柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统设计
刘胜芬 潘银松 高瑜
关键词： 柔性直流输电; 节能控制; 嵌入式系统; 换流阀组; 电容器; 电抗器
中图分类号： TN712+.3?34; TM721 ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2019）04?0134?04
Design of intelligent energy?saving control embedded system
based on flexible DC transmission
LIU Shengfen， PAN Yinsong， GAO Yu
（City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 402167， China）
Abstract： In allusion to the problems of small energy?saving coefficient and long fault alarm delay existing in the current electric energy saving control system， an intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission is proposed and designed. The framework of the intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission is constructed on the basis of analyzing the main principle of flexible DC transmission. The energy?saving control station module in the framework is mainly responsible for switching， start?stop and operation mode transformation of the flexible DC transmission device. The pole control module is responsible for control of pole opening， stopping， power and current. The converter module can control the opening， stopping， switching， and over?loading of the converter valve set. The three main modules are used to realize power energy consumption control of flexible DC transmission. In consideration of the energy saving of reactors and capacitors in the main circuit of the flexible DC transmission， the reactor parameters are selected based on the current tracking speed of flexible DC transmission and the current pulsating quantity during the switching period time， so as to realize energy saving of the electric reactor. The capacitor parameters in the flexible DC transmission are selected based on the follow?up performance of the voltage loop control， so as to realize energy saving of the capacitor. The monitoring unit of the system is designed to monitor the intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission in real time， so as to push out abnormal conditions in the form of the alarm. The experimental results show that the system has large energy?saving coefficient and short fault alarm delay， which is practical.
Keywords： flexible DC transmission; energy saving control; embedded system; converter valve set; capacitor; electric reactor
柔性直流输电具有向无交流电源中负荷点输电顺畅、控制方式简便灵活、可有效提升电网电能质量等优点。电能节能控制系统的设计与实现对我国可持续发展十分重要，相关研究成果众多[1?3]。以下列研究成果为例对当前电能节能控制系统进行分析，为柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的设计与构建奠定基础。郭志华等人提出并构建基于Android的LED节能控制系统[4]。该系统将安卓作为操作平台，通过LM3409HV降压自主反馈控制，利用WiFi实现远程节能LED照明控制。在通用输入电压状况下，实现高功率因数的调整。结果表明，该系统设计及运行成本低，但对于节能系统产生的故障报警存在延迟。于新业等人提出并构建一种电能节能控制系统[5]。该系统能够使用户利用手机或者PC机完成用电设备节能控制以及管理。将电能节能控制系统应用至某高校，结果表明，该系统整体结构简单，但节能系数较低。
针对上述电能节能系统存在的问题，提出并设计一种柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统。1 ?柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统
1.1 ?柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统框架
柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统具备直流输电启停节能、传送功率大小与调节方向等性能，还能够对换流站和直流线路中运行数据进行监控[6]。智能节能控制嵌入式系统框架如图1所示。图1中节能控制站主要负责柔性直流输电设备投切、启停以及运行模式的变换等，极控制模块可实现极的开启、停止、功率和电流的控制等功能，极控制模块性能对柔性直流输电智能节能的好坏影响较大[7]。换流器模块可对换流阀组开启、停止、投切和阀组是否过荷等进行控制。
通过柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统中节能控制站模块、极控制模块、换流器模块三大主要功能模块对直流输电功率能耗进行控制。
