何軍

（ 內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系， 四川 內(nèi)江 641000）

電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡稱電網(wǎng)，是由各種電壓設(shè)備和輸電設(shè)備構(gòu)成的電力配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 在電網(wǎng)系統(tǒng)中，包括了變電、輸電、配電3個單元。 通過電網(wǎng)系統(tǒng)的運行和電力傳輸，實現(xiàn)智能發(fā)電、供電和電能傳送， 在電力調(diào)配和電能智能管理中發(fā)揮重要作用。電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行關(guān)系著人們生產(chǎn)生活和社會的各個方面，通過對電網(wǎng)功耗的準(zhǔn)確檢測，提高電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。 就電網(wǎng)系統(tǒng)的功能有效檢測方法，在電力調(diào)配和電網(wǎng)管理等領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實價值和意義[1]。

電網(wǎng)系統(tǒng)分布在變電所及輸配電線路的各個節(jié)點中，對電網(wǎng)的功耗測試是保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行和智能調(diào)度的關(guān)鍵，傳統(tǒng)方法中，對電網(wǎng)系統(tǒng)的功耗檢測方法主要有多窗譜特征提取算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、K-means數(shù)據(jù)特征調(diào)度算法和瞬時梯度下降檢測算法等[2]。 文獻(xiàn)[3]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)密集信道分配的電網(wǎng)功耗測方法，采用功耗能量閾值進(jìn)行控制限判別，實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的功耗測試，但是該方法具有可靠性不好，檢測精度不高等缺點。 文獻(xiàn)[4]提出了一種基于最少跳數(shù)（ Minimum Hop）的路由設(shè)計的電網(wǎng)系統(tǒng)功耗測試方法，并采用直線反饋線性化超導(dǎo)技術(shù)提高了檢測性能，但是該設(shè)計方法沒能解決電網(wǎng)功耗檢測中出現(xiàn)非線性阻尼失真時的抑制問題，檢測系統(tǒng)的適應(yīng)性不高。 文獻(xiàn)[5]給出的電網(wǎng)功耗檢測方法采用非接觸式射頻識別方法，在電感耦合或反相散射耦合中出現(xiàn)非線性失真，功耗檢測準(zhǔn)確性不好[6-8]。

基于此，本文提出一種引入死區(qū)作用逆變控制的電網(wǎng)功耗檢測方法。 首先分析電網(wǎng)功耗檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成；其次對電網(wǎng)的功耗進(jìn)行相關(guān)性分析，包括電網(wǎng)系統(tǒng)功耗的影響因素，設(shè)計功耗檢測算法，加入死區(qū)作用逆變控制技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)功耗檢測方法的改進(jìn)。 最后進(jìn)行了硬件電路設(shè)計和系統(tǒng)仿真實驗，通過實驗數(shù)據(jù)分析，得出了有效性結(jié)論，展示了本文設(shè)計的系統(tǒng)的優(yōu)越性能[9-12]。

1 電網(wǎng)系統(tǒng)的功耗分析和檢測算法

1.1 電網(wǎng)系統(tǒng)功耗

電網(wǎng)是電力管理系統(tǒng)中各種電壓的變電所及輸配電線路的集成，對電網(wǎng)的功耗測試就是對整個電力管理系統(tǒng)的變電和輸電設(shè)備的功耗測試，通過對功耗檢測優(yōu)化，提高電網(wǎng)系統(tǒng)的智能管理和調(diào)度能力[13]。為了優(yōu)化功耗檢測方法設(shè)計，對電網(wǎng)的功耗進(jìn)行相關(guān)性分析， 包括電網(wǎng)系統(tǒng)功耗的影響因素，為系統(tǒng)設(shè)計提供前提和基礎(chǔ)。 電網(wǎng)系統(tǒng)的無功耗檢測模塊包括嵌入式PMOS和GPRS 2部分， 在電網(wǎng)系統(tǒng)中，假設(shè)電網(wǎng)系統(tǒng)中有N個簇首節(jié)點，節(jié)點的發(fā)射功率P滿足P∈［ 0，P1，P2，…，Pmax］，電網(wǎng)系統(tǒng)包括了輸電、供電和變壓等子系統(tǒng)，整個電網(wǎng)控制電路中的功耗為：

充分考慮環(huán)境噪聲對系統(tǒng)的影響，電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)功Pdynamic的產(chǎn)生是由于電路的動態(tài)功耗與供電電壓的諧振引起的，表示為：

在電網(wǎng)的功耗檢測中，CMOS管和NMOS晶體管同時導(dǎo)通，使用低功耗技術(shù)，選擇空閑功耗較低的處理器，得到了電網(wǎng)短路電流引起的功耗為：

