電網信息化運維模式方案及優化?

萬 峻 蔣 瑩 張媛琳 楊永建

（云南電網有限責任公司紅河供電局 紅河 661100）

1 引言

電網信息化運維的監控裝置需要直接安裝在輸電線上，所以如何為設備提供電能是目前研究領域的關鍵問題之一［1］。電源供給在整個電網信息化運維中具有重要的地位，目前最廣泛使用的方法是太陽能發電［2］，但這種方法易受氣候條件的影響，且缺乏長期的免維護能力［3］。激光能量［4］已應用于電子式電流互感器和有源光學電流互感器中，但這種電源不適合在野外工況環境。利用電容分壓器［5］從高壓輸電獲取電能，但這種方法的穩定性和可靠性較差，且發電功率極為有限。電網信息化運維監控裝置的最佳供電方式是利用電流互感器（CT）［6］直接從輸電線獲取電能。

本文設計了一種用于電網信息化運維模式下的高壓總線的新型電源，通過分析CT感應電源的基本原理，給出了基于前端保護模塊和電壓控制電路的方案優化，應用所搭建的實驗平臺驗證了所提出方法的有效性。

2 CT感應電源

2.1 基本原理圖

電源的基本原理如圖1所示。

利用CT獲取電能的基本原理是利用法拉第電磁感應定律［7］。在50A～1000A的電流范圍內，利用CT從高壓傳輸中感應，經過整流和降壓后，最終可以為電網信息化運維在線監測設備提供穩定的3.4V直流電壓。

2.2 理論分析

取能線圈的工作原理與變壓器相似，其空載等效模型如圖2所示。

根據電磁理論的知識，次級電壓有效值為

其中，E2為磁感應電動勢的均方根值，f為電源頻率，N2為次側繞組，Φm為磁通量振幅，通量振幅為

其中，Bm為飽和磁感應強度，S為核心的橫截面面積，k為疊片系數。

根據安培電流定律，可得

其中，l為平均磁路長度，I1為激磁電流，N1為初級繞組匝數。磁感應峰值與磁場強度峰值的關系為

其中，μ0為真空磁導率，μr為磁芯相對磁導率，Hm為磁場強度的峰值。通過式（1）～（4）可得：

通過式（5）可得，取能線圈的二次側電壓與一次側勵磁電流Im有關，與二次側電流無關。

如圖3所示，從區域1到區域4，磁感應B與電場強度H近似成正比，且隨H的增加而增大，但在飽和區域，當Hm增加時，Bm增速減慢甚至不增加。由式（1）和（2）表明，如果 Bm不改變，則二級側電壓的均方根值E2不變。因此，E2不隨飽和區導線電流的增加而增大。

文獻［8］和實驗結果表明，在深度飽和狀態下感應電壓的波形會發生嚴重畸變，形成窄脈沖波形，這對解決后續電路問題是一個很大的難題。為了解決這一問題，通過增加磁飽和電流，如在電源線圈加入氣隙［9］，并使用反饋補償控制［10］可降低電壓的振幅。但由于氣隙結構過于復雜且寬度難以控制，這將對電力可靠性產生較大的影響。

3 電網信息化運維模式優化

3.1 前端保護模塊

當傳輸線被雷擊或短路時，尤其是雷擊時，繼電保護裝置不能及時工作，這將對電力設備電路造成致命的威脅。沖擊電流不僅對電力裝置造成危害，而且對電力設備造成機械傷害。一方面，沖擊電流可能導致取能線圈感應瞬態高電壓［11］。另一方面，它會導致巨大的電能破壞取能線圈［12］。在本文中，將瞬態抑制二極管（TVS）［13］和電壓相關電阻并聯為前端保護，并在鐵芯與繞組線圈之間填充軟緩沖層以減少電力的沖擊。

3.2 電壓控制電路

前面的分析表明，當輸電線電流高于一定值時，取能線圈就會飽和。次級感應電壓波形成為尖峰波或大幅度的脈沖波［14］，因此必須采取措施來限制過大的電壓，以防止DC-DC模塊受到損壞。式（5）表明，當磁芯參數和次級繞組的匝數為固定值時，線圈的次級側輸出電壓E2僅與勵磁電流Im的初級側有關。電壓E2越高，勵磁電流Im越大。為了抑制取能線圈的飽和，可以減小輸出鐵芯的次級側電壓來控制DC-DC電路的輸入電壓在一定范圍內。

