便携式检修现场能源输出组合套件

  完成单位：国网天津市电力公司高压分公司

  主要完成人：冯冰、杜岳凡、殷学功、崔岩、刘宇浩、王小朋、张鑫、殷震、张尧、刘东

一、研发背景

  国网公司发布《关于进一步加强生产现场作业风险管控工作的通知》要求“加强生产现场作业风险管控，提升现场作业安全水平”。当前检修工作（特别是应急抢修或野外作业）中，作业现场很难找到持续、安全、稳定的电源，并且接取电源过程存在如下困难。

（1）获取电源难度大：现场检修电源箱至工作地点距离远，最长距离达100米，单个电源轴线程不足，需多轴接续供电，且复杂现场需穿越楼层、跨越房间接电，操作不便，效率低下；偏远山区、水中杆塔、电缆工井等野外现场没有电源，难以满足作业要求。

（2）接取电源风险高：接取电源时，需核对电压、漏电保护等情况，在确认环节中存在触电风险；由于现场条件受限，接取电源需穿越带电设备区，存在临近高压设备侵犯安全距离等风险；在使用斗臂车等高空作业的工作现场中，需将电源线拉至高处，存在误碰带电设备风险。

（3）市面电源无法满足要求：经过现场反复测试，市面主流便携电源的控制方式、带载能力、电磁干扰等性能均无法满足试验仪器要求，造成仪器检测精度低，工作异常，甚至损坏；高质量逆变电源体积、重量偏大，难以运输。

为解决上述存在的问题，本项目开展了逆变器频率自适应PR控制技术的研究，以及基于逆变器极点配置方式的参数重复控制和双闭环控制算法研究，并研制一款用于检修现场可靠性强、电能质量高、稳定性强、便于携带的优质电源。

二、发明团队介绍

第一发明人冯冰，男，国网天津市电力公司高压分公司电气试验三班（天津市质量信得过班组）副班长，高级工程师。长期从电气试验与带电检测工作，具有高度的创新热情与创新思维，积极参与创新工作的开展，有着丰富的创新项目实际经验。参与市公司、国网公司职工创新、青创赛、QC等活动，作为项目负责人主持多项天津市电力公司科技项目与职工技术创新项目，获全国质量管理一等奖、国网公司职工技术创新一等奖、工人技术创新一等奖、青创赛天津公司银奖，等多项创新荣誉，具备产品设计、产品研发、产品推广等综合能力。

团队成员技术条件，创新团队主要包括技术人才，含天津市电力公司高级专家1人，国网设备部带电检测高级专家1人。项目成员熟悉断路器现场试验及运维技术，且具备CAD制图、PCB电路设计、软件程序编写、嵌入式工程、信息通讯的技术基础，熟悉产品开发全流程业务，硬件情况：项目研制依托国网天津高压公司电力设备状态诊断与检测分析实验室进行，配有高性能计算机两台，有电路设计、CAD制图、Fusion、Visual Studio等制图和编程软件。硬件设备齐全，有信号发生器、高精度示波器、PCB焊接、3D打印机等实验仪器，可自主完成电路设计、计算仿真等工作。

三、成果(专利)简介

  1.知识产权情况

  该成果的知识产权情况如表1所示。

表1  知识产权情况表

2.主要创新点

针对便携式检修现场能源输出组合套件关键技术研究，其中包括便携电源逆变系统电压相位精准同步、高动态稳定性及电池状态准确评估开展了数据收集、软件建模仿真、装置制作、样机测试与现场测试，取得创新性成果如下：

（1）主要创新点1：提出基于自适应PR控制的便携电源逆变系统电压同步方法，采用单相逆变PR控制方式，引入正交信号，基于二阶广域积分器进行锁相环设计，实时获取电网相位和频率信息，实现频率自适应。

1）提出基于自适应PR控制的便携电源逆变系统电压同步方法。实现了便携电源输出相位与电网电压相位实时同步，确定了便携电源与运行电压的同步关系，实现了局放信号实时图谱的准确获取和成像，工频信号同步精度提升10倍，由1Hz提升至0.1Hz，提高设备缺陷识别率。

2）研制基于二阶广域积分器的便携电源锁相环控制模块。实现了实时获取电网相位和频率信息。通过改进锁相环（PLL），在锁定相位的同时输出锁定的频率，使PR控制器的基波频率能自适应的跟随电网频率。基于二阶广义积分器锁相环（SOGI－PLL）控制系统，SOGI和Park变换共同组成鉴相器，实现了毫秒级时间内相位同步，解决了传统便携电源相位无法锁定的问题。

