一种可控相间功率转移的方法及系统技术领域
本发明属于电能传输与电力电子变流技术领域，具体涉及一种可控相间功
率转移实现中线电流治理的方法及系统。
背景技术
在我国城乡电网中，多采用三相四线制配电方式。目前的配电网大都运行
在三相不平衡的情况下。特别是近年来中高档、大功率电器（大功率空调、带
烘干滚筒洗衣机等）进入寻常百姓家。在单相大功率用户迅速增长的情况下，
由于用户同时使用电气设备的几率不一致，从而导致三相不平衡现象越来越严
重。
由于三相负载不平衡随时存在，中线电流的存在不可避免。中线电流随三
相负载不平衡的程度而变化，不平衡越严重，则中线电流越大。过大的中线电
流将会使配电变压器的绕组绝缘因过热而加快老化，降低设备寿命。过大的中
线电流流过接地电阻将发出热量，对变压器的安全运行造成威胁。据某供电局
调查，仅中线电流引起的损耗造成每台变压器每年损耗掉3万多度电，给国民
经济造成巨大的经济损失。因此，研究一种能够在3相负载不平衡的情况下，
提高输电线的电能传输效率，降低中线电流的方法和系统已经得到电力相关部
门的普遍关注。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种利用可控相间功率转
移实现中线电流治理，提高输电线传输效率的方法及系统。本发明通过可控
相间功率转移的方法实现对电力系统中电能传输进行连续实时监测，动态调
整3相输电线之间的电能传输，提高3相负载不平衡时的输电效率、并有效
抑制中线电流，降低电力系统中的线损和电力设备的运行风险
本发明的目的之一是提出一种可控相间功率转移实现中线电流治理的方
法；本发明的目的之二是提出一种可控相间功率转移实现中线电流治理的系统。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种可控相间功率转移的方法，包括以下步骤：
S1：用户根据配电变压器容量及输电线参数，设定负载电流不平衡度阈值
EAmax，中线电流的上限阈值Iomax和下限阈值Iomin；
S2：间隔获取一次输电线各相电压电流的取样信号，并对取样的4路电压
与电流信号进行滤波预处理；
S3：计算各相线之间的负载电流不平衡度EA和中线电流Io，根据当前负
载电流不平衡度EA与设定阈值EAmax的关系，中线电流Io与设定中线电流的上、
下限阈值Iomax，Iomin的关系，判断是否需要进行相间功率转移控制，如果需要
进行相间功率转移，根据取样的电压电流信号计算得到相间最优的转移功率：
ΔPopt＝ΔIopt·U；
其中，ΔIopt表示相间转移电流，U表示相电压，并确定三相输电线中负载
电流最小的相线为转移功率输出相，负载电流最大的相线为转移功率输入相；
S4：实时监测转移功率输出相的电压过零点，确定投切时间，通过控制投
切开关在该相的下一个电压过零点进行投切，将取出的电压经过隔离变压器进
行升压，经过桥式二级管整流滤波后，通过BUCK变换器输出稳定的直流电压；
S5：实时监测转移功率待输入相的电压过零点，通过控制BUCK变换器和
全桥逆变器的逆变电压与待接入相的电压相位同步，并控制投切开关在该相电
压的下一个电压过零点进行转移功率的接入；
S6：间隔取样3相输电线电压电流的信号和逆变器输出的电压电流信号，
根据以下公式计算当前相间转移功率的大小：
ΔP＝ΔIoUo；
其中，ΔP表示当前相间转移功率，ΔIo表示全桥逆变器的输出电流；Uo表
示全桥逆变器的输出电压；
S7：将当前相间转移功率ΔP与最优的相间转移功率ΔPopt进行比较，调整当
前相间转移功率ΔP的大小，返回步骤S5循环重复动态调节3相输电线之间的
功率平衡，直至使当前相间转移功率ΔP逼近ΔPopt。
进一步，所述输电线电压电流取样信号的获取是通过设置于输电线上的电
压互感器和电流互感器来得到的，所述电压互感器用于分别测量相线与零线之
间的电压，以及用于测量逆变器的输出电压；所述电流互感器用于测量相线的
电流和逆变器的输出电流；所述取样信号的预处理包括以下步骤：
