智能换相控制器研究

2021-03-23罗明凤张辉全

现代制造技术与装备 2021年2期

罗明凤张辉全

（四川工商职业技术学院，成都 611830）

随着农业现代化的不断推进，农村用电设备不断增加，且增加的用电设备多是小功率和中功率的单相感性负载，如打米机、磨面机和打谷机等电机设备。农村的配电变压器一般按用户分相配置进行设计，且默认每个用户的用电情况基本一致。但是，每户的实际用电时间并不一致，使用的用电设备也不同，从而造成配电变压器实时输出负载不平衡，降低了配电变压器的输出效率，进而导致个别相电压过低。此外，用电设备尤其是感性负载在过低电压下工作时会增大电流来满足功率，加剧了电流的不平衡，并降低了输出电压。

国务院提出改善农村尤其是偏远农村的用电状况，以减小变压器输出电压的不平衡度。基于此，本文提出一种智能换相控制器。它配合现有的换相开关，可实现配电变压器输出负载的实时平衡匹配和平衡负载，以确保电压稳定，保证可靠运行。此外，该控制器便于安装，且利于降低成本。

1 智能换相控制器的工作原理

智能换相控制器是通过检测变压器二次侧3 根端线上的电流值计算不平衡度，并根据不平衡度和现有的换相开关进行换相，以实现变压器的实时匹配。

智能换相控制器是集采集电流信号、平衡运算及判断、人机交换、通信以及开关切换信号为一体的装置[1]。它的工作原理如图1 所示。

图1 智能换相控制器的工作原理图

图1 中，键盘用于修改控制器的配置参数，实现现场实时浏览数据的目的，且便于现场调试。存储模块用于存储智能换相控制的配置参数、电网的运行数据以及统计数据。其中，统计数据包括时统计数据、日统计数据、月统计数据、年统计数据以及开关组动作数据。显示模块用于显示电网的实时运行数据、开关组运行数据以及配置参数，且便于现场调试[2]。

智能换相控制器的工作过程如下：首先，电流互感器和电压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；其次，利用主控CPU 自带的12 位ADC 采样电路采样互感器输入的电流电压信号，并利用DSP 强大的计算能力，采用快速傅里叶算法计算电网的电压、电流、功率和功率因数等实时数据；最后，通过比较计算的三相输出不平衡率和设定参数进行配电变压器三相输出平衡匹配，并通过WiFi 控制换相开关动作，从而达到配电变压器三相输出平衡的目的。此外，工作过程中应记录动作前后电网的不平衡率，并通过GPRS上传至管理中心，便于管理中心进行监控和分析[3-4]。

2 智能换相控制器的组成

2.1 最小系统

智能换相控制器的最小系统由TMS32F2812、人机交互模块和存储模块组成。其中，TMS320F2812 是TI 公司推出的C2000 系列中性能最高的一款DSP，广泛应用于工业控制领域。它的工作时钟频率最高可达150MHz，具有强大的数字信号处理和事件管理能力。它的内部存储包括26kB 的SRAM 和自带的128kB 的Flash，可以将程序直接下载到内部Flash 中，且程序代码和数据可以在片上SRAM和片上Flash 中运行。

人机交互模块包括按键和显示器。其中，按键采用6键组合输入模式，作用分别为确定、取消以及上下左右4个方向。显示器采用华远显示器液晶公司的19264 系列液晶，可显示电网的实时运行数据、开关组运行数据以及配置参数。

存储模块由FM25V02 和AT45DB321 组成，且形成快慢混合的存储模块。其中，FM25V02 是富士通公司推出的一款低功耗、无限操作次数以及快速访问的非易失性铁电存储器，有32kB 的存储单元，不用写入等待延时，且数据可以保存10 年。AT45DB321 是Atmel 公司推出的一款低功耗的串行Flash 存储器，有4MB 的存储单元，100000 次的擦除次数，且数据可以保存10 年。这两个存储芯片均采用SPI 接口，最高可支持40Mb/s 的操作速度。此外，采用这种组合方式可以提高设备的性价比。

2.2 电源

智能换相控制器采用三相电源，即先经过一个三相输入、单相输出且变压比为1:1 的变压器，取样后再输入整流变压器，经过整流、稳压和滤波，输出12V 和5V 的直流电源。这种优化三相供电系统可以确保设备在电网缺相工况下能正常工作[5]。

2.3 电压、电流互感器

电压、电流互感器模块按配电变压器的输出参数将电网的电压和电流转换为DSP 可以识别的毫伏级信号，并通过高通和低通滤波电路处理输入主控CPU 进行ADC 采样。互感器采用湖北天润设计的TR3231CH 和TR2111 系列。其中，TR3231CH 系列的非线性度比差的最大允许误差为±0.1%，角差的最大允许误差为±10′；TR2111 系列的非线性度比差的最大允许误差为±0.1%，角差的最大允许误差为±5′。

2.4 定位技术

采用北斗定位系统定位设备的安装维修，便于巡检。此外，同步北斗系统时间，保证控制系统的时间高度一致，便于电网数据分析。

2.5 GPRS 组网技术

采用GPRS 模块将所有控制器和中心计算机组网，并实时上报控制器运行状态和所在电网网段的运行数据。

2.6 控制输出

控制输出采用WiFi 方式将换相控制信号发送到换相开关，实现负载动态换相功能，减少线缆连接数量，增强抗干扰能力，便于控制网络扩展。通过具有知识产权的通信协议，新增的开关可以自动并入控制网络，从而减少人工干预，提高控制系统的智能化。

3 智能换相控制器的成本分析

3.1 设备造价方面

采用传统方案时，每个表箱均需安装一台空气开关（200元/台）、换相开关（1500 元/台）、采集器（150 元/台）以及户表识别终端（350 元/台），共计2200 元。采用智能多功能换相开关方案后，每个表箱只需安装一台智能多功能换相开关（1600 元/台），共计1600 元，则单个表箱可节省600 元。以500 户台区为例，现场约需80 个表箱，可降低设备成本48000 元。此外，通过GPRS 无线通信方式还可节省布线的成本，且可接入更多设备，进一步提高了通信和控制效率。

3.2 运行维护方面

以500 户台区为例，现场约需80 个表箱。采用传统方案时，平均每季度人工巡检6 次以上，平均每季度发生故障9 次以上，则平均每季度出动人工大约15 次；采用智能多功能换相开关方案时，可实现自动在线监测与自动状态巡检，有效降低了巡检次数，即平均每季度人工巡检3 次即可，平均每季度发生故障次数降低至5 次以下，则平均每季度出动人工大约8 次，从而有效节省了人力成本。