面向超高压输电线路监测设备的供电系统改进设计

国网湖北省电力有限公司超高压公司鄂西北运维分部 谢 鹏 贾 翔

对于远距离输电而言，超高压输电线路易受到诸多因素影响，出现各类故障，严重时甚至会影响整个电网的正常运行。考虑超高压输电线路所处环境具有复杂多变的特点，利用在线监测设备能够实时监测输电线路运行状况，保证其运行的稳定、安全，而可靠、稳定、具有较强抗干扰能力的电源系统则是其中关键[1]。现阶段，应用于超高压输电线路的在线监测设备主要有两种供电方式--有线和无线。其中，有线方式电源体积较大、维护频繁、安装难度大；而无线方式虽然是通过中继能量转化经隔空传输后再转变为电能，能够在一定程度上规避高压侧和低压侧之间存在的电势差，实现稳定供电，但设备安装烦琐、抗干扰能力较差，成本高昂，已经难以满足超高压输电线路在线监测设备的供电需求[2]。而电网作为一个巨大能源，其中蕴含大量谐波能量，从高压母线中提取谐波电能，并将其转化为可供监测设备使用的绿色能量，可以作为向超高压输电线路中在线监测设备进行供电的可靠方式，在确保电网安全、稳定运行的基础上，实现对谐波能量的合理利用，契合“绿色节能”的发展理念。

1 电网谐波能量

可以将电网谐波看作是周期电气量的正弦波分量，其频率一般为基波的整数倍。在电网系统中“发、变、输、配、用”各环节均可能产生谐波，有损电网质量，会对电网系统造成多方面的不良影响，例如致使变压器过热缩短寿命、致使电容器过负荷损坏、降低通信质量、击穿线路设备绝缘等[3]。而电网谐波标准则是通过两个参数进行衡量，分别是公用电网谐波电压限制及注入电网谐波电流，因为公用电网电压等级有所差异，对谐波畸变率的允许范围也不一致。在GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》中对公用电网谐波电压限制有所明确，具体见表1。

表1 不同电压等级公用电网谐波畸变率允许值

2 超高压输电线路谐波特性分析

2.1 谐波特性理论分析

考虑电网中接入诸多电力电子器件，具有较大的非线性负载，存在大量谐波。尤其是整流器这一比较典型的谐波源，因其多采用移相控制，可以对缺角正弦波进行吸收，吸收过程中也留有部分缺角正弦波，致使电网中的电压与电流产生畸变形成谐波。

选择阻感负载的三相桥式整流电路作为案例进行分析，若电路中直流侧的额滤波电感数值较大，即可不对换相过程进行考虑，设定直流侧流过的是恒定电流Id，晶闸管导通时间为2π/3，各时刻都具有两个晶闸管导通；而交流侧相电流则是正负半波幅值的Id，且维持2π/3的矩形波。同时，电路中三相电流波形一致，相位差120°，由此可以利用傅里叶级数构建矩阵得出三角波函数级数：

其中a0代表直流分量，an和bn分别代表n 次谐波余弦项系数和n 次谐波的正弦项系数。

A 相电流的傅里叶表达式如下：

由此，对基波和各次谐波电流有效值进行计算：

可见，在电路中注入电网电流中的谐波共有6k±1（k 为正整数）。

2.2 超高压谐波相序特性分析

考虑线性负载的三相对称电流中，各相电压与电流保持相同，电流与电压同正序相序特征相符，相位差为120°。但三相对称电路均由非线性负载构成时，电流会产生畸变，三相电流表达式如下：

当n 取值为不同参数时，谐波相序特性不同，n取6k+1时，表现为正序特性，A 相滞后C 相120°，超前B 相120°；而当n 取6k-1时，表现为负序特性，A 相超前C 相120°，滞后B 相120°。

2.3 谐波特性仿真分析

对上述举例的阻感负载的三相桥式整流电路进行仿真模型构建，分析接入非线性负载时的谐波波形和频谱，以确定主要谐波分量，谐波源仿真电路如图1所示。

图1 谐波源仿真电路

仿真过程中，电网系统的等效阻抗RS为0.1Ω，等效电感LS为0.38mH，电网U0是500kV，系统负载为15MW 的非线性负载设备，控制角为60°。通过观察发现，因非线性负载的接入，致使电压和电流出现畸变，经过对波形的傅里叶变换分析，得到如图2所示的畸变电压频谱分析。

