汪 鵬，劉永江，溫 冰，包紫晨，湯曉穎

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.華能新能源股份有限公司，北京 100036；3.北京天潤(rùn)新能投資有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

單片機(jī)是一種集成型的電路芯片設(shè)備，可在大規(guī)模電路集成技術(shù)的支持下，將I/O 中斷、只讀存儲(chǔ)、定時(shí)計(jì)數(shù)、脈沖調(diào)制、模擬轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)顯示等多項(xiàng)功能集成到一塊小型硅芯片之上，從而使得微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作需求得到較好滿足[1-2]。單片機(jī)也叫微型單片控制器，通常具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，與微型計(jì)算機(jī)操作設(shè)備相比，雖具備完整的執(zhí)行處理能力，但卻并不包含獨(dú)立的I/O 應(yīng)用設(shè)備。

輸電線路桿塔是一種常見(jiàn)的配電網(wǎng)電量調(diào)控設(shè)備，可對(duì)電壓、電流等電子表現(xiàn)性狀進(jìn)行綜合性控制[3]。隨著電網(wǎng)架設(shè)線路的延長(zhǎng)，輸電線路桿塔所具備的電量承載能力極有可能出現(xiàn)明顯的下降變化趨勢(shì)，這也是導(dǎo)致過(guò)飽和電力運(yùn)行行為出現(xiàn)的主要原因。傳統(tǒng)直流型評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)采集電量故障頻率指標(biāo)的方式，對(duì)輸電線路桿塔的電子承載能力進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，再借助特定連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。然而此系統(tǒng)的應(yīng)用能力有限，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)飽和電力運(yùn)行行為的有效抑制。為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)，在泄放電路、儲(chǔ)能變壓器等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，對(duì)桿塔傳輸承載容量及評(píng)估靈敏度參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而構(gòu)建必要的等效報(bào)警模型。

1 評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)的硬件由泄放電路、儲(chǔ)能變壓器、C51單片機(jī)三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 泄放電路

泄放電路能夠干預(yù)輸電線路桿塔單片機(jī)的連接行為，從而為評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)提供相對(duì)穩(wěn)定的電量傳輸環(huán)境。從輸入端到輸出端的高壓電子傳輸行為被稱為電量泄放，一般情況下，輸入端與輸出端的壓降差值越大，最終泄放出的物理壓力值也就越高。一個(gè)完整的泄放電路需要同時(shí)包含C、D、Q、R 四類電子量處理設(shè)備。其中，C、D 元件負(fù)責(zé)聚集輸電線路桿塔所需的應(yīng)用電子量，Q、R 元件則負(fù)責(zé)感知電路環(huán)境中的傳輸電流與電壓，從而對(duì)后續(xù)的評(píng)估與報(bào)警指令做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)行為[4-5]。電量泄放處理設(shè)備具備較強(qiáng)的單片機(jī)適應(yīng)性，能夠在記錄電子量傳輸數(shù)值的同時(shí)，將未完全消耗的電壓與電子流量，傳輸至下級(jí)設(shè)備應(yīng)用元件之中。泄放電路示意圖如圖1 所示。

圖1 泄放電路示意圖

1.2 儲(chǔ)能變壓器

對(duì)于儲(chǔ)能變壓器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)泄放電路直接控制該設(shè)備結(jié)構(gòu)的空開(kāi)頻率與最大占空比數(shù)值，在一定程度上，能夠?qū)旊娋€路桿塔所具備的電量承載能力進(jìn)行評(píng)估與計(jì)算，從而使其具備更好的過(guò)飽和電力報(bào)警行為。在單端反激傳輸行為的影響下，接線柱深入輸電桿塔設(shè)備的物理深度會(huì)逐漸增大，從而使單片機(jī)的儲(chǔ)能水平得到充分激發(fā)；在雙端反激傳輸行為的影響下，接線柱深入輸電桿塔設(shè)備的物理深度會(huì)逐漸減小，從而使單片機(jī)的儲(chǔ)能水平得到有效抑制[6-7]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能變壓器設(shè)備能夠直接控制輸電線路桿塔所具備的電量承載能力，且由于底部接線柱插入深度的改變，上部變壓結(jié)構(gòu)體所具備的承壓差水平也會(huì)出現(xiàn)變化，這也是新型報(bào)警系統(tǒng)始終具備較強(qiáng)電子量感知能力的主要原因。

