白 皓，孫曉晨，欒 茜

（國網(wǎng)煙臺供電公司，山東煙臺 264000）

一鍵順控技術(shù)控制下，電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換由監(jiān)控系統(tǒng)自動完成，其自由的切換方式，增強(qiáng)了紋波系數(shù)的穩(wěn)定性，避免了復(fù)雜人工操作下，系統(tǒng)長時間運(yùn)行產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括以下4 種狀態(tài)：1）系統(tǒng)正常運(yùn)行。即充電裝置浮充運(yùn)行，蓄電池組浮充電，充電裝置帶負(fù)載運(yùn)行；2）蓄電池均充狀態(tài)。即充電裝置處于均充狀態(tài)，蓄電池組均衡充電，充電裝置帶負(fù)載運(yùn)行；3）充電裝置停電狀態(tài)。即單電單充系統(tǒng)充電裝置檢修，蓄電池組放電，帶負(fù)載運(yùn)行；雙電雙充系統(tǒng)閉合母聯(lián)，由另一端帶母線運(yùn)行，充電機(jī)脫離母線檢修；4）蓄電池檢修狀態(tài)。即一組電池退出系統(tǒng)運(yùn)行，另一組電池帶兩段母線運(yùn)行[1]。以上4 種運(yùn)行狀態(tài)包括了直流電源系統(tǒng)常見的運(yùn)行及檢修各過程的各種運(yùn)行狀態(tài)，通過在直流系統(tǒng)內(nèi)添加全新的智能開關(guān)控制裝置和充電裝置，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)控制[2]。

提出了一種基于蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式放電負(fù)載的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程核容作業(yè)，減少了維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)便攜式放電主機(jī)和蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)約轉(zhuǎn)換，在通信鏈路上能夠兼容各種型號的放電主機(jī)。充分利用現(xiàn)場現(xiàn)有設(shè)備儀器進(jìn)行了合理化設(shè)計(jì)，通過規(guī)約解析和規(guī)約轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，形成了一套易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行穩(wěn)定的智能遠(yuǎn)程核容放電作業(yè)系統(tǒng)[3]。

傳統(tǒng)的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式，由于穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的電源系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，影響系統(tǒng)使用安全，因此提出基于一鍵順控技術(shù)的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法。一鍵順控技術(shù)下，通過設(shè)置直流電源系統(tǒng)架構(gòu)配置相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)一鍵順控流程，令程序自動按照預(yù)定流程控制開關(guān)動作、充電裝置開關(guān)機(jī)、均浮充切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行、蓄電池均充、充電裝置檢修、蓄電池檢修等各種狀態(tài)的一鍵順控，為國家電力系統(tǒng)的發(fā)展提供更加完善的技術(shù)支持。

1 基于一鍵順控技術(shù)的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法

1.1 判別電源設(shè)備運(yùn)行開合狀態(tài)

研究基于一鍵順控技術(shù)的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法，需要對直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。已知直流電源系統(tǒng)控制操作下，每個蓄電池都有內(nèi)阻，且不同品類的電池內(nèi)阻有所不同，相同品類的電池內(nèi)阻，也因?yàn)槠鋬?nèi)部化學(xué)特性不一致而有所差別，因此需要實(shí)時監(jiān)測直流電源，即蓄電池的內(nèi)阻。

內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要技術(shù)指標(biāo)，與電解液的量、極板、充放電次數(shù)等有很大關(guān)系。假設(shè)R為蓄電池內(nèi)阻，其理想狀態(tài)下的計(jì)量公式為：

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

式（2）中：C表示蓄電池容量；T表示運(yùn)行時間。根據(jù)式（2）可以看出，在常規(guī)情況下，內(nèi)阻r越小蓄電池容量會越大，蓄電池帶負(fù)荷能力就越強(qiáng)。表1 是實(shí)時監(jiān)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(tài)，根據(jù)得到的測試結(jié)果，利用識別算法進(jìn)行降噪處理，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備開合狀態(tài)的判別。

識別算法對監(jiān)測圖像進(jìn)行降噪處理，通過分析其顏色特征和形態(tài)特征，判別設(shè)備開合狀態(tài)。首先對測試結(jié)果進(jìn)行灰度化處理，下列公式為最大值法下的色彩加權(quán)平均處理結(jié)果，根據(jù)該結(jié)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(diǎn)、綠色信息點(diǎn)以及藍(lán)色信息點(diǎn)。通過該公式得到直流電源狀態(tài)測試結(jié)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(jìn)行的，而邊緣檢測算法則是一種重要性極強(qiáng)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(jìn)行測度，根據(jù)最優(yōu)化逼近算子，達(dá)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(shù)據(jù)與高斯分布作卷積，使得圖像平滑；結(jié)合一階偏導(dǎo)的有限差分，計(jì)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(shù)據(jù)。式（4）描述平滑濾波器內(nèi)的高斯分布：

