具体实施方式

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实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

图2示出了本发明中的壁挂式单相无源串联稳压装置结构示意图，该壁挂式单相无源串联稳压装置包括：自偶变压器T、切换模块、换挡模块、旁路模块、电压互感器TV1、电压互感器TV2、电流互感器TA1和电流互感器TA2，其中：所述切换模块和换挡模块串联设置在自偶变压器T 上，所述旁路模块并联设置在自偶变压器T上，所述电压互感器TV1和所述电流互感器TA1串联设置在壁挂式单相无源串联稳压装置的输入端，所述电压互感器TV2和所述电流互感器TA2串联设置在壁挂式单相无源串联稳压装置的输出端。所述切换模块包括若干个切换单元，所述若干个切换单元形成并联电路接入在自偶变压器T上。

所述若干个切换单元中的每一切换单元包括开关子单元S和开关子单元K，其中：所述开关子单元S为机械开关、或者为电力电子开关、或者为复合开关；所述开关子单元K为机械开关、或者为电力电子开关、或者为复合开关。所述电力电子开关为晶闸管、或者为MOSFET、或者为 IGBT。

所述换挡模块包括换挡单元QD和电阻R，所述换挡单元QD和所述电阻R形成并联电路接入在自偶变压器T上。所述换挡单元QD为晶闸管、或者为MOSFET、或者为IGBT。所述旁路模块包括快速旁路单元KS和机械旁路单元JS，所述快速旁路单元KS和所述机械旁路单元JS形成并联电路连接在自偶变压器T上。所述壁挂式单相无源串联稳压装置还包括断路器QF，所述断路器QF设置在壁挂式单相无源串联稳压装置的输入端。

具体的，壁挂式单相无源串联稳压装置包括自耦变压器T、切换单元 S1、S2...Sn和K1、K2...Kn,换挡单元QD和电阻R,旁路单元(快速旁路单元KS和机械旁路单元JS)，断路器QF、电压互感器TV1和TV2以及电流互感器TA1和TA2。至于S1、S2...Sn、K1、K2...Kn、QD和KS选型，可根据性能和生产成本进行综合考虑，设计单位可从机械开关、电力电子开关和复合开关(电力电子开关和机械开关的复合体)选择，而电力电子开关可从晶闸管、MOSFET和IGBT等中选择。自耦变压器的档位数量可根据实际应用需求进行针对性设计开关。

基于图2所示的含电压监测的壁挂式单相无源串联稳压装置，不同于以往的传统线路型调压装置，1)装置可以实现利用电压矢量叠加原理，仅需补偿功率或电压穿越自耦变压器，这样的话，装置的运行损耗和发热量都大大地降低；2)装置仅需要补偿功率穿越自耦变压器，相比全功率穿越，补偿功率穿越比全功率穿越所需自耦变压器容量降低，这样装置的整个重量体积都进一步降低，使该装置可壁挂安装；3)装置在正常运行且未补偿时，其输出电压与输入电压几乎相等，通过档位切换产生补偿电压，并与输入电压进行矢量叠加得到输出电压，不存在传统线路型调压装置在档位切换过程中易出现电压中断问题。

基于图2的壁挂式单相无源串联稳压装置，其复频域形式下的等效电路结构示意图如图3所示，图3中，U_i为输入端电压，U_o为输出端电压， U₁和U₂分别代表自耦变压器的输入电压和输出电压，U₁₀和U₂₀分别代表自耦变压器的原、副边的励磁电压，R₁和R₂分别代表自耦变压器原、副边绕组的电阻，L₁和L₂分别代表自耦变压器原、副边绕组的漏电感，n为自耦变压器的变比，R_m和L_m分别代表变压器铁芯的励磁电阻和励磁电感，δ表示为旁路开关的函数。

在图3示电压、电流参考方向下，其网络方程为

由式(2)、(1)可得：

U₂₀(s)＝U₁₀(s)/n (3)

U₂(s)＝(R₂+sL₂)I₂(s)+U₂₀(s) (4)

将式(3)代入式(4)得：

U₂(s)＝(R₂+sL₂)I₂(s)+U₁₀(s)/n (5)

为在等效电路中满足式(2)中

I₂(s)＝-n*I₁(s) (6)

将式(6)代入式(5)进一步得到：

nU₂(s)＝-n²(R₂+sL₂)I₁(s)+U₁₀(s) (7)

由式(1)进行变形得

U₁(s)＝(R₁+sL₁)I₁(s)+U₁₀(s) (8)

