智能換相控制器研究

羅明鳳 張輝全

（四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611830）

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，農(nóng)村用電設(shè)備不斷增加，且增加的用電設(shè)備多是小功率和中功率的單相感性負(fù)載，如打米機(jī)、磨面機(jī)和打谷機(jī)等電機(jī)設(shè)備。農(nóng)村的配電變壓器一般按用戶分相配置進(jìn)行設(shè)計(jì)，且默認(rèn)每個(gè)用戶的用電情況基本一致。但是，每戶的實(shí)際用電時(shí)間并不一致，使用的用電設(shè)備也不同，從而造成配電變壓器實(shí)時(shí)輸出負(fù)載不平衡，降低了配電變壓器的輸出效率，進(jìn)而導(dǎo)致個(gè)別相電壓過(guò)低。此外，用電設(shè)備尤其是感性負(fù)載在過(guò)低電壓下工作時(shí)會(huì)增大電流來(lái)滿足功率，加劇了電流的不平衡，并降低了輸出電壓。

國(guó)務(wù)院提出改善農(nóng)村尤其是偏遠(yuǎn)農(nóng)村的用電狀況，以減小變壓器輸出電壓的不平衡度。基于此，本文提出一種智能換相控制器。它配合現(xiàn)有的換相開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)配電變壓器輸出負(fù)載的實(shí)時(shí)平衡匹配和平衡負(fù)載，以確保電壓穩(wěn)定，保證可靠運(yùn)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(guò)檢測(cè)變壓器二次側(cè)3 根端線上的電流值計(jì)算不平衡度，并根據(jù)不平衡度和現(xiàn)有的換相開(kāi)關(guān)進(jìn)行換相，以實(shí)現(xiàn)變壓器的實(shí)時(shí)匹配。

智能換相控制器是集采集電流信號(hào)、平衡運(yùn)算及判斷、人機(jī)交換、通信以及開(kāi)關(guān)切換信號(hào)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(pán)用于修改控制器的配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)瀏覽數(shù)據(jù)的目的，且便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)智能換相控制的配置參數(shù)、電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及開(kāi)關(guān)組動(dòng)作數(shù)據(jù)。顯示模塊用于顯示電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)組運(yùn)行數(shù)據(jù)以及配置參數(shù)，且便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[2]。

智能換相控制器的工作過(guò)程如下：首先，電流互感器和電壓互感器采集電網(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)；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(hào)，并利用DSP 強(qiáng)大的計(jì)算能力，采用快速傅里葉算法計(jì)算電網(wǎng)的電壓、電流、功率和功率因數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；最后，通過(guò)比較計(jì)算的三相輸出不平衡率和設(shè)定參數(shù)進(jìn)行配電變壓器三相輸出平衡匹配，并通過(guò)WiFi 控制換相開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而達(dá)到配電變壓器三相輸出平衡的目的。此外，工作過(guò)程中應(yīng)記錄動(dòng)作前后電網(wǎng)的不平衡率，并通過(guò)GPRS上傳至管理中心，便于管理中心進(jìn)行監(jiān)控和分析[3-4]。

2 智能換相控制器的組成

2.1 最小系統(tǒng)

智能換相控制器的最小系統(tǒng)由TMS32F2812、人機(jī)交互模塊和存儲(chǔ)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(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。它的工作時(shí)鐘頻率最高可達(dá)150MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理和事件管理能力。它的內(nèi)部存儲(chǔ)包括26kB 的SRAM 和自帶的128kB 的Flash，可以將程序直接下載到內(nèi)部Flash 中，且程序代碼和數(shù)據(jù)可以在片上SRAM和片上Flash 中運(yùn)行。

人機(jī)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(gè)方向。顯示器采用華遠(yuǎn)顯示器液晶公司的19264 系列液晶，可顯示電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)組運(yùn)行數(shù)據(jù)以及配置參數(shù)。

