CN106026387A - 一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，通过电压互感器分别获得储能装置的实时电压U_1.i和太阳能面板的实时电压U_2.i，分别计算出U_1.i的有效值U₁和U_2.i的有效值为U₂，在执行过程中，根据太阳能面板的发电电压和储能系统的电压，智能地将其分为不启动充电电路模式、升压充电模式、降压充电模式、和快速能量采集模式等四种模式。本发明实现太阳能板的最大能量跟踪和采集，具有自动充电，持续供电等特征，特别适用于野外监测系统的供电电源。

Description

一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法

技术领域

本发明属于电力电子、太阳能等新能源发电和野外检测控制设备的供电电源领域，涉及一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法。

背景技术

中国电网发展将围绕坚强智能电网和全球互联网等几大主题展开，其中输电线路是重中之重，目前国家电网截至2014年年底已经累计建成“三交四直”7条特高压线路；2015年计划在国内核准建设“六交八直”14条线路，目前已经开工4条线路；到2020年计划在国内建成“五纵五横”特高压电网，合计27条特高压线路，累计输电里程达到十几万公里，而且高压铁塔多在野外，建立在或荒山野岭，或戈壁荒滩，或悬崖峭壁等，条件恶劣，安全系数低等。对于交叉跨越、自然灾害区域等地的线路危险点的观测，又要及时准确。目前大多采用是定期人工巡视方式。不仅巡视周期长，而且野外生存环境给巡线人员带来了很大的安全隐患。

随着电子信息技术推陈出新，自动化技术更新换代，电网自动化程度不断增强。利用已有的测量技术、无线通讯技术等，实现在线监测系统：借助高精度的温度与电气量，风速，湿度等传感器和高精度的视频采集，实现铁塔附近的运行环境的监测技术。输电线路的在线监测系统，使得输电线路的运行状况，实时掌握，及时调度，进一步提高了电网安全稳定的水平。

然而，对于输电线路的实时在线监测系统，配备稳定电源的问题，称为影响该应用发展的一大障碍。目前采用较多的基于电磁感应原理，利用电压互感器或者电流互感器，直接或间接从输电线路上取能；另外一个基于光电效应，凭借太阳能板，储能装置配合的供电模式。

利用感应原理取能，就地取材，方便简单。但是从电网的角度来说，利用感应取能增加了电网的电气接触点(不论是无线取能，还是利用接触取能)，降低了对地的安全距离，特别是超高压和特高压电网，电网中的电压波动过大的情况下，很可能发生接地短路。另外，在雷击等不可抗拒的自然原因中，很有可能成为一个接地点。因此，此方法隐藏的危害大，不利于电网安全稳定的运行。

采用太阳能和风能的供电方式获得的电源是间断、不稳定的，不符合该系统实时监测的要求。目前，许多在线监测系统采用太阳能和铅酸蓄电池混合供电的方式，但铅酸蓄电池体积大，不适合高空安装。聚合物锂电池不但体积小、重量轻、便于安装，而且还具有安全性能好、容量大、内阻小、放电特性佳等优点。

然而铁塔多处于野外，环境差，经常受到自然现象的干扰，太阳能板受到污染，主要表现为太阳能板转换率越来越低，另外对于太阳板无法应对霜冻、结冰和大雪覆盖等现象，太阳能板基本失效，无法实现太阳能与电能的转换。

发明内容

技术问题：本发明提供一种结合太阳能电源随机性、太阳能面板的典型输出特性，能够自主独立、全面地保证电源供给的电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法。

技术方案：本发明的电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，包括以下步骤：

1)通过电压互感器(7)分别获得储能装置(1)的实时电压U_1.i和太阳能面板(3)的实时电压U_2.i，分别计算出U_1.i的有效值U₁和U_2.i的有效值为U₂，其中i为瞬时采样的序列编号，取值范围[0～100]；