由式(7)和(8)消去U₁₀(s)得到

工程上为方便对装置的控制，进一步忽略自耦变压器的铜损，式 (9)可变为式(10)，输出电压与输入电压成为线性关系

U₂(s)≈U₁(s)/n (10)

根据电压矢量迭加原理，并旁路开关的函数得到装置的输出电压为

U₀(s)＝U_i(s)+δ(U₂(s)，0)＝U_i(s)+δ(U₁(s)/n，0) (10)

根据式(10)进行含电压监测的壁挂式单相无源串联稳压装置的控制原理分析，以下控制方式的阐述是基于输入电源的电压有效值为前提。

基于图3所示的等效原理图，图4示出了本发明壁挂式单相无源串联稳压装置的控制原理框图，具体如下：

(1)旁路开关闭合，即旁路开关输出δ(·)为零，那装置输出电压即为输入电压，同时需要断开S1、S2...Sn、K1、K2...Kn、QD，这样可避免自耦变压器的输出侧短路而烧毁整个装置，如图4所示的模式1。

(2)旁路开关断开，即旁路开关输出δ(·)为U₁(s)/n，那装置输出电压为输入电压和自耦变压器输出电压的矢量迭加。在同一变比n下通过控制自耦变压器的同名端变化，可使低电压和高电压得到治理，如图1闭合 K1和S2时输入电压为U₁，可实现低电压治理，如图4所示的模式2；那闭合S1和K2时输入电压为-U₁，可实现高电压治理，如图4所示的模式 3。那低电压或高电压治理能力可用不同变比n来控制，比如1和2是一个 n₁₂、1和3是一个n₁₃、2和3是一个n₂₃。

图5示出了本发明中的基于壁挂式单相无源串联稳压的控制方法流程图，具体包括如下步骤：

S501、采集壁挂式单相无源串联稳压装置输入端的电压和电流；

基于图2至图4所示的壁挂式单相无源串联稳压装置，接好装置输入端和输出端的电缆，对壁挂式单相无源串联稳压装置进行初始化处理，闭合壁挂式单相无源串联稳压装置上的断路器、旁路模块，断开切换模块和换挡模块。

S502、根据电压矢量迭加原理计算壁挂式单相无源串联稳压装置中各单元的控制策略，生成相应的控制策略指令；

所述控制策略指令包括：正常输出指令、低电压治理治理、高电压治理治理。

S503、基于所述控制策略指令触发壁挂式单相无源串联稳压装置中各单元完成相应受控工作；

所述基于所述控制策略指令触发壁挂式单相无源串联稳压装置中各单元完成相应受控工作包括：在所述控制策略指令为正常输出指令时，闭合旁路模块，断开切换模块和换挡模块；在所述控制策略指令为低电压治理治理时，断开旁路模块和换挡模块，闭合切换模块中所对应的切换单元，闭合换挡模块进行升压处理；在所述控制策略指令为高电压治理治理时，断开旁路模块和换挡模块，闭合切换模块中所对应的切换单元，闭合换挡模块进行降压处理。

S504、采集壁挂式单相无源串联稳压装置输出端的电压和电流，统计计算电压合格率，评估输出端的电压质量；

S505、断所述壁挂式单相无源串联稳压装置是否运行异常，若所述判断所述壁挂式单相无源串联稳压装置发生异常，则进入S506，若判断所述壁挂式单相无源串联稳压装置未发生异常，则重新采集壁挂式单相无源串联稳压装置输入端的电压信号和电流信号，从而进行重新采样控制过程；

S506、触发保护机制控制壁挂式单相无源串联稳压装置进入保护状态。

具体的，装置正常停机处理机制下时，若装置运行无发生异常，断开旁路模块、切换模块和换挡模块。具体的，在壁挂式单相无源串联稳压装置运行过程中发生异常，则闭合旁路模块，断开切换模块和换挡模块，断开装置的断路器以保护装置免损坏。

本发明实施例所涉及的基于壁挂式单相无源串联稳压的控制系统，该控制系统包括：壁挂式单相无源串联稳压装置和控制装置，该壁挂式单相无源串联稳压装置具体的结构原理如图2至图4所示，这里不再赘述。

图6示出了本发明中的控制装置结构示意图，控制装置包括：A/D采样单元、微处理单元、控制单元、保护单元、合格率统计单元和远程通信单元，其中：

所述A/D采样单元用于采集壁挂式单相无源串联稳压装置输入端或者输出端的电压信号和电流信号；

所述微处理单元用于实时分析信号A/D采样单元所采集的电压信号和电流信号，接收远程人机交互单元利用键盘输入和液晶显示，形成查询、控制指令，经分析后给控制单元发送控制命令，检测负荷侧发生接地故障控制器发送控制命令至保护单元，计算统计装置输入侧和输出侧的电压合格率，并通过远程无线通信单元将台区电压质量信息发送至远端的系统；

