劉德旺

（ 1. 福建水利電力職業(yè)技術學院 信息工程系， 福建 三明 366000；2. 武漢大學 電氣工程系， 湖北 430062）

電力網(wǎng)絡系統(tǒng)簡稱電網(wǎng)，是由各種電壓設備和輸電設備構(gòu)成的電力配電網(wǎng)絡系統(tǒng)，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，在電網(wǎng)運行中，容易受到過壓和過載因素的影響，導致電力網(wǎng)絡過負荷運行，需要電力網(wǎng)絡的過載保護檢測系統(tǒng)設計，保障電力網(wǎng)絡的穩(wěn)定可靠運行。 隨著集成電路和數(shù)字電子技術的發(fā)展，大規(guī)模集成芯片廣泛應用在電力網(wǎng)絡的過載保護電路設計中，對電路系統(tǒng)的精度要求逐漸提高。 電力網(wǎng)絡過負荷檢測與識別是借助于電路裝置來實現(xiàn)的，而其設計與研制必然取決于電路網(wǎng)絡負荷信號的特性，通過電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對點網(wǎng)絡系統(tǒng)的各個分離單元的故障和狀態(tài)特征監(jiān)測，研究該套系統(tǒng)設計方案具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)設計方法中，主要有基于PLC可編程邏輯的電網(wǎng)控制系統(tǒng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)等[2]。 其中，文獻[3]進行了電力網(wǎng)絡過負荷檢測電路設計上的改進， 把被測量的數(shù)據(jù)信號通過探頭輸送到比較器，設計單相三電平整流電路與單相兩重兩電平整流電路，實現(xiàn)對輸出信號的放大，提高測試性能，但設計的電力網(wǎng)絡過負荷檢測系統(tǒng)對邏輯分析儀來講使用的是外部時鐘，無法實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡過負荷檢測的信號同步采樣；文獻[4]提出一種基于多級放大電路總電壓增益控制的電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)，通過觸發(fā)字識別電路，研究了瞬態(tài)電流與預測電流控制2種不同控制方法，提高測試效果，但該系統(tǒng)輸出級的總電壓增益較低，且出現(xiàn)邏輯死鎖控制。 可見，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡過負荷檢測裝置采用本機振蕩幅度調(diào)制的過載保護器設計，系統(tǒng)在受到不穩(wěn)定增壓負荷時容易產(chǎn)生失穩(wěn)和失真，過負荷檢測性能不高。 針對傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的弊端[5-9]，本文提出一種功率基陣激勵放大的電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)設計方法。 系統(tǒng)設計包括了硬件電路設計和軟件算法設計兩大部分。 最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文設計的系統(tǒng)的實現(xiàn)電力網(wǎng)絡過負荷檢測和報警中的優(yōu)越性能，展示了較好的應用價值。

1 系統(tǒng)設計總體描述及硬件電路結(jié)構(gòu)模型

1.1 系統(tǒng)總體模型設計

首先分析電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的總體模型構(gòu)建，系統(tǒng)采用嵌入式設計方式，分析硬件電路設計和軟件部分，基于嵌入式系統(tǒng)，電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)主要包括如下幾個部分：DSP信號處理器、PCI總線及橋接電路、動態(tài)控制增益控制設備、外部I/O設備、過負荷報警模塊，總體設計框圖如圖1所示。

圖1 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)總體設計框圖Fig. 1 Overall design block diagram of the power network overloads detection and alarm system

電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系設計主要分為如下幾個模塊：

1） 預處理機放大器。電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系設計中，過負荷檢測的模擬信號預處理機有較大的線性動態(tài)范圍，設計時采用三級放大器進行逐級放大，經(jīng)過這種設計，模擬信號預處理機有了80 dB的動態(tài)范圍，輸出信號的范圍在±10 V之間，同時波形良好。

2） 運算放大器。為了準確地采集電力網(wǎng)絡過負荷過程控制信息數(shù)據(jù)，運算放大器的輸出控制在模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸出門限范圍內(nèi)，運算放大器的輸出應該在其驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）的終值的1 LSB范圍內(nèi)達到穩(wěn)定。 穩(wěn)定在滿度的1 LSB 范圍內(nèi)意味著ADC的準確度穩(wěn)定在±1/2 LSB。 系統(tǒng)采用14位ADC，得到了要求更高的精度，建立時間絕大多數(shù)都規(guī)定達到0.1%和0.01%。

