可遠程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置研究

董 斌

（國網四川省電力公司，成都610041）

國家主干網正朝著特高壓方向發展，且單相導線結構式也逐漸向大截面和多分裂的方向發展[1]。緊線系統是架線施工過程中一個非常關鍵的環節，其施工工藝隨著發展而變化，在線路作業過程中，液壓緊線裝置推廣速度非?？靃2-3]，受到了相關領域研究人員的重點關注。

文獻[4]將±800 kV 的特高壓輸電線路中帶電更換V 型絕緣子串作業中的實際問題當作研究重點，研究制作改進的液壓緊線器，以此使“斜拉法”能夠成功應用至實際生產中，但是該緊線裝置的控制過程較為繁瑣，不能在有效時間內控制張緊力的大??；文獻[5]設計并構建了新型的液壓張緊裝置，但是沒有進行安全性驗證，無法保證實際應用性；文獻[6]建立了拉緊裝置數學模型與帶式輸送機拉緊裝置張力控制系統模型，但是其嵌入式技術應用效果較差，液壓緊線裝置智能化較低；文獻[7]對某型打樁船液壓裝置的特點進行分析并對打樁船液壓裝置進行有效控制，但是其應用范圍限制在工程船舶上。

為了解決以上研究方法存在的問題，提高輸電線路液壓緊線裝置工作性能，對可遠程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置進行研究，通過報文傳送時位數列值的整合，獲得不同控制數據的估計值，對液壓緊線裝置初始運行數據進行控制，并在CAN通信軟件應用中，設計緩沖區，通過判斷信息申請的位置和性質，保證遠程控制信號的有效傳輸，提高緊線裝置的工作性能。

1 可遠程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置

上述提到了兩種傳統緊線模式，模式2 與模式1 比較而言更為先進。其與張力架線工藝相融合，充分發揮了張力架線跨耐張段工作優越性，提升了施工效率。其中，模式2 在直線塔周圍地面緊線，有效減少了高空的作業量，并降低了整體施工難度。然而在實際工程中，一旦遇到下列3 種情形，會有馳度調控困難：線路使用轉角塔情況比較多；線路水平和垂直檔距均存在很大差距；連續爬坡與下坡比較多的架線端。

在實際施工過程中，檔距落差比較大的地區，滑車的摩擦力和受力大小為成比例關系，導致摩擦力配置均衡性非常差，細調馳度也比較困難。鑒于實際施工和傳統緊線模式存在的問題，提出并設計一種新的可遠程控制的液壓緊線系統。

1.1 液壓緊線裝置

1.1.1 液壓緊線系統控制基本原理

特高壓輸電線路自主式緊線裝置作業控制的基本原理為：利用改變滾筒之間間距，對因輸電線彈性伸縮導致的張力變化進行補償，達到最小張力點張力約束在某范圍內的目的，發揮出拉緊導線的作用，其偏差電壓表達式為

式中：Ue代表偏差電壓；Ur代表與拉力值相應電壓指令信號的期望值；Uf代表反饋電壓信號值。

將電子放大器具備的動態特性整體忽略掉，輸出電流可表示為

式中：ΔI 描述的是輸出電流值；Kd描述的是電子放大器增益值。

電液伺服閥運行過程中的傳遞函數使用的形式，由動力元件液壓固有頻率值決定。如果伺服閥頻寬比液壓固有的頻率值大5～10 倍，能夠將其用作比例環節的頻率偏差調節，使其滿足功率調制的頻率Gsv（s）＝1。

1.1.2 液壓緊線系統動力學模型

液壓緊線系統動力學方程為

式中：ΔF 代表質點的驅動力向量；［M］，［C］，［K］分別代表系統質量矩陣、阻尼矩陣以及剛度矩陣；｛x｝，分別代表支點位移向量、速度向量以及加速度向量；｛w｝代表質點阻尼向量。

