CN105226834B - 一种110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装置功率波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装置功率波动抑制方法，将铁芯气隙与二次侧绕组匝数配合来达到抑制感应取能装置的输出功率波动，既能在高压线路电流较小时提高感应取能装置输出功率，又能在高压线路电流很大时适当泄放其取能功率，从而大大减小在线感应取能装置由于高压线路电流变化而导致输出功率急剧变化而对负载的冲击影响，达到了在高压线路电流宽范围波动情况下维持输出功率较为稳定的目的，当高压线路实时电流在0.5～1倍的设计工作电流之间波动时，确保了取能装置输出功率满足负载功率要求。

Description

一种110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装 置功率波动抑制方法

技术领域

本发明涉及大功率感应取能装置功率波动抑制方法，特别是110kV高压线路无线供能系统用在线感应取能装置功率波动抑制方法。

背景技术

随着工业化发展的不断深入，工业用电需求量也随之急剧增加。高压输电线路是承担着越来越重的历史使命，并肩负起东西部协调经济发展纽带的责任。但由于高压输电线路杆塔间跨度长，运行环境多在野外、郊区等偏远地区，易收到大风、雨雪、雾霾等恶劣天气的影响，存在风偏舞动、过温、覆冰、雷电高压、污秽、杆塔倾斜、鸟害等各种各样的危害，更严重的将会导致输电网络的瘫痪。所以对线路的实时在线无人监测是一种必要的防御监测手段。而监测设备的电源供给问题多采用这样几种方式：(1)采用电容分压式原理；(2)采用激光供电方式，从低电位侧发射高能量激光，传输给处于高压侧的光接收设备，将光能转换为电能；(3)采用光伏、风能并结合蓄电池的新能源发电供给方式；(4)结合高压线路感应取能技术与无线电能传输技术于一体的新型供电系统。

其中，对于方式(4)，系统包括套接在高压线路上的感应取能装置、无线输电装置等设备，感应取能装置直接安装于高压线路上，利用电磁感应原理，将线路圆周上变化的磁场转化为电能，直接作为高压线路在线监测设备无线供电系统的初始电能，并通过无线输电装置将能量传递给绝缘距离之外的在线监测设备供电。感应取能装置由两个半圆铁芯以及绕制在其中一个半圆铁芯上的二次侧绕组构成，两个半圆铁芯之间的存在气隙。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装置功率波动抑制方法，当高压线路实时电流在0.5～1倍的设计工作电流之间波动时，确保取能装置输出功率满足负载功率要求。

技术方案：一种110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装置功率波动抑制方法，感应取能装置的变量参数为铁芯气隙大小和二次侧绕组匝数，包括如下步骤：

步骤(1)，结合无线供能系统传输特性以及负载所需充电功率范围，根据110kV高压线路绝缘距离计算得到感应取能装置所需的输出功率范围为[P₁，P₂]；

步骤(2)，若高压线路设定的正常传输电流大小为I，当高压线路中实时电流I₁处于0.5I≤I₁＜I范围内波动时，通过设计感应取能装置的铁芯气隙δ，使感应取能装置输出功率在I₁＝0.5I时的最大值大于等于所述P₁；其中，当铁芯气隙δ取不同值时，感应取能装置的输出功率分别均为最大时，对应不同铁芯气隙δ感应取能装置有相同的二次侧绕组匝数N_s1，且感应取能装置输出功率最大值与铁芯气隙δ成反比关系；

步骤(3)，根据所述步骤(2)设计的铁芯气隙δ大小，当高压线路中实时电流I₁的大小等于所述I时，确定感应取能装置输出功率等于所述P₁时所对应的二次侧匝数为N_s2，并且满足N_s2>N_s1；

步骤(4)，通过罗氏线圈采集高压线路中的实时电流I₁，所述罗氏线圈输出的瞬态电压信号经数字积分器转化为稳态信号后作为采样值；将高压线路中的实时电流I₁等于所述I值时的采样值作为设定值；

步骤(5)，实时比较所述采样值与设定值的大小，当所述采样值小于设定值时，控制感应取能装置接入的二次侧线圈匝数为N_s1，否则控制感应取能装置接入的二次侧线圈匝数为N_s2。

有益效果：本发明通过对感应取能装置输出功率进行分析，发现若感应取能装置其他参数固定的情况下有如下规律：当铁芯气隙δ取不同值时，感应取能装置的输出功率分别均为最大时，对应不同铁芯气隙δ感应取能装置有相同的二次侧绕组匝数N_s1，且感应取能装置输出功率最大值与铁芯气隙δ成反比关系。本发明的一种110kV高压线路无线供能系统用大功率感应取能装置功率波动抑制方法，利用上述规律，将铁芯气隙与二次侧绕组匝数配合来达到抑制感应取能装置的输出功率波动，既能在高压线路电流较小时提高感应取能装置输出功率，又能在高压线路电流很大时适当泄放其取能功率，从而大大减小感应取能装置由于高压线路电流变化而导致输出功率急剧变化而对负载的冲击影响，达到了在高压线路电流宽范围波动情况下维持输出功率较为稳定的目的，当高压线路实时电流在0.5～1倍的设计工作电流之间波动时，确保了取能装置输出功率满足负载功率要求。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明方法中的感应取能装置的功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装置功率波动抑制方法基于的硬件设备包括：安装在110kV高压线路上的感应取能装置，Rogowski线圈(罗氏线圈)、数字积分器、数字比较器、可控二极管等设备。感应取能装置利用电磁感应原理，将高压线路圆周上变化的磁场转化为电能，直接作为高压线路在线监测设备无线供电系统的初始电能，并通过无线供能系统将能量传递给绝缘距离之外的在线监测设备供电。本方案中，感应取能装置的二次侧绕组的正负端连接负载Z₂，可控二极管的阳极连接二次侧绕组的正端，其阴极连接二次侧绕组的线圈上，其控制端连接数字比较器的输出端。在感应取能装置通过无线供能系统给监测设备供能时，若高压线路电流发生较大波动时易导致其输出功率急剧变化而对负载的冲击影响。

