特高压直流线路宽频域电晕电流在线测量系统的低功耗技术研究

刘鸿宇 刘元庆 袁海文 吕建勋 陆家榆 辛恩承

摘 要：为了给特高压直流线路宽频域电晕电流测量系统供能，研究了特高压环境下的独立供电技术，针对特高压环境下发现的测量系统续航能力不足问题，对独立供电系统进行低功耗设计。设计了以可调占空比PWM波为控制信号的低功耗控制电路，达到降低系统平均功率的目的。经过Multisium软件对设计的可控低功耗电路的仿真为指导，经改进过后的测量系统续航能力得到了显著的提升。

关键词：特高压直流 电晕电流 低功耗 PWM

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0037-03

随着我国电力工业的发展，输电系统电压等级的提高，电晕效应问题成为特高压输电技术关键技术问题之一。由于我国特高压输电线路将经过不同地理和不同环境地区，随着电压等级的提高，电晕效应问题会更加突出。电晕电流是与电晕损失是电磁环境参数直接相关的物理量，通过研究电晕电流数据对改进特高压输电线路建设的导线配置可提供依据。

由于电晕电流采集系统作为一个离线系统悬挂在输电线路的高压侧一段，必将自带一个供能系统为其进行供电，供电模块选择为锂电池。在复杂的外部条件下，测量系统必将进行一个长时间的工作，而电池的更换只能靠人工进行，在有限的电池容量下，对测量系统进行低功耗设计，不仅能够达到节省人工，减少对电晕电流测量系统的干扰，而且提供了一个长时间的保障。

对于当下的低功耗技术来说，主要有以下的划分，（1）系统级基本思想是在部分模块进入空闲状态后立即关闭，主要研究如何进行系统划分和状态预测；（2）体系结构级主要方法是动态功耗管理，包括动态电压管理、动态频率管理、低功耗调度策略和软硬件划分等。

1 电晕电流测量系统介绍

根据测量技术的实际情况，考虑到安全性和可靠性等因素，宽频域电晕电流测量系统总体方案如下。

该测量系统主要由特高压当地端和安全位置测量端组成，在特高压直流实验环境下，选择光纤作为高压当地端和安全位置测量端之间的传输介质。在测量系统当地端和安全位置测量端均配有光电转换装置。在当地端的数据采集卡将数据采集后传输到电光转换装置，将电信号转化为光信号，通过室外光纤传递到安全位置测量端的分别将电信号转换位光信号以及将光信号转化为电信号。以达到测量数据互相传输的目的。

2 电晕电流测量系统电源硬件系统设计与实现

2.1 测量电路

为了达到电晕电流数据采集的目的，主要要对采集当地端进行硬件设计。

采集当地端主要由五部分组成：光电转换模块、高速数据采集卡模块、控制电路板、供电模块、传感器模块。其中传感器模块，采集卡模块以及光电转化模块为此采集当地端的主要电能消耗部分。传感器以及采集卡采集电压数据以及电流数据，传输至当地端USB—光纤转换器，将电信号形式的数据转换为光信号形式的数据，通过与其相连的室外光缆光纤传输至测量系统本地端，由本地端USB—光纤转换器（LEX）将光信号转换为电信号后，传输至高性能计算机。

其中，电源模块的构成为：电模块的选择为两块40 AH的可充电锂电池，提供系统所需的+12 V电源。

2.2 能源控制设计

由于系统整体耗能大，电晕电流测量实验持续时间长，电池消耗快，需要频繁更换。因此，需要对供电模块进行电压电流控制，在该系统的构架中，选用的是控制电路板，如图1所示：

图3表示的是供电模块的组成以及控制方式，其中供电模块主要由电源模块和控制通断的控制板组成。控制板所要实现的功能主要有四个部分：电压波形调理部分，电压转换部分，设备保护部分，信号切换部分。

电压波形调理部分：由于电池采用的是输出电压12 V，容量40 Ah的充电锂电池。在输出电压方面，会出现一定的波动，通过15组的电池输出电压采集数据来看，电池的输出电压主要波动在12.3 V～13.2 V之间。为了输出电压的稳定，保证后续设备的工作正常，加入电压波形调理电路，稳定电池电压的输出。

电压转换：经过电压波形调理后的电池输出为稳定的12 V直流电压，需要供电的设备主要有：串口/USB部分，光电转化部分，采集系统采集卡部分。其中，由于串口/USB部分主要作用对采集系统命令的收发。在采集过程中需要保持对其的长期供电，工作压为5 V，光电转换部分主要作用是将电流电压信号转化为光信号传输回本地安全测量端，工作电压为5 V。采集卡部分为该能源模块主要的供电部分，也是该采集系统的核心部分，主要是在电晕电流试验中，对数据进行采集，其工作电压为6 V。