（2）主要创新点2：提出一种基于“PR+重复控制”前馈控制的便携电源复合控制策略及考虑复杂工况下便携电源逆变系统运行工作点随机性的 RBF 神经网络参数在线整定方法。该控制策略抑制了由于检测装备等非线性负载接入以及死区控制引入特定频率生产的谐波，实现了控制器参数在线优化整定，提高了便携电源的动态稳定性能，解决了便携电源逆变系统谐振峰、负载特性变化及冲击电流的危害。

1）提出一种基于“PR+重复控制”前馈控制网络的便携电源复合控制策略方法。该方法在电流环输入侧引入输出电感电流前馈量，以补偿测试装备台数变化等扰动，提高了便携电源的动态稳定性能。PR+重复控制的复合控制策略部分，实现了对工频输出的无静差跟踪，补偿了系统的相位偏移和特定频率处的谐波尖峰，实现了由于检测装备等非线性负载接入以及死区控制引入的特定频率的谐波问题，并提高了抑制高频扰动的能力。试验结果表明，便携电源对负载的扰动具有很好的适应能力，可很快对负载扰动进行补偿，并且将逆变器输出波形的谐波含量控制在1%以下，稳态性能好。

0.5s时输入电压突变，输出电压变化率为0.032%，输出电压变化很小，有无输入电压突变时，0.44~0.56s的THD均为0.02%，电压畸变率很小。

2）提出考虑复杂工况下便携电源逆变系统运行工作点随机性的 RBF 神经网络参数在线整定方法，实现控制器参数优化整定。考虑不同用电设备及运行工况的运行工作点随机性，建立基于用电设备的统一电流参考矢量解析表达式，并利用ADATINE神经网络对表达式系数进行优化，实现PR控制器参数在线整定。

（3）主要创新点3：提出一种基于放电电压徒降阶段健康特征和改进高斯过程回归的电池健康状态精准估计方法，提出针对锂离子电池长寿命周期的SOC-SOH-RUL联合估计框架算法，提高了便携电源整电池组的安全性，降低故障率。

1）提出一种基于放电电压徒降阶段健康特征和改进高斯过程回归的电池健康状态精准估计方法。便携电源系统装置可监测每个电池单元的数据信息，若某个单元发生故障，系统将快速切除故障，仍能保障整体电池组正常工作。

2）提出锂离子电池长寿命周期的SOC-SOH-RUL联合估计框架算法。通过提取和最优电压段参数识别，利用SOC、SOH和RUL耦合关系，考虑三个参数在电池整个生命周期中的相互影响，从而延长便携电源电池组的使用寿命。

四、成果（专利）转化情况介绍

该装置通过天津公司双创平台进行孵化，同时在天津市产权中心挂牌交易，通过专利许可方式实现批量化生产，并在北京、天津、湖南省等系统内外15家单位进行了推广应用。

在新站验收、例行检修等保供电作业现场使用，接电时间由原有15分钟缩短至1分钟，取得了良好的现场使用效果。同时在电力应急抢险、社会民生服务等用电场景中发挥巨大作用，近两年取得经济效益1690万元。该装置有效改变了电力检修现场取电方式，大幅提升作业效率，有效保障作业安全，助力智能运检新模式，推动行业创新发展。

五、经济效益与社会效益介绍

经济效益：自2020年5月，本成果已应用在天津市150个变电站高压试验、继电保护、综合检修等12132个保供电作业现场（2020年：2086个，2021年：6290个，2022年：3754个），单一作业现场节省0.25小时作业时间，缩短停电时间12132*0.25=3033小时，以天津市220kV主网单一检修现场负荷不低于2.5万kW计算，避免了因检修作业而减少的售电量 3033小时*2.5万KW=7582.5万kW·h，根据天津市平均售电价格 0.58元/kW·h、平均上网电价 0.3655元/kW·h，增加利润为7582.5万kW·h*（0.58-0.3655）元/kW·h=1622.7万元。此外，自2021年11月以来，通过专利转让获得利润68万元（2021年使用费用：12.6万元，2022年使用费用：55.4万元）。

社会效益：

项目引领了国内便携电源行业，为电力行业电源控制技术提供了新方法，对指导电力检修工作及户外作业具有重要意义，强化了城市应急队伍建设，可用于核酸检测应急供电、救护车生命健康监测、世界智能大会等场景，具有广阔的应用前景。以天津市电力公司及省内外其他电力企业的应用情况估算，通过移动电源代替化石燃料发电机，可减少约47311吨标碳排放，社会效益显著。