3） 模擬預處理機。考慮到電力網(wǎng)絡過負荷控制輸入信號幅值較低，頻率處于低頻、帶寬范圍較靈活， 因此選擇了MAXIM公司的5階開關電容低通濾波器MAX7425，工作電壓±1.5 V，工作電流3 mA，fstop（ 截至頻率）范圍為1～45 kHz。

綜上分析， 系統(tǒng)設計主要包括如下幾個部分：DSP信號處理器、PCI總線及橋接電路、 邏輯控制設備、外部I/O設備、外部存儲器以及復位電路。本文構(gòu)建的電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)模型的重要優(yōu)點在于采用了加速度傳感器與RFID結(jié)合， 不論是對有效信號還是噪聲干擾， 都要經(jīng)過選頻濾波處理，提高抗干擾性能。

1.2 系統(tǒng)的硬件部分設計

在上述總體模型設計的基礎上，對電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)進行硬件模塊設計，以FPGA為可編程邏輯芯片為核心，報警系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡過負荷信息的快速感知和采集，它具有快速部署、自組織和容錯特性較好的特點，使其可以在數(shù)據(jù)采集控制、電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信、計算、電力網(wǎng)絡的智能監(jiān)測方面起到不可替代的作用。本文采用FPGA技術進行電力網(wǎng)絡過負荷信息特征提取及分析，在電網(wǎng)負荷數(shù)據(jù)采集中，在電網(wǎng)沿線隔幾十米架設固定的路由節(jié)點，在每一個電網(wǎng)負荷數(shù)據(jù)采集區(qū)處架設協(xié)調(diào)器，形成一個無線傳感器子網(wǎng)，各子網(wǎng)通過協(xié)調(diào)器采用RS485線與電力網(wǎng)絡的網(wǎng)關設備相連或直接與地面上控制服務器相連。 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程Fig. 2 Data acquisition processes of the power network overload detection and alarm system

電力網(wǎng)絡過負荷檢測的D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號在（ 0～4.095 V）之間，換能器電導，導納B=jωC，BL=－，只改變功率因素cos φ，負載功率PL不變，采用串并聯(lián)結(jié)合的方法構(gòu)建電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的并聯(lián)復合匹配等效電路， 如圖3所示。

圖3 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的并聯(lián)復合匹配等效電路Fig. 3 Parallel composite matching circuit for the power network overload detection and alarm system

圖3中， 由于電力網(wǎng)絡過負荷檢測系統(tǒng)的電壓輸入ZL的具有調(diào)諧特征，在φX<φ0時，負載功率PL增加了倍，由此可等效為一個升壓變壓器，根據(jù)實測的阻抗值G、B和電力網(wǎng)絡過負荷檢測發(fā)射響應級SvL，計算BL2值，得到檢測系統(tǒng)兩端激勵電壓為：

根據(jù)調(diào)制解調(diào)的類別可分為電路單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和調(diào)幅數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。 由于網(wǎng)絡傳輸信號中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中多應用在復雜網(wǎng)絡環(huán)境和高精度電子通信系統(tǒng)中，應用環(huán)境存在不同強弱信號的和不同調(diào)制形式的信號干擾，得到電力網(wǎng)絡過載報警模擬回波數(shù)據(jù)，輸出電壓動態(tài)范圍很大，為了減少檢測信號強度的損失，要求增益調(diào)整應在很短的時間內(nèi)完成。 即10位ADC要求運算放大器穩(wěn)定到1/1 024的一半，即約0.05%；12位ADC要求穩(wěn)定到1/4 096的一半，即約0.01%。 由此得到電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的硬件核心電路如圖4所示。

圖4 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的硬件核心電路Fig. 4 Hardware core circuits of the power network overload detection and alarm system

2 系統(tǒng)的軟件改進設計

在進行系統(tǒng)總體設計和硬件核心電路設計的基礎上，針對傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡過負荷檢測裝置采用本機振蕩幅度調(diào)制的過載保護器設計，系統(tǒng)在受到不穩(wěn)定增壓負荷時容易產(chǎn)生失穩(wěn)和失真，過負荷檢測性能不高的問題。 本文進行改進設計，提出一種基于功率基陣激勵放大的電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)設計方法。 軟件設計部分的關鍵技術描述如下。 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)輸入端周期性地發(fā)送超過信道脈沖響應長度的數(shù)據(jù)訓練序列，進行BPSK調(diào)頻信號調(diào)制，跟蹤信道變化，把過載保護信道中短時間內(nèi)的畸變令為0，得：

式中：yo（ t）為理想的檢測目標值；y（ t）為實際檢測目標值，在電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警驅(qū)動電路寬頻帶大功率基陣激勵下，檢測系統(tǒng)的放大器中多徑條件下時延擴展輸出比特流在ζ（ 0）=1約束下間接獲得的漏感和勵磁電感為：

