一种基于三相负载平衡的控制系统及方法与流程

本发明属于电力系统配网负载调节技术领域，涉及一种基于三相负载平衡的控制系统及方法。

背景技术：

低压配电网作为电网供配电的末端环节，不仅是国家电力系统的重要组成部分，更是城市发展和新农村建设的重要基础内容。由于低压配电网直接面对电力用户，因此保证低压配电网的供电稳定性和提高其电能质量是电力系统相关部门工作的重中之重。近年来国家电网公司不断加强对农村电网的改造，实施农村电网体制改革，极大提高了农村的电气化水平，也促进了农村的城镇化发展。目前，在越来越多的农村地区，各种电器逐步的进入到普通家庭里面，电视、电冰箱、洗衣机、空调等等已经成为很多农村家庭的标配。同时，低压配电网的发展也极大的促进了农村工农业的发展，稳定的低压配电网为及时进行灌溉提供了保证，也为越来越多的乡镇企业和私营企业的各种设备提供了稳定的电源。然而，农村经济的发展对电能质量和电力网络的稳定性提出了更高的要求，也带了很多新的问题，如：电网的谐波污染、电压波动、无功负荷的增大导致的电网功率因数降低等；同时，随着大功率家用电器如变频空调、电磁炉、微波炉等进入百姓家庭造成了低压单相负荷比重提高、电网三相负载不平衡等问题。其中，在三相四线制的低压配电网中，三相电网负载不平衡的问题尤为突出，缩减了电力变压器的寿命，增大了线路损耗，给电能质量和电力网络的稳定性造成了严重影响。特别地，三相负载不平衡问题在我国南方农村地区尤为严重，众多卷烟厂中电气设备的使用和停机，不仅严重影响了电力设备的正常运行也影响了低压配电网的稳定。因此，找到合适的方法和措施解决三相负载不平衡问题对三相四线制的低压配电网的正常运行具有十分重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于三相负载平衡的控制系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于三相负载平衡的控制系统，包括：

信号监测模块，信号检测模块包括三相电压信号调理模块和三相电流信号调理模块，三相电压信号调理模块和三相电流信号调理模块分别从三相低压配电网采集三相电压信号和三相电流信号，进行三相平衡度的分析计算；

a/d转换电路，a/d转换电路对低压配电网三相电压信号和三相电流信号进行同步采样，并将采样结果传送给dsp；

dsp，dsp接收a/d转换电路传送来的三相电压信号和三相电流信号，并进行分析结算，算得出系统的三相不平衡度；

单片机，单片机接收来自dsp计算的系统的三相不平衡度，进行分析，并判断是否给执行机构发出负载电源切换的指令；同时，将该结果传送给数据中心进行保存；以及

执行机构，执行机构接收到单片机的指令后，根据指令对负载的电源进行换相处理，以保证低压配电网各相负载的平衡。

本发明进一步的改进在于：

三相电压信号调理模块包括依次相连限流电阻、电压互感器、抗混叠滤波电路以及交直流转换器；三相交流电压信号通过限流电阻后转变成电流信号，再经过电压互感器后，通过抗混叠滤波电路和交直流转换电路转换成能够被a/d转换电路能够接受的电压信号。

三相电流信号调理模块包括依次相连的一级电流互感器、二级电流互感器、抗混叠滤波电路以及交直流转换器；三相交流电流信号经过一级电流互感器和二级电流互感器后，经过抗混叠滤波电路和交直流转换电路转变成电压信号并传递给a/d转换电路。

a/d转换电路采用ads8364，dsp采用tms320f2812，单片机采用stm32单片机

ads8364的复位引脚与dsp的gpioa7连接，并由gpioa7持续输入20ns低电平保证其正常复位；ads8364的holda、holdb、holdc分别与dsp的gpioa1、gpioa2、gpioa3连接，并由dsp的三个引脚gpioa1、gpioa2、和gpioa3控制进行采样；ads8364的eoc与dsp的ext_int1连接，当通道中的信号转换完成后eoc引脚将被置电平，使dsp进入中断处理程序并开始读取操作；ads8364芯片的data[0:15]分别与dsp的d0-d15连接，在rd的上升沿时被dsp读取数据；ads8364的a0、a1和a2引脚能够制定数据的读取方式，并通过dsp的gpioa8-gpioa10决定读取方式；在三相负载平衡系统中，采用循环读取的方式对六路电压和电流信号进行读取。

