【關(guān)鍵詞】農(nóng)網(wǎng)配電；負(fù)荷換相；三相不平衡；三相磁保持繼電器；ADPSS

引言

三相不平衡是衡量電能質(zhì)量高低的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)變壓器、線路線損及電壓、用電設(shè)備及高壓線路保護(hù)產(chǎn)生的影響較大，因三相不平衡引起的線路損耗增大、變壓器運(yùn)行效率下降等一系列指標(biāo)異常，將嚴(yán)重影響農(nóng)網(wǎng)用戶的電能質(zhì)量。

為有效降低三相電流不平衡度，提高農(nóng)網(wǎng)用戶的電能質(zhì)量，研究以三相不平衡原理為出發(fā)點(diǎn)，考量三相不平衡度、開(kāi)關(guān)動(dòng)作等，進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)。在模型搭建及仿真分析后，完成負(fù)荷最優(yōu)分配，繼而詳細(xì)設(shè)計(jì)換相系統(tǒng)硬件及軟件部分，完成換相系統(tǒng)應(yīng)用分析，系統(tǒng)擁有良好的三相不平衡治理效果。

一、三相不平衡原理

電網(wǎng)存在對(duì)稱性與不對(duì)稱性，系統(tǒng)在電能供應(yīng)過(guò)程中存在的三相不平衡是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，與負(fù)荷特性存在相關(guān)性。電力系統(tǒng)中，三相電壓、電流幅值不同的條件下，相位差不足120°，三相電流幅值產(chǎn)生的差異性表現(xiàn)，容易造成不一致的幅值差超出既定范圍。[1]上述情況主要由于三相負(fù)荷及電力系統(tǒng)三相參數(shù)不對(duì)稱造成。

二、總體與功能設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)在農(nóng)網(wǎng)配電中的應(yīng)用需求，本文提出一種農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)。新型負(fù)荷控制終端具備智能化互動(dòng)功能。[2]考慮三相負(fù)荷平衡原則，為確保設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)控制終端、測(cè)量單元的安全性、可靠性，需要在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照相關(guān)安全規(guī)定，選擇使用漏電保護(hù)器進(jìn)行電氣防護(hù)裝置安裝。

（二）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中，以集成豐富外圍功能模塊的STM32F107微控制器作為控制核心，在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，根據(jù)三相不平衡度限值進(jìn)行換相啟動(dòng)的實(shí)時(shí)判定。[3]一旦在檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)到限制被突破，根據(jù)三相電流不平衡度最小、單相負(fù)荷電流、三相磁保持繼電器換相開(kāi)關(guān)相間切換狀態(tài)，需要以PSO優(yōu)化算法的全局搜索策略，完成換相模型的求解。求解過(guò)程中，每個(gè)粒子被視作為問(wèn)題的一個(gè)解，在搜索問(wèn)題解時(shí)，PSO優(yōu)化算法主要通過(guò)全局式的更新方式與個(gè)體更新相融合，繼而對(duì)粒子的位置完成更新。

一般來(lái)講，在粒子群中，通常包含若干個(gè)粒子，如粒子群中的粒子通過(guò)若干次迭代過(guò)程，更新粒子位置，最終完成全局搜索，將尋找到最優(yōu)解。這意味著能夠得到負(fù)荷換相單元相序調(diào)整措施，可以利用無(wú)線通信方式下達(dá)換相指令，以RS485通信模塊的智能接口，利用傳輸線完成智能電表的連接，根據(jù)不同的環(huán)境條件，實(shí)時(shí)記錄農(nóng)網(wǎng)電能的實(shí)際使用形式，快速實(shí)現(xiàn)三相電壓或電流不平衡的危害性分析。

（三）系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)計(jì)傳輸?shù)目煽啃?、性價(jià)比等，需要在確保農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)通信速度的基礎(chǔ)上，上行通信選擇可以高效率使用的低維護(hù)成本移動(dòng)數(shù)據(jù)GPRS移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)間斷、少量的數(shù)據(jù)傳輸效果。下行通信利用低成本的短距離無(wú)線通信形式，以固定、移動(dòng)的終端設(shè)備，為系統(tǒng)通信提供性價(jià)比較高的無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音數(shù)據(jù)接入服務(wù)，完成多點(diǎn)位的微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。本地通信上選擇RS485通信模塊完成主從通信。