图2 畸变电压频谱

由此可见，此时的电压畸变率在17.30%，其中5、7次谐波的占比较大，11、13次谐波的占比较少，可以通过对主要谐波分量的提取，实现谐波能量向直流电能的转换，从而为后级电路进行稳定供电。

3 面向超高压输电线路监测设备的供电系统改进设计

通过上述分析，可以提取主要的5、7次谐波能量，经后级电路处理后将其转换为直流电能提供给射频电能发射装置，之后射频装置发出信号，由输电杆塔上安装的射频取电装置接收信号并转化为直流电能向检测设备供电。

3.1 面向超高压输电线路监测设备的供电系统结构

设计的供电系统结构主要包括谐波提取、射频电能发射装置、射频取电装置几部分组成。供电系统原理是利用电磁感应原理，通过对电网中电流进行耦合，借助无源滤波器和基波磁通原理连接三绕组变压器一侧和单调谐波器，耦合后的谐波流入一次侧，采用滞环比较PWM 控制法进行有源补偿，从而在副边绕组生成方向相反，而大小保持一致的基波补偿电流，流过变压器之后，即可实现谐波能量在另一副边绕组中的提取。基于此，利用WPT技术实现电网谐波能量向射频能量的转换，跨越超高压绝缘安全距离，利用取电装置对射频能量进行接收，最后将其转换为直流电能，完成对在线监测设备的稳定供电。整个供电系统的结构图如图3所示。

图3 在线监测设备供电系统结构设计

3.2 谐波提取设计

针对谐波提取设计而言，首先利用互感器耦合电网电流，其中包含5、7次谐波；在二次侧将5、7次单调谐回路串联三绕组变压器一次侧，从而使5、7次谐波流经变压器一次侧。同时，在变压器二次绕组中流过同一次侧反方向、大小相同的基波补偿电流，设定铁芯基波磁通等效为0，并且让变压器一次侧对基波的表现向0趋近，从而生成楼阻抗，当变压器一次侧流过基波电流时则会具有较高的励磁阻抗表现，最终于另一副边绕组中提取谐波能量。

3.3 射频电能发射装置设计

在设计的供电系统中，射频电能发射装置是关键，决定着监测设备供电系统中电能的无线传输距离和效率。综合考虑射频发电装置的中心频点处发射功率应相对较高，从而实现对射频取电装置的稳定射频供电。此部件的整体结构设计包括电源、射频源、核心处理器、滤波器、功率放大器、发射天线，以及连接器。为进一步缩小射频电能发射装置的体积，在设计过程中确定选择集成式发射芯片，芯片中具有功率放大器、振荡器，以及滤波器等模块[4]。整个射频电能发射装置通过处理器以及发射芯片负责通信实现，并对频点、功率等参数进行合理配置，待功率达到一定值后即可成功将射频信号辐散到空中。

为更好地满足装置不间断供电的需求，保证在出现短路故障或一次侧谐波电流较小的情况时，即便在瞬间电流高达几千安，远超额定电流的情况下也能实现正常供电，必须加强对射频电能发射装置中互感器参数设计的重视。一方面要尽可能降低电压死区；另一方面，应尽可能规避因电流变化幅值过大而造成的过早磁饱和，尽量减少因尖峰脉冲对后级电路造成的损害。由此，展开对副边谐波提取绕组的特殊设计，对其进行开隙设计，并将感应线圈的铁芯确定为纳米晶材料，再经过冲击保护、能量释放、整流滤波，以及DC-DC 转换后，实现谐波向直流电能的转化。

3.4 射频取电装置设计

在设计过程中，射频取电装置是其能源来源，为确保满足设备正常运行状态对功率的需求，需要保证取电装置在中心频点处的转换效率较高，可以提供稳定性更强的直流电能，射频取电装置的结构如图4所示。

图4 射频取电装置结构图

对于射频取电装置的结构设计而言，其中主要包括阻抗匹配、接收天线、负载电路和整流倍压。射频取电装置中，接收天线接收由射频电能发射装置辐散至空中的射频信号，主要为固定中心频点处的信号，之后以最大转换效率，使射频信号经过阻抗匹配电路传递至后级整流倍压电路，经过电能转化作为可靠供电使用。

4 结语

本文主要对面向超高压输电线路监测设备的供电系统进行改进设计，采用WPT 技术将输电线路中存在的谐波能量转化为监测设备的电能来源，对供电系统改进方案进行电路设计与原理分析。仿真模型结果证明，所提出的设计具有一定的正确性和可行性，具备推广应用价值。