dsp和stm32单片机的通信方式选择spi串口通信；dsp和单片机均在带spi串口，在通信过程中，stm32单片机为主机，dsp为从机；stm32单片机的spi接口作为主机时，mss引脚置为输出口，此时spi控制寄存器spcr的mstr置1。

stm32单片机和执行机构间的通信采用gprs网进行通信；stm32单片机和执行机构的gprs通信采用em310无线通信模块模块；其中，em310无线通信模块通过spi与stm32单片机进行通信；em310无线通信模块模块实现将stm32单片机的指令快速的传送给三线负载平衡系统的执行机构，完成负载电源的切换；同时，em310无线通信模块在于gprs网络进行连接时还需要sim卡的验证，并通过lpg引脚进行当前状态的显示。

执行机构在单片机的控制下通过双向晶闸管的通断完成负载电源相序的切换；执行机构的换相：电网各相均连接两个双向晶闸管，其中一个接受单片机指令后进行通断操作并控制另一双向晶闸管的通断，以完成电源的通断；各相双向晶闸管开关的触发是通过光耦完成的，其中光耦芯片的一端接5v电压信号，另一端通过7407接受来自单片机的指令信号；

执行机构的换相在以单片机为主控芯片的三相负载平衡系统的控制下完成的；三相负载平衡系统首先对实际三相四线制电网的供电点进行实地的监测，并将监测结果通过串口发送给单片机，然后经过单片机的分析判断，若系统三相不平衡度不满足要求时，将通过gprs给执行机构发送换相指令，最后再执行机构的调控下使电网相对平衡的运行。

抗混叠滤波电路采用二阶rc低通抗混叠滤波电路，用于滤除电网电信号中频率大于1/2fs的成分，防止杂波出现。

三相交流电压通过共模电感l1和限流电阻r1输入，使输入电流为电压互感器pt1的额定值；电压互感器pt1的二次侧接运放电路，将电压互感器pt1二次侧输出的电流信号转换成满足模数转换输入所需要的电压信号；放大电路包括运算放大器，电压互感器pt1输出端分别接运算放大器的输入端，电压互感器pt1和运算放大器之间并联起保护作用的二极管d2和二极管d3；共模电感l1的前端并联用于保护和滤波的二极管d1。

一种基于三相负载平衡的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过信号监测模块从三相低压配电网采集三相电压信号和三相电流信号，进行三相平衡度的分析计算；

步骤2：三相交流电压信号通过限流电阻后转变成电流信号，再经过电压互感器将该电流信号转变成幅值较小的电压信号，最后通过抗混叠滤波电路和交直流转换电路转换成能够被ads8364能够接受的电压信号；

三相交流电流信号经过两级交流互感器后转变成较小的三相电流信号，最后经过抗混叠滤波电路和交直流转换电路转变成电压信号并传递给ads8364；

步骤3：ads8364对低压配电网三相电压信号和三相电流信号进行同步采样，并将采样结果传送给dsp进行分析结算；

步骤4：dsp根据三相电压信号和电流信号的采样值计算得出系统的三相不平衡度，然后将该结果传送给单片机；

步骤5：单片机接受到dsp的三相不平衡度的值后进行分析，并判断是否给执行机构发出负载电源切换的指令；同时，将该结果传送给数据中心进行保存；

步骤6：执行机构接收到单片机的指令后，根据指令对负载的电源进行换相处理，以保证低压配电网各相负载的平衡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明三相负载平衡系统能够有效的对三相电网的进行监测，可以准确的监测三相电网的三相电压、三相电流等电信号以及电网的三相不平衡度；同时，系统能够可靠迅速的根据三相电网的三相不平衡度对负载电源进行合理换相，保证三相电网可靠，稳定的运行。

