本實(shí)用新型屬于電力配電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
：

隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展不斷加快，電力系統(tǒng)中不平衡非線性負(fù)荷也隨之增多。通常情況下，電網(wǎng)三相不平衡長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，并且對(duì)供電和用電雙方都將產(chǎn)生不利影響，如在生產(chǎn)、生活用電中，受三相不平衡的影響，變壓器處于不對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，造成變壓器的損耗增大，并且三相負(fù)載不平衡還會(huì)造成變壓器零序電流過(guò)大，局部金屬性升溫增高，甚至?xí)?dǎo)致變壓器燒毀；在用電設(shè)備側(cè)，由于電壓的不平衡性必然會(huì)導(dǎo)致數(shù)倍電流不平衡的發(fā)生，容易引起用電設(shè)備的溫度上升、能耗增加等，并最終導(dǎo)致用電設(shè)備使用壽命縮短，加速設(shè)備部件更換頻率，增加設(shè)備維護(hù)的成本。因此，電力系統(tǒng)中應(yīng)該盡量避免和解決三相不平衡問(wèn)題。

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，由于電力負(fù)荷的不均勻分布，臺(tái)區(qū)低電壓、三相不平衡問(wèn)題較為常見，并且已逐漸成為線路管理人員工作中經(jīng)常遇到的難題。低壓電網(wǎng)的三相平衡問(wèn)題逐漸成為困擾供電單位的主要問(wèn)題之一。

低壓電網(wǎng)大多是經(jīng)10/0.4kV變壓器降壓后，以三相四線制的形式向用戶供電，是一種三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)。在裝接單相用戶時(shí)，為了防止出現(xiàn)負(fù)荷三相不平衡問(wèn)題，供電部門應(yīng)該將單相負(fù)載均衡地分接在A、B、C三相上。但是，在實(shí)際工作及運(yùn)行中，由于線路的標(biāo)志、接電人員的疏忽、單相用戶的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入以及單相負(fù)載用電的不同時(shí)性等原因，都會(huì)造成三相負(fù)載的不平衡。

智能電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)三相不平衡問(wèn)題是指三相電源各相的電壓或相角大小不相等，屬于基波負(fù)荷配置問(wèn)題。三相不平衡問(wèn)題的產(chǎn)生與用戶負(fù)荷特性、電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負(fù)荷分配等相關(guān)。

我國(guó)電力系統(tǒng)《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(G B/T15543‐1995)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)(PCC點(diǎn))穩(wěn)態(tài)、正常運(yùn)行方式下不平衡允許值為2％，暫態(tài)不得超過(guò)4％。

通常情況下，電力系統(tǒng)如果長(zhǎng)時(shí)間處在不平衡運(yùn)行中，則供電系統(tǒng)容易出現(xiàn)如下問(wèn)題：

1)線路的有功功率或電能損耗增加。三相負(fù)荷不平衡時(shí)，各相的負(fù)荷電流不相等，就在相間產(chǎn)生了不平衡電流，這些不平衡電流除了在相線上引起損耗外，還將在中性線上引起損耗，這就增加了總的線損。

2)配電變壓器的電能損耗增加。在配電變壓器輸出的容量相同的情況下，低壓三相負(fù)荷電流不平衡比平衡時(shí)，變壓器的電能損耗大。

3)配電變壓器的出力降低。配電變壓器容量的設(shè)計(jì)和制造是以三相負(fù)載平衡條件確定的，如果三相負(fù)載不平衡，配電變壓器的最大出力只能按三相負(fù)載中最大一相不超過(guò)額定容量為限，負(fù)荷輕的相就有富余容量，從而使配電變壓器出力降低。

4)配電變壓器的運(yùn)行溫度升高，使用壽命縮短。對(duì)于三相四線制系統(tǒng)，三相負(fù)荷不平衡時(shí)，中性線會(huì)有電流流過(guò)。當(dāng)中性線電流過(guò)大時(shí)，零序電流所產(chǎn)生的零序磁通會(huì)在油箱壁及鋼結(jié)構(gòu)件中通過(guò)，引起較大的電能損耗，從而使配電變壓器運(yùn)行溫度升高，加快變壓器內(nèi)部絕緣老化。更嚴(yán)重時(shí)中性線電流可能會(huì)超過(guò)允許載流量，中性線被燒斷，三相電壓相差極大，負(fù)載輕的一相上電壓過(guò)高，甚至達(dá)到線電壓，容易導(dǎo)致配電變壓器故障。

