【關(guān)鍵詞】農(nóng)網(wǎng)配電；負荷換相；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，對變壓器、線路線損及電壓、用電設(shè)備及高壓線路保護產(chǎn)生的影響較大，因三相不平衡引起的線路損耗增大、變壓器運行效率下降等一系列指標異常，將嚴重影響農(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，考量三相不平衡度、開關(guān)動作等，進行系統(tǒng)總體設(shè)計、系統(tǒng)功能設(shè)計、系統(tǒng)通信設(shè)計。在模型搭建及仿真分析后，完成負荷最優(yōu)分配，繼而詳細設(shè)計換相系統(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)存在對稱性與不對稱性，系統(tǒng)在電能供應(yīng)過程中存在的三相不平衡是衡量電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標，與負荷特性存在相關(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荷及電力系統(tǒng)三相參數(shù)不對稱造成。

二、總體與功能設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計過程中，根據(jù)三相負荷換相不平衡系統(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)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)。新型負荷控制終端具備智能化互動功能。[2]考慮三相負荷平衡原則，為確保設(shè)計過程中，系統(tǒng)控制終端、測量單元的安全性、可靠性，需要在系統(tǒng)總體設(shè)計過程中，按照相關(guān)安全規(guī)定，選擇使用漏電保護器進行電氣防護裝置安裝。

（二）系統(tǒng)功能設(shè)計

設(shè)計過程中，以集成豐富外圍功能模塊的STM32F107微控制器作為控制核心，在實時控制過程中，根據(jù)三相不平衡度限值進行換相啟動的實時判定。[3]一旦在檢測過程中檢測到限制被突破，根據(jù)三相電流不平衡度最小、單相負荷電流、三相磁保持繼電器換相開關(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。求解過程中，每個粒子被視作為問題的一個解，在搜索問題解時，PSO優(yōu)化算法主要通過全局式的更新方式與個體更新相融合，繼而對粒子的位置完成更新。

一般來講，在粒子群中，通常包含若干個粒子，如粒子群中的粒子通過若干次迭代過程，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荷換相單元相序調(diào)整措施，可以利用無線通信方式下達換相指令，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，實時記錄農(nóng)網(wǎng)電能的實際使用形式，快速實現(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

考慮到設(shè)計傳輸?shù)目煽啃?、性價比等，需要在確保農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(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成本移動數(shù)據(jù)GPRS移動通信技術(shù)，實現(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線通信形式，以固定、移動的終端設(shè)備，為系統(tǒng)通信提供性價比較高的無線數(shù)據(jù)與語音數(shù)據(jù)接入服務(wù)，完成多點位的微功率無線數(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

過程中以多目標的PSO粒子群算法為基礎(chǔ)，在不間斷迭代過程中進行最優(yōu)解的搜索。[4]作為一種全新進化算法，不同于傳統(tǒng)解析算法的是，PSO粒子群算法通過優(yōu)化平面隨機分布陣列結(jié)構(gòu)，搜尋最優(yōu)解。PSO粒子群算法從隨機解出發(fā)，在不間斷迭代過程中，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)點進行持續(xù)不間斷的更新迭代。在上述多目標的PSO粒子群算法基礎(chǔ)上，本文采取粒子二進制離散整數(shù)的方式，完成求解方法的快速處理。該方式通過強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程中逐漸增強的隨機性，生成改進后的粒子群算法。

（三）仿真分析

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

根據(jù)三相換相后的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)整模型中的線路相序后，進行換相后配電三相電流的檢測，三相負荷換相模型的求解方法、過程正確，可以滿足農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)的換相需求，降低農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)的三相不平衡度，將負荷以最優(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

（一）核心控制終端

智能三相負荷分配控制器通過高速采集農(nóng)網(wǎng)數(shù)據(jù)，收集電氣參數(shù)，對系統(tǒng)狀態(tài)予以實時監(jiān)視，在邏輯運算基礎(chǔ)上，完成對整個三相負荷治理系統(tǒng)的實時控制。[5]為滿足海量數(shù)據(jù)的運算處理需求，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）測量單元

