CN108390401A - 一种三相不平衡电流控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相不平衡电流控制装置及方法，涉及多相电流合闸切换控制技术领域。所述三相不平衡电流控制装置包括功率控制模块、负载特性检测模块和合闸时刻控制模块，所述功率控制模块包括分别设置在三相四线制线路中A相线、B相线和C相线上的功率控制器以及开关，所述负载特性检测模块包括电能互感单元、采样单元和控制器，所述电能互感单元的第一端与所述三相四线制线路的相线以及中线连接，所述采样单元的两端分别与所述电能互感单元的第二端以及所述控制器的第一端连接。所述三相不平衡电流控制装置在对应方法的配合下，在不同负载特性对应时刻换相时通过开关功率控制器，以改善开关合闸时产生冲击电流造成设备损伤的问题。

Description

一种三相不平衡电流控制装置及方法

技术领域

本发明涉及多相电流合闸切换控制技术领域，具体而言，涉及一种三相不平衡电流控制装置及方法。

背景技术

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，电力系统的规模越来越大，对电力系统的精细化管控也变得越来越重要。我国的低压配电网大多是通过10kV/0.4kV变压器以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。由于我国低压配电网覆盖面积广阔，运行环境各不相同，电力用户众多且较分散，存在大量的时空分布不平衡的单相负荷，即使将三相负荷平均分配到A、B、C三相上，居民的用电习惯差异以及负荷的随机性强，同样会引起较大的三相不平衡，对三相不平衡现象的治理和管理费时费力。用电负荷不能均匀分配到各相上，是三相不平衡问题产生的主要原因。三相不平衡问题已经成为我国低压配电网末端最普遍且难以解决的问题。

由于负荷的不均匀分布，我国低压配电网长期存在三相不平衡问题。再加上我国配网自动化水平不高，该问题无法得到及时改善。若电网在三相不平衡较严重的情况下长时间运行，对供电和用电双方都将产生不利影响。现有技术中常通过相位切换改善上述问题，但是现有的换相开关在换相时会产生危害用户设备或换相开关本身的冲击电流。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种三相不平衡电流控制装置及方法，以解决上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种三相不平衡电流控制装置，所述三相不平衡电流控制装置包括功率控制模块、负载特性检测模块和合闸时刻控制模块。所述功率控制模块包括分别设置在三相四线制线路中A相线、B相线和C相线上的功率控制器以及开关。所述负载特性检测模块包括电能互感单元、采样单元和控制器，所述电能互感单元与所述三相四线制线路的相线以及中线连接，所述采样单元的两端分别与所述电能互感单元的第二端以及所述控制器的第一端连接。所述合闸时刻控制模块包括处理器，所述处理器分别与所述控制器的第二端以及所述功率控制器连接，所述处理器根据所述控制器传来的负载特性信息控制所述功率控制器和所述开关的闭合或断开。

综合第一方面，所述开关为接触器，每个接触器均与所述处理器连接。

综合第一方面，所述功率控制器为晶闸管，每个晶闸管均与所述处理器连接。

综合第一方面，所述电能互感单元包括电流互感器和电压互感器。

综合第一方面，所述采样单元包括采样调理电路和模数转换器，所述采样调理电路的第一端与所述电流互感器的输出端、所述电压互感器的输出端，所述采样调理电路的第二端通过所述模数转换器与所述控制器的第一端连接。

综合第一方面，所述控制器为微程序控制器。

综合第一方面，所述控制器包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器。

综合第一方面，所述处理器为单片微控制器。

第二方面，本发明实施例提供了一种三相不平衡电流控制方法，应用于合闸控制模块，所述三相不平衡电流控制方法包括：基于负载特性检测模块传来的负载特性信息判断负荷不平衡度是否超过预设阈值；在为是时，闭合第一相功率控制器，断开第一相开关，基于所述负载特性信息获取负载特性判断结果；基于所述负载特性判断结果在对应时刻控制功率控制模块完成换相。

综合第二方面，所述基于所述负载特性判断结果在对应时刻控制功率控制模块完成换相，包括：所述负载特性判断结果为容性时，在电压过零时，所述负载特性判断结果为容性时，在电压过零时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器；所述负载特性判断结果为阻性时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器；所述负载特性判断结果为感性时，在电压达到最大值时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器。