1.3 C51單片機(jī)

C51 單片機(jī)是輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心應(yīng)用元件，同時(shí)兼顧處理能力與感知能力。在泄放電路元件的作用下，C51 單片機(jī)能夠準(zhǔn)確記錄輸電線路桿塔所承載的電量驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)量級(jí)水平，并可借助外部連接按鍵，將包含復(fù)位能力的傳輸電量傳輸至下級(jí)設(shè)備應(yīng)用元件之中[8-9]。供電電源能夠干預(yù)儲(chǔ)能變壓器的實(shí)際接入行為，從而使相關(guān)報(bào)警元件能夠準(zhǔn)確感知輸電線路桿塔承載力評(píng)估條件的變化情況，一方面可將配網(wǎng)輸電網(wǎng)絡(luò)調(diào)試至相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，另一方面也可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出電子流量的有效控制[10]。C51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)設(shè)備元件的作用下，按照桿塔傳輸承載容量確定、評(píng)估靈敏度參數(shù)計(jì)算、等效報(bào)警模型搭建的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件應(yīng)用環(huán)境搭建，聯(lián)合相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，完成基于單片機(jī)的輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 桿塔傳輸承載容量

桿塔傳輸承載容量是指輸電線路桿塔在配電網(wǎng)環(huán)境中，所具備的最大電子量感知能力，由于單片機(jī)設(shè)備的影響，該項(xiàng)物理量受到傳輸電壓差、電阻量評(píng)估均值兩項(xiàng)物理量的直接影響[11-12]。傳輸電壓差數(shù)值可表示為i，在既定電量傳輸時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，該項(xiàng)物理量越小，最終計(jì)算所得的桿塔傳輸承載容量數(shù)值也就越大。電阻量評(píng)估均值可表示為yˉ，由于單片機(jī)輸入作用的影響，該項(xiàng)物理量在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，基本能夠始終保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)。設(shè)傳輸電壓差數(shù)值的起始值為i0，聯(lián)立上述物理量，可將桿塔傳輸承載容量計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，p0代表傳輸電子量的起始輸入值，pe代表傳輸電子量的隨機(jī)輸入值，e代表隨機(jī)系數(shù)，t1、t2分別代表兩個(gè)不同的電量傳輸時(shí)長(zhǎng)。

2.2 評(píng)估靈敏度參數(shù)

評(píng)估靈敏度參數(shù)能夠直接影響輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)對(duì)于過(guò)飽和電力運(yùn)行行為的反應(yīng)速率，在單片機(jī)設(shè)備元件的影響下，該項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)的實(shí)際作用能力受到偏分電量指標(biāo)、電子量修復(fù)率靈敏度兩項(xiàng)系數(shù)值的直接影響。所謂偏分電量指標(biāo)是一項(xiàng)功能化的電子衡量系數(shù)值，可對(duì)輸電線路桿塔造成一定強(qiáng)度的外力作用影響，并且大多數(shù)情況下，該項(xiàng)系數(shù)值的物理水平越高，最終所得到的偏分電量指標(biāo)值也就越大[13-14]。電子量修復(fù)率靈敏度具備一定的電量開(kāi)源作用能力，可在已知桿塔傳輸承載容量值的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)評(píng)估指令的制定造成一定影響，從而使最終的報(bào)警結(jié)果能夠借助單片機(jī)設(shè)備反映出來(lái)。設(shè)β代表偏分電量指標(biāo)值，l1、l2分別代表兩個(gè)不同的電子量修復(fù)率靈敏度數(shù)值，聯(lián)立式（1），可將系統(tǒng)評(píng)估靈敏度參數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，代表輸電線路桿塔所承載的電子量均值，代表輸電線路桿塔所承載的電容均值。