為節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計成本，測量單元使用RS485通信接口采集電流電壓數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)過程中，交替實現(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)計上，農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)致力于減少、消弭外部環(huán)境對戶數(shù)采樣和計量造成的現(xiàn)實干擾。為防止電源、測量信號、EMI產(chǎn)生的噪音及溫度等干擾源產(chǎn)生的巨大影響，設(shè)計通過線性穩(wěn)壓塊處理開關(guān)電源噪聲，利用外擴高頻濾波器完成模擬輸入信號噪聲的消除，繼而使用溫度傳感器及看門狗，防止溫度變化對測量造成影響。通過降低I/O串口造成的影響，通過PCB合理布局完成針對遠距離傳輸信號敏感化屏蔽處理，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)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)以STM32F107微處理器為核心，聯(lián)動計量芯片、溫度采集模塊、微功率無線模塊、漏電保護模塊、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。作為核心計量期間的電能計量芯片，直接決定系統(tǒng)的精準度、靈敏度，是否能夠在運行過程中實現(xiàn)高效率。有鑒于此，農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)在消弧設(shè)計上，采取過零時磁保持繼電器斷開負荷，采取專用計量芯片ATT7053B完成負荷換相。

（四）軟件設(shè)計

為減少農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)的軟件設(shè)計工作量，在數(shù)據(jù)分析、換相措施分析過程中，通過設(shè)計硬件主程序及終端服務(wù)程序設(shè)計，完成采樣數(shù)據(jù)的分析。在采集數(shù)據(jù)過程中，需要設(shè)置兩個緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)存儲，在交替完成兩組數(shù)據(jù)的存儲過程中，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程中，設(shè)計合理設(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)生單相過載的嚴重問題。在電能使用高峰，需要縮短檢測時間的實際間隔、周期等。接到負荷換相命令后，換相單元立即啟動相關(guān)檢測，便于及時發(fā)出負荷換相指令。為確保電流電壓信息在采集過程中的高精度，主要通過ATT7022軟件完成數(shù)據(jù)矯正、線損分析及電壓損耗計算等。

五、應(yīng)用分析

應(yīng)用過程中，使用具備電磁暫態(tài)仿真平臺、物理接口箱的ADPSS系統(tǒng)，通過高性能運算，利用物理接口箱四個功能板實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)物理裝置、仿真系統(tǒng)間的閉環(huán)數(shù)據(jù)實驗處理。基于ADPSS系統(tǒng)的農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)，通過ETSDAC軟件形成聯(lián)合仿真。在仿真過程中，主要由主控單元、運算單元、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荷換相單元中。換相過程對機械開關(guān)的動作時間要求較為苛刻，在換相過程中存在電壓閃變等情況，容易對負荷產(chǎn)生較為明顯的沖擊作用，直接牽涉機械開關(guān)動作實現(xiàn)要素，機械開關(guān)的動作主要通過接觸器線圈得電、失電過程，觸發(fā)機械開關(guān)自動閉合、斷開等，機械開關(guān)在應(yīng)用過程中的壽命直接與具體的動作次數(shù)存在較強的關(guān)聯(lián)性。為節(jié)約換相成本，降低換相的實際難度，在完成運算過程中，通過負荷電流的傳輸，結(jié)合換相開關(guān)的實際狀態(tài)，將二進制開關(guān)狀態(tài)的數(shù)字信號傳輸?shù)紸DPSS仿真系統(tǒng)中，通過下發(fā)換相措施，以換相單元為核心，完成開關(guān)狀態(tài)處理和開關(guān)動作處理，便于通過仿真軟件完成實時模擬處理。

考慮到農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中的安全問題，在智能三相負荷分配控制終端設(shè)計容量較為有限的前提下，經(jīng)流每一臺智能三相負荷分配控制器的實時電流不能高于最大程度的限制值，與此同時，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)，三相線路通過的電流需要設(shè)置安全額定值，在換相過程中杜絕出現(xiàn)超限情況。在農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(tǒng)實時仿真過程中，需要準確計算出實際數(shù)據(jù)，通過分析與改進數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

結(jié)論

綜上所述，在電力系統(tǒng)中，三相負荷換相不平衡容易使得電機出現(xiàn)發(fā)燙及振動、線圈發(fā)熱造成的變壓器漏磁增多、局部溫度過高、線損劇增及自動化保護裝置誤觸動等明顯問題，帶給農(nóng)網(wǎng)運行不確定的安全運行隱患。為防止農(nóng)網(wǎng)配電線路、用戶承受較為負面的電能用能影響，基于ADPSS系統(tǒng)驗證農(nóng)網(wǎng)配電三相負荷換相不平衡系統(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)計過程中已經(jīng)具備進一步發(fā)展的應(yīng)用潛力和前景。