5)中性點(diǎn)發(fā)生位移，配電變壓器三相電壓失衡。三相負(fù)載不平衡，中性線有零序電流通過(guò)在鐵芯中產(chǎn)生零序磁通，但得不到由一次側(cè)磁通的抵消，并重疊在原有正相序的主磁通上。這個(gè)零序磁通會(huì)在一、二次側(cè)線圈中感應(yīng)出零序電勢(shì)，并疊加在各相的端電壓上，造成三相電壓不對(duì)稱，使中性點(diǎn)產(chǎn)生位移。三相中負(fù)載大的相電壓就降低，而負(fù)載小的相電壓就升高。

基于以上的存在問(wèn)題，電力系統(tǒng)中通常的改進(jìn)措施為根據(jù)線路實(shí)際負(fù)荷情況，采取人工定期改線方式對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，但由于用戶用電負(fù)荷的不同時(shí)性，在調(diào)整運(yùn)行一段時(shí)間后仍然會(huì)出現(xiàn)三相不平衡的問(wèn)題，很難達(dá)到智能電網(wǎng)對(duì)負(fù)荷瞬時(shí)調(diào)整的要求。因此，研發(fā)一種能夠自動(dòng)、智能式平衡相間負(fù)荷的裝置，能夠?qū)崟r(shí)、快速、有效地解決電力系統(tǒng)中的三相不平衡問(wèn)題成為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，而提供一種低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)，通過(guò)采集被監(jiān)測(cè)線路三相電壓電流的變化，來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)估三相負(fù)荷線路的不平衡度，根據(jù)三相負(fù)荷線路的不平衡度來(lái)控制三相監(jiān)測(cè)線路的負(fù)荷切換，從而達(dá)到實(shí)時(shí)平衡三相負(fù)荷的目的。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)，包括一個(gè)智能中控器和若干個(gè)智能換相器，智能中控器安裝在待平衡線路的始端，而智能換相器安裝在三相變單相的支路沿線，智能中控器只負(fù)責(zé)與安裝在支路的智能換相器進(jìn)行通信，智能換相器作為智能中控器的從機(jī)；

所述智能中控器以DSP芯片作為處理器MCU；處理器MCU的輸入端分別連接按鍵輸入電路、模擬輸入電路和電源電路，而按鍵輸入電路的輸入端連接按鍵或觸摸屏，模擬輸入電路的輸入端連接三相負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路，電源電路供給智能中控器電路的工作電源并具有直流電源輸出接口；處理器MCU的輸出端連接液晶顯示電路，而液晶顯示電路的輸出端連接顯示器；處理器MCU還連接通訊電路并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而通信電路一方面通過(guò)G PRS電路與遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通訊電路另一方面通過(guò)無(wú)線射頻器與智能換相器的通訊電路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

所述智能換相器同樣采用DSP芯片作為CPU電路，CPU電路的輸入端分別連接模擬輸入電路和電源電路，模擬輸入電路的輸入端連接單相線路負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路，電源電路供給智能換相器電路的工作電源并具有直流電源輸出接口；CPU電路與換相器通訊電路連接通信，而換相器通訊電路通過(guò)無(wú)線射頻器與智能中控器進(jìn)行通訊，CPU電路的輸出端連接開出電路，開出電路的輸出端連接相序切換開關(guān)。

一種基于上述低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)的自動(dòng)平衡方法，智能中控器安裝在被監(jiān)測(cè)待平衡總線路的始端，而各智能換相器分別安裝在三相變單相的支路沿線上，智能中控器與各智能換相器進(jìn)行通信，智能換相器作為智能中控器的從機(jī)；智能中控器通過(guò)其自身的三相負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路實(shí)時(shí)采集臺(tái)區(qū)低壓側(cè)的三相電流、電壓。功率因素、有功功率。無(wú)功功率指標(biāo)數(shù)據(jù)，與此同時(shí)智能換相器通過(guò)其自身單相線路負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路實(shí)時(shí)采集單相支路的電壓、電流、負(fù)荷及相別信息，智能換相器并將這些單相支路的電壓、電流、負(fù)荷及相別信息通過(guò)通訊電路上傳給智能中控器；智能中控器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總線路三相間的不平衡度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到總線路三相間的不平衡度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)平衡邏輯算法，結(jié)合各支路負(fù)荷電流大小，通過(guò)隨機(jī)抽樣方法來(lái)優(yōu)化調(diào)平策略，然后通過(guò)通訊電路和無(wú)線射頻器與智能換相器進(jìn)行通信并下發(fā)調(diào)節(jié)命令，智能換相器接收到通信數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)命令后，由智能換相器的開出電路永磁繼電器進(jìn)行換相的切除、投入，實(shí)現(xiàn)各支路負(fù)荷的平衡。

