CN107947204A - 三相负荷自动平衡单相电能计量装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三相负荷自动平衡单相电能计量装置及其控制方法，该装置除具有传统单相电能计量功能以外，还可以自动将输出端所控制的配网负荷从负荷较重一相切换到负荷较轻一相，从而解决现有人工操作方式需切除负荷，给电网造成负荷损失，操作危险等问题。包括电量采集模块、计量模块，还包括三相相电压采集变送装置、三相输出控制开关、自动控制电路、用于将三相高压交流电转换为单相低压直流电的整流电源，电能计量装置输入的三相上安装有三相输出控制开关，三相相电压采集变送装置采集电能计量装置输入的三相相电压，将采集信号传给与之相连的自动控制电路，自动控制电路与三相输出控制开关连接。

Description

三相负荷自动平衡单相电能计量装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有就地检测三相电压差值、判定三相负荷不平衡功能和自动有载切换负荷功能的单相电能计量装置。

背景技术

对于配网的三相负荷不平衡问题，目前的解决方法是：由检修人员从智能配网监控平台上查询配网各台区的电流值（负荷），当发现负荷不平衡时，先切除负荷（停电），然后人工登杆作业，拆除负荷引下线的原有接头并搭接到负荷较轻的另外一相，最后恢复供电。

这种工作方式存在以下缺点：

①需要切除负荷，给电网造成负荷损失，并影响供电服务质量，对用户的正常用电和生活造成了不便。

②人工登杆作业，费时费力，有高空坠落等风险。

③若存在平行、邻近、交叉跨越、同杆架设线路，可能会发生人员误碰触电和感应电伤人事故。

④需要人工查看监控平台，效率低下，存在人为因素造成差错的可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型单相电能计量装置，该装置除具有传统单相电能计量功能以外，还可以自动将输出端所控制的配网负荷从负荷较重一相切换到负荷较轻一相，从而解决现有人工操作方式需切除负荷，给电网造成负荷损失，操作危险等问题。

本发明采用的技术方案如下。一种三相负荷自动平衡单相电能计量装置，包括电量采集模块、计量模块，还包括三相相电压采集变送装置、三相输出控制开关、自动控制电路、用于将三相高压交流电转换为单相低压直流电的整流电源，电能计量装置输入的三相上安装有三相输出控制开关，三相相电压采集变送装置采集电能计量装置输入的三相相电压，将采集信号传给与之相连的自动控制电路，自动控制电路与三相输出控制开关连接。

根据所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，电能计量装置输入的每根相线上均安装三相输出控制开关。

根据所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，三相输出控制开关为交流接触器或磁保持继电器。

根据所述三相负荷自动平衡单相电能计量装置，自动控制电路采用单片机作为主控，三相交流电压变送器采集三相电压，传送至AD转换芯片进行AD转换，电压信号输入至单片机的输入接口；单片机输出接口经步进电机驱动芯片，与三组继电器连接，继电器常开触点接入三相线路；液晶显示屏与单片机的输出接口连接。

根据所述三相负荷自动平衡单相电能计量装置，自动控制电路采用80C51单片机作为主控，AD转换芯片使用PCF8591芯片进行AD转换，信号输入至单片机的P3.6、P3.7口；单片机P1.0、P1.1、P1.2口经由ULN2003芯片驱动三组继电器；液晶显示屏与单片机的P0口、P2.3~2.5口并行控制连接。

根据所述三相负荷自动平衡单相电能计量装置，黄绿红三只LED接于单片机的P2.0~2.2口，自动控制电路采用38kHz红外接收管接于单片机的P3.4口；自动控制电路采用CH340作为USB程序下载通道，接于单片机P3.0、P3.1口。

一种负荷自动平衡的控制方法，其特征是；

(1)、三相电压采集变送器采集本电能计量装置输入的三相相电压，通过信号变换，以通讯协议或直流电压信号形式，将三相相电压值传送给自动控制电路；

(2)、自动控制电路接收三相电压采集变送器传送过来的三相相电压值后，先通过比较找出三相相电压最大值所在相与最小值所在相，计算出相电压最大差值△U，△U=相电压最大值Umax-相电压最小值Umin，并与设定的阈值比较；

(3)、若△U超过阈值且负荷所在相为电压最低相，则视为负荷所在相的负荷过重，自动控制电路将进入一个随机倒计时机制，随机倒计时结束，若△U一直没有回归到阈值以下，则视为负荷所在相的负荷持续过重，此时自动控制电路通过操纵三相输出控制开关，将所控制的用户负荷切换到当前电压最高的一相上去，操作完成。

