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(tǒng)供能，研究了特高壓環(huán)境下的獨立供電技術(shù)，針對特高壓環(huán)境下發(fā)現(xiàn)的測量系統(tǒng)續(xù)航能力不足問題，對獨立供電系統(tǒng)進行低功耗設(shè)計。設(shè)計了以可調(diào)占空比PWM波為控制信號的低功耗控制電路，達到降低系統(tǒng)平均功率的目的。經(jīng)過Multisium軟件對設(shè)計的可控低功耗電路的仿真為指導(dǎo)，經(jīng)改進過后的測量系統(tǒng)續(xù)航能力得到了顯著的提升。

關(guān)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(yè)的發(fā)展，輸電系統(tǒng)電壓等級的提高，電暈效應(yīng)問題成為特高壓輸電技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)問題之一。由于我國特高壓輸電線路將經(jīng)過不同地理和不同環(huán)境地區(qū)，隨著電壓等級的提高，電暈效應(yīng)問題會更加突出。電暈電流是與電暈損失是電磁環(huán)境參數(shù)直接相關(guān)的物理量，通過研究電暈電流數(shù)據(jù)對改進特高壓輸電線路建設(shè)的導(dǎo)線配置可提供依據(jù)。

由于電暈電流采集系統(tǒng)作為一個離線系統(tǒng)懸掛在輸電線路的高壓側(cè)一段，必將自帶一個供能系統(tǒng)為其進行供電，供電模塊選擇為鋰電池。在復(fù)雜的外部條件下，測量系統(tǒng)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(tǒng)進行低功耗設(shè)計，不僅能夠達到節(jié)省人工，減少對電暈電流測量系統(tǒng)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(shù)來說，主要有以下的劃分，（1）系統(tǒng)級基本思想是在部分模塊進入空閑狀態(tài)后立即關(guān)閉，主要研究如何進行系統(tǒng)劃分和狀態(tài)預(yù)測；（2）體系結(jié)構(gòu)級主要方法是動態(tài)功耗管理，包括動態(tài)電壓管理、動態(tài)頻率管理、低功耗調(diào)度策略和軟硬件劃分等。

1 電暈電流測量系統(tǒng)介紹

根據(jù)測量技術(shù)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(tǒng)總體方案如下。

該測量系統(tǒng)主要由特高壓當?shù)囟撕桶踩恢脺y量端組成，在特高壓直流實驗環(huán)境下，選擇光纖作為高壓當?shù)囟撕桶踩恢脺y量端之間的傳輸介質(zhì)。在測量系統(tǒng)當?shù)囟撕桶踩恢脺y量端均配有光電轉(zhuǎn)換裝置。在當?shù)囟说臄?shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)采集后傳輸?shù)诫姽廪D(zhuǎn)換裝置，將電信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換位光信號以及將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。以達到測量數(shù)據(jù)互相傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 電暈電流測量系統(tǒng)電源硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 測量電路

為了達到電暈電流數(shù)據(jù)采集的目的，主要要對采集當?shù)囟诉M行硬件設(shè)計。

采集當?shù)囟酥饕晌宀糠纸M成：光電轉(zhuǎn)換模塊、高速數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化模塊為此采集當?shù)囟说闹饕娔芟牟糠帧鞲衅饕约安杉ú杉妷簲?shù)據(jù)以及電流數(shù)據(jù)，傳輸至當?shù)囟薝SB—光纖轉(zhuǎn)換器，將電信號形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號形式的數(shù)據(jù)，通過與其相連的室外光纜光纖傳輸至測量系統(tǒng)本地端，由本地端USB—光纖轉(zhuǎn)換器（LEX）將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，傳輸至高性能計算機。

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

2.2 能源控制設(shè)計

由于系統(tǒng)整體耗能大，電暈電流測量實驗持續(xù)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(tǒng)的構(gòu)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(xiàn)的功能主要有四個部分：電壓波形調(diào)理部分，電壓轉(zhuǎn)換部分，設(shè)備保護部分，信號切換部分。

電壓波形調(diào)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(xiàn)一定的波動，通過15組的電池輸出電壓采集數(shù)據(jù)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(wěn)定，保證后續(xù)設(shè)備的工作正常，加入電壓波形調(diào)理電路，穩(wěn)定電池電壓的輸出。

電壓轉(zhuǎn)換：經(jīng)過電壓波形調(diào)理后的電池輸出為穩(wěn)定的12 V直流電壓，需要供電的設(shè)備主要有：串口/USB部分，光電轉(zhuǎn)化部分，采集系統(tǒng)采集卡部分。其中，由于串口/USB部分主要作用對采集系統(tǒng)命令的收發(fā)。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(zhuǎn)換部分主要作用是將電流電壓信號轉(zhuǎn)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(tǒng)的核心部分，主要是在電暈電流試驗中，對數(shù)據(jù)進行采集，其工作電壓為6 V。

設(shè)備保護部分：由于該控制板的安裝位置處于特高壓環(huán)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(fā)生，可在電阻兩端加上保護電路，并聯(lián)P6KE15CA瞬態(tài)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(diào)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(tǒng)低功耗設(shè)計

3.1 低功耗設(shè)計的必要性

特高壓交流電暈電流測量系統(tǒng)工作的過程中，使用的供電系統(tǒng)是可充電鋰電池置于遠程端一體式保護桶內(nèi)。在該研究所考慮的供能設(shè)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(tǒng)遠程端電流采集模塊中的光纖開關(guān)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(tǒng)的最大能耗。

（2）進行電暈電流測量實驗時，主要能耗設(shè)備有：采集卡，光電轉(zhuǎn)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(shè)備。

因此，在進行長時間不間斷的電暈電流測量實驗時，經(jīng)常需要對測量系統(tǒng)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(shù)，加強系統(tǒng)的續(xù)航性。

為了達到這個目的，從該電暈電流測量系統(tǒng)電能消耗入手。

從測量開始，電源系統(tǒng)開始對設(shè)備進行供電，其工作的總功率為19.5 W，加上內(nèi)部線路的消耗的功率，總功率約為20 W，而該系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)省時間和人力，設(shè)備低功耗的設(shè)計是十分有必要的。

3.2 低功耗設(shè)計的方法與結(jié)果

3.2.1 系統(tǒng)工作模式

為了達到系統(tǒng)低功耗的目的，首先，明確該電暈電流系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)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(shù)據(jù)的采集之上。因此，可以通過控制采集卡電源的通斷達到節(jié)省電能的作用。

3.2.2 PWM低功耗設(shè)計

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

由于設(shè)備的功耗與電壓的平方成正比關(guān)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(tǒng)中引入動態(tài)電壓縮放技術(shù)（DVS），這是一種動態(tài)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(tǒng)的工作性能的完美，而且能夠有效地降低系統(tǒng)功耗。

在這樣的一個系統(tǒng)中，關(guān)鍵核心為DC/DC電路，并且引入PWM波發(fā)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(tǒng)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(jīng)過調(diào)制后，當PWM波處于高電平時輸出電壓，而當?shù)碗娖綍r，輸出電壓基本為零，當系統(tǒng)處于有效的工作時間時，調(diào)制PWM波輸出高電平，當處于系統(tǒng)非有效工作時間，調(diào)制PWM波輸出低電平。

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

4 結(jié)語

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

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

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