2)按照以下方式确定并执行能量采集模式：

通过实时采样的有效值U₂的大小，分为四种模式，具体论述如下；

如U₂＜0.5V，则不启动充电电路，其中V为电压单位伏特；

如0.5V＜U₂＜U₁，则Buck-Boost电路(2)处于升压模式，计算Buck-Boost电路(2)的占空比D_i，采用最大能量采集算法执行升压充电模式；

如U₂＞U₁，则Buck-Boost电路处于降压模式，计算Buck-Boost电路的占空比D_i，采用最大能量采集算法执行降压充电模式；

如太阳能面板的发电功率在最大发电功率点处，则取U₁＝P*η/f^-1，U₂＝0.95*U_2.max，然后计算Buck-Boost电路的占空比D_i，采用最大能量采集算法执行快速能量采集模式，其中，P为太阳能面板的最大功率点，η为Buck-BOOST电路(2)的效率，f^-1为储能电池的电压电流函数的反函数关系式，U_2.max为太阳能面板典型输出特性下，最大功率点对应的电压。

进一步的，本发明方法中，Buck-Boost电路中电感L根据下式选定：

L＝f(U_in.min，r，N，P_loss)

其中U_in.min是Buck-Boost电路中最小输入电压，以太阳能面板发电电压的最小值为准；r是电流纹波系数，以储能装置能接受的电流纹波率为准；N为电感线圈的匝数；P_loss为电感的损耗。

进一步的，本发明方法中，所述Buck-Boost电路的占空比根据下式计算：

D_i＝U₁/(U₁+U₂)。

进一步的，本发明方法中，储能装置的实时电压U_1.i的有效值U₁根据下式计算：

U₁＝P*η/f^-1

其中，P为太阳能面板的最大功率点，η为Buck-BOOST电路的效率，f^-1为储能电池的电压电流函数的反函数关系式。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中，根据太阳能面板的输出特性曲线，判断步骤1)中计算的U₂是否大于或等于0.95*U_2.max，如是，则判定太阳能面板的发电功率处于最大发电功率点处。

本发明方法中，计算Buck-Boost电路的占空比时，输入输出数据采用太阳能面板发电实时电压的有效值，输出电压采用储能系统两端实时电压的有效值

本发明中，太阳能面板的输出特性曲线由生产厂家提供，发电模块可为太阳能面板，小型的风电涡流机等。储能设备可以为蓄电池、超级电容、飞轮或超导磁体等。

本发明中，能量采集回路由一级滤波整流电路和二级Buck-Boost电路组成，不仅能够实现自动整流，而且配合控制命令，实现升降压的功能。

本发明中，电源管理模块根据能量采集电路的电压和储能装置的电压，动态调整能量采集电路的占空比，实现最大能量跟踪和采集。升降压电路由滤波电容，可关断器件及其保护电路和大电感等组成。

本发明适用于电力电网输电线路监测系统等类似设备的供电电源，通过最大能量收集算法，实现自动充电；利用蓄电池实现持续性供电等，特别适合用作野外供电电源。最大能量采集算法，固化在电源管理控制装置。根据能量采集电路中自动整流输出端的电压和储能装置的电压，动态调节Buck-Boost的占空比，实现最大能量跟踪和采集。最大能量收集，根据实时电气采样量和Buck-Boost电路的特点，在最大能量采集算法的控制下，通过软硬件的协调控制来实现。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明侧重于监测系统的电源模块设计，针对基于感应取能的供电电源弊端，和基于光电效应的太阳能板转换率低，在污染、霜冻或结冰情况下，无法实现采光等情况。提出了由该方案主要包括在储能装置，能量采集电路，太阳能面板，电气量采集电路，电源管理模块和太阳能面板清洁刷等组成的输电线路在线监测系统的供电电源设计方案。

(1)本发明根据太阳能发电性能随机性明显等特点，提出了基于滤波整流电路和buck-boost升降压电路的充电回路；

(2)本发明根据太阳能发电性能随机性明显等特点，基于电气量的测量量，对(1)中所述的能量采集电路进行动态的调节占空比，实现最大能量的跟踪和采集；

(3)本发明根据太阳能发电性能随机性明显等特点，提出了软硬件融合的方式，实现最大能量采集功能；

(4)本发明根据蓄电池等储能装置的充电特性和太阳能发电对天气的依赖性等特点，计算占空比后，进行了一定的输出电压阈值的优化，计算出最具有充电效率的充电电压和电流；

(5)本发明根据太阳能发电性能随机性明显等特点，提出了软硬件融合的方式，实现最大能量采集功能；

(6)本发明充分地利用了蓄电池储能持续性等特点，避免了随机性明显等特点，提出了软硬件融合的方式，实现自动充电，持续供电的野外电源；

(7)本发明充分地考虑到太阳能面板的输出特性，储能系统的电压电流的函数约束关系和Buck-Boost电路的物理模型，设计了快速能量采集模式，该模式运行于太阳能面板的最大功率点附近，进一步提高了太阳能面板能量的采集能力；