根据所述的负荷自动平衡的控制方法，所述通讯协议包括MODBUS-RTU协议，直流电压信号是指将AC 0-250V线性变换为DC 0-5V。

根据所述的负荷自动平衡的控制方法，所述随机倒计时机制按以下方法进行，△U超过阈值时，自动控制电路首先从随机抽取时间段随机抽取一个时间倒计时，自动控制电路将持续检测相电压最大差值△U，倒计时回到0以前，一旦△U恢复到阈值设定范围以内，自动退出倒计时状态；只有当倒计时状态△U一直超过阈值，倒计时结束后，才会将负荷切换到当前电压最高一相。

进一步，所述随机抽取时间段为10.0s～599.9s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①有载调节：安装使用本装置后，可以在不停电的情况下，带用户负荷完成调相操作，不会造成负荷损失和客户投诉。

②自动调节：装置自动判定其控制的负荷所在的一相负荷过重，然后这一路负荷切换到负荷较轻的一相上去，不需要人工查看监控平台。

③随机延时：引入“随机倒计时”机制，防止多路负荷同时切换造成电网波动。

④无需通讯：本装置以其所在位置的三相相电压最大差值△U为判据，可以通过就地采集三相相电压作为“负荷不平衡”的判别依据，而非台区变压器出口处的电流值。因此不需要在台区变压器处安装三相电流的测量装置，也不需要与其他装置、其他监控平台，或在各调节装置之间进行通讯。因此，节约了重新架设电缆、光纤等通讯介质的费用，也不需要租赁电信运营商的GPRS通道，极大地节约了安装和使用成本。

⑤无人操作：整配网三相负荷时，不需要人工登高作业，没有高空坠落、误入带电间隔、误碰带电体、感应电伤人等安全风险，有效保障人身安全。

⑥手动调节：检修人员可以根据现场需要或上级命令，使用遥控器就地操作本装置，将用户负荷接入某一相，或直接切除负荷。

⑦计量功能：装置本身具有单相电能计量功能，可直接替代原有的单相电能计量装置；同时根据国网公司有关规定，单相表箱中接入的下户线已经为三相四线制，因此只需在原有表箱中增加部分配线即可实现自动切换负荷功能。

本装置造价低廉、安装方便、结构简单、安全可靠，只需在已经引入AC 380V三相四线制的表箱中直接替换原有单相电能计量装置并重新配线，即可收到明显的效果。

附图说明

图1为本发明控制电路的结构示意图。

图2为本发明的控制逻辑流程图。

图3为本发明以单片机为实施例，自动控制电路及其外围电路电路示意图。

具体实施方式

实施例

下面结合附图对本发明做进一步说明。

该装置输入AC 380V三相四线制、输出AC 220V单相电；除具有传统单相电能计量功能以外，还可以在电能计量装置内部通过采集装置输入三相相电压、计算三相相电压最大值与最小值的差值，并根据该电压差值是否超过设定阈值作为“配网三相负荷不平衡”的判断依据，从而自动将输出端所控制的配网负荷从负荷较重一相切换到负荷较轻一相，解决上述已有技术中提出的问题。

具有就地检测三相电压差值、判定三相负荷不平衡功能和自动有载切换负荷功能的单相电能计量装置，除普通电能计量装置原有的电量采集、计量等相应部件以外，还包括三相相电压采集变送装置（三相电压采集变送器）、三相输出控制开关、自动控制电路、遥控发射装置与接收装置、将三相高压交流电转换为单相低压直流电的整流电源，以及其他辅助电路。电能计量装置输入的三相上安装有三相输出控制开关，三相相电压采集变送装置采集电能计量装置输入的三相相电压，将采集信号传给与之相连的自动控制电路，自动控制电路与三相输出控制开关连接。

其中，三相相电压采集变送器包括但不限于：利用普通单相电能计量装置原有电量采集电路升级改造，或重复三组分别用于三相测量、将普通三相电能计量装置原有的电量采集电路进行移植改造、另行装设新的相电压采集变送装置等电压采集常规手段。三相输出控制开关包括但不限于：交流接触器、磁保持继电器或其他使用低压小电流控制高压大电流的开关装置，用于操纵负荷分别接入到A相、B相或C相上去。自动控制电路包括但不限于继电器、单片机、DSP/DSC、PLC、嵌入式系统、工业控制计算机、对原有电能计量装置控制电路进行改造或其他自动控制电路，以及配套的控制软件。遥控发射装置与接收装置可以为实体键盘，遥控器和遥控接收电路结合，远程通讯端口或其他人机交互方案。