在功耗檢測設(shè)計中，將Delta逆變器給予相應(yīng)的晶振，計算靜態(tài)功耗Pspc和動態(tài)功耗Pdpc，即：

式中：Ileakage為電網(wǎng)的漏電流；A為電網(wǎng)調(diào)度節(jié)點活性因子，即節(jié)點電容充放電的平均次數(shù)；C為充放電的節(jié)點電容；V為PWM整流電壓；f為功耗檢測輸出頻率。 電網(wǎng)系統(tǒng)的功耗檢測電路設(shè)計如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)功耗檢測電路圖Fig. 1 Design of the circuit for power consumption detection in the power grid

圖1中，IC放大器采用濾波電路L1和電容器C2、C4整流，考慮高階諧波對功耗檢測性能的影響，需要加入死區(qū)作用逆變控制，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.2 電網(wǎng)功耗檢測算法設(shè)計

在進(jìn)行電網(wǎng)功耗分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)功耗檢測的總體模型設(shè)計。 在電網(wǎng)系統(tǒng)中，假設(shè)電網(wǎng)功耗檢測中繼節(jié)點R和目的節(jié)點D所接收到的功耗檢測強(qiáng)度信號可以表示為：

式中：s為檢測信號；τ為功耗檢測采樣時間延遲；m為檢測區(qū)域的空間維數(shù)。 在大規(guī)模多輸入多輸出電力管理（ MIMO）網(wǎng)絡(luò)中，電網(wǎng)系統(tǒng)的中繼發(fā)送端和接受端之間想要實現(xiàn)有效功耗檢測通信， 達(dá)到的量子信道長度為D，需把信道劃分為N段。 進(jìn)一步分析得到，電網(wǎng)系統(tǒng)功耗檢測系統(tǒng)由M和h（ φa，φ觶a）2部分組成，構(gòu)成電網(wǎng)的動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗檢測模型結(jié)構(gòu)，即：

在電網(wǎng)功耗檢測中，采用逆變器死區(qū)控制方法避免檢測過程中的非線性失真，得到電網(wǎng)功耗檢測的穩(wěn)壓控制的傳遞函數(shù)為：

式中：Mn和hn（ φa，φ觶a）為電網(wǎng)死區(qū)功耗控制電壓恢復(fù)量；ΔM和Δh（ φa，φ觶a）為最大功率跟蹤確定量。在外界非確定因素干擾或者電磁干擾下，為了提高檢測性能，在電網(wǎng)功耗檢測系統(tǒng)設(shè)計中，依據(jù)功耗設(shè)備設(shè)計時的讀取距離和其他參數(shù)，對功耗檢測的電場矢量進(jìn)行特征信息提取，得到電感計算公式為：

式中：n為線圈匝數(shù)；a為電場矢量矩陣；b為低電壓啟動系數(shù)。 采用并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，計算電網(wǎng)功耗檢測的外電場電勢特征形式為：

在功耗檢測中， 通過加入死區(qū)作用逆變控制，把電感耦合或反相散射耦合進(jìn)行非線性失真抑制，提高了檢測的精度。

2 功耗檢測系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

在進(jìn)行系統(tǒng)的總體模型構(gòu)建和功耗檢測算法設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電網(wǎng)功耗檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)。 傳統(tǒng)的電網(wǎng)功耗檢測方法采用非接觸式射頻識別方法，在電感耦合或反相散射耦合中出現(xiàn)非線性失真，功耗檢測準(zhǔn)確性不好。 本文提出一種引入死區(qū)作用逆變控制的電網(wǎng)功耗檢測方法。 針對電網(wǎng)檢測中穩(wěn)壓控制出現(xiàn)的問題，設(shè)計短路電流功耗Pshort進(jìn)行死區(qū)逆變控制，得到電網(wǎng)功耗PMOS管和NMOS晶體管同時導(dǎo)通時候電流矢量引起的功耗：

為了避免非線性失真，采用雙向逆變穩(wěn)壓補償計算電網(wǎng)漏電流功耗Pleakage，主要是由電路中存在漏電流而引起的靜態(tài)功耗，為：

根據(jù)功耗分析，進(jìn)行電網(wǎng)功耗檢測硬件電路設(shè)計，采用并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則此最佳發(fā)射策略時，應(yīng)對8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[13]。電網(wǎng)功耗檢測電路主要是對寫信號進(jìn)行功率損耗測量處理，其構(gòu)成主要有加法電路、計數(shù)電路、555多頻振蕩器和緩存電路等。 靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗存在差異性，具有進(jìn)行加密解密處理，解密電路主要是對讀信號進(jìn)行解密處理，以便微處理器能夠識別讀到的信號，其主要有減法電路、計數(shù)電路、555多頻振蕩器電路和緩存電路等。 電網(wǎng)功耗檢測的動態(tài)功耗加密解密電路原理框圖如圖2所示。