S21：将4路电压和4路电流信号输入过压保护电路；
S22：将过压保护电路输出的信号进行低通滤波；
S23：然后将滤波后的信号输入到AD转换器进行转换；
S24：利用可编程逻辑控制器FPGA来控制AD转换器完成数据的转换与缓
存；
S25：数字信号处理器DSP读取缓存数据，然后经比例变换关系，得到4
路电压和4路电流数据；
S26：对4路电压和4路电流数据通过快速傅立叶变换计算频谱，并计算4
路电压和4路电流数据在50Hz时的频率分量有效值。
进一步，所述步骤S3中判断是否需要进行相间功率转移控制包括以下步骤：
S31：计算各相线之间的负载电流不平衡度EA和中线电流Io；
其中，A相电流为IArms，B相电流为IBrms，C相电流为ICrms，ILmax表示A、B、
C三相中负载电流的最大值，ILmin表示A、B、C三相中负载电流的最小值，ILmid
表示A、B、C三相中负载电流居中的值，EA表示A、B、C三相负载电流的
不平衡度，Io表示中线电流；
S32：如果Io<Iomin，或者Iomin＜Io<Iomax，EA<EAmax，则不需要进行相间功
率转移控制；如果Io>Iomax，或者Iomin＜Io<Iomax，EA>EAmax，则需要进行相间功
率转移控制。
S33：根据以下约束条件计算得出ΔIopt：
S34：将ILmin对应的相线设定为转移功率输出相，ILmax对应的相线设定为转
移功率输入相，ILmid对应的相线负载电流介于最大与最小之间，不做功率调整，
ΔIopt即为相间转移电流的大小；
S35：根据以下公式计算得到最优中线Iomin：
Iomin＝|(ILmax-ΔIopt)+ILmid∠120°+(ILmin+ΔIopt)∠-120°|；
其中，Iomin表示最优中线电流；
S36：计算得到最优的相间转移功率ΔPopt＝ΔIopt·U，以及最优中线电流Iomin。
进一步，所述步骤S4中将取出的功率转移到待投切入相的具体过程如下：
S41：通过测试得到数字信号处理器从控制到投切开关实际接入的系统固
有延时Δt；
S42：通过实时监测待投切开关对应输出功率的相电压过零时刻，准确计
算出该相电压下一个周期过零点的时刻t1；
S43：在t1-Δt时，数字信号处理器控制投切开关进行零电压投切；
S44：将取出的电压经过隔离变压器进行升压，然后经过桥式二级管整流
滤波后，通过BUCK变换器输出稳定的直流电压。
进一步，所述步骤S5中的投切开关进行零电压投切过程如下：
S51：数字信号处理器DSP通过控制BUCK变换器和全桥逆变器，确保输
出的电压VO与待接入相的电压保持同频同相，且电压VO的幅度为待接入相电
压幅度的1.05~1.1倍；
S52：通过测试得到数字信号处理器从控制到投切开关实际接入的系统固有
延时Δt；
S53：通过实时监测待输入功率的相电压过零时刻，准确计算出该相电压下
一个周期过零点时刻为t2；
S54：在t2-Δt时，数字信号处理器控制待输入功率相线对应的投切开关进
行零电压投切，从而接入转移功率。
进一步，所述步骤S7中的动态调节3相输电线之间的功率平衡过程如下：
S71：对取样的4路电压和4路电流数据经过快速傅立叶FFT变换计算频
谱，并计算4路电压和4路电流数据的在频率分量为50Hz时的有效值。
S72：根据以下公式比较A，B，C三相负载电流大小：
I L max = max { I Arms , I Brms , I Crms } I Lmid = mid { I Arms , I Brms , I Crms } I L min = min { I Arms , I Brms , I Crms } , ]]>
其中，A相电流为IArms，B相电流为IBrms，C相电流为ICrms；
S73：如果ILmin对应的相线发生改变，则转移功率输出相线需要改变，数字
信号处理器DSP减小全桥逆变器的输出功率ΔPo，监测到输出ΔIo过零时，控制
接入转移功率的投切开关在下一次电流过零点时刻断开，并监测转移功率输出