采用LT6600-20芯片實現(xiàn)基帶信號的濾波和中頻放大功能， 實現(xiàn)1.15～5.5 V 電平的自由轉(zhuǎn)換。ADG3301在3.3～5 V的電平轉(zhuǎn)換傳輸時延為6 ns，所以得到功率放大信號分解矢量CT′（f）為：

基于驅(qū)動電路寬頻帶大功率基陣激勵算法，得到電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)電壓保護有效阻抗為：

進行電力系統(tǒng)矢量擾動阻抗計算， 檢測系統(tǒng)定子匝間具有支路環(huán)流特性， 在相電流過零點附近出現(xiàn)擾動死區(qū)， 需要對電流極性進行對數(shù)復頻分析和死區(qū)擾動補償。 根據(jù)PLmax、PDmax選擇合適的功放管及供電電壓±10Vs，變壓比n由如下方程確定：電源輸出功率PE及負載功率PL分別為：

式中：VCE為電力網(wǎng)絡過負荷系統(tǒng)的運放管壓降，它與運放輸出電流大小有關，假設VCE=0.2VS，則：

基于功率基陣激勵放大設計， 功率基陣激勵放大器與A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DSP和PC機構(gòu)成一個閉環(huán)負反饋， 由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成控制電壓送到VCA810，這里采用了一種功率基陣激勵數(shù)字增益控制方法，可在幾個周期內(nèi)完成增益調(diào)整，提高了電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)的響應能力和檢測性能，通過上述硬件模型和軟件設計實現(xiàn)對整個檢測報警系統(tǒng)的改進設計。

3 系統(tǒng)仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文設計的系統(tǒng)在實現(xiàn)電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警中的性能，進行仿真實驗。首先構(gòu)建電力網(wǎng)絡的過負荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用FPGA技術進行電力網(wǎng)絡過負荷信息特征提取及分析， 在電網(wǎng)負荷數(shù)據(jù)采集中，在電網(wǎng)沿線隔幾十米架設固定的路由節(jié)點，在每一個電網(wǎng)負荷數(shù)據(jù)采集區(qū)處架設協(xié)調(diào)器， 仿真實驗以MATLAB 的SIMULINK 為平臺建立系統(tǒng)仿真平臺。 逆變器輸出功率為2.3 kW，直流側(cè)電壓為400 V，電網(wǎng)電壓有效值110 V，引導ROM配置進行電網(wǎng)的電壓保護和過壓檢測報警，引導ROM配置進行電網(wǎng)的過流檢測報警。 采用本文方法得到了設計的檢測報警系統(tǒng)的輸出相電流波形如圖5（ a）所示，輸出相電流的THD如圖5（ b）所示，分析圖中結(jié)構(gòu)可見，采用本文方法，能能夠抑制死區(qū)效應對輸出電流的影響，提高對過負荷電壓的檢測性能。

圖5 檢測報警系統(tǒng)的輸出相電流波形Fig. 5 The output phase current waveform of the alarm system

最后采用本文設計的系統(tǒng)進行電網(wǎng)的過負荷檢測報警系統(tǒng)仿真測試， 電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)外擴了一個256×1 024×16位的SRAM（ 12 ns）用于采樣時存儲大量數(shù)據(jù)， 設計的1.25 V門限檢測器用于過負荷報警， 得到系統(tǒng)仿真輸出結(jié)果如圖6所示。從圖6可見，采用本文設計的系統(tǒng)進行電力網(wǎng)絡過負荷檢測，檢測誤差較低，控制精度較高，收斂性能較好， 能準確實時地實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡過負荷檢測和報警，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。

圖6 系統(tǒng)仿真輸出Fig. 6 Simulation result of system

4 結(jié)語

通過電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對點網(wǎng)絡系統(tǒng)的各個分離單元的故障和狀態(tài)特征監(jiān)測，實現(xiàn)對電力網(wǎng)絡過載或者過壓時的提前預警和保護。本文提出一種功率基陣激勵放大的電力網(wǎng)絡過負荷檢測報警系統(tǒng)設計方法。系統(tǒng)設計包括了硬件電路設計和軟件算法設計兩大部分，通過電路設計和算法改進設計，實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的優(yōu)化設計，研究結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)能實現(xiàn)對電網(wǎng)的電壓保護和過壓及過流檢測報警，能抑制死區(qū)效應對輸出電流的影響， 提高對過負荷電壓的檢測性能，檢測誤差較低，控制精度較高，展示了較好的應用價值。

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