智能換相控制器研究

羅明鳳 張輝全

（四川工商職業技術學院，成都 611830）

隨著農業現代化的不斷推進，農村用電設備不斷增加，且增加的用電設備多是小功率和中功率的單相感性負載，如打米機、磨面機和打谷機等電機設備。農村的配電變壓器一般按用戶分相配置進行設計，且默認每個用戶的用電情況基本一致。但是，每戶的實際用電時間并不一致，使用的用電設備也不同，從而造成配電變壓器實時輸出負載不平衡，降低了配電變壓器的輸出效率，進而導致個別相電壓過低。此外，用電設備尤其是感性負載在過低電壓下工作時會增大電流來滿足功率，加劇了電流的不平衡，并降低了輸出電壓。

國務院提出改善農村尤其是偏遠農村的用電狀況，以減小變壓器輸出電壓的不平衡度?；诖?，本文提出一種智能換相控制器。它配合現有的換相開關，可實現配電變壓器輸出負載的實時平衡匹配和平衡負載，以確保電壓穩定，保證可靠運行。此外，該控制器便于安裝，且利于降低成本。

1 智能換相控制器的工作原理

智能換相控制器是通過檢測變壓器二次側3 根端線上的電流值計算不平衡度，并根據不平衡度和現有的換相開關進行換相，以實現變壓器的實時匹配。

智能換相控制器是集采集電流信號、平衡運算及判斷、人機交換、通信以及開關切換信號為一體的裝置[1]。它的工作原理如圖1 所示。

圖1 智能換相控制器的工作原理圖

圖1 中，鍵盤用于修改控制器的配置參數，實現現場實時瀏覽數據的目的，且便于現場調試。存儲模塊用于存儲智能換相控制的配置參數、電網的運行數據以及統計數據。其中，統計數據包括時統計數據、日統計數據、月統計數據、年統計數據以及開關組動作數據。顯示模塊用于顯示電網的實時運行數據、開關組運行數據以及配置參數，且便于現場調試[2]。

智能換相控制器的工作過程如下：首先，電流互感器和電壓互感器采集電網電壓和電流信號，并轉換為主控CPU 能識別的信號；其次，利用主控CPU 自帶的12 位ADC 采樣電路采樣互感器輸入的電流電壓信號，并利用DSP 強大的計算能力，采用快速傅里葉算法計算電網的電壓、電流、功率和功率因數等實時數據；最后，通過比較計算的三相輸出不平衡率和設定參數進行配電變壓器三相輸出平衡匹配，并通過WiFi 控制換相開關動作，從而達到配電變壓器三相輸出平衡的目的。此外，工作過程中應記錄動作前后電網的不平衡率，并通過GPRS上傳至管理中心，便于管理中心進行監控和分析[3-4]。

2 智能換相控制器的組成

2.1 最小系統

智能換相控制器的最小系統由TMS32F2812、人機交互模塊和存儲模塊組成。其中，TMS320F2812 是TI 公司推出的C2000 系列中性能最高的一款DSP，廣泛應用于工業控制領域。它的工作時鐘頻率最高可達150MHz，具有強大的數字信號處理和事件管理能力。它的內部存儲包括26kB 的SRAM 和自帶的128kB 的Flash，可以將程序直接下載到內部Flash 中，且程序代碼和數據可以在片上SRAM和片上Flash 中運行。

人機交互模塊包括按鍵和顯示器。其中，按鍵采用6鍵組合輸入模式，作用分別為確定、取消以及上下左右4個方向。顯示器采用華遠顯示器液晶公司的19264 系列液晶，可顯示電網的實時運行數據、開關組運行數據以及配置參數。

存儲模塊由FM25V02 和AT45DB321 組成，且形成快慢混合的存儲模塊。其中，FM25V02 是富士通公司推出的一款低功耗、無限操作次數以及快速訪問的非易失性鐵電存儲器，有32kB 的存儲單元，不用寫入等待延時，且數據可以保存10 年。AT45DB321 是Atmel 公司推出的一款低功耗的串行Flash 存儲器，有4MB 的存儲單元，100000 次的擦除次數，且數據可以保存10 年。這兩個存儲芯片均采用SPI 接口，最高可支持40Mb/s 的操作速度。此外，采用這種組合方式可以提高設備的性價比。

2.2 電源

智能換相控制器采用三相電源，即先經過一個三相輸入、單相輸出且變壓比為1:1 的變壓器，取樣后再輸入整流變壓器，經過整流、穩壓和濾波，輸出12V 和5V 的直流電源。這種優化三相供電系統可以確保設備在電網缺相工況下能正常工作[5]。

2.3 電壓、電流互感器

電壓、電流互感器模塊按配電變壓器的輸出參數將電網的電壓和電流轉換為DSP 可以識別的毫伏級信號，并通過高通和低通濾波電路處理輸入主控CPU 進行ADC 采樣?；ジ衅鞑捎煤碧鞚櫾O計的TR3231CH 和TR2111 系列。其中，TR3231CH 系列的非線性度比差的最大允許誤差為±0.1%，角差的最大允許誤差為±10′；TR2111 系列的非線性度比差的最大允許誤差為±0.1%，角差的最大允許誤差為±5′。

2.4 定位技術

采用北斗定位系統定位設備的安裝維修，便于巡檢。此外，同步北斗系統時間，保證控制系統的時間高度一致，便于電網數據分析。

2.5 GPRS 組網技術

采用GPRS 模塊將所有控制器和中心計算機組網，并實時上報控制器運行狀態和所在電網網段的運行數據。

2.6 控制輸出

控制輸出采用WiFi 方式將換相控制信號發送到換相開關，實現負載動態換相功能，減少線纜連接數量，增強抗干擾能力，便于控制網絡擴展。通過具有知識產權的通信協議，新增的開關可以自動并入控制網絡，從而減少人工干預，提高控制系統的智能化。

3 智能換相控制器的成本分析

3.1 設備造價方面

采用傳統方案時，每個表箱均需安裝一臺空氣開關（200元/臺）、換相開關（1500 元/臺）、采集器（150 元/臺）以及戶表識別終端（350 元/臺），共計2200 元。采用智能多功能換相開關方案后，每個表箱只需安裝一臺智能多功能換相開關（1600 元/臺），共計1600 元，則單個表箱可節省600 元。以500 戶臺區為例，現場約需80 個表箱，可降低設備成本48000 元。此外，通過GPRS 無線通信方式還可節省布線的成本，且可接入更多設備，進一步提高了通信和控制效率。

3.2 運行維護方面

以500 戶臺區為例，現場約需80 個表箱。采用傳統方案時，平均每季度人工巡檢6 次以上，平均每季度發生故障9 次以上，則平均每季度出動人工大約15 次；采用智能多功能換相開關方案時，可實現自動在線監測與自動狀態巡檢，有效降低了巡檢次數，即平均每季度人工巡檢3 次即可，平均每季度發生故障次數降低至5 次以下，則平均每季度出動人工大約8 次，從而有效節省了人力成本。

4 結語

智能多功能換相開關方案融合了電網信息采集、三相負荷智能調整、戶表關系自動識別以及線損精益治理等功能，實現了配電變壓器輸出負載的實時平衡匹配和平衡負載，確保了電壓穩定，保證了運行的可靠性。此外，智能換相控制器便于安裝，可以有效減少設備投入和安裝成本。