基于單片機的輸電線路桿塔承載力評估和報警系統

汪 鵬，劉永江，溫 冰，包紫晨，湯曉穎

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

單片機是一種集成型的電路芯片設備，可在大規模電路集成技術的支持下，將I/O 中斷、只讀存儲、定時計數、脈沖調制、模擬轉換、驅動顯示等多項功能集成到一塊小型硅芯片之上，從而使得微型計算機系統的操作需求得到較好滿足[1-2]。單片機也叫微型單片控制器，通常具有較強的邏輯控制能力，與微型計算機操作設備相比，雖具備完整的執行處理能力，但卻并不包含獨立的I/O 應用設備。

輸電線路桿塔是一種常見的配電網電量調控設備，可對電壓、電流等電子表現性狀進行綜合性控制[3]。隨著電網架設線路的延長，輸電線路桿塔所具備的電量承載能力極有可能出現明顯的下降變化趨勢，這也是導致過飽和電力運行行為出現的主要原因。傳統直流型評估報警系統通過采集電量故障頻率指標的方式，對輸電線路桿塔的電子承載能力進行準確評估，再借助特定連接設備，實現對報警信號的實時處理。然而此系統的應用能力有限，并不能實現對過飽和電力運行行為的有效抑制。為解決此問題，設計基于單片機的輸電線路桿塔承載力評估和報警系統，在泄放電路、儲能變壓器等多個硬件設備結構的支持下，對桿塔傳輸承載容量及評估靈敏度參數進行準確計算，從而構建必要的等效報警模型。

1 評估和報警系統的硬件設計

評估和報警系統的硬件由泄放電路、儲能變壓器、C51單片機三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 泄放電路

泄放電路能夠干預輸電線路桿塔單片機的連接行為，從而為評估和報警系統提供相對穩定的電量傳輸環境。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。一個完整的泄放電路需要同時包含C、D、Q、R 四類電子量處理設備。其中，C、D 元件負責聚集輸電線路桿塔所需的應用電子量，Q、R 元件則負責感知電路環境中的傳輸電流與電壓，從而對后續的評估與報警指令做出相應的應對行為[4-5]。電量泄放處理設備具備較強的單片機適應性，能夠在記錄電子量傳輸數值的同時，將未完全消耗的電壓與電子流量，傳輸至下級設備應用元件之中。泄放電路示意圖如圖1 所示。

圖1 泄放電路示意圖

1.2 儲能變壓器

對于儲能變壓器來說，系統泄放電路直接控制該設備結構的空開頻率與最大占空比數值，在一定程度上，能夠對輸電線路桿塔所具備的電量承載能力進行評估與計算，從而使其具備更好的過飽和電力報警行為。在單端反激傳輸行為的影響下，接線柱深入輸電桿塔設備的物理深度會逐漸增大，從而使單片機的儲能水平得到充分激發；在雙端反激傳輸行為的影響下，接線柱深入輸電桿塔設備的物理深度會逐漸減小，從而使單片機的儲能水平得到有效抑制[6-7]。簡單來說，儲能變壓器設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，上部變壓結構體所具備的承壓差水平也會出現變化，這也是新型報警系統始終具備較強電子量感知能力的主要原因。

1.3 C51單片機

C51 單片機是輸電線路桿塔承載力評估和報警系統設計的核心應用元件，同時兼顧處理能力與感知能力。在泄放電路元件的作用下，C51 單片機能夠準確記錄輸電線路桿塔所承載的電量驅動信號數量級水平，并可借助外部連接按鍵，將包含復位能力的傳輸電量傳輸至下級設備應用元件之中[8-9]。供電電源能夠干預儲能變壓器的實際接入行為，從而使相關報警元件能夠準確感知輸電線路桿塔承載力評估條件的變化情況，一方面可將配網輸電網絡調試至相對穩定的運行狀態，另一方面也可實現對輸入、輸出電子流量的有效控制[10]。C51 單片機結構圖如圖2 所示。

圖2 C51單片機結構圖

2 評估和報警系統的軟件設計

在單片機設備元件的作用下，按照桿塔傳輸承載容量確定、評估靈敏度參數計算、等效報警模型搭建的處理流程，實現系統的軟件應用環境搭建，聯合相關硬件設備結構，完成基于單片機的輸電線路桿塔承載力評估和報警系統設計。

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環境中，所具備的最大電子量感知能力，由于單片機設備的影響，該項物理量受到傳輸電壓差、電阻量評估均值兩項物理量的直接影響[11-12]。傳輸電壓差數值可表示為i，在既定電量傳輸時長內，該項物理量越小，最終計算所得的桿塔傳輸承載容量數值也就越大。電阻量評估均值可表示為yˉ，由于單片機輸入作用的影響，該項物理量在實際計算過程中，基本能夠始終保持相對穩定的數值存在狀態。設傳輸電壓差數值的起始值為i0，聯立上述物理量，可將桿塔傳輸承載容量計算結果表示為：

