1 产品研发背景

目前，在国家电网公司中、低压配电网系统中，存在着大量的单相、不对称、非线性、冲击性负荷，三相负荷系统是随机变化的，这些负荷会使配电系统产生三相不平衡，三相负荷不平衡会导致供电系统三相电压、电流的不平衡，引起电网负序电压和负序电流，影响供电质量，进而增加线路损耗，降低供电可靠性。

三相不平衡治理装置是专门针对上述问题而研发的一款产品，不同于传统的治理装置，它融合了半导体器件与接触器开关的优点，能够避免接触器开关在负荷投切瞬间产生的较大涌流和开通、关断时间间隔长的问题,使负载用户在负载换相投切过程中可正常供电；也能避免半导体器件长期运行带来的发热问题。配网三相不平衡治理装置的应用，将大幅提高配网运行稳定性和智能化，可对国网公司提出的建设坚强智能电网的要求起到很好的支撑作用。

2 产品技术参数

3.1总体方案

三相不平衡调节装置主要由主控制器与换相开关组成。主控制器是整个装置的控制核心，换相开关是装置的执行机构，它们之间通过GPRS无线通讯进行信息交互，相互配合完成对配网三相不平衡问题的治理。装置系统示意图如下所示。

主控制器是整个装置的控制终端，每套装置只有一个主控制器。它负责采集整个装置的各种状态信息和数据，通过逻辑运算发出各种指令完成整个装置的操控。它检测配网总线的电压信号；接收换相开关上传的负载电流数据，计算负载平衡度及分布情况，通过分析计算给各个换相开关发出换相命令；接收换相开关上传的运行状态和故障信息，然后做出相应的控制操作。

换相开关是装置的分支和执行机构，根据配变的容量与负载的分布情况不同可灵活选择换相开关的容量和数量。它负责采集负载电流数据，与自身的状态信息一起通过GPRS无线通讯上传给主控制器；接收主控制器的换相命令进行换相操作；接收主控制器的故障保护命令进行相应的操作；显示自身的运行状态信息。

每套三相不平衡调节装置只有一个主控制器，但换相开关的数量是不定的，根据现场应用情况的不同，配备数量不等的换相开关。换相开关与主控制器之间通过GPRS无线通讯的方式实现信息交互，这样现场应用安装灵活。三相不平衡调节装置的现场应用情况比较复杂多样，具体的应用方案这里不一一列举，下面主要介绍主控制器和换相开关的技术方案和具体实现。

3.2 硬件方案

3.2.1 主控制器

主控制器由开关电源、主控制器板卡、机壳结构组成。示意图如下图所示

◆开关电源

开关电源为主控制器提供电源，电源入口从配网取电，额定电压为220V/50Hz，输出为DC24V，负载额定功率约为20W，选取衡孚的HF-35W-SE-24

◆主控制器板卡

主控制器板卡是主控制器的核心部件，电源输入为DC24V，要具备电压检测功能、开入开出功能、通讯功能、逻辑运算功能。此部分外包给外协厂家设计生产，具体技术指标和功能需求参见外包技术协议。

◆控制器板卡外壳

对控制板起到一定的防护作用，正面设计有标识区、指示灯区，手动设置区。

◆控制器箱体结构

安装控制器所有器件，可户外、户内安装使用，可柱上安装。防护等级要求达到IP54。

主要功能参数

采集变压器出口三相电网电流；

计算电网负载电流不平衡度，制定三相不平衡调节方案；

装置运行状态指示功能；

GPRS通讯功能、485通讯功能，与上位机通讯功能；

防护等级：IP54；

安装方式：壁挂安装； 

工作环境温度：-25~45摄氏度；

工作环境湿度：0~95%无凝露。

3.2.2 换相开关

换相开关主要由触发板、晶闸管、接触器、电流互感器、结构机壳组成。组成示意图如下图所示。

◆触发板

触发板主要负责控制换相开关的换相操作，外包给外协厂家进行设计生产，相机技术功能指标可见技术协议。

◆开关电源

开关电源为触发板提供电源，电源入口从配网取电，额定电压为220V/50Hz，输出为DC24V，负载额定功率约为20W，选取衡孚的HF-35W-SE-24

◆晶闸管

晶闸管型号为：塞米控的SKKT-106-16E，台基的MTX110-1800V，两种型号互为备选，结构设计时要考虑两种晶闸管兼容使用。首选塞米控晶闸管，台基作为备选。

◆接触器

接触器型号：ABB的AX32-30-01-80

◆电流互感器

电流互感器型号：兵字的TA2739-01

◆结构箱体

作为换相开关的结构外壳，起到支撑、防护作用，正面设计有标识区、指示灯区、手动设置区。

主要功能参数

负载电流检测功能；

换相功能，接触器驱动功能、晶闸管驱动功能；

接触器、晶闸管状态检测功能；

GPRS通讯功能、485通讯功能，与控制器通讯功能；

换相开关运行状态指示功能；

换相手动操作功能；

换相开关物理地址定义功能；

防护等级：IP54；

安装方式：壁挂安装； 

工作环境温度：-25~45摄氏度；

工作环境湿度：0~95%无凝露。

3.3 软件方案  

3.3.1总体方案 

    整套装置的软件控制系统由控制程序和换相程序组成，主控程序与换相程序属于主从关系，主控程序发出命令，接收换相程序上传信息。换相程序接受命令，上传信息。它们之间分工不同互相配合，共同完成装置的运行控制。下图是软件控制系统示意图。

