电网信息化运维模式方案及优化∗

2018-07-10张媛琳杨永建

舰船电子工程 2018年6期

万峻蒋莹张媛琳杨永建

（云南电网有限责任公司红河供电局红河 661100）

1 引言

电网信息化运维的监控装置需要直接安装在输电线上，所以如何为设备提供电能是目前研究领域的关键问题之一［1］。电源供给在整个电网信息化运维中具有重要的地位，目前最广泛使用的方法是太阳能发电［2］，但这种方法易受气候条件的影响，且缺乏长期的免维护能力［3］。激光能量［4］已应用于电子式电流互感器和有源光学电流互感器中，但这种电源不适合在野外工况环境。利用电容分压器［5］从高压输电获取电能，但这种方法的稳定性和可靠性较差，且发电功率极为有限。电网信息化运维监控装置的最佳供电方式是利用电流互感器（CT）［6］直接从输电线获取电能。

本文设计了一种用于电网信息化运维模式下的高压总线的新型电源，通过分析CT感应电源的基本原理，给出了基于前端保护模块和电压控制电路的方案优化，应用所搭建的实验平台验证了所提出方法的有效性。

2 CT感应电源

2.1 基本原理图

电源的基本原理如图1所示。

利用CT获取电能的基本原理是利用法拉第电磁感应定律［7］。在50A～1000A的电流范围内，利用CT从高压传输中感应，经过整流和降压后，最终可以为电网信息化运维在线监测设备提供稳定的3.4V直流电压。

2.2 理论分析

取能线圈的工作原理与变压器相似，其空载等效模型如图2所示。

根据电磁理论的知识，次级电压有效值为

其中，E2为磁感应电动势的均方根值，f为电源频率，N2为次侧绕组，Φm为磁通量振幅，通量振幅为

其中，Bm为饱和磁感应强度，S为核心的横截面面积，k为叠片系数。

根据安培电流定律，可得

其中，l为平均磁路长度，I1为激磁电流，N1为初级绕组匝数。磁感应峰值与磁场强度峰值的关系为

其中，μ0为真空磁导率，μr为磁芯相对磁导率，Hm为磁场强度的峰值。通过式（1）～（4）可得：

通过式（5）可得，取能线圈的二次侧电压与一次侧励磁电流Im有关，与二次侧电流无关。

如图3所示，从区域1到区域4，磁感应B与电场强度H近似成正比，且随H的增加而增大，但在饱和区域，当Hm增加时，Bm增速减慢甚至不增加。由式（1）和（2）表明，如果 Bm不改变，则二级侧电压的均方根值E2不变。因此，E2不随饱和区导线电流的增加而增大。

文献［8］和实验结果表明，在深度饱和状态下感应电压的波形会发生严重畸变，形成窄脉冲波形，这对解决后续电路问题是一个很大的难题。为了解决这一问题，通过增加磁饱和电流，如在电源线圈加入气隙［9］，并使用反馈补偿控制［10］可降低电压的振幅。但由于气隙结构过于复杂且宽度难以控制，这将对电力可靠性产生较大的影响。

3 电网信息化运维模式优化

3.1 前端保护模块

当传输线被雷击或短路时，尤其是雷击时，继电保护装置不能及时工作，这将对电力设备电路造成致命的威胁。冲击电流不仅对电力装置造成危害，而且对电力设备造成机械伤害。一方面，冲击电流可能导致取能线圈感应瞬态高电压［11］。另一方面，它会导致巨大的电能破坏取能线圈［12］。在本文中，将瞬态抑制二极管（TVS）［13］和电压相关电阻并联为前端保护，并在铁芯与绕组线圈之间填充软缓冲层以减少电力的冲击。

3.2 电压控制电路

前面的分析表明，当输电线电流高于一定值时，取能线圈就会饱和。次级感应电压波形成为尖峰波或大幅度的脉冲波［14］，因此必须采取措施来限制过大的电压，以防止DC-DC模块受到损坏。式（5）表明，当磁芯参数和次级绕组的匝数为固定值时，线圈的次级侧输出电压E2仅与励磁电流Im的初级侧有关。电压E2越高，励磁电流Im越大。为了抑制取能线圈的饱和，可以减小输出铁芯的次级侧电压来控制DC-DC电路的输入电压在一定范围内。