设备保护部分：由于该控制板的安装位置处于特高压环境之下，于电压等级在百万伏左右，瞬间高压脉冲容易破坏传感元件，瞬间高压脉冲极易破坏采集卡通道，为防止此类情况发生，可在电阻两端加上保护电路，并联P6KE15CA瞬态抑制二极管TVS和2R-75V陶瓷放电二极管。除了过压保护，将采集卡所有探头都进行短路保护。使用继电器加上TVS管和气体放电管，可以达到保护采集卡的目的。

通过能源消耗的方式以及控制电路板的工作模式，在电压波形调理的部分，可以引入控制电压输出的模块。从而达到控制功率消耗的目的。

3 系统低功耗设计

3.1 低功耗设计的必要性

特高压交流电晕电流测量系统工作的过程中，使用的供电系统是可充电锂电池置于远程端一体式保护桶内。在该研究所考虑的供能设计中，远程端的电能消耗主要可以分为两个部分：

（1）测量系统远程端电流采集模块中的光纤开关远程端需要长时间不间断保持运行，这是在不进行电晕电流测量时，系统的最大能耗。

（2）进行电晕电流测量实验时，主要能耗设备有：采集卡，光电转换器，光电传输电路。其中，采集卡配备有独立散热器进行散热，能耗最高，是主要能耗设备。

因此，在进行长时间不间断的电晕电流测量实验时，经常需要对测量系统远程端电池进行更换，研究一种新的供电方法，减少电池更换次数，加强系统的续航性。

为了达到这个目的，从该电晕电流测量系统电能消耗入手。

从测量开始，电源系统开始对设备进行供电，其工作的总功率为19.5 W，加上内部线路的消耗的功率，总功率约为20 W，而该系统所使用的为两块输出电压为12 V，容量为40 Ah的锂电池，总能量为960 Wh，可供测量系统工作48 h，从实际的实验情况来看，每天实验时间为8～10 h。可供使用时间为4～6天。由于安装位置的原因，电池的更换是需要人工并且比较耗时，所以，为了节省时间和人力，设备低功耗的设计是十分有必要的。

3.2 低功耗设计的方法与结果

3.2.1 系统工作模式

为了达到系统低功耗的目的，首先，明确该电晕电流系统的工作方式。

电晕电流工作有三种模式。在短时工作的模式之下，设备的有效工作时间占总工作时间的1/4，长期工作模式之下占比为1/4～1/5，快速工作模式之下比例为1/4～1/3。

从工作模式中可以看出，采集系统工作时，大量的时间是将电池的能量浪费掉而并没有用在数据的采集之上。因此，可以通过控制采集卡电源的通断达到节省电能的作用。

3.2.2 PWM低功耗设计

为了降低采集系统的平均功率，采用PWM波的方式对采集系统的电压通断进行控制。

由于设备的功耗与电压的平方成正比关系，降低供电电压是降低功耗的有效手段。该研究在电晕电流测量系统中引入动态电压缩放技术（DVS），这是一种动态的功耗管理方法，当实际负荷高时，加大供电电压的输入，当实际负荷低时，降低供电电压的输入。不仅能够保证系统的工作性能的完美，而且能够有效地降低系统功耗。

在这样的一个系统中，关键核心为DC/DC电路，并且引入PWM波发生器作为门控信号，通过该改变PWM波的占空比达到控制电压的目的。图4为系统的工作方式图。

在该研究的低功耗研究中，选择使用Buck电路作为被PWM波信号控制的电路。

图3为buck电路的基本仿真图，经过调制后，当PWM波处于高电平时输出电压，而当低电平时，输出电压基本为零，当系统处于有效的工作时间时，调制PWM波输出高电平，当处于系统非有效工作时间，调制PWM波输出低电平。

通过对于系统加入调制PWM波低功耗电路，经过实地测量，在进行低功耗设计之前，系统的功耗达到了19.5 Wh，而在经过低功耗设计之后，系统的功耗降到了8.8 Wh，效率提高了一倍左右。该研究的设计在保证测量系统的性能的基础上有效地降低了系统的平均功耗，使测量系统的工作时间从4～6 d延长到8～12 d。说明该研究所设计的基于PWM波调制的系统低功耗设计是合理的。

4 结语

（1） 以电晕电流测量系统为背景，设计了一套以锂电池为核心的能源控制系统。保证了电晕电流测量系统的正常高性能地工作。

（2） 为了使系统更加高效地工作在较为恶劣的环境之下，设计了系统的低功耗控制方式与电路。有效地降低了系统的平均功耗，增强了系统的续航能力。

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