上述技術(shù)方案中，所述的自動(dòng)平衡方法中平衡邏輯算法和隨機(jī)抽樣方法如下：

設(shè)在某一時(shí)刻，6個(gè)智能換相器分別監(jiān)測(cè)到6條負(fù)荷線路電流值及其支路負(fù)荷線路相別分組信息表示為：

i₁∈A,i₂∈A,i₃∈B,i₄∈B,i₅∈C,i₆∈C (1)

式中A、B、C分別為總線路三相；

智能中控器此時(shí)監(jiān)測(cè)到總線路負(fù)荷電流為I_A,I_B,I_C，其平衡度通過(guò)如下式子來(lái)評(píng)估：

式中三相平衡度值可以通過(guò)參數(shù)整定，智能中控器監(jiān)測(cè)到三相負(fù)荷線路實(shí)時(shí)總電流滿足(2)式時(shí)，則根據(jù)負(fù)荷線路電流值啟動(dòng)三相平衡線路優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算采用隨機(jī)抽樣法，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

第一步，智能中控器實(shí)時(shí)采樣三相負(fù)荷總線路負(fù)荷電流I_A、I_B、I_C；

第二步，智能中控器取三相平衡度整定值，并且計(jì)算(2)式是否成立；若成立則執(zhí)行第三步，不成立則返回第一步；

第三步，智能中控器通過(guò)無(wú)線射頻器和通訊電路召測(cè)各支路智能換相器采集的各支路負(fù)荷電流和相組別信息，以(1)式形式來(lái)表示；

第四步，將單相負(fù)荷線路的相組別信息進(jìn)行歸類計(jì)算，將屬于A、B、C三相支路負(fù)荷電流進(jìn)行相加，并計(jì)算其三相平衡誤差，并且保存記錄計(jì)算值和歸類信息，通過(guò)(3)、(4)、(5)式形式來(lái)表示：

式中為誤差最小換向值，為誤差換向值；

e_min＝(i_A-i_B)²+(i_B-i_C)²+(i_C-i_A)² (5)

式中e_min為誤差最小值，e為誤差值；

第五步，智能中控器設(shè)定抽樣次數(shù)num的值并對(duì)支路負(fù)荷電流信息i₁,i₂,i₃,i₄,i₅,i₆進(jìn)行隨機(jī)等概率抽樣分組：

i₁∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₁＝(C)

i₂∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₂＝(B)

i₃∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₃＝(B)

i₄∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₄＝(A)

i₅∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₅＝(B)

i₆∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₆＝(B)

抽樣完成后抽樣總次數(shù)num減1，并根據(jù)抽樣的結(jié)果，依據(jù)(6)式單相負(fù)荷線路的相組別信息進(jìn)行歸類計(jì)算，依據(jù)(8)式記錄其計(jì)算結(jié)果：

e₂＝(i'_A-i'_B)²+(i'_B-i'_C)²+(i'_C-i'_A)² (8)

第六步，比較兩次計(jì)算結(jié)果e_min和e₂進(jìn)行比較，如果e_min<＝e₂，則返回重新執(zhí)行第五步，如果e_min>e₂，則用e₂值替換e_min，替換中控器記錄e₂抽樣結(jié)果的相屬類別，并判斷抽樣總次數(shù)是否為零，不為零則重復(fù)執(zhí)行第五步，為零則執(zhí)行第七步；

第七步，中控器依據(jù)的信息對(duì)下行換相器下發(fā)換向命令，并且跳轉(zhuǎn)至第一步重復(fù)執(zhí)行。

上述技術(shù)方案中，所述的隨機(jī)抽樣方法是在當(dāng)前的相組別匹配的基礎(chǔ)上利用隨機(jī)抽樣的方法來(lái)優(yōu)化當(dāng)前的匹配相序，num為隨機(jī)抽樣次數(shù)，num參數(shù)選取越大，則隨機(jī)到最優(yōu)匹配相序的概率越大，但是隨著被監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷支路數(shù)量的增加，為了增加隨機(jī)抽樣樣本的空間，num參數(shù)選取會(huì)成指數(shù)形式增大；假設(shè)被監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷支路數(shù)為N，則隨機(jī)抽樣樣本空間個(gè)數(shù)為3^N；num參數(shù)過(guò)大則影響其運(yùn)算速度，過(guò)小則隨機(jī)到最優(yōu)匹配相序的概率越小，因此，num的選取需應(yīng)根據(jù)被監(jiān)測(cè)負(fù)荷支路數(shù)量來(lái)確定。