电压控制电路如图4所示，由控制信号电路和降压电路组成。降压电路主要由NMOS晶体管Q1和储能电容器C组成，当DC-DC模块输入电压过高时，Q1将工作并放出多余的电能，从而达到降低电压的目的。控制信号电路由可编程计数器阵列的单片机构成［15］。当储能电容器C的电压超出正常工作范围时，Q1将由单片机控制开关。

如图4所示，储能电容器C的电压Vc正常工作范围为Vc1-Vc2。当Vc高于最大正常运行电压Vc2时，单片机输出一个高电平信号来关闭NMOS晶体管Q1。多余的电能通过Q1放电，负载由C供电，储能电容器C为负载供电，使得终端电压Vc降低。当Vc低于最小正常工作电压Vc1时，控制信号电路无输出，则Q1打开。整流电路的输出功率直接提供给负载和储能电容器C。

保护电路包括稳压管W1、限流电阻R1和接地电阻R2。当电压Vin超过击穿电压W1时，W1打开，流过W1的电流在R2上产生电压降。因此，NMOS晶体管Q1释放多余的电能。

为了验证电路是否能达到降低电压的目的，使用信号发生器重新配置控制电路。回路输出不同占空比的PWM波来控制降压电路，使用47Ω的电阻R作为负载。如图5所示，输电线电流为200 A，Q1完全打开后，R的电压从30V降至到接近0 V。

如图6所示，当传输线电流为300A，400A和500A时，随着控制信号的占空比增加，电阻R上的电压逐渐降低。当控制信号的占空比约为90%时，电压约为10V可以实现降压的目的。

4 实验结果和分析

4.1 实验平台

实验选择Ferroxcube公司生产的U93-MnZn铁氧体U型磁芯。经过计算和试验，选择匝数为400，漆包线直径选为1mm。取能线圈可设置在具有特殊设计外壳的传输线内。

实验平台如图7所示。调压器输入接220V/50Hz的交流电，电流发生器输出大电流的短接。它可以通过调压器来改变电流发生器的输出电流。为了便于测量取能线圈的电流，使用高精度电流互感器来检测电流。

4.2 测试结果和分析

在启动电流50A时，假设测试中的取能线圈能提供足够的功率。使用一个可变电阻来模拟负载变化以测试取能线圈功率。实验表明，取能线圈与负载有关。如图8所示，电流发生器输出电流I1=50A时，当负载电阻器R=150Ω，取能线圈功率P2达到最大值，即653MW。它可以为负载提供足够的电力。

输出电能的设计要求是启动电流为50A，负载可以提供500兆瓦以上的功率（带有GPS模块的电网信息化运维模式中的传输线路监测装置的正常工作功率约为500MW），传输线电流可在50A～1000 A范围内稳定工作。

使用负载电阻器R=47Ω作为负载，在实验中测试了基于上述参数的电力设备。如图9所示，可以发现储能电容器C的最大电压为12.0V，最小电压为9.0V。当NMOS晶体管Q1关闭时，储能电容器C直接为负载提供电能，并且其终端电压Vc降低。当Q1打开时，整流电路输出功率直接供给负载并对储能电容器C进行充电，则C的电压Vc将增加。

在表1中，Vmax是DC-DC模块的最大输入电压，Vmin是DC-DC模块的最小输入电压，Vout是输出电压。

表1 DC-DC模块电路的输出和输入电压

在电压控制电路后，DC-DC模块输入为9.0V～12.0 V，在50A～1000A的总线电流范围内输出3.4V电压。当总线电流为300A时，电源设备继续工作300min，DC-DC模块输出电压Vout在300min内的波形如图10所示。在DC-DC模块之后，电源设备可以提供稳定的3.4 V电压。

5 结语

本文研究了电网信息化运维过程中的高压在线监测装置的功率问题。分析表明，利用CT来感应电能是一种低成本、实用、可行的方法。为了解决现有电源易饱和，高功耗的问题，本文介绍了高压端电源设备的新设计。大量实验表明，本文所设计的电力装置能有效地确保磁芯在高电流、不饱和、低功耗的情况下的稳定工作。本文所提出的优化方案可为电网信息化运维提供一种新的思路。

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