所述控制单元用于根据微处理单元发送的控制命令生成相应的触发脉冲，所述触发脉冲用于驱动切换模块中的切换单元；

所述保护单元用于根据微处理单元发送的控制命令生成相应的保护脉冲，所述保护脉冲用于驱动旁路模块；

所述合格率统计单元用于具备电压偏差监测和电压合格率统计功能；

所述远程通信单元用于与电压监测系统主站进行数据通信，掌握台区的电压质量情况。

所述控制装置还包括信号调理单元，所述信号调理单元串联接入壁挂式单相无源串联稳压装置的输入端和输出端，所述信号调理单元将输入端和输出端的电流信号和电压信号调理到合适范围，并将电流信号和电流信号输入至A/D采样单元。

所述控制单元采用光耦进行驱动可控硅，以光为媒介来传输电信号，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出。

所述保护单元用于实现双向可控硅和继电器的驱动，所述双向可控硅驱动采用与控制单元一样的光耦电路，继电器驱动采用三极管来实现。

需要说明的是，基于控制系统发出低、高电压信号和性价比，切换单元宜采用电力电子开关，装置的拓扑结构包括2组若干个电力电子开关 S1、S2...Sn和K1、K2...Kn、1个接触器JS、自耦变压器T、启动电阻 R、换挡单元QD、断路器QF、电压互感器TV1～TV2和电流互感器 TA1～TA2。电子电子开关采用双向可控硅BTA16-400，正常导通时可通过 16A电流；继电器采用JZC-22F，正常导通时可通过20A电流；启动电阻采用大功率黄金铝壳散热电阻RXG24，额定电阻和功率分别为10Ω和 75W；耦合变压器属于定制开发，变比如下表所示。

优选地，信号调理单元将互感器二次侧输出的信号进行调理使其达到合适范围送至A/D采样单元，其中电压互感器采用电流型电压互感器 TV31B02，电流传感器采用微型精密电流互感器ZMCT118F，这里调理包括信号变换、低通滤波。

优选地，A/D采样单元接收来自信号调理单元调理成合适的电压信号供AD采样芯片进行采样，AD采样芯片主要采用AD7934-6芯片，是一款12位、高速、低功耗、逐次逼近型模数转换器，采用2.7V至5.25V单电源供电，最高吞吐量达到625kSPS，内置一个低噪声、宽带宽、差分采样保持放大器，可处理最高达50MHz的输入频率。

优选地，主处理器采用基于CORTEX-M4内核的微处理器 STM32F373VCT6，该处理器有2个I2C,2个SPI,3个USART,1路CAN,3个 16位Sigma DeltaADC转换器，1个12位ADC转换器，3个12位DAC转换器，内部有32KB SRAM,256KB FLASH,支持JTAG调试。

优选地，控制单元采用光耦MOC3081进行驱动可控硅，以光为媒介来传输电信号，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点。

优选地，保护单元主要涉及到双向可控硅和继电器的驱动，其中双向可控硅驱动采用与控制单元一样的光耦MOC3081电路，继电器驱动采用三极管8050来实现。

优选地，远程通信功能通过2G/3G/4G远程通信连接至远端电压监测后台，实现远端查看数据，采用骐俊股份公司的低功耗广域物联网技术无线通信ML5510模组，可实现2GGPRS/NB-IOT/4G LET多种通信方式，满足含电压监测的壁挂式单相无源串联稳压装置应用需求。

基于图6所示的控制装置，其通过采集壁挂式单相无源串联稳压装置输入端的电压和电流；根据电压矢量迭加原理计算壁挂式单相无源串联稳压装置中各单元的控制策略，生成相应的控制策略指令；基于所述控制策略指令触发壁挂式单相无源串联稳压装置中各单元完成相应受控工作；采集壁挂式单相无源串联稳压装置输出端的电压和电流，统计计算电压合格率，评估输出端的电压质量；将壁挂式单相无源串联稳压装置所产生的监测数据通过远程通信的方式发送给电压监测系统主站，所述监测数据包括：输入端的电压和电流、输出端的电压和电流、电压合格率、输出端的电压质量。

