基于一鍵順控技術的直流電源系統運行狀態轉換研究

白 皓，孫曉晨，欒 茜

（國網煙臺供電公司，山東煙臺 264000）

一鍵順控技術控制下，電源系統運行狀態轉換由監控系統自動完成，其自由的切換方式，增強了紋波系數的穩定性，避免了復雜人工操作下，系統長時間運行產生的安全風險。目前的直流電源系統運行狀態包括以下4 種狀態：1）系統正常運行。即充電裝置浮充運行，蓄電池組浮充電，充電裝置帶負載運行；2）蓄電池均充狀態。即充電裝置處于均充狀態，蓄電池組均衡充電，充電裝置帶負載運行；3）充電裝置停電狀態。即單電單充系統充電裝置檢修，蓄電池組放電，帶負載運行；雙電雙充系統閉合母聯，由另一端帶母線運行，充電機脫離母線檢修；4）蓄電池檢修狀態。即一組電池退出系統運行，另一組電池帶兩段母線運行[1]。以上4 種運行狀態包括了直流電源系統常見的運行及檢修各過程的各種運行狀態，通過在直流系統內添加全新的智能開關控制裝置和充電裝置，實現對運行狀態轉換的精準控制[2]。

提出了一種基于蓄電池在線監測系統和便攜式放電負載的規約轉換裝置，實現了遠程核容作業，減少了維護成本，實現便攜式放電主機和蓄電池在線監測系統的規約轉換，在通信鏈路上能夠兼容各種型號的放電主機。充分利用現場現有設備儀器進行了合理化設計，通過規約解析和規約轉換技術，結合硬件設計，形成了一套易于實現、運行穩定的智能遠程核容放電作業系統[3]。

傳統的直流電源系統運行狀態轉換方式，由于穩定性較差，導致轉換后的電源系統電壓失穩，影響系統使用安全，因此提出基于一鍵順控技術的直流電源系統運行狀態轉換方法。一鍵順控技術下，通過設置直流電源系統架構配置相應的運行狀態一鍵順控流程，令程序自動按照預定流程控制開關動作、充電裝置開關機、均浮充切換，實現系統正常運行、蓄電池均充、充電裝置檢修、蓄電池檢修等各種狀態的一鍵順控，為國家電力系統的發展提供更加完善的技術支持。

1 基于一鍵順控技術的直流電源系統運行狀態轉換方法

1.1 判別電源設備運行開合狀態

研究基于一鍵順控技術的直流電源系統運行狀態轉換方法，需要對直流電源系統運行狀態實時監測。已知直流電源系統控制操作下，每個蓄電池都有內阻，且不同品類的電池內阻有所不同，相同品類的電池內阻，也因為其內部化學特性不一致而有所差別，因此需要實時監測直流電源，即蓄電池的內阻。

內阻是衡量電池性能的一個重要技術指標，與電解液的量、極板、充放電次數等有很大關系。假設R為蓄電池內阻，其理想狀態下的計量公式為：

式（1）中：A 表示蓄電池型號；I表示實時電流；U表示電池電壓；r表示內阻。由式（1）推導出下列方程：

式（2）中：C表示蓄電池容量；T表示運行時間。根據式（2）可以看出，在常規情況下，內阻r越小蓄電池容量會越大，蓄電池帶負荷能力就越強。表1 是實時監測條件下，蓄電池的檢測操作方式[4]。

表1 蓄電池檢測操作方式表

按照上述過程測試直流電源的工作狀態，根據得到的測試結果，利用識別算法進行降噪處理，實現對設備開合狀態的判別。

識別算法對監測圖像進行降噪處理，通過分析其顏色特征和形態特征，判別設備開合狀態。首先對測試結果進行灰度化處理，下列公式為最大值法下的色彩加權平均處理結果，根據該結果得到灰度化圖片[5]。

式（3）中：R、G、B分別表示色彩空間中的紅色信息點、綠色信息點以及藍色信息點。通過該公式得到直流電源狀態測試結果。由于此時的圖像存在噪聲，因此需要平滑去噪。

測試圖像去噪的方法是通過濾波進行的，而邊緣檢測算法則是一種重要性極強的濾波去噪方法，可以有效抑制噪聲，并得到更加精確的定位邊緣位置。該算法對信噪比與定位乘積進行測度，根據最優化逼近算子，達到測試圖像降噪的目的[6-7]。

利用高斯平滑濾波器，將得到的表1 中的數據與高斯分布作卷積，使得圖像平滑；結合一階偏導的有限差分，計算梯度的幅值和方向；最后利用雙閾值算法檢測并連接邊緣數據。式（4）描述平滑濾波器內的高斯分布：

式（4）中：a、b分別表示點位的橫縱坐標；λ表示分布控制系數。根據得到的平滑圖像，用不同的掩模計算梯度幅值圖X(a,b) 和方向圖β(a,b)，下列方程組為計算結果：

式（5）中：fa、fb表示坐標(a,b) 的掩模[8]。綜合上述平滑處理結果進行線段擬合，將擬合后的線段按照方向圖進行投影，設置擬合線段中，與梯度幅值圖重合的部分為H，未重合部分為Q。則有效線段投影的占空比為：

定義兩個隔離開關在閉合狀態下的閾值為γz1和γz2，其中γz1為隔離開關閉合位閾值；γz2為隔離開關誤差閾值[9]。當γz1＜γ或γz2＞Q時，直流電源開關為閉合狀態，反之為打開狀態。