相线的电流过零点，控制转移功率输出相线的投切开关在下一次电流过零点时
刻断开，然后控制流程回到S2；
如果ILmin对应的相线维持不变，ILmax对应的相线发生改变，则转移功率的
输入相线需要改变，数字信号处理器DSP减小全桥逆变器的输出功率ΔPo，监
测到输出ΔIo过零时，控制转移功率接入的投切开关在下一次电流过零点时刻断
开，控制流程回到S4；
如果ILmin与ILmax对应相线未发生改变，则转移功率输入输出相线维持不变，
数字信号处理器DSP调整BUCK变换器和全桥逆变器的输出功率ΔPo，使ΔPo
动态逼近ΔPopt，控制流程回到S6。
进一步，数字信号处理器DSP通过控制BUCK变换器和全桥逆变器的动态
输出功率ΔPo逼近ΔPopt，具体包括以下步骤：
S81：计算得到当前相间转移功率ΔPo与最优相间转移功率ΔPopt的偏差百分
比ΔK：
ΔK = ΔP o - ΔP opt ΔP opt ]]>
S82：如果相间转移功率ΔPo已达控制系统要求上限ΔPomax，停止进行功率转
移控制，相关控制参数维持不变；
S83：否则，进行转移功率的调节控制，具体步骤如下：
S831：根据当前BUCK变换器的输出直流电压为VDC，对BUCK变换器的
直流输出电压VDC进行微调修正：
VDC＝(1+0.1ΔK)VDC；
S832：使全桥逆变器输出功率ΔPo动态逼近ΔPopt，实现最优的相间功率转移
控制，从而使得转移电流ΔIo逼近ΔIopt，且中线电流Io逼近Iomin，达到最优的转
移功率控制方案。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种可控相间功率转移系统，包括信号采集装置、信号预处
理电路、AD转换器、可编程逻辑控制器FPGA、DSP控制器、光电耦合器、整
流桥、BUCK变换器直流环节、逆变桥、隔离变压器和投切控制开关；所述信
号采集装置，用于采集输电线电压电流的取样信号；所述信号预处理电路，用
于对取样信号进行过压处理、滤波处理；所述AD转换器，用于将预处理后的
取样信号转化为数值信号；所述可编程逻辑控制器FPGA，用于控制AD转换
器完成数据采集与缓存；所述DSP控制器，用于整个系统的转移功率计算、分
析、决策与控制；所述光电耦合器，用于强弱电的隔离与控制信号传递；所述
整流桥，用于将交流整流为直流；所述BUCK变换器直流环节，用于控制输出
稳定的直流电压；所述逆变桥，用于将直流电压逆变为与待接入相线的交流；
所述隔离变压器，用于功率的传递与原副边电压的隔离；所述投切控制开关，
用于控制转移功率的输入与输出。
进一步，系统中还包括无线GPRS模块，所述无线GPRS模块实现数字信
号处理器与电能传输监控中心服务器进行通信，完成相关参数的设定以及系统
工作状态参数的回传；
进一步，系统中还包括了一种带硬件误差修正的数据采集控制器，所述数
据采集控制器工作过程具体包括以下步骤：
S91：数字信号处理器DSP通过IO口控制继电器导通，将信号输入端接地；
S92：对可编程逻辑控制器FPGA中的数据采集状态机进行初始化，并将
各个通道的修正误差值初始化为“0”；
S93：数字信号处理器DSP启动可编程逻辑控制器FPGA中的数据采集状
态机，完成各个通道数据的采集工作；
S94：数字信号处理器DSP读取采样数据，根据通道数目对采样数据进行
分离，根据每个通道的采样数据，计算得到各个通道的采样偏差值Δεi（i＝1~8），
然后将此偏差Δεi通过IIC总线存入EEPROM中；
S95：正常工作时，数字信号处理器DSP通过IO口控制继电器将信号输入
端与外接信号连接，然后从EEPROM中读取各个通道的采样偏差Δεi，并写入
可编程逻辑控制器FPGA中的数据采集状态机中，当数据采集状态机读取AD
转换器的各个通道数据时，实时调入各个通道相应的修正偏差Δεi对采集数据进
行实时修正与缓存，从而得到较为精确的采集数据。
本发明的优点在于：本发明采用一种相间功率转移的方法及系统，利用现
场可编程逻辑控制器FPGA（EP2C5T144C8）内部的数据采集控制状态机控制