本发明提供的有益效果是：

本发明提供了一种三相不平衡电流控制装置，所述三相不平衡电流控制装置在三相四线制线路中A相线、B相线和C相线上均设置有功率控制器以及开关，在换相过程中需要闭合或断开某相开关时闭合对应相的功率控制器，以减小冲击电流，进而对用户设备以及开关本身进行保护，保证了相关设备的耐用性；同时所述三相不平衡电流控制装置还通过负载特性检测模块检测判断负载特性，根据不同的负载特性在不同的时刻进行换相，进一步减弱了冲击电流对用户设备以及开关本身的损害。本发明还提供了一种三相不平衡电流控制方法，以配合所述三相不平衡电流控制装置实现无冲击电流换相。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、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

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种三相不平衡电流控制装置的模块示意图；

图2为本发明第一实施例提供的一种功率控制模块的模块示意图；

图3为本发明第一实施例提供的一种负载特性检测模块的模块示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种三相不平衡电流控制方法的流程图。

图标：10-三相不平衡电流控制装置；11-功率控制模块；112-功率控制器；114-开关；12-负载特性检测模块；122-电能互感单元；124-采样单元；126-控制器；13-合闸时刻控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

我国低压配电网大多采用三相四线制向用户供电，在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制，其中三条线路分别代表A,B,C三相，另一条是中性线N或PEN(如果该回路电源侧的中性点接地，则中性线也称为零线(老式叫法，应逐渐避免，改称PEN，如果不接地，则从严格意义上来说，中性线不能称为零线)。在进入用户的单相输电线路中，有两条线，一条我们称为相线L，另一条我们称为中线N，中线正常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路。而三相系统中，三相平衡时，中性线(零线)是无电流的，故称三相四线制。

经本申请人研究发现，现有三相四线制的三相不平衡电流控制技术中大多通过换相开关进行换相以改善三相负荷不平衡的问题，但是三相不平衡换相开关在换相过程中存在的一个严重的问题，即合闸冲击电流可能很大，而且冲击电流随负载特性不同而不同。过大的冲击电流会产生很大的电动力，以及很高的尖峰电压，可能会给用户设备造成损害，甚至损害换相开关本身。为了解决上述问题，本实施例提供了一种三相不平衡电流控制装置10。

请参考图1，图1为本发明第一实施例提供的一种三相不平衡电流控制装置的模块示意图。

三相不平衡电流控制装置10包括功率控制模块11、负载特性检测模块12和合闸时刻控制模块13。其中，功率控制模块11分别与三相四线制线路的相线、中线以及负载特性检测模块12连接，负载特性检测模块12与合闸时刻控制模块13连接。

请参考图2，图2为本发明第一实施例提供的一种功率控制模块的模块示意图。

功率控制模块11包括功率控制器112和开关114，应当理解的是，A相线、B相线和C相线上均设置有单独的功率控制器112和开关114。其中，以A相线为例，A相线上设置的开关114与A相线串联，A相线对应的功率控制器112与开关114并联，同时，功率控制器112和开关114均与合闸时刻控制模块13连接。其中，功率控制器112是一种电源功率控制电器。

在可选的实施例中，功率控制器112为晶闸管，晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又被称做可控硅整流器，其为PNPN四层半导体结构，它有阳极，阴极和控制极三个极。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。本实施例中应用晶闸管的整流调压特性吸收打开或闭合开关114时产生的冲击电流，以对相关电路和电气设备进行保护。

考虑到开关114需要具备一定的稳定性以及可靠的电控性，在可选的实施例中，开关114为接触器。其中，接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器，其可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制电路的装置，也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。接触器控制容量大，适用于频繁操作和远距离控制,是自动控制系统中的重要元件之一。

请参考图3，图3为本发明第一实施例提供的一种负载特性检测模块的模块示意图。

负载特性检测模块12包括电能互感单元122、采样单元124和控制器126。其中，电能互感单元122分别与三相四线制线路的相线、中线以及采样单元124连接，采样单元124还与控制器126的第一端连接，控制器126的第二端与合闸时刻控制模块13连接。

可选地，电能互感单元122包括串联在所述相线中的电流互感器以及并联在所述相线和所述中线之间的电压互感器。其中，电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器，其由闭合的铁心和绕组组成，它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中。电压互感器并联在需要测量电压的线路中，在运行时，一次绕组并联接在线路上，二次绕组并联接仪表或继电器，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器。