(8)本发明与传统的基于感应取能的输电线路的监测系统的电源相比，不增加接地点，提高了电网的安全稳定指标。

本发明采用先进的检测技术和控制技术使在线监测系统中的电源模块，不仅具有稳定电源的特点，而且具有持久耐用的优势，能够满足在线监测系统对高压电网输电线路及周边环境进行有效监测的要求，符合智能电网自动化发展的深入发展的要求。

附图说明

图1为本发明的总体设计示意图；

图2为本发明的能量采集回路示意图；

图3为本发明的最大能量跟踪和采集算法。

图中有：储能装置1，能量采集电路2，太阳能面板3，驱动调节信号通道4，电源管理控制装置5，电流互感器6，电压互感器7、滤波电路8、整流电路9、Buck-Boast电路10。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

电力电网输电线路监测系统的硬件平台，主要分为新能源发电设备、电力电子能量采集电路和储能装置。本发明的电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，主要包括在储能装置1，能量采集电路2，太阳能面板3，驱动调节信号通道4，电源管理控制装置5，电流互感器6，电压互感器7等组成，能量采集电路2由两级电路组成，第一级为滤波整流电路8，第二级为Buck-Boost电路10。电源管理控制装置5负责系统方案的信息的收集与整理；电流互感器6及其测量电路，电压互感器7及其测量电路等信息的采集回路；通过控制电路4将电源管理控制装置中的控制脉冲信号下行到Buck-Boost电路10中，作触发信号。

整个系统分为电能采集通道和控制通道：电能采集通道，由太阳能面板采集太阳能并转换成电能，电能经过滤波整流电路的滤波整流变成直流信号，而后经过Buck-Boost电路10调整后，充电到储能装置1中；在电能流通的过程中，控制系统通过电压互感器7和电流互感器6获得太阳能面板3的输出电压和电路，储能装置1的电压与电流，作为Buck-Boost电路10两端输入和输出电气参数，而后结合升降压电路的数学模型，计算出占空比D_i，电源管理控制装置根据占空比，输出控制信号，动态调节充电回路。

电源管理控制装置，为以数值处理芯片如DSP或ARM等为中心，加上输入、输出等电路和控制逻辑软件组成的系统。本发明方法是由固化在电源管理控制装置5中的最大能量采集算法实现，该算法通过电压传感器6和电流传感器7分别获得储能装置的实时电压的有效值U₁和太阳能面板的实时电压的有效值U₂。如果在U₂＞U₁的情况下，Buck-Boost电路10处于降压模式，通过其数学模型，计算其占空比D_i的值，该值与D_i-1比较，D_i赋值给D_i-1，最大能量采集算法继续执行D_i；在U₂＜U₁的情况下，Buck-Boost电路10处于升压模式，通过其数学模型，计算其占空比D_i的值，该值与D_i-1比较，D_i赋值给D_i-1，最大能量采集算法继续执行D_i。

另外，当U₂接近或者达到U_2.max(在太阳能面板典型输出特性中，最大功率点对应的电压值)，启动快速能量采集模式，其方法为：U₂＝U_2.max(太阳能面板典型输出特性下，最大功率点对应的电压)，U₁I₁＝P*η(其中，P太阳能面板的最大功率点，η为Buck-BOOST的效率)；另外，U₁与I₁的关系按照储能电池的已有属性即为U₁＝f(I₁)；综合以上关系式，其中P，η，U₁＝f(I₁)的函数与关系为已知，故而可得到U₁＝P*η/f^-1，计算其占空比D_i＝U₁/(U₁+U₂)的值，最大能量采集算法执行快速能量采集模式，其中Buck-Boost占空比为D_i。