本发明自动控制电路，以单片机方案为例。

自动控制电路采用80C51单片机作为主控。三相电压采集变送器使用三相交流电压变送器将AC 0-250V线性变换为DC 0-5V，使用PCF8591芯片进行AD转换，电压信号输入至单片机的P3.6（SCL）、P3.7（SDA）口。单片机经过计算，将结果输出。输出部分采用三组继电器常开触点控制，由单片机P1.0、P1.1、P1.2口经由步进电机驱动芯片，ULN2003芯片进行驱动。

此外本方案可以选配液晶显示器作为结果输出设备。采用一块LCD2004液晶显示屏（选配）用于显示装置信息以便于调试。液晶显示屏由单片机的P0口、P2.3~2.5口并行控制。自动控制电路采用分别为黄、绿、红色的三只LED用于显示，当前输出端接于三相电的哪一相。三只LED连接在单片机的P2.0~2.2口，自动控制电路连接一只38kHz红外接收管（选配）作为人机交互的输入方式，接于单片机的P3.4口。自动控制电路采用CH340芯片作为USB程序下载通道，接于单片机P3.0、P3.1口。

本发明用于三相负荷自动平衡的控制方法如下。

1三相电压采集变送器采集本电能计量装置输入的三相相电压，并通过一定的信号变换，以通讯协议（包括但不限于MODBUS-RTU协议）或其他电量变换（包括但不限于将AC0-250V线性变换为DC 0-5V）的形式，将三相相电压值信号传送给自动控制电路。

2自动控制电路接收三相电压采集变送器传送过来的三相相电压值后，先通过比较找出三相相电压最大值所在相与最小值所在相，然后计算相电压最大差值△U=(相电压最大值Umax-相电压最小值Umin)，并与设定的阈值比较。

3若△U超过阈值，且负荷所在相就是电压最低相，则视为负荷所在相的负荷过重，自动控制电路将进入一个“随机倒计时”机制（下文详述），随机倒计时结束，若△U一直没有回归到阈值以下，则视为负荷所在相的负荷持续过重，此时自动控制电路通过操纵三相输出控制开关，将所控制的负荷切换到当前电压最高的一相上去，操作完成。

为了防止在台区内安装了多台电能计量装置后，当电压降低时，多台装置同时切换负荷，给配网造成更严重的波动，本装置引入了“随机倒计时”机制。“随机倒计时”简述如下。

当检测到相电压最大差值△U超过阈值时，自动控制电路首先从10.0s～599.9s当中（也可设为其他数值）随机抽取一个时间进行倒计时，自动控制电路将持续从三相电压采集变送器中获取三相相电压，检测相电压最大差值△U。在倒计时回到0以前，一旦△U恢复到阈值设定范围以内（即视为负荷过重状态得到了有效缓解），将自动退出倒计时状态，装置不动作。只有当倒计时状态从开始到0，相电压最大差值△U一直持续超过阈值，则倒计时结束后，装置才会自动将其所控制的负荷切换到当前电压最高（负荷较轻）的那一相。而且由于倒计时取值是随机的，所以即使电压一直过低，多台装置控制用户负荷也不会同时切换，防止造成严重的电网波动。

同时该装置还增加了人工控制功能（选配功能），检修人员可以根据现场需要或上级命令，使用遥控器就地操作本装置（或使用通讯端口远程控制），将用户负荷接入某一相，或直接切除负荷。

下面将结合本发明实施例中的附图1-2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。请参阅图1本发明控制电路，本发明提供一种就地检测三相电压差值、判定三相负荷不平衡并自动有载切换负荷的单相电能计量装置。

本发明除普通电能计量装置原有的电量采集、计量等相应部件以外，还包括三相相电压采集变送装置（三相电压采集变送器）、三相输出控制开关、自动控制电路、遥控发射装置与接收装置、将三相高压交流电转换为单相低压直流电的整流电源，以及其他辅助电路。