存儲(chǔ)模塊由FM25V02 和AT45DB321 組成，且形成快慢混合的存儲(chǔ)模塊。其中，F(xiàn)M25V02 是富士通公司推出的一款低功耗、無(wú)限操作次數(shù)以及快速訪問(wèn)的非易失性鐵電存儲(chǔ)器，有32kB 的存儲(chǔ)單元，不用寫(xiě)入等待延時(shí)，且數(shù)據(jù)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(chǔ)器，有4MB 的存儲(chǔ)單元，100000 次的擦除次數(shù)，且數(shù)據(jù)可以保存10 年。這兩個(gè)存儲(chǔ)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(shè)備的性價(jià)比。

2.2 電源

智能換相控制器采用三相電源，即先經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓和濾波，輸出12V 和5V 的直流電源。這種優(yōu)化三相供電系統(tǒng)可以確保設(shè)備在電網(wǎng)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(shù)將電網(wǎng)的電壓和電流轉(zhuǎn)換為DSP 可以識(shí)別的毫伏級(jí)信號(hào)，并通過(guò)高通和低通濾波電路處理輸入主控CPU 進(jìn)行ADC 采樣?；ジ衅鞑捎煤碧鞚?rùn)設(shè)計(jì)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(shù)

采用北斗定位系統(tǒng)定位設(shè)備的安裝維修，便于巡檢。此外，同步北斗系統(tǒng)時(shí)間，保證控制系統(tǒng)的時(shí)間高度一致，便于電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析。

2.5 GPRS 組網(wǎng)技術(shù)

采用GPRS 模塊將所有控制器和中心計(jì)算機(jī)組網(wǎng)，并實(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)。

2.6 控制輸出

控制輸出采用WiFi 方式將換相控制信號(hào)發(fā)送到換相開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載動(dòng)態(tài)換相功能，減少線纜連接數(shù)量，增強(qiáng)抗干擾能力，便于控制網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。通過(guò)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通信協(xié)議，新增的開(kāi)關(guān)可以自動(dòng)并入控制網(wǎng)絡(luò)，從而減少人工干預(yù)，提高控制系統(tǒng)的智能化。

3 智能換相控制器的成本分析

3.1 設(shè)備造價(jià)方面

采用傳統(tǒng)方案時(shí)，每個(gè)表箱均需安裝一臺(tái)空氣開(kāi)關(guān)（200元/臺(tái)）、換相開(kāi)關(guān)（1500 元/臺(tái)）、采集器（150 元/臺(tái)）以及戶表識(shí)別終端（350 元/臺(tái)），共計(jì)2200 元。采用智能多功能換相開(kāi)關(guān)方案后，每個(gè)表箱只需安裝一臺(tái)智能多功能換相開(kāi)關(guān)（1600 元/臺(tái)），共計(jì)1600 元，則單個(gè)表箱可節(jié)省600 元。以500 戶臺(tái)區(qū)為例，現(xiàn)場(chǎng)約需80 個(gè)表箱，可降低設(shè)備成本48000 元。此外，通過(guò)GPRS 無(wú)線通信方式還可節(jié)省布線的成本，且可接入更多設(shè)備，進(jìn)一步提高了通信和控制效率。

3.2 運(yùn)行維護(hù)方面

以500 戶臺(tái)區(qū)為例，現(xiàn)場(chǎng)約需80 個(gè)表箱。采用傳統(tǒng)方案時(shí)，平均每季度人工巡檢6 次以上，平均每季度發(fā)生故障9 次以上，則平均每季度出動(dòng)人工大約15 次；采用智能多功能換相開(kāi)關(guān)方案時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)狀態(tài)巡檢，有效降低了巡檢次數(shù)，即平均每季度人工巡檢3 次即可，平均每季度發(fā)生故障次數(shù)降低至5 次以下，則平均每季度出動(dòng)人工大約8 次，從而有效節(jié)省了人力成本。

4 結(jié)語(yǔ)

智能多功能換相開(kāi)關(guān)方案融合了電網(wǎng)信息采集、三相負(fù)荷智能調(diào)整、戶表關(guān)系自動(dòng)識(shí)別以及線損精益治理等功能，實(shí)現(xiàn)了配電變壓器輸出負(fù)載的實(shí)時(shí)平衡匹配和平衡負(fù)載，確保了電壓穩(wěn)定，保證了運(yùn)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(shè)備投入和安裝成本。