基于窄帶高速雙模通信的智能換相開關系統

馮勇軍，李明霞

（1.國網新疆電力有限公司 營銷部，烏魯木齊 830068；2.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

雙模異構通信能夠將電力線窄帶載波通信和微功率無線通信兩種常用的通信方式結合起來，既能增加通信效率，也能增加通信的成功途徑。這兩種模式結合后大大增加了覆蓋范圍，同時保證了在窄帶載波孤島情況下能夠采集到電能表數據，確保通信質量[1]。

綜上所述，本文基于窄帶高速雙模通信的智能換相開關系統進行設計，分別對系統的硬件和軟件兩部分進行設計，然后利用實驗驗證了本文設計的系統相較于傳統系統的優勢所在。智能換相開關系統系統硬件由固態智能換相開關、低壓配電網智能換相監控兩部分組成，利用階梯算法實現軟件部分的設計，最后再通過實驗驗證本文設計系統的可行性。通過本文的研究可以發現所設計的系統能夠有效實現開關智能換相，而且工作時不會消耗過多的成本，耗時也較短，是未來的必然發展趨勢[2]。

1 基于窄帶高速雙模通信的智能換相開關系統硬件設計

基于窄帶高速雙模通信對智能換相開關系統硬件部分進行設計，由固態智能換相開關、低壓配電網智能換相監控兩部分組成，系統硬件的功能如下：利用固態智能換相開關進行智能換相，再由監控系統全程監控，從而完成整個換相工作。基于窄帶高速雙模通信對智能換相開關系統硬件部分總體設計框架圖如圖1所示。

圖1 硬件設計框圖

固態智能換相開關是整個系統的核心部分，能夠實現短時間內不同相之間的切換，這是傳統的機械開關無法做到的。固態開關按照電源性質、開關結構、器件類型分成不同種類，按照電源性質可分為交流固態開關和直流固態開關；按照開關結構分為固態開關和混合開關；按照器件類型分為全控型固態開關和半控型固態開關[3]。

半控型固態開關能夠轉換多種相，內部結構有三個反并聯的晶閘管，能夠同時導通正弦電流正半波和負半波。中心系統下發脈沖波后，晶閘管可以迅速感應，只需要1ms的時間就可以觸發導通，正弦電流具有周期性過零特性，在觸發脈沖晶閘管10ms后，開關便會斷裂，但是斷裂時間無法確定，要考慮封鎖觸發脈沖的時刻，才能判斷斷裂時間。固態開關的體積較大，對于能量的消耗也較大，因此必須要采用一些方式進行散熱處理，常見的散熱方式有風冷散熱、熱管散熱和水冷散熱。

近年來，相關技術學家在不斷研究降低晶閘管通流損耗和散熱器體積的方法，目前較為認可的方法是在純固態開關的兩端加上并聯機械開關S，這類開關被稱為混合型固態開關。混合型固態開關首先會導通晶閘管（因為晶閘管具有快速導通特性），然后導通機械開關，經過3～5ms的延時之后再封鎖晶閘管觸發脈沖，最后電流會通過晶閘管流向機械開關。開關在關斷時，晶閘管會最先感應到，機械開關會釋放分閘信號，加大斷口處的阻抗，電流快速轉移至晶閘管中，封鎖晶閘管促使脈沖迸發，當電流達到零點后，開關自然斷裂。

機械開關消耗功率極低，但通信能力很強，而晶閘管能夠快速導通、關聯不同相，混合開關將二者結合，有效加強了工作效率。除此之外，晶閘管開關的散熱結構為緊湊散熱結構，這樣不需要過多的散熱設備，大大減少開關所占體積，同時也確保了可靠性。關斷時間要控制在10ms之內，這對分閘繼電器動作時間和機械開關固有分閘時間提出了更高的要求，一般會選用分閘時間特別短的開關，或者會使用快速分閘線圈的開關。

固態智能換相開關結構包括三相半控型固態開關、晶閘管驅動與保護、電流傳感器、顯示屏等，結構示意圖如圖2所示[4]。

圖2 固態智能換相開關結構圖

固態智能換相開關的輸入方式為單相負荷，輸出方式為三相負荷。電路在導通狀態下，固態開關只能開通其中一相，另外兩相會斷開，不然相與相之間會出現短路，嚴重情況會燒毀固態開關。

若想最大程度控制好固態智能換相開關，要遵循一定的切換原則：1）要確保有足夠短的換相時間。只有這樣電壓中斷所持續的時間才不會過長，不會對負荷正常供電造成影響。對于不同類型和不同型號的用電設備，敏感程度不同，如果電壓在20ms以內中斷，則不會對計算機、電視機造成影響，但是超過20ms則會影響電器正常使用，照明燈也會熄滅；2）要注意相與相之間的切換，及時檢測有沒有出現短路以及各支路之間的電壓質量，防止開關燒毀[5]。