上述技術(shù)方案中，理論和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，30ms的掉電時(shí)間不會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備掉電，因此智能換相器在動(dòng)作時(shí)，斷開相和投入相的切換時(shí)間間隔即停電時(shí)間間隔保持在30ms內(nèi)就可以保證用電設(shè)備不掉電。

上述技術(shù)方案中，智能換相器作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一方面，采用電流過(guò)零切除，電壓過(guò)零投入的方法；另一方面，采用永磁繼電器作為動(dòng)作元件，將智能換相器換相時(shí)間小于30ms。

上述技術(shù)方案中，智能中控器是自動(dòng)平衡系統(tǒng)中集采樣、運(yùn)算、通信、人機(jī)交互、平衡邏輯算法于一體的智能控制裝置；

智能中控器能夠?qū)崟r(shí)采集臺(tái)區(qū)低壓側(cè)的三相電流、電壓、功率因素、有功功率、無(wú)功功率指標(biāo)數(shù)據(jù)以及智能換相器上的負(fù)荷數(shù)據(jù)、相別信息，通過(guò)CPRS通訊方式將信息轉(zhuǎn)出；智能中控器的平衡邏輯算法，能夠結(jié)合調(diào)平衡需求和各智能換相器的負(fù)載大小，進(jìn)行邏輯組合的運(yùn)算，求解出最優(yōu)策略，并通過(guò)無(wú)線射頻通訊方法將調(diào)節(jié)命令傳達(dá)給智能換相器；

智能中控器的組成中：

1)處理器MCU：

智能中控器的處理器MCU采用德州儀器提供的高性能16位DSP芯片，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，支持至少16路模擬量采集和32路可編程數(shù)字量；是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，控制裝置的信號(hào)采集、平衡邏輯運(yùn)算、遠(yuǎn)方GPRS通信，以及同換相器之間的無(wú)線射頻通訊等；

2)、液晶顯示電路：

裝置信息的集中顯示和參數(shù)修改的人機(jī)交互界面，液晶屏顯示尺寸為128X 64漢字點(diǎn)陣，通過(guò)SPI串口與DSP芯片進(jìn)行通訊；

3)、按鍵輸入電路：

裝置按鍵模塊主要功能為作為裝置信息查詢、邏輯配置的按鍵輸入功能，按鍵自帶消抖功能；

4)通訊電路：

裝置通訊模塊分為支持遠(yuǎn)方通訊的GPRS電路以及同智能換相器間通訊的無(wú)線射頻電路兩個(gè)部分；GPRS遠(yuǎn)方通訊電路的功能為將裝置采集的三相電流、電壓、功率因素、有功功率、無(wú)功功率等指標(biāo)數(shù)據(jù)以及換相器上的負(fù)荷數(shù)據(jù)、相別信息轉(zhuǎn)出；

無(wú)線射頻器的功能為完成與智能換相器之間的信息交互，接收智能換相器上傳的負(fù)荷與所屬相別信息，同時(shí)能夠?qū)⒄{(diào)節(jié)命令下發(fā)給換相器；配置高性能無(wú)線射頻器，具有數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、傳輸范圍廣、抗干擾性能優(yōu)等特點(diǎn)；

5)模擬輸入電路及負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路：

系統(tǒng)主要采集三相電流、電壓指標(biāo)數(shù)據(jù)；

交流采樣模擬量信號(hào)經(jīng)互感器、反向運(yùn)算放大電路及無(wú)源濾波電路處理后，引入到DSP內(nèi)置的12位ADC模擬‐數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到原始采樣數(shù)據(jù)；ADC轉(zhuǎn)換器采用硬件鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行跟頻采集，每個(gè)工頻周波設(shè)計(jì)采樣24點(diǎn)，采樣精度高，用于分析、計(jì)算三相系統(tǒng)的不平衡度；

6)電源電路：

電源電路采用AC/DC220V轉(zhuǎn)DC5V、12V、24V開關(guān)電源，為裝置提供穩(wěn)定的DC5V電源，并且預(yù)留一路DC12V和DC24V電源輸出；

所述智能換相器是自動(dòng)平衡系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是集采樣、通信、相序切換功能于一體的智能投切裝置，智能換相器一方面采集單線線路的負(fù)荷信息，并且通過(guò)無(wú)線射頻通訊形式將負(fù)荷信息上傳給智能中控器；另一方面，接收智能中控器的控制指令，對(duì)當(dāng)前負(fù)荷線路進(jìn)行換相；

智能換相器選用永磁體繼電器作為動(dòng)作元件，以及采用過(guò)零投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同相序之間的不掉電切換，智能換相器包括：

1)CPU電路：

CPU電路采用高性能16位DSP芯片，其數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，控制裝置的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通訊、換相開出；