AD转换器AD7606完成数据采集与缓存，在数字信号处理器DSP通过对采集
的电压电流数据进行分析，并与设定的负载电流不平衡度和中线电流阈值的上
下限进行比对，得出最佳的电能传输与转移控制方案，然后通过控制投切开关，
整流桥，BUCK变换器与逆变桥，实现相间功率的最优转移控制，将线路损耗
降到最低，并将功率转移控制等相关信息通过无线GPRS网络传送到电能传输
的监控中心。
本发明在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是
显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到启迪。本发明的目标和其它优点
可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和
获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发
明作进一步的详细描述，其中：
图1为实现本发明方法总体方框图；
图2为实现本发明方法的程序流程图；
图3为本发明的带自校准的数据采集预处理原理框图；
图4为本发明的带硬件误差修正的数据采集原理框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优
选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1为实现本发明方法总体方框图；图2为实现本发明方法与系统的程序
流程图；如图所示，本发明实施例提供的一种可控相间功率转移的方法，包括
以下步骤：
S1：用户根据配电变压器容量及输电线参数，设定负载电流不平衡度阈值
EAmax，中线电流的上限阈值Iomax和下限阈值Iomin；
S2：间隔获取一次输电线各相电压电流的取样信号，并对取样的4路电压
与电流信号进行滤波预处理；
S3：计算各相线之间的负载电流不平衡度EA和中线电流Io，根据当前负
载电流不平衡度EA与设定阈值EAmax的关系，中线电流Io与设定中线电流的上、
下限阈值Iomax，Iomin的关系，判断是否需要进行相间功率转移控制，如果需要
进行相间功率转移，根据取样的电压电流信号计算得到相间最优的转移功率：
ΔPopt＝ΔIopt·U；
其中，ΔIopt表示相间转移电流，U表示相电压，并确定三相输电线中负载
电流最小的相线为转移功率输出相，负载电流最大的相线为转移功率输入相；
S4：实时监测转移功率输出相的电压过零点，确定投切时间，通过控制投
切开关在该相的下一个电压过零点进行投切，将取出的电压经过隔离变压器进
行升压，经过桥式二级管整流滤波后，通过BUCK变换器输出稳定的直流电压；
S5：实时监测转移功率待输入相的电压过零点，通过控制BUCK变换器和
全桥逆变器的逆变电压与待接入相的电压相位同步，并控制投切开关在该相电
压的下一个电压过零点进行转移功率的接入；
S6：间隔取样3相输电线电压电流的信号和逆变器输出的电压电流信号，
根据以下公式计算当前相间转移功率的大小：
ΔP＝ΔIoUo；
其中，ΔP表示当前相间转移功率，ΔIo表示全桥逆变器的输出电流；Uo表
示全桥逆变器的输出电压；
S7：将当前相间转移功率ΔP与最优的相间转移功率ΔPopt进行比较，调整当
前相间转移功率ΔP的大小，返回步骤S5循环重复动态调节3相输电线之间的
功率平衡，直至使当前相间转移功率ΔP逼近ΔPopt。
所述输电线电压电流取样信号的获取是通过设置于输电线上的电压互感器
和电流互感器来得到的，所述电压互感器用于分别测量相线与零线之间的电压，
以及用于测量逆变器的输出电压；所述电流互感器用于测量相线的电流和逆变
器的输出电流；所述取样信号的预处理包括以下步骤：
S21：将4路电压和4路电流信号输入过压保护电路；
S22：将过压保护电路输出的信号进行低通滤波；
S23：然后将滤波后的信号输入到AD转换器进行转换；
S24：利用可编程逻辑控制器FPGA来控制AD转换器完成数据的转换与缓
