智能換相控制器在農(nóng)村電網(wǎng)三相不平衡中的應(yīng)用研究

羅明鳳，張輝全

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰 611830）

0 引 言

電力系統(tǒng)三相負(fù)荷不平衡是指電力系統(tǒng)中三相電壓或電流幅值不相等、相位互差不是120°。隨著社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，配電電網(wǎng)建設(shè)投入不斷加大，生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化水平不斷提高，接入負(fù)載日趨復(fù)雜，特別是感性負(fù)載增加，需增大電流來滿足功率，加劇了電流的不平衡，對(duì)配電電網(wǎng)三相不平衡調(diào)節(jié)功能提出了更高的要求。

三相負(fù)荷的不平衡可能造成線損和變壓器的損耗，降低變壓器的輸出電壓，使電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性變差，危及變壓器的運(yùn)行安全和使用壽命，影響電力系統(tǒng)和用戶用電。

國務(wù)院提出改善農(nóng)村，特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村的用電狀況，減少變壓器輸出不平衡度。因此對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)的三相負(fù)荷不平衡問題展開研究具有很重要的意義。針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)的三相負(fù)荷不平衡問題，該文提出一種智能換相控制器，本控制器通過計(jì)算采樣的三相電流不平衡度，切換換相開關(guān)，對(duì)變壓器輸出負(fù)載實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡匹配，確保電壓平穩(wěn)，使電網(wǎng)和用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

1 工作原理及框圖

智能換相控制器是通過檢測變壓器二次側(cè)三根端線上的電流值，計(jì)算不平衡度，根據(jù)不平衡度和現(xiàn)有的換相開關(guān)進(jìn)行換相，實(shí)現(xiàn)變壓器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)匹配[1]。原理如圖1所示。

圖1 原理框圖

電力系統(tǒng)中的不平衡度指三相電力系統(tǒng)中三相不平衡程度，用電壓、電流負(fù)序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比表示[2]。電壓、電流的負(fù)序不平衡和零序不不平衡度分別用εU2、εU0和εI2、εI0表示。本設(shè)計(jì)采用電流不平衡度來實(shí)現(xiàn)控制。

GBT 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》中電流不平衡算法，需要對(duì)電流采樣進(jìn)行離散傅里葉變換得到基波電流的幅值和相位，再利用對(duì)稱分量分解法分別求出正序分量、負(fù)序分量以及零序分量[3]。計(jì)算公式為：

式中，Iave為三相電流有效值的平均值，單位為A；IA、IB、IC為A、B、C三相電流的有效值。

這種方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，CPU計(jì)算時(shí)間不長，可滿足動(dòng)態(tài)匹配轉(zhuǎn)換開關(guān)的實(shí)時(shí)性要求。本設(shè)計(jì)中采用這種方法來計(jì)算三相負(fù)荷的不平衡度。電流互感器采集電網(wǎng)電壓和電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為主控CPU能識(shí)別的信號(hào)。用主控CPU自帶的12位ADC采樣電路對(duì)互感器輸入的電流電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，利用DSP強(qiáng)大的計(jì)算能力，采用快速傅立葉算法，計(jì)算出電網(wǎng)的電壓、電流、功率以及功率因數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。依據(jù)計(jì)算出的三相輸出不平衡率和設(shè)定參數(shù)比較，進(jìn)行配電變壓器三相輸出平衡匹配，并通過WiFi控制下屬換向開關(guān)動(dòng)作，達(dá)到配電變壓器三相輸出平衡的目的[5]。

2 軟件實(shí)施

本設(shè)計(jì)軟件采用任務(wù)調(diào)度的運(yùn)行模式，分任務(wù)分模塊設(shè)計(jì)，提高控制效率和控制精度，便于功能移植。

2.1 內(nèi)核任務(wù)

內(nèi)核任務(wù)是多任務(wù)操作系統(tǒng)的核心，CPU復(fù)位后一直運(yùn)行，進(jìn)行CPU初始化，定時(shí)器中斷、串口通信中斷以及ADC采樣中斷等中斷管理，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)任務(wù)暫停和高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行。流程如圖2所示。

圖2 內(nèi)核任務(wù)流程圖

2.2 計(jì)算任務(wù)

