不僅能夠達到節省人工，減少對電暈電流測量系統的干擾，而且提供了一個長時間的保障。

對于當下的低功耗技術來說，主要有以下的劃分，（1）系統級基本思想是在部分模塊進入空閑狀態后立即關閉，主要研究如何進行系統劃分和狀態預測；（2）體系結構級主要方法是動態功耗管理，包括動態電壓管理、動態頻率管理、低功耗調度策略和軟硬件劃分等。

1 電暈電流測量系統介紹

根據測量技術的實際情況，考慮到安全性和可靠性等因素，寬頻域電暈電流測量系統總體方案如下。

該測量系統主要由特高壓當地端和安全位置測量端組成，在特高壓直流實驗環境下，選擇光纖作為高壓當地端和安全位置測量端之間的傳輸介質。在測量系統當地端和安全位置測量端均配有光電轉換裝置。在當地端的數據采集卡將數據采集后傳輸到電光轉換裝置，將電信號轉化為光信號，通過室外光纖傳遞到安全位置測量端的分別將電信號轉換位光信號以及將光信號轉化為電信號。以達到測量數據互相傳輸的目的。

2 電暈電流測量系統電源硬件系統設計與實現

2.1 測量電路

為了達到電暈電流數據采集的目的，主要要對采集當地端進行硬件設計。

采集當地端主要由五部分組成：光電轉換模塊、高速數據采集卡模塊、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化模塊為此采集當地端的主要電能消耗部分。傳感器以及采集卡采集電壓數據以及電流數據，傳輸至當地端USB—光纖轉換器，將電信號形式的數據轉換為光信號形式的數據，通過與其相連的室外光纜光纖傳輸至測量系統本地端，由本地端USB—光纖轉換器（LEX）將光信號轉換為電信號后，傳輸至高性能計算機。

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

2.2 能源控制設計

由于系統整體耗能大，電暈電流測量實驗持續時間長，電池消耗快，需要頻繁更換。因此，需要對供電模塊進行電壓電流控制，在該系統的構架中，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。控制板所要實現的功能主要有四個部分：電壓波形調理部分，電壓轉換部分，設備保護部分，信號切換部分。

電壓波形調理部分：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，會出現一定的波動，通過15組的電池輸出電壓采集數據來看，電池的輸出電壓主要波動在12.3 V～13.2 V之間。為了輸出電壓的穩定，保證后續設備的工作正常，加入電壓波形調理電路，穩定電池電壓的輸出。

電壓轉換：經過電壓波形調理后的電池輸出為穩定的12 V直流電壓，需要供電的設備主要有：串口/USB部分，光電轉化部分，采集系統采集卡部分。其中，由于串口/USB部分主要作用對采集系統命令的收發。在采集過程中需要保持對其的長期供電，工作壓為5 V，光電轉換部分主要作用是將電流電壓信號轉化為光信號傳輸回本地安全測量端，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，也是該采集系統的核心部分，主要是在電暈電流試驗中，對數據進行采集，其工作電壓為6 V。

設備保護部分：由于該控制板的安裝位置處于特高壓環境之下，于電壓等級在百萬伏左右，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，為防止此類情況發生，可在電阻兩端加上保護電路，并聯P6KE15CA瞬態抑制二極管TVS和2R-75V陶瓷放電二極管。除了過壓保護，將采集卡所有探頭都進行短路保護。使用繼電器加上TVS管和氣體放電管，可以達到保護采集卡的目的。