本发明工作原理。三相电压采集变送器用来采集本电能计量装置输入的三相相电压，并通过一定的变换，以通讯协议（包括不限于MODBUS-RTU协议）或其他电量变换（包括但不限于将AC 0-250V线性变换为DC 0-5V）的形式，将三相相电压值传送给自动控制电路。自动控制电路接收到三相相电压值以后，首先通过比较找出三相相电压的最大值所在相与最小值所在相，然后计算相电压最大差值△U=(相电压最大值Umax-相电压最小值Umin)，并与设定的阈值比较。若相电压最大差值△U超过阈值，且负荷所在相就是电压最低相，则视为负荷所在相的负荷过重，控制电路将进入一个“随机倒计时”机制。待随机倒计时结束后，若相电压最大差值△U一直没有回归到阈值以下，则视为负荷所在相的负荷持续过重，此时控制电路通过操纵三相输出控制开关，将所控制的负荷切换到当前电压最高的一相上去，操作完成。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种三相负荷自动平衡单相电能计量装置，包括电量采集模块、计量模块，其特征在于，还包括三相相电压采集变送装置、三相输出控制开关、自动控制电路、用于将三相高压交流电转换为单相低压直流电的整流电源，电能计量装置输入的三相上安装有三相输出控制开关，三相相电压采集变送装置采集电能计量装置输入的三相相电压，将采集信号传给与之相连的自动控制电路，自动控制电路与三相输出控制开关连接。

2.根据权利要求1所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，其特征是，电能计量装置输入的每根相线上均安装三相输出控制开关。

3.根据权利要求1或2所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，其特征是，三相输出控制开关为交流接触器或磁保持继电器。

4.根据权利要求1所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，其特征是，自动控制电路采用单片机作为主控，三相交流电压变送器采集三相电压，传送至AD转换芯片进行AD转换，电压信号输入至单片机的输入接口；单片机输出接口经步进电机驱动芯片，与三组继电器连接，继电器常开触点接入三相线路；液晶显示屏与单片机的输出接口连接。

5.根据权利要求4所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，其特征是，自动控制电路采用80C51单片机作为主控，AD转换芯片使用PCF8591芯片进行AD转换，信号输入至单片机的P3.6、P3.7口；单片机P1.0、P1.1、P1.2口经由ULN2003芯片驱动三组继电器；液晶显示屏与单片机的P0口、P2.3~2.5口并行控制连接。

6.根据权利要求4或5所述的三相负荷自动平衡单相电能计量装置，其特征是，黄绿红三只LED接于单片机的P2.0~2.2口，自动控制电路采用38kHz红外接收管接于单片机的P3.4口；自动控制电路采用CH340作为USB程序下载通道，接于单片机P3.0、P3.1口。

7.一种权利要求1-6任一项所述三相负荷自动平衡单相电能计量装置用于负荷自动平衡的控制方法，其特征是；

(1)、三相电压采集变送器采集本电能计量装置输入的三相相电压，通过信号变换，以通讯协议或直流电压信号形式，将三相相电压值传送给自动控制电路；

(2)、自动控制电路接收三相电压采集变送器传送过来的三相相电压值后，先通过比较找出三相相电压最大值所在相与最小值所在相，计算出相电压最大差值△U，△U=相电压最大值Umax-相电压最小值Umin，并与设定的阈值比较；

(3)、若△U超过阈值且负荷所在相为电压最低相，则视为负荷所在相的负荷过重，自动控制电路将进入一个随机倒计时机制，随机倒计时结束，若△U一直没有回归到阈值以下，则视为负荷所在相的负荷持续过重，此时自动控制电路通过操纵三相输出控制开关，将所控制的用户负荷切换到当前电压最高的一相上去，操作完成。

8.根据权利要求7所述的负荷自动平衡的控制方法，其特征是；所述通讯协议包括MODBUS-RTU协议，直流电压信号是指将AC 0-250V线性变换为DC0-5V的低压信号。

9.根据权利要求7或8所述的负荷自动平衡的控制方法，其特征是；所述随机倒计时机制按以下方法进行，

△U超过阈值时，自动控制电路首先从随机抽取时间段随机抽取一个时间倒计时，自动控制电路将持续检测相电压最大差值△U，倒计时回到0以前，一旦△U恢复到阈值设定范围以内，自动退出倒计时状态；只有当倒计时状态△U一直超过阈值，倒计时结束后，才会将负荷切换到当前电压最高一相。

10.根据权利要求9所述的负荷自动平衡的控制方法，其特征是：所述随机抽取时间段为10.0s～599.9s。