一種動(dòng)態(tài)均衡的3相智能化配電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路、電路硬件設(shè)計(jì)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)、PC軟件以及算法設(shè)計(jì)、通信領(lǐng)域，特別是利用先進(jìn)的算法和實(shí)時(shí)通信技術(shù)而實(shí)現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)均衡的3相智能化配電系統(tǒng)，通過將負(fù)載分組以及利用智能化插座等及時(shí)獲得接入負(fù)載的數(shù)據(jù)，將負(fù)載按照設(shè)定規(guī)則接入3相電中的一根相線，實(shí)現(xiàn)3根相線帶動(dòng)的負(fù)載基本相同，以及在任何指定的相位分別實(shí)現(xiàn)3根相線的切換；系統(tǒng)能夠利用自身的MCU針對獲得的功率數(shù)據(jù)以及波形數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的保護(hù)功能，或者將數(shù)據(jù)上傳到指定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，獲得指令后執(zhí)行相關(guān)的切換操作或者保護(hù)操作；系統(tǒng)可以在不同的等級使用，實(shí)現(xiàn)小范圍到變電站間的動(dòng)態(tài)化3相均衡；系統(tǒng)具備電表的所有功能，可按照要求將電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，根據(jù)自身算法或者指令進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)載接入。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)前的智能配電箱和智能配電柜等產(chǎn)品，把眾多帶通訊接口的控制設(shè)備和儀表與計(jì)算機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)集中數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)控、分析、調(diào)度等智能化管理，其中智能配電箱是最接近用戶端的配電設(shè)備，當(dāng)前系統(tǒng)如圖1所示。
[0004]連接關(guān)系如下:3相電A相、B相、C相經(jīng)過開關(guān)Ql后分為2路，分別與中線組合為單相 220VAC-l、220VAC-2、220VAC-3、220VAC-4、220VAC-5、220VAC-6 輸出，A 相、B 相、C 相、中線分別與防雷器件RU1、RU2、RU3、RU4連接后與防雷地接在一起，A相、B相、C相經(jīng)過保險(xiǎn)絲FU1、FU2、FU3分別與負(fù)載Loadl、Load2、Load3連接后匯接到中線，監(jiān)測單元的三相輸出經(jīng)過開關(guān)與電壓指示儀器連接。
[0005]工作過程如下:正常工作狀態(tài)下，相線與中線構(gòu)成6個(gè)220VAC的輸出，每兩個(gè)輸出是同相位的，可以按照需求掛接相應(yīng)負(fù)載，如在每層樓使用此配電箱，6個(gè)220VAC分別接入6個(gè)住戶家庭作為用電的母線；在正常用電時(shí)，監(jiān)測單元獲得每個(gè)220VAC輸出的功率，以及異常用電的紀(jì)錄等。
[0006]目前的配電箱在常規(guī)數(shù)據(jù)的采集以及保護(hù)方面基本標(biāo)準(zhǔn)化，通過相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定得到普及，但是在智能化程度以及與智能電網(wǎng)的融合、電能一體化管理方面存在不足:
負(fù)載與相線之間的連接是固定的，相線在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就分配完畢，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)度，滿足不斷增長的用電需求；
3根相線連接的負(fù)載不同，而每個(gè)負(fù)載的變化也是不同的，不同的時(shí)間與不同的負(fù)載連接，負(fù)載的種類以及消耗的功率不同，從而造成3相之間的不均衡，導(dǎo)致中線電流過大，影響用電安全以及用電損耗增加；
監(jiān)測單元收集的用電信息過于簡單，或者數(shù)據(jù)采集的精度以及采樣速度低，無法通過搞計(jì)算法獲得配電網(wǎng)絡(luò)以及用電設(shè)備的進(jìn)一步信息，從而通過智能化運(yùn)行進(jìn)一步降低系統(tǒng)的損耗，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行效益； 當(dāng)前的智能配電終端系統(tǒng)(配電箱、配電柜)等采用RS485總線(ProfiBus)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)速率受到限制，無法通過高速互聯(lián)的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的雙向傳遞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是通過如下方法實(shí)現(xiàn)的。
[0008]如圖2所示為動(dòng)態(tài)均衡的3相配電終端系統(tǒng)原理圖，連接關(guān)系為:相線I分別與開關(guān)繼電器Rl、R4、R7連接，相線2分別與開關(guān)繼電器R2、R5、R8連接，相線3分別與開關(guān)繼電器R3、R6、R9連接，開關(guān)繼電器町、1?2、1?3、1?4、1?5、1?6、1?7、1?8、1?9的控制端口與MCU連接，開關(guān)繼電器分組[Rl、R2、R3]、[R4、R5、R6]、[R7、R8、R9]輸出分別與3個(gè)電壓電流檢測計(jì)量模組連接后輸出成為3根火線，中線(零線)與地線分別接出3個(gè)分支，與3根火線組成3端口 220VAC市電端口:火線、中線(零線)、地線。中線的電壓電流檢測計(jì)量模組與3根相線的對應(yīng)模組連接，相線的電壓電流檢測計(jì)量模組通過數(shù)據(jù)總線與MCU連接，MCU通過RJ45網(wǎng)口與外界連接。