根據智能換相開關的切換方式可以分為先分后合和先合后分兩種方式。先分后合利用正弦電流的周期性過零特性，當電流經過零點時，開關斷開。開關的具體斷開時間要根據于封鎖觸發脈沖時間來定，但是不能大于10ms。當晶閘管陽極電流過零時，理論上晶閘管會關斷，但實際上并沒有完全關斷，這是因為反向阻斷會不斷恢復。如果在這時關閉其他相晶閘管，不同相之間必然短路，因此往往會增加2ms的延時時間，為切換提供足夠的時間。先分后合是一種簡單的切換方式，只需要控制開關，不需要控制負載電流。但是這種切換方式也有很大的弊端，負載電壓的中斷時間很長，加上延時時間很容易出現斷裂。先合后分方式切換方式與先分后合式相比更為復雜，會在晶閘管的兩端施加壓力從而降低電流速度，減少電流自然過零的時間，確保電壓連續不中斷的輸入，提升負載電壓質量。

在對開關進行換相后，必須要設立一個智能換相監控系統進行優化決策，確保配電系統的平衡。監控系統包括主站、通信和終端設備3大部分。監控中心會對固態智能換相開關下發指令，開關根據下發的指令實現自動換相操作，確保均勻分配負荷量[6]。

2 基于窄帶高速雙模通信的智能換相開關系統軟件設計

基于階梯算法對本文提出的智能換相開關系統進行軟件設計。在雙模異構通信中，采集設備會面臨兩種選擇：無線通信和電力線窄帶載波通信雙通信模式[7]。用戶需要考慮優先選擇哪一模式，在選擇時會借助RSSI（鏈路質量）確定模式，一般會選擇RSSI最大的網絡模式進行接入，除此之外，還要考慮通信場強強度是否均衡。

電能表在選擇模式時要對通信模式的狀況和現場環境進行考察，根據不同的現場狀況選擇最優模式，階梯算法如下所示：

公式中，X為不同的通信模型的集合，S代表通信模式選擇的參數列表。由公式可知，當m=n時，開關智能換相質量最強，傳遞速率最高，性能最穩定[5]。

在選擇出最佳的雙模通信模式后，要實現開關智能換相，階梯算法示意圖如圖3所示。

圖3 階梯算法示意圖

分析圖3可知，階梯算法首先要確定微功率無線場強值，通過第一級短板路由顯示的電力線載波場強值判斷微功率無線電波；然后根據上一單元得出的數據確定在第二級短板路由上的無線場強值和電力線載波場強值；最后將微功率的場強值調為0，觀察每一個信標幀的節點的開關換相效率。至此基于階梯算法的智能換相開關系統軟件設計全部實現[8]。

階梯算法直接從現場采集數據，合理利用每個階梯的場強值，所以得到的數據結果真實性較高，選擇的通信模式也更加科學。利用階梯算法設定的智能開關換相系統具有速率高和性能穩定的特點。

3 實驗研究

為了測試本文設計的智能換相開關系統是否具有實際可操作性，與傳統的智能換相開關系統進行了對比，設計實驗，實驗參數如下：電源電壓為380V，電源模式為三相四線制，負載電阻為10Ω，電感串聯為20mA，工作時間為12h。通過上述設定的參數和環境進行對比實驗，得出的結果如圖4所示。

分析圖4可知，傳統系統和本文設定的智能換相開關系統都能實現開關的智能換相，但是本文設計的電路換相能力始終高于傳統電路。當到后期時，傳統的系統已經無法進行開關換相，但是本文設定的系統工作效率依然極高。

圖4 電流對比圖

4 結束語

通過本文的探討分析可以了解到傳統的智能換相開關系統局限性較大，本文利用窄帶高速雙模通信設計的系統，硬件部分有固態智能換相開關和低壓配電網智能換相監控兩部分組成，固態智能換相開關負責在短時間內切換不同相，低壓配電網智能換相監控負責監控整個硬件工作，階梯算法能夠合理利用每個信號值，有效實現軟件系統設計。通過實驗顯示的結果，得出本文設計的系統具有工作穩定性強，產生的噪聲小，消耗成本低，工作效率高等性質。

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[4]趙艷薇,刁興玲.高通沈磊：Cat-M1和Cat-NB1雙模將拉開5G時代物聯網的序幕[J].通信世界,2017,75(9)：25-25.

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[8]劉雯靜,郭靜波.面向雙向互動需求的高速窄帶電力線通信組網與路由機制[J].電力系統自動化,2016,40(2)：12-19.