供電模塊采用ARM處理器的供電電壓為DC 3.3 V和1.25 V， 節(jié)點模塊的供電電壓為DC 3.3 V， 選用Siemens公司的MC35i塊進(jìn)行死區(qū)作用逆變控制，通過串口發(fā)生AT命令， 將STM32F101xx給予相應(yīng)的晶振和復(fù)位電路，計算功耗檢測的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

圖2 電網(wǎng)動態(tài)功耗加密解密電路原理框圖Fig. 2 Dynamic encryption and decryption circuit principle diagram

式中：μ為磁場常數(shù)進(jìn)行可編程控制，通過硬件加解密電路的解密，輸入到STM32F101xx，實現(xiàn)電網(wǎng)功耗檢測優(yōu)化設(shè)計。 檢測系統(tǒng)的電路連接原理圖如圖3所示。 本文加入死區(qū)作用逆變控制，經(jīng)過DC-DC變換，得到電網(wǎng)功耗檢測的場矢量空間向量為：

式中：S為死區(qū)作用逆變控制神經(jīng)元j對最大電力能量的利用系數(shù)，電網(wǎng)功耗控制傳動系數(shù)為：

為了使電路中的high－Vt單元達(dá)到最大比例，通過計算全部low－Vt單元最大功率跟蹤運行狀態(tài)下靜態(tài)和動態(tài)功耗，實現(xiàn)電網(wǎng)功耗檢測。

3 實驗分析和性能驗證

為了測試本文檢測方法在提高電網(wǎng)功耗檢測中的性能，進(jìn)行仿真實驗。CPU采用英特爾酷睿Ⅱ處理器，主頻1.83 GHz；內(nèi)存2.00 GB，并安裝WINDOWS7操作系統(tǒng)。 仿真測試建立在Xilinx公司的Virtex-5 XC5VLX110 FPGA平臺中， 功耗檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計中，整個硬件的檢測結(jié)構(gòu)分為2層：上面一層為telosB節(jié)點； 下面一層為電網(wǎng)節(jié)點分布傳感器模擬控制板。 功耗識讀器采用9 V鋰電池，經(jīng)過DC-DC變換為5 V，在電網(wǎng)功耗檢測中，先測試主控部分，再測試射頻部分，根據(jù)設(shè)置的仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)計，進(jìn)行仿真實驗。 得到各個監(jiān)測節(jié)點的功耗檢測沖激響應(yīng)輸出如圖4所示。 由圖4可知，采用本文方法進(jìn)行功耗檢測，具有較為顯著的沖激響應(yīng)輸出，對功耗檢測的準(zhǔn)確識別性較高。

圖3 電網(wǎng)功耗檢測電路設(shè)計Fig. 3 Power consumption detection circuit design for the power grid

圖4 電網(wǎng)各個節(jié)點的功耗檢測沖激響應(yīng)累加輸出Fig. 4 The sum output of impulse response of each node in power network detected

為了定量分析本文檢測方法的性能，采用不同算法，以檢測精度和檢測的實時性方面的參數(shù)指標(biāo)作為測試標(biāo)準(zhǔn)，得到性能對比結(jié)果見表1。 由表1可知，采用本文方法，具有較高的檢測準(zhǔn)確性，實時性較好，通過準(zhǔn)確實時的電網(wǎng)功耗檢測，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行，同時為電網(wǎng)電能調(diào)度提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 各種方法進(jìn)行電網(wǎng)功耗檢測的性能參數(shù)測試結(jié)果對比Tab.1 Various methods for testing the power consumption performance parameters and the test results compared

監(jiān)測節(jié)點功耗檢測誤差分析如圖5所示。

圖5 監(jiān)測節(jié)點功耗檢測誤差分析Fig. 5 The errors analysis of power consumption for detected nodes

4 結(jié)語

通過對電網(wǎng)功耗的準(zhǔn)確檢測，提高電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。 傳統(tǒng)的電網(wǎng)功耗檢測方法采用非接觸式射頻識別方法，在電感耦合或反相散射耦合中出現(xiàn)非線性失真，功耗檢測準(zhǔn)確性不好。 本文提出一種引入死區(qū)作用逆變控制的電網(wǎng)功耗檢測方法。 首先分析電網(wǎng)功耗檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成；其次設(shè)計功耗檢測算法，加入死區(qū)作用逆變控制技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)功耗檢測方法的改進(jìn)；最后進(jìn)行了硬件電路設(shè)計和系統(tǒng)仿真實驗。 通過實驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明，采用本文方法進(jìn)行電網(wǎng)功耗檢測，具有較高的檢測準(zhǔn)確性，實時性較好，通過準(zhǔn)確實時的電網(wǎng)功耗檢測，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行，同時為電網(wǎng)電能調(diào)度提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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