2)換相器通訊電路：

換相器通訊電路的主要功能為實(shí)現(xiàn)智能換相器與智能中控器之間的雙向無(wú)線通訊，將單線線路上的負(fù)荷信息及智能換相器上的相別信息實(shí)時(shí)上傳到智能中控器，并且接受智能中控器對(duì)智能換相器的遠(yuǎn)方操作命令；其內(nèi)部配置有高性能無(wú)線射頻器。

3)、模擬輸入電路及單相線路負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路：

采集電路的主要功能為采集單線線路的負(fù)荷信息，模擬輸入電路用DSP內(nèi)置的12位ADC模擬‐數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到單線負(fù)荷電流數(shù)據(jù)，為智能中控器三相平衡負(fù)載切換提供數(shù)據(jù)支持；

4)開出電路：

系統(tǒng)開出電路的主要功能為實(shí)現(xiàn)換相器相序切換動(dòng)作的繼電開出，其采用永磁繼電器作為動(dòng)作元件，具有帶載能力強(qiáng)、功耗小、動(dòng)作速度快等特點(diǎn)；

5)電源電路：

電源電路采用AC/DC220V轉(zhuǎn)DC5V、12V、24V開關(guān)電源，為裝置提供穩(wěn)定的DC5V電源，并且預(yù)留一路DC12V和DC24V電源輸出。

本實(shí)用新型的低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)及其自動(dòng)平衡方法，通過(guò)采集被監(jiān)測(cè)線路三相電壓電流的變化，來(lái)實(shí)時(shí)評(píng)估三相負(fù)荷線路的不平衡度，根據(jù)不平衡度來(lái)控制三相監(jiān)測(cè)線路的負(fù)荷切換，從而達(dá)到實(shí)時(shí)平衡三相負(fù)荷的目的，在電力系統(tǒng)中的作用主要包括如下幾個(gè)方面：

1)自動(dòng)平衡三相負(fù)載：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相不平衡度，并根據(jù)不平衡度自動(dòng)調(diào)節(jié)三相負(fù)載，換相時(shí)間最大只需30ms，不中斷用戶供電，不會(huì)引起常用電器的復(fù)位和重啟動(dòng)，也不會(huì)對(duì)電器產(chǎn)生損害。

2)智能組網(wǎng)：

針對(duì)多個(gè)智能中控器共網(wǎng)的模式，具備獨(dú)特的智能組網(wǎng)機(jī)制，即搶占式分時(shí)通信機(jī)制，該機(jī)制避免了不同支路之間的載波通信的沖突和干擾，實(shí)現(xiàn)了智能組網(wǎng)功能。

3)降低變壓器損耗：

使變壓器處于對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)，有效降低了變壓器損耗。

4)降低線路損耗，有效減小中性線電流，從而減小了中性線的損耗，同時(shí)也減小了相線的損耗。

5)解決低壓、過(guò)壓?jiǎn)栴}：

解決由三相不平衡所導(dǎo)致的低壓、過(guò)壓的問(wèn)題，避免因過(guò)壓燒壞用電設(shè)備或因低壓影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

6)保護(hù)低壓配網(wǎng)、安全運(yùn)行：

避免由于中性線電流長(zhǎng)期過(guò)大而導(dǎo)致的發(fā)熱和老損，以及避免了變壓器等配電設(shè)備燒毀的安全隱患。

優(yōu)點(diǎn)效果

(一)、系統(tǒng)效果

克服了傳統(tǒng)依靠人工改線來(lái)調(diào)節(jié)三相不平衡的缺點(diǎn)，可有效降低由三相負(fù)載不平衡所導(dǎo)致的變壓器損耗、線路損耗，克服某相過(guò)流等情況，以及由三相不平衡所帶來(lái)的眾多安全隱患。