三、模型搭建及仿真分析

（一）換相數(shù)學(xué)模型搭建

1.三相不平衡度

（二）換相數(shù)學(xué)模型求解求解

過(guò)程中以多目標(biāo)的PSO粒子群算法為基礎(chǔ)，在不間斷迭代過(guò)程中進(jìn)行最優(yōu)解的搜索。[4]作為一種全新進(jìn)化算法，不同于傳統(tǒng)解析算法的是，PSO粒子群算法通過(guò)優(yōu)化平面隨機(jī)分布陣列結(jié)構(gòu)，搜尋最優(yōu)解。PSO粒子群算法從隨機(jī)解出發(fā)，在不間斷迭代過(guò)程中，尋求全局中的最優(yōu)解，在求解上較為容易。種群以全局中的最優(yōu)解為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)不間斷的更新迭代。在上述多目標(biāo)的PSO粒子群算法基礎(chǔ)上，本文采取粒子二進(jìn)制離散整數(shù)的方式，完成求解方法的快速處理。該方式通過(guò)強(qiáng)大的全局搜索能力完成約定位置向量、速度向量的構(gòu)成[0/1]，伴隨算法在迭代搜索過(guò)程中逐漸增強(qiáng)的隨機(jī)性，生成改進(jìn)后的粒子群算法。

（三）仿真分析

在已知農(nóng)網(wǎng)配電三相電流、負(fù)荷支路電流及開(kāi)關(guān)狀態(tài)的條件下進(jìn)行算法仿真分析，基于上述改進(jìn)的PSO粒子群算法流程，完成仿真參數(shù)的假定設(shè)置，開(kāi)關(guān)矩陣表示為：

根據(jù)三相換相后的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，調(diào)整模型中的線路相序后，進(jìn)行換相后配電三相電流的檢測(cè)，三相負(fù)荷換相模型的求解方法、過(guò)程正確，可以滿足農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)的換相需求，降低農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)的三相不平衡度，將負(fù)荷以最優(yōu)化分配方式分配到農(nóng)網(wǎng)配電三相上。

四、硬件與軟件設(shè)計(jì)

（一）核心控制終端

智能三相負(fù)荷分配控制器通過(guò)高速采集農(nóng)網(wǎng)數(shù)據(jù)，收集電氣參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)予以實(shí)時(shí)監(jiān)視，在邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)上，完成對(duì)整個(gè)三相負(fù)荷治理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。[5]為滿足海量數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理需求，連接更多的外部硬件裝置，該系統(tǒng)選擇STM32F107核心控制終端處理器、外圍電路等完成連接。

（二）測(cè)量單元

為節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，測(cè)量單元使用RS485通信接口采集電流電壓數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中，交替實(shí)現(xiàn)三相次序，最終數(shù)據(jù)傳送至STM32F107處理器，使用高精度ATT7022芯片完成信息傳遞。在抗干擾設(shè)計(jì)上，農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)致力于減少、消弭外部環(huán)境對(duì)戶數(shù)采樣和計(jì)量造成的現(xiàn)實(shí)干擾。為防止電源、測(cè)量信號(hào)、EMI產(chǎn)生的噪音及溫度等干擾源產(chǎn)生的巨大影響，設(shè)計(jì)通過(guò)線性穩(wěn)壓塊處理開(kāi)關(guān)電源噪聲，利用外擴(kuò)高頻濾波器完成模擬輸入信號(hào)噪聲的消除，繼而使用溫度傳感器及看門(mén)狗，防止溫度變化對(duì)測(cè)量造成影響。通過(guò)降低I/O串口造成的影響，通過(guò)PCB合理布局完成針對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)敏感化屏蔽處理，妥善區(qū)分噪音、受影響區(qū)域。

（三）換相單元

在結(jié)構(gòu)上，農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)以STM32F107微處理器為核心，聯(lián)動(dòng)計(jì)量芯片、溫度采集模塊、微功率無(wú)線模塊、漏電保護(hù)模塊、磁保持繼電器及按鍵、數(shù)碼管、輔助電器等組成，集成采樣、計(jì)算、通信、交互、虛擬與算法于一體化的數(shù)智化控制裝置形成換相單元控制終端。磁保持繼電器屬于使用永久磁鐵的鐵芯，是能夠保持在線圈通電位置的繼電器。作為核心計(jì)量期間的電能計(jì)量芯片，直接決定系統(tǒng)的精準(zhǔn)度、靈敏度，是否能夠在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高效率。有鑒于此，農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)在消弧設(shè)計(jì)上，采取過(guò)零時(shí)磁保持繼電器斷開(kāi)負(fù)荷，采取專用計(jì)量芯片ATT7053B完成負(fù)荷換相。

（四）軟件設(shè)計(jì)

