智能換相控制器在農村電網三相不平衡中的應用研究

羅明鳳，張輝全

（四川工商職業技術學院，四川 都江堰 611830）

0 引 言

電力系統三相負荷不平衡是指電力系統中三相電壓或電流幅值不相等、相位互差不是120°。隨著社會主義新農村建設進程的推進，配電電網建設投入不斷加大，生產設備自動化水平不斷提高，接入負載日趨復雜，特別是感性負載增加，需增大電流來滿足功率，加劇了電流的不平衡，對配電電網三相不平衡調節功能提出了更高的要求。

三相負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，使電網的可靠性和穩定性變差，危及變壓器的運行安全和使用壽命，影響電力系統和用戶用電。

國務院提出改善農村，特別是偏遠農村的用電狀況，減少變壓器輸出不平衡度。因此對農村電網的三相負荷不平衡問題展開研究具有很重要的意義。針對農村電網的三相負荷不平衡問題，該文提出一種智能換相控制器，本控制器通過計算采樣的三相電流不平衡度，切換換相開關，對變壓器輸出負載實現動態平衡匹配，確保電壓平穩，使電網和用電設備安全可靠運行。

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三根端線上的電流值，計算不平衡度，根據不平衡度和現有的換相開關進行換相，實現變壓器的實時動態匹配[1]。原理如圖1所示。

圖1 原理框圖

電力系統中的不平衡度指三相電力系統中三相不平衡程度，用電壓、電流負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、電流的負序不平衡和零序不不平衡度分別用εU2、εU0和εI2、εI0表示。本設計采用電流不平衡度來實現控制。

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

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。

這種方法實現相對簡單，CPU計算時間不長，可滿足動態匹配轉換開關的實時性要求。本設計中采用這種方法來計算三相負荷的不平衡度。電流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。用主控CPU自帶的12位ADC采樣電路對互感器輸入的電流電壓信號進行采樣，利用DSP強大的計算能力，采用快速傅立葉算法，計算出電網的電壓、電流、功率以及功率因數等實時數據。依據計算出的三相輸出不平衡率和設定參數比較，進行配電變壓器三相輸出平衡匹配，并通過WiFi控制下屬換向開關動作，達到配電變壓器三相輸出平衡的目的[5]。

2 軟件實施

本設計軟件采用任務調度的運行模式，分任務分模塊設計，提高控制效率和控制精度，便于功能移植。

2.1 內核任務

內核任務是多任務操作系統的核心，CPU復位后一直運行，進行CPU初始化，定時器中斷、串口通信中斷以及ADC采樣中斷等中斷管理，主要任務是實現任務暫停和高優先級任務的執行。流程如圖2所示。

圖2 內核任務流程圖

2.2 計算任務

計算任務在ADC采樣技術后，利用DSP強大的數據計算能力，采用快速傅立葉變換計算電網各種實時數據。64點快速傅立葉變換的計算時間小于8 ms，128點快速傅立葉變換計算時間小于15 ms。

計算任務首先判斷采樣是否結束，采樣結束后開始計算數據，計算結束后更新系統中的電網數據，供控制、顯示以及通信任務使用。計算任務執行結束進入休眠狀態，將CPU的控制權移交核心任務，由核心任務在ADC采樣結束后再次起動任務。計算任務流程如圖3所示。

圖3 計算任務流程圖

2.3 顯示任務

顯示任務完成按鍵和數據顯示等人機交互功能，間隔500 ms調用一次。每次開始檢查按鍵信息，依據按鍵修改顯示內容，數據顯示完成后休眠，將CPU的控制權交給核心任務，500 ms后由核心任務再次喚醒，重新執行。顯示任務流程如圖4所示。

圖4 顯示任務流程圖

2.4 控制任務

控制任務通過判斷實時數據中的三相電流不平衡率和設定值的關系，依據負載匹配計算，命令各個下屬開關進行換相操作，實現配電變壓器輸出電流三相平衡的目的?？刂迫蝿請绦薪Y束進入休眠狀態，將CPU的控制權移交核心任務，500 ms后由核心任務再次起動任務?？刂迫蝿樟鞒倘鐖D5所示。

圖5 控制任務流程圖

2.5 通信任務

通信任務安裝制定的通信協議，實現和管理中心的通信功能。主要有數據幀格式、通信地址、命令以及數據標識的檢測，都合法才按協議組織應答數據幀。通信任務執行結束進入休眠狀態，將CPU的控制權移交核心任務，由核心任務收到串口數據后再次起動任務。其流程如圖6所示。

圖6 通信任務流程圖

3 研究結果

在臺區配電變壓器室內安裝控制器，在分戶位置安裝換相開關，控制器通過短距離無線方式和換相開關通信，讀取開關電流，控制開關換相。采用GPRS模塊將所有控制器和中心計算機組網，實時上報控制器運行狀態和所在電網網段的運行數據[6-10]。產品設計成功后在四川雅安地區試點，通過對現有電網升級改造，大幅縮減了現場設備的安裝調試成本，平均安裝成本降低40%以上，實現電力設備運行監測，有效降低了現場檢查及故障檢修次數，平均運維成本降低35%以上。

4 結 論

隨著農村經濟的發展，電力系統的三相不平衡問題對振新鄉村計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，實現了三相電壓、電流信息采集、開關遠程分合閘以及三相負荷智能調整等功能，既減少了設備投入，也降低了安裝成本，可助力于振新鄉村計劃和改善人們生活。