1.2 ?柔性直流输电主电路参数选择
针对电抗器参数选取：基于柔性直流输电电流跟踪速度与开关周期时间段内电流的脉动量，电抗器的参数选择有上下限值进行限制，其值表达式分别为：
[L1a≥Us1+23Ud1ΔI1amfc] （1）
[L1a<Ud1+Tc3I1amsin ωfc] ?（2）
式中：[L1a]代表电抗器的电感值;[Us1]代表三相点电压的幅值;[Ud1]代表直流侧电压值;[I1am]代表相电流基波分量产生的幅值;[ΔI1am]代表柔性直流输电节能允许情况下的电流脉动量;[fc]代表载波频率。
将电抗器参数选择控制在式（1）和式（2）间，可有效控制电抗器功率与能耗，进而增强柔性直流输电节能控制嵌入式系统性能。
针对电容器参数选取：基于电压环控制具备的跟随性和抗干扰因素对柔性直流输电中的电容器参数进行选择[7]，其取值也存在上下限值：
[C≥12RΔUdc] ? （3）
[C<TRRln6-8.26UmUdc] ? ?（4）
式中：[C]代表电容器的电感值;[TR]代表柔性直流电压由初始值到稳态运行后最小的直流电压需要上升的时长;[R]代表柔性直流侧的等效电阻值;[Um]代表交流侧相电压的幅值;[Udc]代表直流电压波动幅值[8]。
将电容器参数选择控制在式（3）和式（4）间，可有效控制电容器功率与能耗，还能进一步增强柔性直流输电节能控制嵌入式系统性能。1.3 ?柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统监控单元
依据柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的特性，为了更好地实现柔性直流输电智能节能控制，及时发现节能过程中出现的异常并报警，需要设置监控功能模块[9]。根据以上分析与计算，构建的柔性直流输电智能节能控制系统监控单元如图2所示。
要监视柔性直流输电智能节能控制系统整体运行状态和换流器以及断路器等部分的运行状态，并实现异常报警，适应柔性直流输电智能节能系统运行，需要在现存采集数据基础上，对信息数据的采集范围进行扩展，并利用调度数据网和各换流站进行互联，实现数据的交互[10]。数据采集层采集直流系统中关于输电节能的数据信息，系统中心对采集到的信息进行分析，完成柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统实时监控，同时将出现的异常状况以告警形式推送出来。2 ?实验结果与分析
实验中对柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统性能进行验证，实验平台为Matlab，实验过程中的主要参数如下：额定容量为1 000 MV·A;额定功率为1 000 MW;额定的直流电压为±330 kV;等值电阻为0.99 Ω;等值电感值为1.3 mH。实验指标为：电能节能控制系统节能系数;系统异常告警延迟。
2.1 ?实验一
不同系统节能系数对比如图3所示。根据图3实验结果可知，柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统节能系数在不同实验次数下，展现出了较强的节能性能。利用柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统中节能控制模块、极控制模块、换流器模块三大主要功能模块对直流输电功率能耗进行了控制，初步提升了柔性直流输电节能系数。又分别将电抗器参数和电容器参数选择控制在合理范围内，不仅高效控制了电抗器和电容器功率与能耗，还增强了柔性直流输电节能控制嵌入式系统节能性能，进一步提升了柔性直流输电节能系数。从該实验结果可看出柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统相比当前系统在节能性能方面具有较强的优势，且具有科学性与鲁棒性。
2.2 ?实验二
不同系统异常告警延迟对比分析如图4所示。图4实验结果与文献[5]所提系统的异常告警延迟相比，柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统异常告警延迟更短。所提系统依据柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的特性，设计并构建了系统的监控功能模块。该模块以监视柔性直流输电智能节能控制系统整体运行状态和换流器以及断路器等部分的运行状态为主要任务，实现柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统实时监控，以此来提升直流输电节能控制系统的异常告警效率，降低告警延迟。该实验结果进一步证明了所提系统的性能更为完善，合理性更强。
综合图3和图4实验结果，所提柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统在输电节能方面和异常告警延时方面均优于当前系统。实验结果表明，所提系统性能优越性强，且可实践性也较强。3 ?結 ?论
柔性直流输电是一种新型的电网输电技术，于电网未来发展与开拓中前景广阔。针对柔性直流输电的不断研究与推广，要在实际情况基础上，对其输电过程进行节能控制，提出并构建了柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统。该系统主要功能模块为节能控制站模块、极控制模块、换流器模块，利用这三个模块可在很大程度上控制柔性直流输电能耗。合理选择了电抗器和电容器参数，以此将这两部分的能耗控制在合理范围内。设计了系统的监控单元，对节能数据信息和是否存在异常进行监测。通过实验证明了所提方法的可靠性，下一步可针对柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的可视化界面进行详细设计，为该领域性能的扩展提供支撑。
参考文献
[1] 范鋆，何明胜.电教多媒体设备的节能电源设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（16）：180?182.
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[2] 卜雷.大功率液压机械传动系统的高效节能控制方法[J].科学技术与工程，2017，17（26）：69?73.
BU Lei. Control method of high power hydraulic mechanical transmission system with high efficiency and energy saving [J]. Science technology and engineering， 2017， 17（26）： 69?73.
[3] 李淑鑫，刘文颖，李亚龙，等.荷源联合调峰运行方案的电力节能评估研究[J].电力系统保护与控制，2016，44（12）：7?14.
LI Shuxin， LIU Wenying， LI Yalong， et al. Evaluation of energy?saving on peak load regulation scheme based on source?load coordination [J]. Power system protection and control， 2016， 44（12）： 7?14.
[4] 郭志华，李永业，樊安顺.大型泵站输水系统运行过程控制优化与节能[J].人民黄河，2017，39（12）：127?130.