主控程序是装置的核心控制部分，它负责装置的核心算法与控制策略、信息的汇总与分析运算。

换相程序是装置的具体执行部分，它负责换相开关的换相逻辑控制；检测负载电流信号与装置运行状态信息并上传给主控程序。

3.3.2主控程序

信息采集功能

◆总线电压信号采集功能，检测配电变压器低压侧电网电压信号。

◆总线电流信号采集功能，检测配电变压器三相输出电流。

◆通过GPRS无线通讯接收各换相开关上传的负载电流信息、物理地址信息（如08C，装置的第8个开关、默认运行相为C相）、运行状态信息（含当前运行相）、故障信息。

◆可根据外部编码器电路输入的信号来设置换相等待时间。

控制计算功能

◆装置的主控功能。管理控制装置的正常运行。

◆三相电流不平衡度计算功能。

◆各换相开关支路负载电流计算功能。

◆各支路负载重新分配再平衡计算功能。通过专门的计算方法计算当前所接支路负载并重新分配到各单相，给需要调整的换相开关发出换相命令，使电网三项电流达到平衡。

◆根据换相开关上传的物理地址，对各换相开关进行分组定义功能。

◆运行状态指示功能。发出电平信号控制LED灯的亮、灭，指示电源供电、正常运行、故障报警三种状态。

◆故障信息发送功能，发送故障代码到手机和电脑中。

通讯功能

◆485通讯、GPRS无线通讯。

◆装置内控制器与各换相开关采用GPRS通讯传输数据。

◆装置通过GPRS向用户的手机和电脑发送数据信息。

◆设备检修、重新设置参数或更新软件程序时采用485通讯。

2）控制策略

◆系统级控制框图

◆装置级控制策略

换相开关采集的每一路电流，…. ，控制器采集的配电变压器出口总电流，然后按各相总电流大小排序，由大到小分别为x，y，z

求总平均值：

其中大于零，小于零；

若大于零，则x、y相的换相开关中分别找出与、接近的负荷切换到z相，在动作之前，先进线预判，如果预判结果比动作之前要差，则维持不动作；

若小于零，则x找出与、接近的负荷切换到y、z相，在动作之前，先进线预判，如果预判结果比动作之前要差，则维持不动作；

若等于零，则x找出与接近的负荷切换到y、z相，在动作之前，先进线预判，如果预判结果比动作之前要差，则维持不动作；

当变压器轻载时，不进行不平衡调节，轻载定义为负载率小于等于30%

3）控制算法

◆不平衡判断依据和计算方法

以三相电流不平衡度超过15%作为动作判据

◆不平衡度计算

三相四线制系统中：电流不平衡度，其中为三相电流、、，取自总进线电流CT，为三相总进线电流有效值的平均值。计算电流不平衡度时三相电流都需要计算，要保证三相电流不平衡度均不超过15%

◆系统级控制需要采集数据

当装置内的控制器或装置内的换相开关出现故障时，装置的保护原则有两条

◆在不会发生事故的情况下，优先确保用户用电畅通。设备可带故障运行。

◆当三相不平衡调节功能失效时，同样要保证用户供电。

3.3.3换相程序

信息采集功能

◆负载电流采集功能。

◆硬件地址编码功能。根据外部输入编码器信号定义开关的物理地址

◆手动换相功能。接收外部手动控制信号，控制开关进行换相操作。

◆通过GPRS无线通讯接收控制器发送的信息。

控制计算功能

◆换相开关换相操作的逻辑控制功能。

◆晶闸管和接触器的驱动控制功能。

◆晶闸管和接触器的状态信息检测功能。

◆运行状态指示功能。发出电平信号控制LED灯的亮、灭，指示电源供电、正常运行、故障报警三种状态。

◆工作相指示功能。发出电平信号控制LED灯的亮、灭，指示负载接通在哪一相。

◆数据上传给控制器功能，实时上传运行的状态信息和电流参数。

通讯功能

◆485通讯，GPRS无线通讯。

◆装置内与控制器间采用GPRS无线通讯输出信息。

◆设备检修、重新设置参数或更新软件程序时采用485通讯。

2）换相操作流程图

3)故障信息列表

VTa：A相晶闸管

KMA：A相接触器

VTb：A相晶闸管

KMB：A相接触器

VTc：A相晶闸管

KMC：A相接触器

3.3.4装置运行控制

       三相不平衡调节装置的运行控制流程大概如下

1）上电后，装置初始化，装置自检。

2）检测三相电网电流，判断是否出现三相电流不平衡，如果出现不平衡则计算控制换相开关进行换相调节

3）如果电压平衡则按照默认设置闭合换相开关中的导通相。

4）实时检测电网电流、各支相负载电流变化情况，监测装置自身的运行状态。

5）发生三相电流不平衡则安照控制策略进行调节。

3.4结构方案

3.4.1控制器

    控制器箱的器件连接关系和接线示意图如下所示

3.4.2换相开关

换相开关的器件连接关系和接线

4 实施方案

4.1项目进度安排

    本次项目进度安排表如下