(二)、系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

免維護(hù)、免管理，系統(tǒng)投運(yùn)后無(wú)需專人維護(hù)和管理，節(jié)省人力物力，提高效率。

自動(dòng)換相，不需中斷用戶供電，無(wú)需人工參與；換相時(shí)間≤30ms，不會(huì)導(dǎo)致供電中斷。

采用無(wú)線模塊進(jìn)行通訊，并且支持遠(yuǎn)方GPRS后臺(tái)通訊，通訊組網(wǎng)方式便捷。

換相器采用可靠的硬件閉鎖技術(shù)，可有效防止多個(gè)相序同時(shí)接通。

附圖說(shuō)明：

圖1為本實(shí)用新型系統(tǒng)拓?fù)鋱D；

圖2為智能中控器電原理框圖；

圖3為智能換相器電原理框圖。

具體實(shí)施方式：

參見附圖，本實(shí)用新型的低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)，包括一個(gè)智能中控器和若干個(gè)智能換相器，智能中控器安裝在待平衡線路的始端，而智能換相器安裝在三相變單相的支路沿線，智能中控器只負(fù)責(zé)與安裝在支路的智能換相器進(jìn)行通信，智能換相器作為智能中控器的從機(jī)；所述智能中控器以DSP芯片作為處理器MCU；處理器MCU的輸入端分別連接按鍵輸入電路、模擬輸入電路和電源電路，而按鍵輸入電路的輸入端連接按鍵或觸摸屏，模擬輸入電路的輸入端連接三相負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路，電源電路供給智能中控器電路的工作電源并具有直流電源輸出接口；處理器MCU的輸出端連接液晶顯示電路，而液晶顯示電路的輸出端連接顯示器；處理器MCU還連接通訊電路并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而通信電路一方面通過(guò)GPRS電路與遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通訊電路另一方面通過(guò)無(wú)線射頻器與智能換相器的通訊電路進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；所述智能換相器同樣采用DSP芯片作為CPU電路，CPU電路的輸入端分別連接模擬輸入電路和電源電路，模擬輸入電路的輸入端連接單相線路負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路，電源電路供給智能換相器電路的工作電源并具有直流電源輸出接口；CPU電路與換相器通訊電路連接通信，而換相器通訊電路通過(guò)無(wú)線射頻器與智能中控器進(jìn)行通訊，CPU電路的輸出端連接開出電路，開出電路的輸出端連接相序切換開關(guān)。

一種基于上述低壓臺(tái)區(qū)變?nèi)嘭?fù)載自動(dòng)平衡系統(tǒng)的自動(dòng)平衡方法，智能中控器安裝在被監(jiān)測(cè)待平衡總線路的始端，而各智能換相器分別安裝在三相變單相的支路沿線上，智能中控器與各智能換相器進(jìn)行通信，智能換相器作為智能中控器的從機(jī)；智能中控器通過(guò)其自身的三相負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路實(shí)時(shí)采集臺(tái)區(qū)低壓側(cè)的三相電流、電壓。功率因素、有功功率。無(wú)功功率指標(biāo)數(shù)據(jù)，與此同時(shí)智能換相器通過(guò)其自身單相線路負(fù)荷數(shù)據(jù)采樣電路實(shí)時(shí)采集單相支路的電壓、電流、負(fù)荷及相別信息，智能換相器并將這些單相支路的電壓、電流、負(fù)荷及相別信息通過(guò)通訊電路上傳給智能中控器；智能中控器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總線路三相間的不平衡度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到總線路三相間的不平衡度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)平衡邏輯算法，結(jié)合各支路負(fù)荷電流大小，通過(guò)隨機(jī)抽樣方法來(lái)優(yōu)化調(diào)平策略，然后通過(guò)通訊電路和無(wú)線射頻器與智能換相器進(jìn)行通信并下發(fā)調(diào)節(jié)命令，智能換相器接收到通信數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)命令后，由智能換相器的開出電路永磁繼電器進(jìn)行換相的切除、投入，實(shí)現(xiàn)各支路負(fù)荷的平衡，所述的自動(dòng)平衡方法中平衡邏輯算法和隨機(jī)抽樣方法如下：

設(shè)在某一時(shí)刻，6個(gè)智能換相器分別監(jiān)測(cè)到6條負(fù)荷線路電流值及其支路負(fù)荷線路相別分組信息表示為：

i₁∈A,i₂∈A,i₃∈B,i₄∈B,i₅∈C,i₆∈C (1)

式中A、B、C為分別總線路三相；

中控器此時(shí)監(jiān)測(cè)到總線路負(fù)荷電流為I_A,I_B,I_C，其平衡度通過(guò)如下式子來(lái)評(píng)估：

式中三相平衡度值可以通過(guò)參數(shù)整定，智能中控器監(jiān)測(cè)到三相負(fù)荷線路實(shí)時(shí)總電流滿足(2)式時(shí)，則根據(jù)負(fù)荷線路電流值啟動(dòng)三相平衡線路優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算采用隨機(jī)抽樣法，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

第一步，智能中控器實(shí)時(shí)采樣三相負(fù)荷總線路負(fù)荷電流I_A、I_B、I_C；

第二步，智能中控器取三相平衡度整定值，并且計(jì)算(2)式是否成立；若成立則執(zhí)行第三步，不成立則返回第一步；

第三步，智能中控器通過(guò)無(wú)線射頻器和通訊電路召測(cè)各支路智能換相器采集的各支路負(fù)荷電流和相組別信息，以(1)式形式來(lái)表示。