計(jì)算任務(wù)在ADC采樣技術(shù)后，利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，采用快速傅立葉變換計(jì)算電網(wǎng)各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。64點(diǎn)快速傅立葉變換的計(jì)算時(shí)間小于8 ms，128點(diǎn)快速傅立葉變換計(jì)算時(shí)間小于15 ms。

計(jì)算任務(wù)首先判斷采樣是否結(jié)束，采樣結(jié)束后開始計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)束后更新系統(tǒng)中的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，供控制、顯示以及通信任務(wù)使用。計(jì)算任務(wù)執(zhí)行結(jié)束進(jìn)入休眠狀態(tài)，將CPU的控制權(quán)移交核心任務(wù)，由核心任務(wù)在ADC采樣結(jié)束后再次起動(dòng)任務(wù)。計(jì)算任務(wù)流程如圖3所示。

圖3 計(jì)算任務(wù)流程圖

2.3 顯示任務(wù)

顯示任務(wù)完成按鍵和數(shù)據(jù)顯示等人機(jī)交互功能，間隔500 ms調(diào)用一次。每次開始檢查按鍵信息，依據(jù)按鍵修改顯示內(nèi)容，數(shù)據(jù)顯示完成后休眠，將CPU的控制權(quán)交給核心任務(wù)，500 ms后由核心任務(wù)再次喚醒，重新執(zhí)行。顯示任務(wù)流程如圖4所示。

圖4 顯示任務(wù)流程圖

2.4 控制任務(wù)

控制任務(wù)通過判斷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中的三相電流不平衡率和設(shè)定值的關(guān)系，依據(jù)負(fù)載匹配計(jì)算，命令各個(gè)下屬開關(guān)進(jìn)行換相操作，實(shí)現(xiàn)配電變壓器輸出電流三相平衡的目的?？刂迫蝿?wù)執(zhí)行結(jié)束進(jìn)入休眠狀態(tài)，將CPU的控制權(quán)移交核心任務(wù)，500 ms后由核心任務(wù)再次起動(dòng)任務(wù)?？刂迫蝿?wù)流程如圖5所示。

圖5 控制任務(wù)流程圖

2.5 通信任務(wù)

通信任務(wù)安裝制定的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)和管理中心的通信功能。主要有數(shù)據(jù)幀格式、通信地址、命令以及數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的檢測，都合法才按協(xié)議組織應(yīng)答數(shù)據(jù)幀。通信任務(wù)執(zhí)行結(jié)束進(jìn)入休眠狀態(tài)，將CPU的控制權(quán)移交核心任務(wù)，由核心任務(wù)收到串口數(shù)據(jù)后再次起動(dòng)任務(wù)。其流程如圖6所示。

圖6 通信任務(wù)流程圖

3 研究結(jié)果

在臺(tái)區(qū)配電變壓器室內(nèi)安裝控制器，在分戶位置安裝換相開關(guān)，控制器通過短距離無線方式和換相開關(guān)通信，讀取開關(guān)電流，控制開關(guān)換相。采用GPRS模塊將所有控制器和中心計(jì)算機(jī)組網(wǎng)，實(shí)時(shí)上報(bào)控制器運(yùn)行狀態(tài)和所在電網(wǎng)網(wǎng)段的運(yùn)行數(shù)據(jù)[6-10]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功后在四川雅安地區(qū)試點(diǎn)，通過對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)升級(jí)改造，大幅縮減了現(xiàn)場設(shè)備的安裝調(diào)試成本，平均安裝成本降低40%以上，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測，有效降低了現(xiàn)場檢查及故障檢修次數(shù)，平均運(yùn)維成本降低35%以上。

4 結(jié) 論

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的三相不平衡問題對(duì)振新鄉(xiāng)村計(jì)劃和改善人們生活帶來了極大的困擾。通過智能換相控制器，實(shí)現(xiàn)了三相電壓、電流信息采集、開關(guān)遠(yuǎn)程分合閘以及三相負(fù)荷智能調(diào)整等功能，既減少了設(shè)備投入，也降低了安裝成本，可助力于振新鄉(xiāng)村計(jì)劃和改善人們生活。