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輸入值，e代表隨機系數，t1、t2分別代表兩個不同的電量傳輸時長。

2.2 評估靈敏度參數

評估靈敏度參數能夠直接影響輸電線路桿塔承載力評估和報警系統對于過飽和電力運行行為的反應速率，在單片機設備元件的影響下，該項系數指標的實際作用能力受到偏分電量指標、電子量修復率靈敏度兩項系數值的直接影響。所謂偏分電量指標是一項功能化的電子衡量系數值，可對輸電線路桿塔造成一定強度的外力作用影響，并且大多數情況下，該項系數值的物理水平越高，最終所得到的偏分電量指標值也就越大[13-14]。電子量修復率靈敏度具備一定的電量開源作用能力，可在已知桿塔傳輸承載容量值的基礎上，對系統評估指令的制定造成一定影響，從而使最終的報警結果能夠借助單片機設備反映出來。設β代表偏分電量指標值，l1、l2分別代表兩個不同的電子量修復率靈敏度數值，聯立式（1），可將系統評估靈敏度參數計算結果表示為：

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 等效報警模型

等效報警模型度量了輸電線路桿塔承載力評估和報警系統所具備的應用報警能力，其計算數值受到單片機設備執行能力的直接影響。在一個系統執行周期內，輸電線路桿塔所承擔的電子傳輸量越大，相關設備元件所具備的報警能力也就越強，即等效報警模型的實用性水平越高[15-16]。規定λ代表既定的系統執行周期度量值，由于單片機設備的干擾性影響，該項物理量的數值指標只能在0～1 的物理區間內不斷變動。μ1、μ2分別代表兩個不同的電量承載力系數定義項，由于輸電線路桿塔作用能力的特殊性，上述兩項物理指標在整個系統運行周期內，始終不具備完全相等的可能。聯立上述物理量，可將系統等效報警模型定義為：

式中，H1、H2分別代表兩個不同的電子量評估參量值。至此，完成各項物理系數指標的計算與處理，在單片機設備元件的支持下，實現輸電線路桿塔承載力評估和報警系統的順利應用。

3 實驗分析

為突出說明基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統的實際應用能力，設計如下對比驗證實驗。以圖3 所示配網輸電環境作為實驗背景，順次連接發電、變電、輸電、用電4 個電量傳輸環節，分別將實驗組配網主機與核心發電網絡相連，其中實驗組主機搭載基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統，對照組主機搭載傳統直流型評估報警系統。

圖3 配網輸電環境

QSR 指標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 指標數值越大，輸電線路桿塔所具備的電量承載能力也就越強，反之則越弱。表1 記錄了實驗組、對照組QSR 指標數值的具體變化情況。

表1 QSR指標數值對比表

分析表1可知，隨著實驗時間的延長，實驗組QSR指標保持先上升、再交替下降上升的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果達到了83.73%。對照組QSR 指標則保持先上升、再穩定、最后下降的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果僅能達到45.23%，與實驗組極值相比，下降了38.50%。綜上可知，應用基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統后，QSR指標數值得到了明顯促進，可在一定程度上，實現對輸電線路桿塔電量承載能力的持續提升。

QPR 指標能夠描述輸電線路桿塔過飽和電力運行行為的出現幾率，一般情況下，QPR 指標數值越大，輸電線路桿塔過飽和電力運行行為的出現幾率也就越高，反之則越低。表2 記錄了實驗組、對照組QPR 指標數值的具體變化情況。

表2 QPR指標數值對比表

分析表2可在，隨著實驗時間的延長，實驗組QPR指標在整個實驗過程中，始終保持相對穩定的數值變化趨勢，全局最大數值結果達到了30.13%。對照組QPR 指標則始終保持不斷攀升的數值變化趨勢，整個實驗過程中的最大數值結果達到了67.29%，與實驗組極值相比，上升了37.16%。綜上可知，應用基于單片機輸電線路桿塔承載力評估和報警系統后，QPR 指標確實出現了明顯下降的數值變化趨勢，可有效抑制輸電線路桿塔過飽和電力運行行為的實際出現幾率。

4 結束語

與傳統直流型評估報警系統相比，新型輸電線路桿塔承載力評估和報警系統可在單片機設備的作用下，建立完整的泄放電路體系，并可借助儲能變壓器元件，實現對桿塔傳輸承載容量值的準確計算，從而獲得明確的等效報警模型。從實用性方面來考慮，QSR 指標提升和QPR 指標下降的同時出現，能夠在增強輸電線路桿塔電量承載能力的同時，對過飽和電力運行行為的出現幾率進行有效控制，具有較高的實際應用可行性。