本发明的在线感应取能装置功率波动抑制方法，所涉及的感应取能装置的变量参数仅为铁芯气隙大小和二次侧绕组匝数，其余参数固定不变。根据计算感应取能装置输出功率分别与铁芯气隙δ及二次侧绕组匝数N_s之间的关系，得到如图2所示的变化曲线，并分析得出：对于给定参数的铁芯本体，存在唯一一个最优化的二次侧绕组匝数N_s1使得感应取能装置输出功率为最大，该二次侧绕组匝数N_s1为定值，不随铁芯气隙大小变化以及高压线路中电流的变化而变化。同时，铁芯气隙越小，感应取能装置输出功率增量越显著，即两者成反比。根据此现象，选择合适的铁芯气隙长度，使得感应取能装置最大输出功率在相同高压线路电流下达到无线供能系统所需取能功率的范围，具体步骤为：

步骤(1)，结合无线供能系统传输特性以及负载所需充电功率范围，根据110kV高压线路绝缘距离计算得到感应取能装置所需的输出功率范围为[P₁，P₂]。本实施例中，假设感应取能装置所需的输出功率范围为[50W，100W]。其中，P₁为感应取能装置所需的输出功率范围最小值，P₂为感应取能装置所需的输出功率范围最大值。

步骤(2)，假设高压线路设定的正常传输电流大小为I，当高压线路中实时电流I₁处于0.5I≤I₁＜I范围内波动时，通过设计感应取能装置的铁芯气隙δ，使感应取能装置输出功率在I₁＝0.5I时的最大值大于等于P₁＝50W。具体步骤为：首先，根据感应取能装置的输出功率表达式确定得到N_s1，确定N_s1值的方法可以是根据感应取能装置的输出功率表达式数学求导得到，也可以利用利用仿真软件绘制得到如图2所示的功率曲线图后，从图中直观读取N_s1值；然后确定铁芯气隙δ，其方法可以是根据线取能装置的输出功率表达式计算得到δ值，也可以根据功率曲线图直观得到δ值，满足感应取能装置输出功率在I₁＝0.5I时的最大值大于等于P₁＝50W。

步骤(3)，根据步骤(2)确定的铁芯气隙δ大小，当高压线路中实时电流I₁的大小等于高压线路设定的正常传输电流大小I时，确定感应取能装置输出功率等于感应取能装置所需的输出功率的下限值P₁时所对应的二次侧匝数为N_s2，并且满足N_s2>N_s1。确定N_s2值可以在确定铁芯气隙δ后，根据感应取能装置的输出功率表达式计算得到，也可以在功率曲线图上绘制P₀＝50W的直线，得到该直线与电流大小I时功率输出曲线的两个交点，选取两个交点中对应匝数大于N_s1的即为N_s2值。

步骤(4)，通过罗氏线圈作为采样传感器来采集高压线路中的实时电流I₁，罗氏线圈输出的瞬态电压信号e(t)经数字积分器转化为稳态信号E后作为采样值。同时，将高压线路中的实时电流I₁等于I值时的采样值作为设定值Es。

步骤(5)，将采样值E与设定值Es输入到数字比较器的d₁与d₂端口中，实时比较采样值与设定值的大小：当采样值E小于设定值Es时，数字比较器输出高电平到可控二极管的控制端，控制其导通，此时感应取能装置接入的二次侧线圈匝数为N_s1，此时感应取能装置输出功率达到该高压线路电流下的最大值；反之，当采样值E大于设定值Es时，比较器输出低电平，可控二极管关断，感应取能装置接入的二次侧线圈匝数为N_s2，此时感应取能装置输出功率依旧可满足负载功率需求，却并没有达到最大功率点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种110kV高压线路无线供能系统用大功率在线感应取能装置功率波动抑制方法，其特征在于：感应取能装置的变量参数为铁芯气隙大小和二次侧绕组匝数，包括如下步骤：

步骤(1)，结合无线供能系统传输特性以及负载所需充电功率范围，根据110kV高压线路绝缘距离计算得到感应取能装置所需的输出功率范围为[P₁，P₂]；

步骤(2)，若高压线路设定的正常传输电流大小为I，当高压线路中实时电流I₁处于0.5I≤I₁＜I范围内波动时，通过设计感应取能装置的铁芯气隙δ，使感应取能装置输出功率在I₁＝0.5I时的最大值大于等于所述P₁；其中，当铁芯气隙δ取不同值时，感应取能装置的输出功率分别均为最大时，对应不同铁芯气隙δ感应取能装置有相同的二次侧绕组匝数N_s1，且感应取能装置输出功率最大值与铁芯气隙δ成反比关系；

步骤(3)，根据所述步骤(2)设计的铁芯气隙δ大小，当高压线路中实时电流I₁的大小等于所述I时，确定感应取能装置输出功率等于所述P₁时所对应的二次侧匝数为N_s2，并且满足N_s2>N_s1；

步骤(4)，通过罗氏线圈采集高压线路中的实时电流I₁，所述罗氏线圈输出的瞬态电压信号经数字积分器转化为稳态信号后作为采样值；将高压线路中的实时电流I₁等于所述I值时的采样值作为设定值；

步骤(5)，实时比较所述采样值与设定值的大小，当所述采样值小于设定值时，控制感应取能装置接入的二次侧线圈匝数为N_s1，否则控制感应取能装置接入的二次侧线圈匝数为N_s2。