GUO Zhihua， LI Yongye， FAN Anshun. Study on energy saving and optimal control in the operational process of large scale pumping station [J]. Yellow River， 2017， 39（12）： 127?130.
[5] 于新业，易艺，郝建卫.教学楼电能节能控制系统的设计[J].电子技术应用，2017，43（6）：79?82.
YU Xinye， YI Yi， HAO Jianwei. Design of energy saving control system for teaching building [J]. Application of electronic technique， 2017， 43（6）： 79?82.
[6] 黄帆，杨贤昭，陈洋.基于Android的智能可调光LED灯节能控制[J].高技术通讯，2016，26（7）：703?711.
HUANG Fan， YANG Xianzhao， CHEN Yang. Energy saving control of intelligent adjustable light LED lamps based on Android [J]. Chinese high technology letters， 2016， 26（7）： 703?711.
[7] 郎曼，李国勇，徐晨晨.电梯群控系统的节能调度优化仿真[J].计算机仿真，2017，34（2）：375?379.
LANG Man， LI Guoyong， XU Chenchen. Elevator group control system for energy scheduling optimization simulation [J]. Computer simulation， 2017， 34（2）： 375?379.
[8] 王益涵，王凯林，孙宪坤，等.基于CPUfreq的DVFS节能技术的研究与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（2）：151?154.
WANG Yihan， WANG Kailin， SUN Xiankun， et al. Research and implementation of DVFS energy?saving technologies based on CPUfreq [J]. Computer measurement & control， 2016， 24（2）： 151?154.
[9] 何姗姗，李薇，卢晗，等.抽水蓄能电站应用及节能减排评价研究进展[J].科技通报，2017，33（12）：15?20.
HE Shanshan， LI Wei， LU Han， et al. Research progress of pumped storage power plant application and evaluation of energy?saving and emission reduction [J]. Bulletin of science and technology， 2017， 33（12）： 15?20.
[10] 刘恩海，赵坤正，刘圣勇，等.基于动态负荷跟踪的水蓄冷空调系统节能研究[J].热科学与技术，2016，15（3）：215?219.
LIU Enhai， ZHAO Kunzheng， LIU Shengyong， et al. Study on energy saving of chilled water storage air?conditioning system based on dynamic load tracking [J]. Journal of thermal science and technology， 2016， 15（3）： 215?219.
关键词： 柔性直流输电; 节能控制; 嵌入式系统; 换流阀组; 电容器; 电抗器
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Design of intelligent energy?saving control embedded system
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Abstract： In allusion to the problems of small energy?saving coefficient and long fault alarm delay existing in the current electric energy saving control system， an intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission is proposed and designed. The framework of the intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission is constructed on the basis of analyzing the main principle of flexible DC transmission. The energy?saving control station module in the framework is mainly responsible for switching， start?stop and operation mode transformation of the flexible DC transmission device. The pole control module is responsible for control of pole opening， stopping， power and current. The converter module can control the opening， stopping， switching， and over?loading of the converter valve set. The three main modules are used to realize power energy consumption control of flexible DC transmission. In consideration of the energy saving of reactors and capacitors in the main circuit of the flexible DC transmission， the reactor parameters are selected based on the current tracking speed of flexible DC transmission and the current pulsating quantity during the switching period time， so as to realize energy saving of the electric reactor. The capacitor parameters in the flexible DC transmission are selected based on the follow?up performance of the voltage loop control， so as to realize energy saving of the capacitor. The monitoring unit of the system is designed to monitor the intelligent energy?saving control embedded system based on flexible DC transmission in real time， so as to push out abnormal conditions in the form of the alarm. The experimental results show that the system has large energy?saving coefficient and short fault alarm delay， which is practical.