含电压监测的壁挂式单相无源串联稳压装置与电压监测系统主站之间进行数据通信方法，包含通信要求、通信规约、协议说明等内容。

优选地，通信要求包括传输过程、重发机制和字节顺序。其中，

1)传输过程包括心跳检测、数据上传、数据请求、参数配置、事件上送五个过程，每个过程是由装置或者主站发起的若干对一问一答式的报文收发组成，主动发送报文的一方必须收到确认报文后，才能发送下一帧报文。接收报文的一方必须发完确认报文后，才能主动发送报文。

2)重发机制采用TCP协议传输时30s内，主动发送方没有收到接收方的确认报文则判为本次传输超时。主动发送方超时未获取确认且未超过重发次数，则应继续重发该报文，直至收到确认成功数据报。该通信方法要求重发次数为3次。超过重发次数，若发送方为主站时则停止本次数据发送；若发送方为装置时，则复位与主站的连接，并再次发送数据；若复位后重发1次，仍不成功，则停止本次数据发送。

3)字节顺序要求具体帧结构中的数据传输顺序表述，以该表述顺序传输；对于数据项字节数≥2的，以低字节在前高字节在后的顺序传输。

通信方法采用GB/T 18657.3—2002规定的“增强性能体系结构”三层参考模型，包括帧格式、通信数据格式和协议说明。

1帧格式

1.1帧格式定义

通信方法采用GB/T 18657.1-2002的6.2.4条FT1.2异步式传输帧格式，帧格式见表1。

表1帧格式

1.2帧起始符68H

标识一帧信息的开始，其值为68H＝01101000B。

1.3装置逻辑地址RTUA

为标识通信的最终发起端和接收端，定义主站和装置逻辑地址。

装置逻辑地址在通信时用来唯一识别一个通信的最终发起端和接收端，包括供电公司编码、厂商编码和装置地址码三部分见表2。

表2装置逻辑地址

1.4命令序号SEQ

命令序号用于在异步通信过程中，区分发送和应答的对应关系见表 3。

表3命令序号

1.5装置控制码C

控制码表示要执行的操作见表4。

表4装置控制码

1.6数据长度L

L为数据域的字节数，十六进制编码(HEX)，低字节在前，高字节在后。

1.7数据域DATA

数据域包括监测点号(TN)、数据标识(DI)、数据区(DATA)和密码(PW)等，其结构随控制码的功能不同而改变。

监测点号TN由一个字节构成，D0位固定为装置；FEH表示所有监测点；FFH表示装置和所有监测点；数据标识DI由两个字节构成。

1.8校验码CS

从帧起始符(68H)开始到校验码之前的所有各字节的和模256的余，即各字节二进制算术和，不超过256的溢出值。

1.9结束符16H

标识一帧信息的结束，其值为16H＝00010110B。

1.10帧拆分原则

对于召测命令的返回，如果一个数据帧无法容纳所有数据，那么可以将其拆成多个数据帧应答，后续帧可以紧接着前一帧上送而无需子站系统的请求后续帧命令，拆分后的每一帧都是自描述的，其时间、点数、数据标识等仅对本帧数据有效。

2通信数据格式

2.1读当前数据

2.1.1主站请求帧

功能为请求读取装置当前数据或参数，当要读取监测点号为01H时，指装置本身的数据或参数；否则指装置中保存的最近时间的监测点数据。控制码C为01H；数据长度L为01H+2*m(m为读取数据项数)。读当前数据主站请求帧格式见表5。

表5读当前数据主站请求帧

2.1.2装置正常应答帧

功能为装置正常应答。控制码C为81H；数据长度L为01H+X(所有应答数据标识与数据内容的总长度)。读当前数据装置正常应答帧格式见表6。

表6读当前数据装置正常应答帧

如果某些数据项，所有请求帧中的要求的监测点都没有该项数据，则省略该数据项，无对应数据项编码。如果监测点多于一个，则数据项内容按照监测点的顺序排列；如果某个监测点没有该数据项，则按照该项数据的长度填写无效标识FFH。

2.2读历史数据

2.2.1主站请求帧

其功能为请求读取装置保存的历史数据。控制码C为02H；数据长度 L为09H。读历史数据主站请求帧格式见表7。

表7读历史数据主站请求帧

2.2.2装置正常应答帧。

其功能为装置正常应答主站的读任务数据请求，或主动上报任务数据。控制码：C＝82H。数据长度：L＝09H+X。读历史数据装置正常应答帧格式见表8。

表8读历史数据装置正常应答帧

2.2.3任务号分配方便对任务数据帧进行拆分

拆分原则是一次任务所采集获得的一组数据组成一个数据点，不得对数据点进行拆分，也就是说，拆分后的数据帧中，包含n个数据点的内容，而任何一个数据点都包含完整的任务制定数据项的值。