存；
S25：数字信号处理器DSP读取缓存数据，然后经比例变换关系，得到4
路电压和4路电流数据；
S26：对4路电压和4路电流数据通过快速傅立叶变换计算频谱，并计算4
路电压和4路电流数据在50Hz时的频率分量有效值。
所述步骤S3中判断是否需要进行相间功率转移控制包括以下步骤：
S31：计算各相线之间的负载电流不平衡度EA和中线电流Io；
其中，A相电流为IArms，B相电流为IBrms，C相电流为ICrms，ILmax表示A、B、
C三相中负载电流的最大值，ILmin表示A、B、C三相中负载电流的最小值，ILmid
表示A、B、C三相中负载电流居中的值，EA表示A、B、C三相负载电流的
不平衡度，Io表示中线电流；
S32：如果Io<Iomin，或者Iomin＜Io<Iomax，EA<EAmax，则不需要进行相间功
率转移控制；如果Io>Iomax，或者Iomin＜Io<Iomax，EA>EAmax，则需要进行相间功
率转移控制。
S33：根据以下约束条件计算得出ΔIopt：
S34：将ILmin对应的相线设定为转移功率输出相，ILmax对应的相线设定为转
移功率输入相，ILmid对应的相线负载电流介于最大与最小之间，不做功率调整，
ΔIopt即为相间转移电流的大小；
S35：根据以下公式计算得到最优中线Iomin：
Iomin＝|(ILmax-ΔIopt)+ILmid∠120°+(ILmin+ΔIopt)∠-120°|；
其中，Iomin表示最优中线电流；
S36：计算得到最优的相间转移功率ΔPopt＝ΔIopt·U，以及最优中线电流Iomin。
所述步骤S4中将取出的功率转移到待投切入相的具体过程如下：
S41：通过测试得到数字信号处理器从控制到投切开关实际接入的系统固有
延时Δt；
S42：通过实时监测待投切开关对应输出功率的相电压过零时刻，准确计算
出该相电压下一个周期过零点的时刻t1；
S43：在t1-Δt时，数字信号处理器控制投切开关进行零电压投切；
S44：将取出的电压经过隔离变压器进行升压，然后经过桥式二级管整流滤
波后，通过BUCK变换器输出稳定的直流电压。
所述步骤S5中的投切开关进行零电压投切过程如下：
S51：数字信号处理器DSP通过控制BUCK变换器和全桥逆变器，确保输
出的电压VO与待接入相的电压保持同频同相，且电压VO的幅度为待接入相电
压幅度的1.05~1.1倍；
S52：通过测试得到数字信号处理器从控制到投切开关实际接入的系统固有
延时Δt；
S53：通过实时监测待输入功率的相电压过零时刻，准确计算出该相电压下
一个周期过零点时刻为t2；
S54：在t2-Δt时，数字信号处理器控制待输入功率相线对应的投切开关进
行零电压投切，从而接入转移功率。
所述步骤S7中的动态调节3相输电线之间的功率平衡过程如下：
S71：对取样的4路电压和4路电流数据经过快速傅立叶FFT变换计算频
谱，并计算4路电压和4路电流数据的在频率分量为50Hz时的有效值。
S72：根据以下公式比较A，B，C三相负载电流大小：
I L max = max { I Arms , I Brms , I Crms } I Lmid = mid { I Arms , I Brms , I Crms } I L min = min { I Arms , I Brms , I Crms } , ]]>
其中，A相电流为IArms，B相电流为IBrms，C相电流为ICrms；
S73：如果ILmin对应的相线发生改变，则转移功率输出相线需要改变，数字
信号处理器DSP减小全桥逆变器的输出功率ΔPo，监测到输出ΔIo过零时，控制
接入转移功率的投切开关在下一次电流过零点时刻断开，并监测转移功率输出
相线的电流过零点，控制转移功率输出相线的投切开关在下一次电流过零点时
刻断开，然后控制流程回到S2；
如果ILmin对应的相线维持不变，ILmax对应的相线发生改变，则转移功率的
输入相线需要改变，数字信号处理器DSP减小全桥逆变器的输出功率ΔPo，监