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

3 系統低功耗設計

3.1 低功耗設計的必要性

特高壓交流電暈電流測量系統工作的過程中，使用的供電系統是可充電鋰電池置于遠程端一體式保護桶內。在該研究所考慮的供能設計中，遠程端的電能消耗主要可以分為兩個部分：

（1）測量系統遠程端電流采集模塊中的光纖開關遠程端需要長時間不間斷保持運行，這是在不進行電暈電流測量時，系統的最大能耗。

（2）進行電暈電流測量實驗時，主要能耗設備有：采集卡，光電轉換器，光電傳輸電路。其中，采集卡配備有獨立散熱器進行散熱，能耗最高，是主要能耗設備。

因此，在進行長時間不間斷的電暈電流測量實驗時，經常需要對測量系統遠程端電池進行更換，研究一種新的供電方法，減少電池更換次數，加強系統的續航性。

為了達到這個目的，從該電暈電流測量系統電能消耗入手。

從測量開始，電源系統開始對設備進行供電，其工作的總功率為19.5 W，加上內部線路的消耗的功率，總功率約為20 W，而該系統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，可供測量系統工作48 h，從實際的實驗情況來看，每天實驗時間為8～10 h。可供使用時間為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，所以，為了節省時間和人力，設備低功耗的設計是十分有必要的。

3.2 低功耗設計的方法與結果

3.2.1 系統工作模式

為了達到系統低功耗的目的，首先，明確該電暈電流系統的工作方式。

電暈電流工作有三種模式。在短時工作的模式之下，設備的有效工作時間占總工作時間的1/4，長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，采集系統工作時，大量的時間是將電池的能量浪費掉而并沒有用在數據的采集之上。因此，可以通過控制采集卡電源的通斷達到節省電能的作用。

3.2.2 PWM低功耗設計

為了降低采集系統的平均功率，采用PWM波的方式對采集系統的電壓通斷進行控制。

由于設備的功耗與電壓的平方成正比關系，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量系統中引入動態電壓縮放技術（DVS），這是一種動態的功耗管理方法，當實際負荷高時，加大供電電壓的輸入，當實際負荷低時，降低供電電壓的輸入。不僅能夠保證系統的工作性能的完美，而且能夠有效地降低系統功耗。

在這樣的一個系統中，關鍵核心為DC/DC電路，并且引入PWM波發生器作為門控信號，通過該改變PWM波的占空比達到控制電壓的目的。圖4為系統的工作方式圖。

在該研究的低功耗研究中，選擇使用Buck電路作為被PWM波信號控制的電路。

圖3為buck電路的基本仿真圖，經過調制后，當PWM波處于高電平時輸出電壓，而當低電平時，輸出電壓基本為零，當系統處于有效的工作時間時，調制PWM波輸出高電平，當處于系統非有效工作時間，調制PWM波輸出低電平。

通過對于系統加入調制PWM波低功耗電路，經過實地測量，在進行低功耗設計之前，系統的功耗達到了19.5 Wh，而在經過低功耗設計之后，系統的功耗降到了8.8 Wh，效率提高了一倍左右。該研究的設計在保證測量系統的性能的基礎上有效地降低了系統的平均功耗，使測量系統的工作時間從4～6 d延長到8～12 d。說明該研究所設計的基于PWM波調制的系統低功耗設計是合理的。

4 結語

（1） 以電暈電流測量系統為背景，設計了一套以鋰電池為核心的能源控制系統。保證了電暈電流測量系統的正常高性能地工作。

（2） 為了使系統更加高效地工作在較為惡劣的環境之下，設計了系統的低功耗控制方式與電路。有效地降低了系統的平均功耗，增強了系統的續航能力。

參考文獻

[1] 劉振亞.特高壓交流輸電技術研究成果專輯[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 劉振亞.特高壓電網[M].北京：中國經濟出版社，2005.

[3] 虞菊英.我國特高壓交流輸電研究現狀[J].高電壓技術，2006，31（12）：23-25.

[4] 周浩，余宇紅.我國發展特高壓輸電中一些重要問題的討論[J].電網技術，2005，29（12）：1-9.

[5] 熊偉，侯傳教，梁青，等.Multisim7電路設計及仿真應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6] 姜春玲，王春玲.基于Matlab的Buck電路的研究[J].2008，31（24）：31-33.

[7] 唐孝容，汪斌，高寧，等，爆轟實驗自動電測系統的電磁兼容設計[J].核電子學與探測技術2010，30（5）：634-637.

[8] 吳桂芳，陸家榆，邵方殷.特高壓等級輸電的電磁環境研究[J].中國電力，2005，38（6）：24-27.