2.3 等效報(bào)警模型

等效報(bào)警模型度量了輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)所具備的應(yīng)用報(bào)警能力，其計(jì)算數(shù)值受到單片機(jī)設(shè)備執(zhí)行能力的直接影響。在一個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行周期內(nèi)，輸電線路桿塔所承擔(dān)的電子傳輸量越大，相關(guān)設(shè)備元件所具備的報(bào)警能力也就越強(qiáng)，即等效報(bào)警模型的實(shí)用性水平越高[15-16]。規(guī)定λ代表既定的系統(tǒng)執(zhí)行周期度量值，由于單片機(jī)設(shè)備的干擾性影響，該項(xiàng)物理量的數(shù)值指標(biāo)只能在0～1 的物理區(qū)間內(nèi)不斷變動(dòng)。μ1、μ2分別代表兩個(gè)不同的電量承載力系數(shù)定義項(xiàng)，由于輸電線路桿塔作用能力的特殊性，上述兩項(xiàng)物理指標(biāo)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)，始終不具備完全相等的可能。聯(lián)立上述物理量，可將系統(tǒng)等效報(bào)警模型定義為：

式中，H1、H2分別代表兩個(gè)不同的電子量評(píng)估參量值。至此，完成各項(xiàng)物理系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在單片機(jī)設(shè)備元件的支持下，實(shí)現(xiàn)輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為突出說(shuō)明基于單片機(jī)輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。以圖3 所示配網(wǎng)輸電環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)背景，順次連接發(fā)電、變電、輸電、用電4 個(gè)電量傳輸環(huán)節(jié)，分別將實(shí)驗(yàn)組配網(wǎng)主機(jī)與核心發(fā)電網(wǎng)絡(luò)相連，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于單片機(jī)輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載傳統(tǒng)直流型評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)。

圖3 配網(wǎng)輸電環(huán)境

QSR 指標(biāo)能夠描述輸電線路桿塔所具備的電量承載能力，一般情況下，QSR 指標(biāo)數(shù)值越大，輸電線路桿塔所具備的電量承載能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組QSR 指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表1 QSR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

分析表1可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組QSR指標(biāo)保持先上升、再交替下降上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了83.73%。對(duì)照組QSR 指標(biāo)則保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果僅能達(dá)到45.23%，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，下降了38.50%。綜上可知，應(yīng)用基于單片機(jī)輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)后，QSR指標(biāo)數(shù)值得到了明顯促進(jìn)，可在一定程度上，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路桿塔電量承載能力的持續(xù)提升。

QPR 指標(biāo)能夠描述輸電線路桿塔過(guò)飽和電力運(yùn)行行為的出現(xiàn)幾率，一般情況下，QPR 指標(biāo)數(shù)值越大，輸電線路桿塔過(guò)飽和電力運(yùn)行行為的出現(xiàn)幾率也就越高，反之則越低。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組QPR 指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表2 QPR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

分析表2可在，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組QPR指標(biāo)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，始終保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值變化趨勢(shì)，全局最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了30.13%。對(duì)照組QPR 指標(biāo)則始終保持不斷攀升的數(shù)值變化趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了67.29%，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，上升了37.16%。綜上可知，應(yīng)用基于單片機(jī)輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)后，QPR 指標(biāo)確實(shí)出現(xiàn)了明顯下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，可有效抑制輸電線路桿塔過(guò)飽和電力運(yùn)行行為的實(shí)際出現(xiàn)幾率。

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)直流型評(píng)估報(bào)警系統(tǒng)相比，新型輸電線路桿塔承載力評(píng)估和報(bào)警系統(tǒng)可在單片機(jī)設(shè)備的作用下，建立完整的泄放電路體系，并可借助儲(chǔ)能變壓器元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔傳輸承載容量值的準(zhǔn)確計(jì)算，從而獲得明確的等效報(bào)警模型。從實(shí)用性方面來(lái)考慮，QSR 指標(biāo)提升和QPR 指標(biāo)下降的同時(shí)出現(xiàn)，能夠在增強(qiáng)輸電線路桿塔電量承載能力的同時(shí)，對(duì)過(guò)飽和電力運(yùn)行行為的出現(xiàn)幾率進(jìn)行有效控制，具有較高的實(shí)際應(yīng)用可行性。