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1.1 ?柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统框架
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图1中节能控制站主要负责柔性直流输电设备投切、启停以及运行模式的变换等，极控制模块可实现极的开启、停止、功率和电流的控制等功能，极控制模块性能对柔性直流输电智能节能的好坏影响较大[7]。换流器模块可对换流阀组开启、停止、投切和阀组是否过荷等进行控制。通过柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统中节能控制站模块、极控制模块、换流器模块三大主要功能模块对直流输电功率能耗进行控制。
1.2 ?柔性直流输电主电路参数选择
针对电抗器参数选取：基于柔性直流输电电流跟踪速度与开关周期时间段内电流的脉动量，电抗器的参数选择有上下限值进行限制，其值表达式分别为：
[L1a≥Us1+23Ud1ΔI1amfc] （1）
[L1a<Ud1+Tc3I1amsin ωfc] ?（2）
式中：[L1a]代表电抗器的电感值;[Us1]代表三相点电压的幅值;[Ud1]代表直流侧电压值;[I1am]代表相电流基波分量产生的幅值;[ΔI1am]代表柔性直流输电节能允许情况下的电流脉动量;[fc]代表载波频率。
将电抗器参数选择控制在式（1）和式（2）间，可有效控制电抗器功率与能耗，进而增强柔性直流输电节能控制嵌入式系统性能。
针对电容器参数选取：基于电压环控制具备的跟随性和抗干扰因素对柔性直流输电中的电容器参数进行选择[7]，其取值也存在上下限值：
[C≥12RΔUdc] ? （3）
[C<TRRln6-8.26UmUdc] ? ?（4）
式中：[C]代表电容器的电感值;[TR]代表柔性直流电压由初始值到稳态运行后最小的直流电压需要上升的时长;[R]代表柔性直流侧的等效电阻值;[Um]代表交流侧相电压的幅值;[Udc]代表直流电压波动幅值[8]。
将电容器参数选择控制在式（3）和式（4）间，可有效控制电容器功率与能耗，还能进一步增强柔性直流输电节能控制嵌入式系统性能。
1.3 ?柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统监控单元依据柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的特性，为了更好地实现柔性直流输电智能节能控制，及时发现节能过程中出现的异常并报警，需要设置监控功能模块[9]。根据以上分析与计算，构建的柔性直流输电智能节能控制系统监控单元如图2所示。
要监视柔性直流输电智能节能控制系统整体运行状态和换流器以及断路器等部分的运行状态，并实现异常报警，适应柔性直流输电智能节能系统运行，需要在现存采集数据基础上，对信息数据的采集范围进行扩展，并利用调度数据网和各换流站进行互联，实现数据的交互[10]。数据采集层采集直流系统中关于输电节能的数据信息，系统中心对采集到的信息进行分析，完成柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统实时监控，同时将出现的异常状况以告警形式推送出来。2 ?实验结果与分析
实验中对柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统性能进行验证，实验平台为Matlab，实验过程中的主要参数如下：额定容量为1 000 MV·A;额定功率为1 000 MW;额定的直流电压为±330 kV;等值电阻为0.99 Ω;等值电感值为1.3 mH。实验指标为：电能节能控制系统节能系数;系统异常告警延迟。
2.1 ?实验一
不同系统节能系数对比如图3所示。
根据图3实验结果可知，柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统节能系数在不同实验次数下，展现出了较强的节能性能。利用柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统中节能控制模块、极控制模块、换流器模块三大主要功能模块对直流输电功率能耗进行了控制，初步提升了柔性直流输电节能系数。又分别将电抗器参数和电容器参数选择控制在合理范围内，不仅高效控制了电抗器和电容器功率与能耗，还增强了柔性直流输电节能控制嵌入式系统节能性能，进一步提升了柔性直流输电节能系数。从該实验结果可看出柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统相比当前系统在节能性能方面具有较强的优势，且具有科学性与鲁棒性。2.2 ?实验二
不同系统异常告警延迟对比分析如图4所示。图4实验结果与文献[5]所提系统的异常告警延迟相比，柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统异常告警延迟更短。所提系统依据柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的特性，设计并构建了系统的监控功能模块。该模块以监视柔性直流输电智能节能控制系统整体运行状态和换流器以及断路器等部分的运行状态为主要任务，实现柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统实时监控，以此来提升直流输电节能控制系统的异常告警效率，降低告警延迟。该实验结果进一步证明了所提系统的性能更为完善，合理性更强。
综合图3和图4实验结果，所提柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统在输电节能方面和异常告警延时方面均优于当前系统。实验结果表明，所提系统性能优越性强，且可实践性也较强。3 ?結 ?论 柔性直流输电是一种新型的电网输电技术，于电网未来发展与开拓中前景广阔。针对柔性直流输电的不断研究与推广，要在实际情况基础上，对其输电过程进行节能控制，提出并构建了柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统。该系统主要功能模块为节能控制站模块、极控制模块、换流器模块，利用这三个模块可在很大程度上控制柔性直流输电能耗。合理选择了电抗器和电容器参数，以此将这两部分的能耗控制在合理范围内。设计了系统的监控单元，对节能数据信息和是否存在异常进行监测。通过实验证明了所提方法的可靠性，下一步可针对柔性直流输电智能节能控制嵌入式系统的可视化界面进行详细设计，为该领域性能的扩展提供支撑。
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