為減少農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工作量，在數(shù)據(jù)分析、換相措施分析過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)硬件主程序及終端服務(wù)程序設(shè)計(jì)，完成采樣數(shù)據(jù)的分析。在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，需要設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在交替完成兩組數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過(guò)程中，提升程序?qū)?shù)據(jù)的處理能力。[6]在判定三相電流不平衡度過(guò)程中，設(shè)計(jì)合理設(shè)置三相電流不平衡度的限值，防止在電能使用高峰造成三相不平衡度，產(chǎn)生單相過(guò)載的嚴(yán)重問(wèn)題。在電能使用高峰，需要縮短檢測(cè)時(shí)間的實(shí)際間隔、周期等。接到負(fù)荷換相命令后，換相單元立即啟動(dòng)相關(guān)檢測(cè)，便于及時(shí)發(fā)出負(fù)荷換相指令。為確保電流電壓信息在采集過(guò)程中的高精度，主要通過(guò)ATT7022軟件完成數(shù)據(jù)矯正、線損分析及電壓損耗計(jì)算等。

五、應(yīng)用分析

應(yīng)用過(guò)程中，使用具備電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)、物理接口箱的ADPSS系統(tǒng)，通過(guò)高性能運(yùn)算，利用物理接口箱四個(gè)功能板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)物理裝置、仿真系統(tǒng)間的閉環(huán)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)處理?；贏DPSS系統(tǒng)的農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)，通過(guò)ETSDAC軟件形成聯(lián)合仿真。在仿真過(guò)程中，主要由主控單元、運(yùn)算單元、模擬量輸出單元與接口單元等，共同適應(yīng)不同的系統(tǒng)功能需求，完成三相不平衡換相系統(tǒng)的裝置接入。通過(guò)連接三相電流接口模塊與控制終端，將三相電流成功輸入到負(fù)荷換相單元中。換相過(guò)程對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間要求較為苛刻，在換相過(guò)程中存在電壓閃變等情況，容易對(duì)負(fù)荷產(chǎn)生較為明顯的沖擊作用，直接牽涉機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)要素，機(jī)械開(kāi)關(guān)的動(dòng)作主要通過(guò)接觸器線圈得電、失電過(guò)程，觸發(fā)機(jī)械開(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合、斷開(kāi)等，機(jī)械開(kāi)關(guān)在應(yīng)用過(guò)程中的壽命直接與具體的動(dòng)作次數(shù)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。為節(jié)約換相成本，降低換相的實(shí)際難度，在完成運(yùn)算過(guò)程中，通過(guò)負(fù)荷電流的傳輸，結(jié)合換相開(kāi)關(guān)的實(shí)際狀態(tài)，將二進(jìn)制開(kāi)關(guān)狀態(tài)的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紸DPSS仿真系統(tǒng)中，通過(guò)下發(fā)換相措施，以換相單元為核心，完成開(kāi)關(guān)狀態(tài)處理和開(kāi)關(guān)動(dòng)作處理，便于通過(guò)仿真軟件完成實(shí)時(shí)模擬處理。

考慮到農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的安全問(wèn)題，在智能三相負(fù)荷分配控制終端設(shè)計(jì)容量較為有限的前提下，經(jīng)流每一臺(tái)智能三相負(fù)荷分配控制器的實(shí)時(shí)電流不能高于最大程度的限制值，與此同時(shí)，為確保系統(tǒng)工作可靠性，防止主電路誤觸發(fā)等情況的出現(xiàn)，三相線路通過(guò)的電流需要設(shè)置安全額定值，在換相過(guò)程中杜絕出現(xiàn)超限情況。在農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中，需要準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際數(shù)據(jù)，通過(guò)分析與改進(jìn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

結(jié)論

綜上所述，在電力系統(tǒng)中，三相負(fù)荷換相不平衡容易使得電機(jī)出現(xiàn)發(fā)燙及振動(dòng)、線圈發(fā)熱造成的變壓器漏磁增多、局部溫度過(guò)高、線損劇增及自動(dòng)化保護(hù)裝置誤觸動(dòng)等明顯問(wèn)題，帶給農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行不確定的安全運(yùn)行隱患。為防止農(nóng)網(wǎng)配電線路、用戶承受較為負(fù)面的電能用能影響，基于ADPSS系統(tǒng)驗(yàn)證農(nóng)網(wǎng)配電三相負(fù)荷換相不平衡系統(tǒng)在理論與應(yīng)用上的可靠度上較高，能夠在最大限度上降低三相電流不平衡度，極大程度上提高電能供電質(zhì)量，降低人工操作成本，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)具備進(jìn)一步發(fā)展的應(yīng)用潛力和前景。