进一步的，本发明选用高性能的浮点型dsp芯片，提高数据分析计算的速度和准确性；

进一步的，本发明选用耐高压、大电流的全控型电力电子开关器件如igbt、gto等进行换相，提高换相的可靠性和快速性，优化执行机构电路；

进一步的，本发明增强em310无线通信模块模块与系统的交互功能，实现系统对执行机构的动作情况的全程监控，时刻了解负载电源的状态；

进一步的，本发明对执行机构进行改善，使用全控型、耐高压、大电流的电力电子器件，保证系统的调相指令能够更快速、可靠的完成。

【附图说明】

图1为本发明三相负载平衡系统总体结构图；

图2为本发明电压互感器及其辅助电路；

图3为本发明电流互感器及其辅助电路；

图4为本发明抗混叠滤波电路；

图5为本发明交直流转换电路；

图6为本发明ads8364与dsp接口连接图；

图7为本发明单片机和dsp通信连接示意图；

图8为本发明em310无线通信模块em310无线通信模块电路；

图9为本发明执行机构控制电路；

图10为本发明三相负载平衡系统的安装示意图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清除表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明基于三相负载平衡的控制系统，从三相低压配电网采集三相电压和三相电流信号，以进行三相平衡度的分析计算。三相交流电压信号通过限流电阻后转变成电流信号，再经过电压互感器(pt)将该电流信号转变成幅值较小的电压信号，最后通过抗混叠滤波电路和交直流转换电路转换成能够被ads8364能够接受的电压信号；三相交流电流信号经过两级交流互感器后转变成较小的三相电流信号，最后经过抗混叠滤波电路和交直流转换电路转变成电压信号并传递给ads8364。接着ads8364对低压配电网三相电压信号和三相电流信号进行同步采样，并将采样结果传送给dsp进行分析结算。dsp根据三相电压信号和电流信号的采样值计算得出系统的三相不平衡度，然后将该结果传送给单片机；单片机接受到dsp的三相不平衡度的值后进行分析，并判断是否给执行机构发出负载电源切换的指令；同时，将该结果传送给数据中心进行保存。执行机构接收到单片机的指令后，根据指令对负载的电源进行换相处理，以保证低压配电网各相负载的平衡。

信号调理电路由电压、电流互感器及其辅助电路、抗混叠滤波电路、交直流变换电路三部分组成。它将监测到的低压配电网的三相电压、电流信号转换成a/d转换模块能够接受的电信号，同时通过抗混叠滤波电路滤除低压配电网中夹带高阶谐波。

如图2所示，电压互感器及其辅助电路对于电压信号的采样采取互感器采样方式。单相电压信号从jp1接入，经过限流电阻r1使输入电流为电压互感器的额定值。电压互感器的二次侧接的是运放电路，目的是将电压互感器二次侧输出的电流信号转换成满足模数转换输入所需要的电压信号。d1的作用是保护和滤波；d2、d3为保护二极管；l1为共模电感，作用是滤除共模电磁的干扰和抑制其自身对电路的电磁干扰。

如图3所示，电流互感器及其辅助电路，三相负载平衡系统采用两级电流互感器对电压配电网的电流信号进行处理。电流互感器二次侧的输入信号同电压互感器二次侧的输出信号相同，均为小电流信号。

如图4所示，抗混叠滤波电路滤除电网电信号中频率大于1/2fs的成分，防止杂波的出现。采用的抗混叠滤波电路是二阶rc低通抗混叠滤波电路。

如图5所示，交直流变换电路，将低压配电网的六路电压、电流信号分别经过电压、电流互感器及其辅助电路和抗混叠二阶抗混叠滤波电路的处理后，转换成了小幅值的交流电压信号转换成直流信号。采用op207运算放大电路将双极性的交流信号转化成单极性的直流信号，可变电阻r20可以实现对交流信号的调节，使其抬升或拉低，达到需求的效果。