Buck-Boost占空比D的确定公式：根据实时采样值，将太阳能面板的实时电压U_2.i设为Buck-Boost的输入电压U_i.i，将储能装置的实时电压设为Buck-Boost的U_o.i。

$D_i=\frac{U_{o.i}}{U_{i.i}+U_{o.i}}=\frac{U_{1.i}}{U_{1.i}+U_{2.i}}.$

Buck-Boost电路中电感元件的选型：考虑到太阳能面板的随机性，宽输入电压范围，和峰值电流输入时应避免电感饱和等，电感元件选型可以太阳能面板的最小发电电压即为最小输入电压U_in.min，储能装置的能接受电流纹波率r，根据峰值电流在避开饱和的情况下推算出的磁通密度，从而计算出匝数N，电感的损耗P_loss等。因此，其L可以看成一个函数关系如下：

L＝f(U_in.min，r，N，P_loss)。

其中L为电感，U_in.min最小输入电压，以太阳能面板发电电压的最小值为准；r电流纹波系数，以储能装置能接受的电流纹波率为准；N为电感线圈的匝数；P_loss为电感的损耗。

能量采集电路主要由第一级滤波整流电路(见图2中的滤波电路8和整流电路9)和二级Buck-Boast电路10组成，其中Buck-Boast电路10的占空比，是根据滤波整流电路的端口电压和储能装置1的电压，根据图3的算法来实时调整的，其计算公式来源于Buck-Boost传递函数的数学模型和其输入与输出电压的实时值。

图3的控制算法，根据实时的电气采样量即能量采集电路前段的U_2.i，I_2.i和储能装置的充电电压U_1.i与电流I_1.i。并根据采样得到的电气量和储能装置的充电曲线，计算出新的占空比D_i，与上一个占空比进行比较D_i-1，判断是否需要调整，如果需要调整，根据Buck-Boost电路的数学模型，将占空比转换成出发时间T，通过驱动电路，触发开关器件动作。

上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)通过电压互感器(7)分别获得储能装置(1)的实时电压U_1.i和太阳能面板(3)的实时电压U_2.i，分别计算出U_1.i的有效值U₁和U_2.i的有效值为U₂，其中i为瞬时采样的序列编号，取值范围[0～100]；

2)按照以下方式确定并执行能量采集模式：

如U₂＜0.5V，则不启动充电电路，其中V为电压单位伏特；

如0.5V＜U₂＜U₁，则Buck-Boost电路(2)处于升压模式，计算Buck-Boost电路(2)的占空比D_i，采用最大能量采集算法执行升压充电模式；

如U₂＞U₁，则Buck-Boost电路(2)处于降压模式，计算Buck-Boost电路(2)的占空比D_i，采用最大能量采集算法执行降压充电模式；

如太阳能面板的发电功率在最大发电功率点处，则取U₁＝P*η/f^-1，U₂＝0.95*U_2.max，然后计算Buck-Boost电路(2)的占空比D_i，采用最大能量采集算法执行快速能量采集模式，其中，P为太阳能面板的最大功率点，η为Buck-BOOST电路(2)的效率，f^-1为储能电池的电压电流函数的反函数关系式，U_2.max为太阳能面板典型输出特性下，最大功率点对应的电压。

2.根据权利要求1所述的一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，其特征在于，所述Buck-Boost电路(2)中电感L根据下式选定：

L＝f(U_in.min，r，N，P_loss)

其中U_in.min是Buck-Boost电路中最小输入电压，以太阳能面板发电电压的最小值为准；r是电流纹波系数，以储能装置能接受的电流纹波率为准；N为电感线圈的匝数；P_loss为电感的损耗。

3.根据权利要求1所述的一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，其特征在于，所述Buck-Boost电路(2)的占空比根据下式计算：

D_i＝U₁/(U₁+U₂)。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种电力电网输电线路监测系统电源的最大能量采集方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据太阳能面板的输出特性曲线，判断所述步骤1)中计算的U₂是否大于或等于0.95*U_2.max，如是，则判定太阳能面板的发电功率在最大发电功率点处。