第四步，將單相負(fù)荷線路的相組別信息進(jìn)行歸類計(jì)算，將屬于A、B、C三相支路負(fù)荷電流進(jìn)行相加，并計(jì)算其三相平衡誤差，并且保存記錄計(jì)算值和歸類信息，通過(guò)(3)、(4)、(5)式形式來(lái)表示：

式中為誤差最小換向值，為誤差換向值；

e_min＝(i_A-i_B)²+(i_B-i_C)²+(i_C-i_A)² (5)

式中e_min為誤差最小值，e為誤差值；

第五步，智能中控器設(shè)定抽樣次數(shù)num的值并對(duì)支路負(fù)荷電流信息i₁,i₂,i₃,i₄,i₅,i₆進(jìn)行隨機(jī)等概率抽樣分組：

i₁∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₁＝(C)

i₂∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₂＝(B)

i₃∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₃＝(B)

i₄∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₄＝(A)

i₅∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₅＝(B)

i₆∈(A、B、C)抽樣結(jié)果記為：i₆＝(B)

抽樣完成后抽樣總次數(shù)num減1，并根據(jù)抽樣的結(jié)果，依據(jù)(6)式單相負(fù)荷線路的相組別信息進(jìn)行歸類計(jì)算，依據(jù)(8)式記錄其計(jì)算結(jié)果：

e₂＝(i'_A-i'_B)²+(i'_B-i'_C)²+(i'_C-i'_A)² (8)

第六步，比較兩次計(jì)算結(jié)果e_min和e₂進(jìn)行比較，如果e_min<＝e₂，則返回重新執(zhí)行第五步，如果e_min>e₂，則用e₂值替換e_min，替換中控器記錄e₂抽樣結(jié)果的相屬類別，并判斷抽樣總次數(shù)是否為零，不為零則重復(fù)執(zhí)行第五步，為零則執(zhí)行第七步；

第七步，中控器依據(jù)的信息對(duì)下行換相器下發(fā)換向命令，并且跳轉(zhuǎn)至第一步重復(fù)執(zhí)行。

上述隨機(jī)抽樣方法是在當(dāng)前的相組別匹配的基礎(chǔ)上利用隨機(jī)抽樣的方法來(lái)優(yōu)化當(dāng)前的匹配相序，num為隨機(jī)抽樣次數(shù)，num參數(shù)選取越大，則隨機(jī)到最優(yōu)匹配相序的概率越大，但是隨著被監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷支路數(shù)量的增加，為了增加隨機(jī)抽樣樣本的空間，num參數(shù)選取會(huì)成指數(shù)形式增大；假設(shè)被監(jiān)測(cè)線路負(fù)荷支路數(shù)為N，則隨機(jī)抽樣樣本空間個(gè)數(shù)為3^N；num參數(shù)過(guò)大則影響其運(yùn)算速度，過(guò)小則隨機(jī)到最優(yōu)匹配相序的概率越小，因此，num的選取需應(yīng)根據(jù)被監(jiān)測(cè)負(fù)荷支路數(shù)量來(lái)確定。

大量的理論調(diào)研和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，30ms的掉電時(shí)間不會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備掉電，因此只要保證智能換相器在動(dòng)作時(shí)，斷開相和投入相的切換時(shí)間間隔即停電時(shí)間間隔保持在30ms內(nèi)就可以保證用電設(shè)備不掉電。

智能換相器作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一方面，采用電流過(guò)零切除，電壓過(guò)零投入的方法；另一方面，采用永磁繼電器作為動(dòng)作元件，將智能換相器換相時(shí)間小于30ms。

上述技術(shù)方案中，智能中控器是自動(dòng)平衡系統(tǒng)中集采樣、運(yùn)算、通信、人機(jī)交互、平衡邏輯算法于一體的智能控制裝置；

智能中控器能夠?qū)崟r(shí)采集臺(tái)區(qū)低壓側(cè)的三相電流、電壓、功率因素、有功功率、無(wú)功功率等指標(biāo)數(shù)據(jù)以及智能換相器上的負(fù)荷數(shù)據(jù)、相別信息等，通過(guò)CPRS通訊方式可將信息轉(zhuǎn)出；智能中控器的平衡邏輯算法，能夠結(jié)合調(diào)平衡需求和各換相器的負(fù)載大小，進(jìn)行邏輯組合的運(yùn)算，求解出最優(yōu)策略，并通過(guò)無(wú)線射頻通訊方法將調(diào)節(jié)命令傳達(dá)給智能換相器；