如图6所示，a/d转换电路，采用ads8364芯片实现对六路电信号的同步采样。ads8364的复位引脚(reset)与dsp的gpioa7连接，并由gpioa7持续输入20ns低电平保证其正常复位；ads8364的holda、holdb、holdc分别与dsp的gpioa1、gpioa2、gpioa3连接，并由dsp的三个引脚(gpioa1、gpioa2、gpioa3)控制进行采样；ads8364的eoc与dsp的ext_int1连接，当通道中的信号转换完成后eoc引脚将被置电平，使dsp进入中断处理程序并开始读取操作；ads8364芯片的data[0:15]分别与dsp的d0-d15连接，在rd的上升沿时被dsp读取数据。特别地，ads8364的a0，a1，a2引脚可以制定数据的读取方式，并通过dsp的gpioa8-gpioa10决定读取方式。在三相负载平衡系统中，采用循环读取的方式对六路电压和电流信号进行读取。

数据处理采用dsp进行三相不平衡度的计算，选用的dsp型号为tms320f2812。

如图7所示，系统dsp和stm32单片机的通信方式选择spi串口通信。系统所用的dsp和单片机均在带spi串口，在通信过程中，stm32单片机为主机，dsp为从机。根据通信原理，stm32单片机的spi接口作为主机时(此时spi控制寄存器spcr的mstr置1)，mss引脚置为输出口。

如图8所示，系统中单片机和执行机构间的通信采用gprs网进行通信。单片机和执行机构的gprs通信采用em310无线通信模块模块。其中，em310无线通信模块通过spi与stm32单片机进行通信。em310无线通信模块模块实现将stm32单片机的指令快速的传送给三线负载平衡系统的执行机构，完成负载电源的切换。同时，em310无线通信模块在于gprs网络进行连接时还需要sim卡的验证，并通过lpg引脚进行当前状态的显示。

如图9所示，执行机构在单片机的控制下通过双向晶闸管的通断完成负载电源相序的切换。执行机构的换相：电网各相均连接两个双向晶闸管，其中一个接受单片机指令后进行通断操作并控制另一双向晶闸管的通断，以完成电源的通断。各相双向晶闸管开关的触发是通过光耦完成的，其中光耦芯片的一端接5v电压信号，另一端通过7407接受来自单片机的指令信号，其通断原理为：若7407的输入为低电平时双向晶闸管导通，电流通过电阻流经另一个双向晶闸管并触发其导通使该相为负载供电。以a相用户负载双向晶闸管的通断为例进行说明：若a相接受到单片机的关断指令时，7407的1端口为高电平，双向晶闸管依次关断；若a相接收到单片机的开通指令时，7407的1端口为低电平，双向晶闸管依次开通。执行机构的互锁：为了避免相间短路的发生，系统采用软件和硬件相结合的方式进行电路设计。从软件方面，主要是通过编程使单片机开通或关断，各相双向晶闸管的触发时间不同，根据“先断后合”的原则使关断晶闸管的触发时间提前于开通双向晶闸管的时间约5ms。在硬件方面主要是通过逻辑或门和逻辑与门构成的互锁电路，保证各相双向晶闸管能够按照要求开通或关断。光耦器件的输入信号是单片机信号和其它相电流信号的逻辑判断的结果，并设单片机的开通信号为“1”，关断信号为“0”；电网各相监测到电压信号为“1”，未检测到电压信号为“0”，其中电网各相的电压通过采集调理电路得到并作为或门的输入。以a相为例进行分析，a相双向晶闸管的关断条件为：单片机的关断信号“0”(经过非门后为高电平)，可有效关断a相的双向晶闸管，且与b相和c相是否有电压无关；a相双向晶闸管的开通条件为：单片机的开通信号为“1”(经过非门后为低电平)，且b相和c相均为“0”，若b相和c相任意相为“1”时，a相的双向晶闸管均无法触发导通。通过分析，执行机构能够快速有效的进行负载电源的切换，且避免了相间短路故障的发生。

如图10所示，执行机构的换相在以单片机为主控芯片的三相负载平衡系统的控制下完成的。三相负载平衡系统首先对实际三相四线制电网的供电点进行实地的监测，并将监测结果通过串口发送给单片机，然后经过单片机的分析判断，若系统三相不平衡度不满足要求时，将通过gprs给执行机构发送换相指令，最后再执行机构的调控下使电网相对平衡的运行。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。