電壓控制電路如圖4所示，由控制信號電路和降壓電路組成。降壓電路主要由NMOS晶體管Q1和儲能電容器C組成，當DC-DC模塊輸入電壓過高時，Q1將工作并放出多余的電能，從而達到降低電壓的目的。控制信號電路由可編程計數器陣列的單片機構成［15］。當儲能電容器C的電壓超出正常工作范圍時，Q1將由單片機控制開關。

如圖4所示，儲能電容器C的電壓Vc正常工作范圍為Vc1-Vc2。當Vc高于最大正常運行電壓Vc2時，單片機輸出一個高電平信號來關閉NMOS晶體管Q1。多余的電能通過Q1放電，負載由C供電，儲能電容器C為負載供電，使得終端電壓Vc降低。當Vc低于最小正常工作電壓Vc1時，控制信號電路無輸出，則Q1打開。整流電路的輸出功率直接提供給負載和儲能電容器C。

保護電路包括穩壓管W1、限流電阻R1和接地電阻R2。當電壓Vin超過擊穿電壓W1時，W1打開，流過W1的電流在R2上產生電壓降。因此，NMOS晶體管Q1釋放多余的電能。

為了驗證電路是否能達到降低電壓的目的，使用信號發生器重新配置控制電路。回路輸出不同占空比的PWM波來控制降壓電路，使用47Ω的電阻R作為負載。如圖5所示，輸電線電流為200 A，Q1完全打開后，R的電壓從30V降至到接近0 V。

如圖6所示，當傳輸線電流為300A，400A和500A時，隨著控制信號的占空比增加，電阻R上的電壓逐漸降低。當控制信號的占空比約為90%時，電壓約為10V可以實現降壓的目的。

4 實驗結果和分析

4.1 實驗平臺

實驗選擇Ferroxcube公司生產的U93-MnZn鐵氧體U型磁芯。經過計算和試驗，選擇匝數為400，漆包線直徑選為1mm。取能線圈可設置在具有特殊設計外殼的傳輸線內。

實驗平臺如圖7所示。調壓器輸入接220V/50Hz的交流電，電流發生器輸出大電流的短接。它可以通過調壓器來改變電流發生器的輸出電流。為了便于測量取能線圈的電流，使用高精度電流互感器來檢測電流。

4.2 測試結果和分析

在啟動電流50A時，假設測試中的取能線圈能提供足夠的功率。使用一個可變電阻來模擬負載變化以測試取能線圈功率。實驗表明，取能線圈與負載有關。如圖8所示，電流發生器輸出電流I1=50A時，當負載電阻器R=150Ω，取能線圈功率P2達到最大值，即653MW。它可以為負載提供足夠的電力。

輸出電能的設計要求是啟動電流為50A，負載可以提供500兆瓦以上的功率（帶有GPS模塊的電網信息化運維模式中的傳輸線路監測裝置的正常工作功率約為500MW），傳輸線電流可在50A～1000 A范圍內穩定工作。

使用負載電阻器R=47Ω作為負載，在實驗中測試了基于上述參數的電力設備。如圖9所示，可以發現儲能電容器C的最大電壓為12.0V，最小電壓為9.0V。當NMOS晶體管Q1關閉時，儲能電容器C直接為負載提供電能，并且其終端電壓Vc降低。當Q1打開時，整流電路輸出功率直接供給負載并對儲能電容器C進行充電，則C的電壓Vc將增加。

在表1中，Vmax是DC-DC模塊的最大輸入電壓，Vmin是DC-DC模塊的最小輸入電壓，Vout是輸出電壓。

表1 DC-DC模塊電路的輸出和輸入電壓

在電壓控制電路后，DC-DC模塊輸入為9.0V～12.0 V，在50A～1000A的總線電流范圍內輸出3.4V電壓。當總線電流為300A時，電源設備繼續工作300min，DC-DC模塊輸出電壓Vout在300min內的波形如圖10所示。在DC-DC模塊之后，電源設備可以提供穩定的3.4 V電壓。

5 結語

本文研究了電網信息化運維過程中的高壓在線監測裝置的功率問題。分析表明，利用CT來感應電能是一種低成本、實用、可行的方法。為了解決現有電源易飽和，高功耗的問題，本文介紹了高壓端電源設備的新設計。大量實驗表明，本文所設計的電力裝置能有效地確保磁芯在高電流、不飽和、低功耗的情況下的穩定工作。本文所提出的優化方案可為電網信息化運維提供一種新的思路。

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