2.3写对象参数

2.3.1主站请求帧

功能为主站向装置请求设置装置参数、监测点参数、监测点数据(仅能设置时钟)。控制码C为08H；数据长度L为05H+2*m(m数据项长度)。写对象参数主站请求帧格式见表10。

表10写对象参数主站请求帧

2.3.2装置正常应答帧

功能是正常应答主站设置参数请求。控制码C＝88H；数据长度L为 01H+3*m(m应答数据长度)。

2.4登录

2.4.1装置请求登录主站

功能为请求登录到主站，建立数据连接。控制码C为A1H；数据长度 L为00H。前置机应提供界面允许设置口令。

2.4.2登录确认

功能为前置机确认登录请求。控制码C为21H；数据长度L为00H。主站判断装置地址，如果符合，则允许登录，否则返回异常权限不足(控制码D6位表示)。如果已经建立过连接，则应把前一个连接关闭，使用最新登录的连接替代。

2.5登录退出

2.5.1装置请求断开主站连接

其功能为请求退出主站登录，关闭数据连接。控制码C为A2H；数据长度L为00H。

2.5.2应答登录退出

功能为应答系统登录退出请求。控制码C为22H；数据长度L为 00H。主站应当受到应答后，再把连接关闭。

2.6心跳检测

2.6.1装置心跳报文

其功能为检测和主站链接是否正常。控制码C为A4H；数据长度L为 00H。

2.6.2正常应答检测

功能为应答检测请求。控制码C为24H；数据长度L为00H。

2.7读取装置监测点事件记录

(1)事件记录要求主动上送，同时可以根据主站请求应答。

(2)主站系统请求帧。其功能为请求读取监测点事件记录。控制码C 为26H；数据长度L为13。装置每个监测点保存最近256条事件记录，事件记录采用循环覆盖保存。

(3)装置正常应答帧。其功能为装置响应主站事件读取指令，同时也可作为装置主动上报监测点事件报文。控制码C为A6H；数据长度L为02H +9×Num。

(4)事件编码方式和事件记录格式见表20。

表20事件编码方式和事件记录格式

(5)在事件主动上送帧中，装置上送控制字C为0x89，主站确认控制字C为0x09。

2.8数据主动上传

2.8.1装置请求帧

功能为5分钟数据(月统计数据，日统计数据)的主动上送，需要说明的是格式与主站读历史数据格式相同，仅控制码有改动。控制码C为 B4H；数据长度L为09H+X。

2.8.2主站应答帧

功能为主站正常应答装置。控制码C为34H；数据长度L为02H。

3协议说明

3.1数据编码与格式

以下如无特殊说明，均为HEX码。一个数据项值全为FF表示无效。一个数据项(一个ID号)包含多个字节时，按低字节在前，高字节在后的顺序传输。

3.1.1装置参数

装置参数主要是与装置的通信、设置相关的配置参数

3.1.2监测点参数

装置监测点参数编码

3.1.3监测点电压数据

装置监测点电压数据编码

3.2错误编码

装置正常应答帧数据项错误编码

3.3装置自检结果

装置上电和间隔一段时间自检，结果为一个字节。

本发明的控制方法能更加精确更快速地解决任意时刻用户的低电压或高电压问题，提升用户用电满意度，降低设备高电压运行风险，与全功率穿越自耦变压器相比，电压矢量迭加使补偿电压穿越自耦变压器，降低自耦变压器的容量，其体积重量均可大幅降低，可实现壁挂安装，同时本发明的装置运行损耗大幅降低，采用电力电子开关，响应速度快，设置启动充电电阻，避免换挡出现电压中断，解决了全功率穿越的传统线路型调压器存在发热严重、体积大重量重、响应速度慢等问题，能长时间导通运行，同时完善保护策略，运行异常可快速旁路该装置，有效地保护装置，具有很强的适用性和灵活性。

本发明通过建立与电压监测系统主站之间进行数据通信方法，使装置具备电压监测仪的功能，能提供电压偏差监测和电压合格率统计数据，监测数据可支撑供电企业开展低电压治理决策，丰富用电台区电压质量数据，有助于供电公司有目的计划地针对供电企业低电压改造空档期(从立项到建设的等待时间)、偏远山区及城中村、用户季节性负荷变化等应用场景开展居民的电压质量提升工作，对推动经济和社会发展有重要作用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。