因為以往的液壓緊線系統存在的伸縮距離受限和操作者勞動強度大的問題，不能在有效時間內控制張緊力的大小，所以綜合考慮比例閥流量在工作過程中的傳遞函數，進入油缸液體增量與忽略質量MA的系統綜合摩擦力，增加伸縮距離，提升控制張緊力的控制效果，由此獲取有關測點張力SA的傳遞函數表達式為

式中：Kbv代表比例閥增益；Gbv代表Kbv為1 時比例閥傳遞函數；A 代表油缸進油腔的面積；MA描述的是活塞和負載的總質量；C 描述的是活塞和負載黏性阻尼系數；K 描述的是負載彈簧剛度；βec描述的是油缸中管路有效體積膨脹系數；Cip代表油缸進油腔油壓。

優化后的液壓缸緊線裝置工作過程中的動力學基礎模型如圖1所示。

圖1 特高壓輸電線路液壓缸緊線裝置動力學基礎模型Fig.1 Dynamic basic model of hydraulic cylinder tightening device for UHV transmission line

1.1.3 液壓緊線系統控制器設計

模糊控制器在運行中不依賴于工業目標模型，利用系統的動態數據和模糊控制規則完成推理，從而有效地獲得合適的控制量，具有較強的魯棒性。

高效融合模糊控制和PID 控制是增強控制性能的可靠手段，為此利用模糊邏輯對PID 控制器進行自適應在線調整。過程中，模糊PID 控制器在自適應狀況下將E，EC作為輸入，滿足各時間偏差與偏差變化率在PID 參數自主式調節過程中的需求，依據時間偏差與偏差變化率修改PID 參數，至此，自適應性模糊PID 控制器設計完畢，模糊自主式調節PID 控制器框架如圖2所示。

圖2 模糊自主式調節PID 控制器Fig.2 Fuzzy self regulating PID controller

在模糊控制器語言表征提取過程中，選取系統偏差E 和誤差變化率EC作為模糊控制器輸入[8-9]；將KP，KI，KD作為輸出。將E，EC模糊向量的模糊子集定義為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，論域定義為｛-3，3｝；KP，KI，KD模糊向量的模糊子集定義為｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，KP，KI論域為｛-3，3｝；KD論域定義為｛-0.1，0.1｝，各個模糊子集都使用三角形隸屬度函數[10]。

模糊控制規則形成過程中KP，E 與EC的模糊關聯性如表1所示?；趨礙P，KI，KD對系統輸出產生的影響，能夠整理出不同E，EC時KP，KI，KD自主式整定需求，由此能夠得到模糊控制規則。

表1 模糊控制規則Tab.1 Fuzzy control rules

綜合上述計算與分析，設計并構建模糊PID 控制結構：在系統作業中PID 控制器具備5 個輸入量，分別為E，EC，KP，KI，KD，輸出如式（5）所示：

式中：Ti，Td代表積分和微分的時間常數；T 代表采樣周期。式（5）為控制算法?；谀：龜祵W規則，在相關軟件中即可構建PID 控制器模型，進而提高緊線裝置作業的容錯性。

1.2 液壓緊線裝置監控

CAN（國際標準化的串行通信協議）通信軟件在監控系統啟動后，通過數據采集功能模塊對液壓緊線裝置運行過程中的各個參數進行監視，所得數據通過發送和接收程序上報給監控人員[11-13]，監控人員可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得殘余數據BT錯誤的概率，將殘留錯誤的概率作為報文傳送時錯誤概率YN的函數，即：

對數列值進行計算，經過累減生成還原，即可獲得不同控制數據的估計值[14-15]。以此估計值為對液壓緊線裝置初始運行數據進行控制。

監控過程中的通信軟件主要包含系統啟動初始化、發送以及接收程序。在將報文全部初始化完畢，通信程序進入信息數據的發送與接收環節，如圖3所示。其中，發送程序運行中，CAN 報文以自動的形式實現信息發送。遠程監控人員僅需利用接收到的遠程幀識別符，把相應的信息轉移至發送緩沖寄存設備中，再將該報文對象編碼命令申請寄存設備啟動發送[16-17]。圖3（a）為發送程序示意圖。