1.2 更新轉換設備設計一鍵順控控制程序邏輯

根據上述的判別方式，對直流電源系統中的轉換設備進行更新替換，并設計一鍵順控技術下，系統運行狀態轉換的控制程序邏輯。需要更新替換的設備包括PLC 控制器和光纖位移傳感器。PLC 控制器通過掃描接收降噪處理且判斷完畢的設備開合狀態，實現對所有測試數據的收集、整理、反饋和儲存。在現有變電設備上增加順控裝置、校驗裝置等自控設備，位移傳感器作為高精度的非接觸式測量傳感器，可以對直流電源系統中的設備運行狀態進行高精度測量，保證系統執行狀態轉換操作時可以精準定位控制節點[10]。

根據更新后設備的基本配置參數，結合一鍵順控技術，設計兩個設備對系統運行狀態轉換的控制程序邏輯。圖1 為一鍵順控技術的基本功能結構圖。

圖1 一鍵順控功能結構圖

提出的狀態轉換方法，根據一鍵順控技術，采用到位控制的方式，保證直流電源系統運行狀態轉換。其中包含工作位置、轉換位置以及控制位置。而所設計的狀態轉換控制程序邏輯中，如果當前的系統運行狀態不是所要求狀態，則程序會作出反饋，保證狀態轉換是完整到位的[11-12]。

PLC 控制器的控制類型分為3 種：暖啟動控制、冷啟動控制以及熱啟動控制。其中暖啟動控制方式更為合適，滿足狀態轉換要求。已知主程序下又存在若干個子程序，各個子程序的設計說明如表2所示[13]。

表2 子程序設計說明

根據子程序設計說明，設計一鍵順控技術的轉換子程序，子程序的控制程序邏輯如圖2 所示。

圖2 工作子程序邏輯圖

根據圖2 顯示的直流電源系統工作子程序控制邏輯，對系統狀態轉換進行控制，保證設計的子程序控制邏輯，可以有針對性的執行狀態轉換操作，至此在一鍵順控技術應用下，實現對直流電源系統運行狀態轉換，保證直流電源系統的使用安全[14-16]。

2 實驗檢測

以對比實驗的方式，分別檢測兩種直流電源系統運行狀態轉換方法的可靠性。實驗將此次提出的轉換方法作為測試A 組，將基于蓄電池的轉換方法作為測試B組，根據得到的測試對比結果，分析兩種方法的差異性。

2.1 實驗準備階段

已知在某一直流電源系統控制下，電源的保護特性曲線如圖3 所示。根據該電源的特點，分別利用兩種方法設置該系統的運行狀態轉換方式。

圖3 實驗測試對象的特性曲線

在圖3中的曲線上任意選取10個點，在Matlab 測試軟件中，通過函數擬合出電源開關的時間電流曲線相似性函數：

式（7）中：x表示開關動作曲線橫坐標。已知開關延遲動作時間T和開關的額定電流I可由下列方程組得出：

其中In表示第n個點的額定電流，且n表示的整數的范圍為1 ≤n≤10。根據上述計算得到的10個測試點的特性結果，設置直流電源運行狀態測試公式，其中穩流精度計算表達式為：

式（9）中：σI表示穩流精度；Iq表示輸出電流波動極限值，其中q表示極限；I0輸出電流額定值。同理穩壓精度的計算表達式為：

式（10）中：σU表示穩壓精度，U表示直流電源電壓；Up表示輸出電流波動極限值，其中p表示極限；U0表示輸出電壓整定值。結合上述計算結果，計算直流電源系統運行狀態轉換后的紋波系數：

式（11）中：U1表示直流電壓脈動峰值；U2表示直流電壓脈動谷值；表示直流電壓平均值。利用上述計算過程，分別對兩種方法下的直流電源系統運行狀態轉換結果進行測試，比較兩種方法下的直流電源系統運行狀態轉換，是否出現紋波系數跑偏而導致的系統運行失穩。

2.2 結果與分析

設置轉換后的直流電源系統，在不同運行速度下執行運行指令，分別測試轉換后的紋波系數偏差，表3 和表4 為兩組實驗測試結果。

表3 測試A組實驗結果

表4 測試B組實驗結果

根據表中的實驗測試結果可知，所提出轉換方法下，得到的直流電源系統的紋波系數偏差，均在[-0.15,0.15]之間；而傳統的轉換方法下，系統紋波系數偏差在[-3.5,3.5]之間，其偏差比所提出方法下的偏差，高出了20 倍，可見所提出系統運行狀態轉換方法，優越于傳統方法，其控制效果更好。

為了使實驗測試結果直觀地顯現出來，根據得到的紋波系數，繪制狀態準換后的直流電源系統運行安全特性曲線，如圖4 所示。

圖4 狀態轉換后的系統電壓穩定性測試結果

圖4 中，U表示理想狀態下的穩定電壓；Un和-Un表示兩種不同狀態的失穩電壓。根據曲線走勢可知，基于一鍵順控技術的轉換方法，系統運行狀態轉換后的電壓值極為穩定；而傳統技術控制下的轉換方法，其系統電壓波動加大，可見該方法并不可靠。綜合上述分析可知，此次所提出的轉換方法，其紋波系數的誤差更小，轉換后的直流電源系統運行狀態穩定。

3 結束語

提出的基于一鍵順控技術的直流電源系統運行狀態轉換方法，通過降噪處理加強對直流電源測試結果的輸出，保證設置的轉換控制邏輯的控制精度，在轉換后也可以處于穩定狀態，為變電站、水電站等高頻工作電源系統的轉換提供強有力的技術支持。但在其運行過程中也會出現各種故障和異常，只有在充分掌握其原理性能及各部件運行狀況的情況下，才能及時排除故障解除異常，為電網安全運行提供可靠的操作和控制電源。