智能中控器的組成中：

1)處理器MCU：

智能中控器的處理器MCU采用德州儀器提供的高性能16位DSP芯片，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，支持至少16路模擬量采集和32路可編程數(shù)字量；是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，控制裝置的信號(hào)采集、平衡邏輯運(yùn)算、遠(yuǎn)方GPRS通信，以及同換相器之間的無(wú)線射頻通訊等；

2)、液晶顯示電路：

裝置信息的集中顯示和參數(shù)修改的人機(jī)交互界面，液晶屏顯示尺寸為128X 64漢字點(diǎn)陣，通過(guò)SPI串口與DSP芯片進(jìn)行通訊；

3)、按鍵輸入電路：

裝置按鍵模塊主要功能為作為裝置信息查詢、邏輯配置的按鍵輸入功能，按鍵自帶消抖功能；

4)通訊電路：

裝置通訊模塊分為支持遠(yuǎn)方通訊的GPRS電路以及同智能換相器間通訊的無(wú)線射頻電路兩個(gè)部分；GPRS遠(yuǎn)方通訊電路的功能為將裝置采集的三相電流、電壓、功率因素、有功功率、無(wú)功功率等指標(biāo)數(shù)據(jù)以及換相器上的負(fù)荷數(shù)據(jù)、相別信息等轉(zhuǎn)出；

無(wú)線射頻器的功能為完成與智能換相器之間的信息交互，接收智能換相器上傳的負(fù)荷與所屬相別信息，同時(shí)能夠?qū)⒄{(diào)節(jié)命令下發(fā)給換相器。配置高性能無(wú)線射頻器，具有數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、傳輸范圍廣、抗干擾性能優(yōu)等特點(diǎn)。

5)模擬輸入電路及負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路：

系統(tǒng)主要采集三相電流、電壓等指標(biāo)數(shù)據(jù)；

交流采樣模擬量信號(hào)經(jīng)互感器、反向運(yùn)算放大電路及無(wú)源濾波電路處理后，引入到DSP內(nèi)置的12位ADC模擬‐數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到原始采樣數(shù)據(jù)。ADC轉(zhuǎn)換器采用硬件鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行跟頻采集，每個(gè)工頻周波設(shè)計(jì)采樣24點(diǎn)，采樣精度高，用于分析、計(jì)算三相系統(tǒng)的不平衡度；

6)電源電路：

電源電路采用AC/DC220V轉(zhuǎn)DC5V、12V、24V開關(guān)電源，為裝置提供穩(wěn)定的DC5V電源，并且預(yù)留一路DC12V和DC24V電源輸出；

所述智能換相器是自動(dòng)平衡系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是集采樣、通信、相序切換功能于一體的智能投切裝置，智能換相器一方面采集單線線路的負(fù)荷信息，并且通過(guò)無(wú)線射頻通訊形式將負(fù)荷信息上傳給智能中控器；另一方面，接收智能中控器的控制指令，對(duì)當(dāng)前負(fù)荷線路進(jìn)行換相；

智能換相器選用永磁體繼電器作為動(dòng)作元件，以及采用過(guò)零投切技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同相序之間的不掉電切換，智能換相器包括：

1)CPU電路：

CPU電路同樣采用高性能16位DSP芯片，其數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，控制裝置的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通訊、換相開出；

2)換相器通訊電路：

換相器通訊電路的主要功能為實(shí)現(xiàn)智能換相器與智能中控器之間的雙向無(wú)線通訊，將單線線路上的負(fù)荷信息及換相器上的相別信息實(shí)時(shí)上傳到智能中控器，并且接受智能中控器對(duì)智能換相器的遠(yuǎn)方操作命令。其內(nèi)部配置有高性能無(wú)線射頻器，具有數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、傳輸范圍廣、抗干擾性能優(yōu)等特點(diǎn)；

3)模擬輸入電路及單相線路負(fù)荷數(shù)據(jù)采集電路：

采集電路的主要功能為采集單線線路的負(fù)荷信息，模擬輸入電路用DSP內(nèi)置的12位ADC模擬‐數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到單線負(fù)荷電流數(shù)據(jù)，為智能中控器三相平衡負(fù)載切換提供數(shù)據(jù)支持；

4)開出電路：

系統(tǒng)開出電路的主要功能為實(shí)現(xiàn)換相器相序切換動(dòng)作的繼電開出，其采用永磁繼電器作為動(dòng)作元件，具有帶載能力強(qiáng)、功耗小、動(dòng)作速度快等特點(diǎn)；

5)電源電路：

電源電路采用AC/DC220V轉(zhuǎn)DC5V、12V、24V開關(guān)電源，為裝置提供穩(wěn)定的DC5V電源，并且預(yù)留一路DC12V和DC24V電源輸出。