[0009]工作原理如下:當(dāng)市電接口有負(fù)載接入時(shí)，智能電網(wǎng)的其他組件如智能開關(guān)、智能插座等首先獲得負(fù)載的種類、功率等信息，然后將信息上傳后發(fā)送到智能配電箱、智能配電柜以及智能化變電站，然后將相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)到如圖2的MCU ；MCU按照兩種模式將負(fù)載接入用電網(wǎng)絡(luò)。
[0010]模式1:MCU根據(jù)自己已經(jīng)掛載的負(fù)載數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的用戶用電習(xí)慣等信息，將負(fù)載接入到目前掛載功率最小的相線下，或者根據(jù)算法以及一段時(shí)間內(nèi)用戶掛載的預(yù)測，將負(fù)載掛接到未來一段時(shí)間內(nèi)3相均衡最優(yōu)化的相線下。
[0011]模式2:MCU根據(jù)上位機(jī)的指令，按照整體最優(yōu)化的原則，直接將負(fù)載掛接到指定的相線下。
[0012]3根相線通過各自的電壓電流檢測計(jì)量模組，獲得相應(yīng)的電壓電流波形以及功率等數(shù)據(jù)，為了精確計(jì)算，在功率測量時(shí)將中線的檢測數(shù)據(jù)直接與3根相線的檢測集中到一個(gè)芯片內(nèi)。MCU可以根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)過流、過功率保護(hù)、漏電檢測等功能。
[0013]再將任何一根相線接入到火線時(shí)，根據(jù)電壓電流檢測計(jì)量模組采集的數(shù)據(jù)，MCU控制相應(yīng)的開關(guān)繼電器實(shí)現(xiàn)相線在任意指定相位切換到火線。通過高精度(16/24比特)高速(8K/64KSPS)采樣，MCU內(nèi)嵌算法能夠得到精確的過零點(diǎn)，從而精確判定任一時(shí)刻相線的相位；在生產(chǎn)階段，MCU可以得到較準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如繼電器的開關(guān)操作時(shí)間、MCU內(nèi)部運(yùn)算時(shí)間、電路中驅(qū)動(dòng)模組的反應(yīng)時(shí)間等。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間后，MCU在某個(gè)時(shí)刻發(fā)出指令，從而在指定的相位實(shí)現(xiàn)相線到火線的切換。ZVS/ZCS (零電壓/零電流切換)功能是指定相位切換的一部分，指定的切換相位為0°或者180°。
[0014]3根相線之間的切換可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。連續(xù)切換時(shí)，相線I在指定相位切換后，相線2和相線3在一個(gè)周期內(nèi)(20ms或者16.6ms)實(shí)現(xiàn)切換；不連續(xù)切換時(shí)，相線I在指定相位切換后，相線2和相線3在分別設(shè)定的延時(shí)后實(shí)現(xiàn)切換，相位也可以與相線I的切換相位不同，并且相線2和相線3的切換相位也可以不同。
[0015]MCU內(nèi)嵌的算法可以提高過零點(diǎn)的檢測精度，因而可以以高精度確定每根相線的相位。以16比特8KSPS的商業(yè)級應(yīng)用為例，歸一化相線波形為正弦波，獲得以下簡單的高精度切換算法。
[0016]設(shè)定MCU的時(shí)鐘為20MHz，在相線正弦波過零點(diǎn)附近，獲得兩個(gè)采樣點(diǎn)，如圖11中情景I所示，過零點(diǎn)前的數(shù)據(jù)為sin(2 Jif^SlP),過零點(diǎn)后的數(shù)據(jù)為sin((2 Jif^SIN) 0
[0017]兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的插值為
220* sin(2 f*SlP)-220* sin ((2 π f*SlN)
=220* [ sin(2 3? f*SlP)_ sin ((2 π f*SlN)]
^ 220*2 3i f* (SlP-SIN)
=220*2 3i *50*1/8000=2.75 3i
過零點(diǎn)前后得的采樣數(shù)據(jù)基本接近零，因此可以近似認(rèn)為兩點(diǎn)之間為直線，而時(shí)鐘信號的頻率為20MHz，因此每兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)鐘信號個(gè)數(shù)為2500個(gè)。
[0018]理想狀態(tài)下，過零點(diǎn)可以精確到單個(gè)時(shí)鐘信號，因此理想的過零點(diǎn)誤差為
2.75 31 /2500=1.1 π *1(Γ3
在簡單算法下，誤差為理想狀態(tài)下的+/-5倍，因此過零點(diǎn)誤差為+/-5.5 π *10_3。
[0019]在16比特精度8Κ采樣頻率下，采樣誤差為+/-(220/64Κ)，經(jīng)過算法后，精度提高到+/_5.5 η *10 3,從而大幅提聞了系統(tǒng)的精度。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
能夠以非常高的精度，實(shí)現(xiàn)任意相線在任意指定相位的切換；
切換可以在3根相線之間連續(xù)切換，也可以在3根相線之間設(shè)置任意延時(shí)；
能夠根據(jù)3根相線負(fù)載基本均衡的要求，實(shí)現(xiàn)負(fù)載在3根相線之間的動(dòng)態(tài)掛接；負(fù)載在3根