CAN 報文信息的接收程序也是CAN 控制器自主式完成，一旦接收到發送完的標志位，程序由接收緩沖器中將接收數據讀取出來。以提升系統工作效率為目的，接收過程使用的是中斷方式。圖3（b）為接收程序示意圖。

圖3 CAN 通信軟件示意圖Fig.3 Schematic diagram of CAN communication software

通過通信軟件設計，為液壓緊線裝置運行監控提供支撐。

2 實驗結果與分析

為增強液壓緊線裝置工作性能和驗證可遠程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置有效性，進行一次相關性測試，引入CAN 設計一個緊線裝置工作過程監控系統。該系統具備實時采集特高壓輸電線路液壓緊線裝置運行過程中的液壓缸壓力值和位移值等一系列相關參數以及控制液壓泵與各種閥的功能，其液壓緊線裝置如圖4所示。

圖4 液壓緊線裝置Fig.4 Hydraulic tightening device

由圖4 可知，CAN 總線下通信接口設計：監控系統的單片機和CAN 總線之間互為連接的模式主要為片外連接、片內集成。相對來說，比較傳統和典型的方式將CPU（中央處理器）和CAN 控制器以及總線收發器相互連接，再接入總線網絡，這種情況會使CPU 的外圍電路呈現出復雜化的特性，系統很容易受到外界影響。綜上所述，該系統引入C8051F040 型單片機，該單片機在一塊芯片上共集成了64 KB Flash，4352 B RAM，CAN 總線控制器2.0 等。在電流沖擊下，以保護收發器為目的，在其引腳位置各自利用一個5 Ω 限流電阻和CAN 連接，在CANH，CANL（兩種信號線）和地間各自連接一個二極管。以防止總線上高頻干擾與電磁輻射，CANH，CANL 和地間各連接一個濾波電容。除此之外，操作人員利用觸摸屏幕實現參數設置，利用LCD 顯示器對各參數進行監視。將所設計的裝置系統和遠程監控系統在Smulink 上實現，并與文獻[4]和文獻[5]方法進行對比，得到的液壓緊線系統性能對比效果，如表2所示。

表2 不同方法的液壓緊線系統性能效果Tab.2 Performance effect of hydraulic tightening system with different methods

由表2 可知，本文方法驗算材料的安全系數為3，而材料的極限應力除以一個大于1 的系數n 則稱為安全系數，當被除數越低，得到的系數越高，本文方法的n=3，與1 相近，則說明其極限應力較大，安全程度高，系統安全性能得到保證，所以CAN 控制器的引腳與收發器間能夠不直接進行連接，可以通過根據高速光耦組建的隔離電路之后，再和收發器連接，由此就能夠很好地隔離開總線各節點電氣，容錯性能良好，有效抑制了干擾。

為進一步驗證可遠程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置的有效性，利用本文方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法對比分析其監控系統的控制分布結果如圖5所示。

圖5 液壓緊線裝置監控系統抗干擾性能分布對比結果Fig.5 Comparison results of anti-interference performance distribution of monitoring system of hydraulic tightening device

由圖5 可知，利用文獻[4]方法和文獻[5]方法進行液壓緊線裝置監控系統的控制分布不均勻。而利用本文方法進行液壓緊線裝置監控系統的控制，其結果分布均勻，說明監控系統的實時監控信息通信順暢，能夠高效實現液壓緊線裝置的遠程控制。

3 結語

鑒于特高壓輸電線路緊線系統設計的現實意義，提出可遠程控制的特高壓輸電線路液壓緊線裝置。通過實時采集緊線裝置液壓缸壓力值、位移值、速度值、流量值和溫度等一系列參數以及控制液壓泵與各種閥的功能提高緊線系統運行性能，增強緊線系統作業時的智能化，實驗結果顯示，裝置運行性能良好，且監控系統通信性能也十分順暢，有效抑制干擾，可對液壓緊線裝置實行遠程控制，同時增強特高壓輸電線路正常運行性能。