测到输出ΔIo过零时，控制转移功率接入的投切开关在下一次电流过零点时刻断
开，控制流程回到S4；
如果ILmin与ILmax对应相线未发生改变，则转移功率输入输出相线维持不变，
数字信号处理器DSP调整BUCK变换器和全桥逆变器的输出功率ΔPo，使ΔPo
动态逼近ΔPopt，控制流程回到S6。
系统中字信号处理器DSP通过控制BUCK变换器和全桥逆变器的动态输出
功率ΔPo逼近ΔPopt，具体包括以下步骤：
S81：计算得到当前相间转移功率ΔPo与最优相间转移功率ΔPopt的偏差百分
比ΔK：
ΔK = ΔP o - ΔP opt ΔP opt , ]]>
S82：如果相间转移功率ΔPo已达控制系统要求上限ΔPomax，停止进行功率转
移控制，相关控制参数维持不变；
S83：否则，进行转移功率的调节控制，具体步骤如下：
S831：根据当前BUCK变换器的输出直流电压为VDC，对BUCK变换器的
直流输出电压VDC进行微调修正：
VDC＝(1+0.1ΔK)VDC；
S832：使全桥逆变器输出功率ΔPo动态逼近ΔPopt，实现最优的相间功率转移
控制，从而使得转移电流ΔIo逼近ΔIopt，且中线电流Io逼近Iomin，达到最优的转
移功率控制方案。
图3为本发明的带自校准的数据采集预处理原理框图；图4为本发明的带
硬件误差修正的数据采集原理框图；如图所示，本发明实施例还提供了一种可
控相间功率转移的系统，包括信号采集装置、信号预处理电路、AD转换器、
可编程逻辑控制器FPGA、DSP控制器、光电耦合器、整流桥、逆变桥、BUCK
变换器直流环节、隔离变压器和投切控制开关；所述信号采集装置，用于采集
输电线电压电流的取样信号；所述信号预处理电路，用于对取样信号进行过压
处理、滤波处理；所述AD转换器，用于将预处理后的取样信号转化为数值信
号；所述可编程逻辑控制器FPGA，用于控制AD转换器完成数据采集与缓存；
所述DSP控制器，用于整个系统的转移功率计算、分析、决策与控制；所述光
电耦合器，用于强弱电的隔离与控制信号传递；所述整流桥，用于将交流整流
为直流；所述逆变桥，用于将直流电压逆变为与待接入相线的交流；所述BUCK
变换器直流环节，用于控制输出稳定的直流电压；所述隔离变压器，用于功率
的传递与原副边电压的隔离；所述投切控制开关，用于控制转移功率的输入与
输出。
还包括无线GPRS模块，所述无线GPRS模块使得数字信号处理器与电能
传输监控中心服务器进行通信，完成相关参数的设定以及系统工作状态参数的
回传；还包括了一种带硬件误差修正的数据采集控制器，所述数据采集控制器
工作过程具体包括以下步骤：
S91：数字信号处理器DSP通过IO口控制继电器导通，将信号输入端接地；
S92：对可编程逻辑控制器FPGA中的数据采集状态机进行初始化，并将
各个通道的修正误差值初始化为“0”；
S93：数字信号处理器DSP启动可编程逻辑控制器FPGA中的数据采集状
态机，完成各个通道数据的采集工作；
S94：数字信号处理器DSP读取采样数据，根据通道数目对采样数据进行
分离，根据每个通道的采样数据，计算得到各个通道的采样偏差值Δεi（i＝1~8），
然后将此偏差Δεi通过IIC总线存入EEPROM中；
S95：正常工作时，数字信号处理器DSP通过IO口控制继电器将信号输入
端与外接信号连接，然后从EEPROM中读取各个通道的采样偏差Δεi，并写入
可编程逻辑控制器FPGA中的数据采集状态机中，当数据采集状态机读取AD
转换器的各个通道数据时，实时调入各个通道相应的修正偏差Δεi对采集数据进
行实时修正与缓存，从而得到较为精确的采集数据。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域
的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。
这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。