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

式（5）中：fa、fb表示坐標(biāo)(a,b) 的掩模[8]。綜合上述平滑處理結(jié)果進(jìn)行線段擬合，將擬合后的線段按照方向圖進(jìn)行投影，設(shè)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(guān)在閉合狀態(tài)下的閾值為γz1和γz2，其中γz1為隔離開關(guān)閉合位閾值；γz2為隔離開關(guān)誤差閾值[9]。當(dāng)γz1＜γ或γz2＞Q時，直流電源開關(guān)為閉合狀態(tài)，反之為打開狀態(tài)。

1.2 更新轉(zhuǎn)換設(shè)備設(shè)計(jì)一鍵順控控制程序邏輯

根據(jù)上述的判別方式，對直流電源系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行更新替換，并設(shè)計(jì)一鍵順控技術(shù)下，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制程序邏輯。需要更新替換的設(shè)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(shè)備開合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對所有測試數(shù)據(jù)的收集、整理、反饋和儲存。在現(xiàn)有變電設(shè)備上增加順控裝置、校驗(yàn)裝置等自控設(shè)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(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行高精度測量，保證系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作時可以精準(zhǔn)定位控制節(jié)點(diǎn)[10]。

根據(jù)更新后設(shè)備的基本配置參數(shù)，結(jié)合一鍵順控技術(shù)，設(shè)計(jì)兩個設(shè)備對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制程序邏輯。圖1 為一鍵順控技術(shù)的基本功能結(jié)構(gòu)圖。

圖1 一鍵順控功能結(jié)構(gòu)圖

提出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法，根據(jù)一鍵順控技術(shù)，采用到位控制的方式，保證直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。其中包含工作位置、轉(zhuǎn)換位置以及控制位置。而所設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制程序邏輯中，如果當(dāng)前的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不是所要求狀態(tài)，則程序會作出反饋，保證狀態(tài)轉(zhuǎn)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(tài)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)說明如表2所示[13]。

表2 子程序設(shè)計(jì)說明

根據(jù)子程序設(shè)計(jì)說明，設(shè)計(jì)一鍵順控技術(shù)的轉(zhuǎn)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(jù)圖2 顯示的直流電源系統(tǒng)工作子程序控制邏輯，對系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，保證設(shè)計(jì)的子程序控制邏輯，可以有針對性的執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作，至此在一鍵順控技術(shù)應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)對直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，保證直流電源系統(tǒng)的使用安全[14-16]。

2 實(shí)驗(yàn)檢測

以對比實(shí)驗(yàn)的方式，分別檢測兩種直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法的可靠性。實(shí)驗(yàn)將此次提出的轉(zhuǎn)換方法作為測試A 組，將基于蓄電池的轉(zhuǎn)換方法作為測試B組，根據(jù)得到的測試對比結(jié)果，分析兩種方法的差異性。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

已知在某一直流電源系統(tǒng)控制下，電源的保護(hù)特性曲線如圖3 所示。根據(jù)該電源的特點(diǎn)，分別利用兩種方法設(shè)置該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式。

圖3 實(shí)驗(yàn)測試對象的特性曲線

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

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

其中In表示第n個點(diǎn)的額定電流，且n表示的整數(shù)的范圍為1 ≤n≤10。根據(jù)上述計(jì)算得到的10個測試點(diǎn)的特性結(jié)果，設(shè)置直流電源運(yùn)行狀態(tài)測試公式，其中穩(wěn)流精度計(jì)算表達(dá)式為：

式（9）中：σI表示穩(wěn)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(wěn)壓精度的計(jì)算表達(dá)式為：

式（10）中：σU表示穩(wěn)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(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，計(jì)算直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換后的紋波系數(shù)：

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(jì)算過程，分別對兩種方法下的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行測試，比較兩種方法下的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，是否出現(xiàn)紋波系數(shù)跑偏而導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行失穩(wěn)。

2.2 結(jié)果與分析

設(shè)置轉(zhuǎn)換后的直流電源系統(tǒng)，在不同運(yùn)行速度下執(zhí)行運(yùn)行指令，分別測試轉(zhuǎn)換后的紋波系數(shù)偏差，表3 和表4 為兩組實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

表3 測試A組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 測試B組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表中的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知，所提出轉(zhuǎn)換方法下，得到的直流電源系統(tǒng)的紋波系數(shù)偏差，均在[-0.15,0.15]之間；而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法下，系統(tǒng)紋波系數(shù)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(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法，優(yōu)越于傳統(tǒng)方法，其控制效果更好。

為了使實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果直觀地顯現(xiàn)出來，根據(jù)得到的紋波系數(shù)，繪制狀態(tài)準(zhǔn)換后的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行安全特性曲線，如圖4 所示。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性測試結(jié)果

圖4 中，U表示理想狀態(tài)下的穩(wěn)定電壓；Un和-Un表示兩種不同狀態(tài)的失穩(wěn)電壓。根據(jù)曲線走勢可知，基于一鍵順控技術(shù)的轉(zhuǎn)換方法，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換后的電壓值極為穩(wěn)定；而傳統(tǒng)技術(shù)控制下的轉(zhuǎn)換方法，其系統(tǒng)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(zhuǎn)換方法，其紋波系數(shù)的誤差更小，轉(zhuǎn)換后的直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

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