智能换相控制器在农村电网三相不平衡中的应用研究

罗明凤，张辉全

（四川工商职业技术学院，四川 都江堰 611830）

0 引 言

电力系统三相负荷不平衡是指电力系统中三相电压或电流幅值不相等、相位互差不是120°。随着社会主义新农村建设进程的推进，配电电网建设投入不断加大，生产设备自动化水平不断提高，接入负载日趋复杂，特别是感性负载增加，需增大电流来满足功率，加剧了电流的不平衡，对配电电网三相不平衡调节功能提出了更高的要求。

三相负荷的不平衡可能造成线损和变压器的损耗，降低变压器的输出电压，使电网的可靠性和稳定性变差，危及变压器的运行安全和使用寿命，影响电力系统和用户用电。

国务院提出改善农村，特别是偏远农村的用电状况，减少变压器输出不平衡度。因此对农村电网的三相负荷不平衡问题展开研究具有很重要的意义。针对农村电网的三相负荷不平衡问题，该文提出一种智能换相控制器，本控制器通过计算采样的三相电流不平衡度，切换换相开关，对变压器输出负载实现动态平衡匹配，确保电压平稳，使电网和用电设备安全可靠运行。

1 工作原理及框图

智能换相控制器是通过检测变压器二次侧三根端线上的电流值，计算不平衡度，根据不平衡度和现有的换相开关进行换相，实现变压器的实时动态匹配[1]。原理如图1所示。

图1 原理框图

电力系统中的不平衡度指三相电力系统中三相不平衡程度，用电压、电流负序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示[2]。电压、电流的负序不平衡和零序不不平衡度分别用εU2、εU0和εI2、εI0表示。本设计采用电流不平衡度来实现控制。

GBT 15543—2008《电能质量三相电压允许不平衡度》中电流不平衡算法，需要对电流采样进行离散傅里叶变换得到基波电流的幅值和相位，再利用对称分量分解法分别求出正序分量、负序分量以及零序分量[3]。计算公式为：

式中，Iave为三相电流有效值的平均值，单位为A；IA、IB、IC为A、B、C三相电流的有效值。

这种方法实现相对简单，CPU计算时间不长，可满足动态匹配转换开关的实时性要求。本设计中采用这种方法来计算三相负荷的不平衡度。电流互感器采集电网电压和电流信号，并转换为主控CPU能识别的信号。用主控CPU自带的12位ADC采样电路对互感器输入的电流电压信号进行采样，利用DSP强大的计算能力，采用快速傅立叶算法，计算出电网的电压、电流、功率以及功率因数等实时数据。依据计算出的三相输出不平衡率和设定参数比较，进行配电变压器三相输出平衡匹配，并通过WiFi控制下属换向开关动作，达到配电变压器三相输出平衡的目的[5]。

2 软件实施

本设计软件采用任务调度的运行模式，分任务分模块设计，提高控制效率和控制精度，便于功能移植。

2.1 内核任务

内核任务是多任务操作系统的核心，CPU复位后一直运行，进行CPU初始化，定时器中断、串口通信中断以及ADC采样中断等中断管理，主要任务是实现任务暂停和高优先级任务的执行。流程如图2所示。

图2 内核任务流程图

2.2 计算任务

计算任务在ADC采样技术后，利用DSP强大的数据计算能力，采用快速傅立叶变换计算电网各种实时数据。64点快速傅立叶变换的计算时间小于8 ms，128点快速傅立叶变换计算时间小于15 ms。

计算任务首先判断采样是否结束，采样结束后开始计算数据，计算结束后更新系统中的电网数据，供控制、显示以及通信任务使用。计算任务执行结束进入休眠状态，将CPU的控制权移交核心任务，由核心任务在ADC采样结束后再次起动任务。计算任务流程如图3所示。

图3 计算任务流程图

2.3 显示任务

显示任务完成按键和数据显示等人机交互功能，间隔500 ms调用一次。每次开始检查按键信息，依据按键修改显示内容，数据显示完成后休眠，将CPU的控制权交给核心任务，500 ms后由核心任务再次唤醒，重新执行。显示任务流程如图4所示。

图4 显示任务流程图

2.4 控制任务

控制任务通过判断实时数据中的三相电流不平衡率和设定值的关系，依据负载匹配计算，命令各个下属开关进行换相操作，实现配电变压器输出电流三相平衡的目的。控制任务执行结束进入休眠状态，将CPU的控制权移交核心任务，500 ms后由核心任务再次起动任务。控制任务流程如图5所示。

图5 控制任务流程图

2.5 通信任务

通信任务安装制定的通信协议，实现和管理中心的通信功能。主要有数据帧格式、通信地址、命令以及数据标识的检测，都合法才按协议组织应答数据帧。通信任务执行结束进入休眠状态，将CPU的控制权移交核心任务，由核心任务收到串口数据后再次起动任务。其流程如图6所示。

图6 通信任务流程图

3 研究结果

在台区配电变压器室内安装控制器，在分户位置安装换相开关，控制器通过短距离无线方式和换相开关通信，读取开关电流，控制开关换相。采用GPRS模块将所有控制器和中心计算机组网，实时上报控制器运行状态和所在电网网段的运行数据[6-10]。产品设计成功后在四川雅安地区试点，通过对现有电网升级改造，大幅缩减了现场设备的安装调试成本，平均安装成本降低40%以上，实现电力设备运行监测，有效降低了现场检查及故障检修次数，平均运维成本降低35%以上。

4 结 论

随着农村经济的发展，电力系统的三相不平衡问题对振新乡村计划和改善人们生活带来了极大的困扰。通过智能换相控制器，实现了三相电压、电流信息采集、开关远程分合闸以及三相负荷智能调整等功能，既减少了设备投入，也降低了安装成本，可助力于振新乡村计划和改善人们生活。