采样单元124包括采样调理电路和模数转换器，所述采样调理电路的第一端与所述电流互感器的输出端以及所述电压互感器的输出端连接，所述采样调理电路的第二端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与控制器126的第一端连接。采样调理电路是指把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号的电路，作为一种实施方式，所述采样调理电路可以包括放大器、变压器、耦合器、电容和滤波器等电气元件。模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号，即将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号的电子元件，通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。

控制器126是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器，两种控制器各有长处和短处。组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但它的速度快；微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序。考虑到本实施例中对电流和电压的检测判断对控制器126的处理能力和处理速度的需求较小，在本实施例中控制器126为微程序控制器。控制器126在本实施例中对电流、电压的采集和模数转换进行控制，并将通过所述模数转换获取的电流相位信息和电压相位信息传输至合闸时刻控制模块13进行负载特性的分析。

作为一种可选的实施例，控制器126包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器。

可选得，在本实施例中合闸时刻控制模块13的主要部件为处理器，在本实施例中所述处理器用于根据控制器126传来的电流相位信息和电压相位信息进行负载特性的分析，同时基于所述负载特性的分析结果生成功率控制模块控制信号对A相、B相和C相的功率控制器112和开关114进行单独控制。可选地，所述处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。所述通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器。于本实施例中，可选地，该处理器可以是STM32系列的处理器，例如STM32F103C8T6、STM32F103VET6等型号。

第二实施例

为了配合三相不平衡电流控制装置10基于负载特性更好地实现换相，本发明第二实施例还提供了一种应用于合闸时刻控制模块13的三相不平衡电流控制方法。

请参考图4，图4为本发明第二实施例提供的一种三相不平衡电流控制方法的流程图。所述三相不平衡电流控制方法的具体步骤如下：

步骤S1：基于负载特性检测模块传来的负载特性信息判断负荷不平衡度是否超过预设阈值。

步骤S2：在所述负荷不平衡度超过预设阈值时，闭合第一相功率控制器，断开第一相开关，基于所述负载特性信息获取负载特性判断结果。

步骤S3：基于所述负载特性判断结果在对应时刻控制功率控制模块完成换相。

应当理解的是，上述步骤中的第一相、第二相可以是A相、B相和C相中的任意一相。

关于步骤S1，其中，对于三相制输出，最大一相电流不超过额定值的条件下，最大一相和最小一相电流的基波有效值之差与额定值之比，称为负荷不平衡度。

对于步骤S2，在直接对第一相或第二相的开关进行闭合或断开操作以完成换相时，会产生较大的合闸冲击电流，而且冲击电流随负载特性不同而不同，过大的冲击电流会产生很大的电动力，以及很高的尖峰电压，可能会给用户设备造成损害，甚至损害换相开关本身。因此，以第一相为例，步骤S2在对第一相的开关进行闭合或断开操作时，会先闭合第一相功率控制器，减弱所述冲击电流，再闭合或断开第一相开关，最后再断开第一相功率控制器，从而避免冲击电流对开关以及三相电路中的电子设备造成损伤。

针对步骤S3，基于所述负载特性判断结果在对应时刻控制功率控制模块完成换相。其中，所述负载特性可以包括电容特性(容性)、电感特性(感性)和电阻特性(阻性)，与此对应的是，作为一种实施方式，步骤S3的具体换相过程为：

所述负载特性判断结果为容性时，在电压过零时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器。

所述负载特性判断结果为阻性时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器。

所述负载特性判断结果为感性时，在电压达到最大值时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器。

综上所述，本发明实施例提供了一种三相不平衡电流控制装置，所述三相不平衡电流控制装置在三相四线制线路中A相线、B相线和C相线上均设置有功率控制器以及开关，在换相过程中需要闭合或断开某相开关时闭合对应相的功率控制器，以减小冲击电流，进而对用户设备以及开关本身进行保护，保证了相关设备的耐用性；同时所述三相不平衡电流控制装置还通过负载特性检测模块检测判断负载特性，根据不同的负载特性在不同的时刻进行换相，进一步减弱了冲击电流对用户设备以及开关本身的损害。本发明还提供了一种三相不平衡电流控制方法，以配合所述三相不平衡电流控制装置实现无冲击电流换相。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种三相不平衡电流控制装置，其特征在于，包括：

功率控制模块，包括分别设置在三相四线制线路中A相线、B相线和C相线上的功率控制器以及开关；

负载特性检测模块，包括电能互感单元、采样单元和控制器，所述电能互感单元与所述三相四线制线路的相线以及中线连接，所述采样单元的两端分别与所述电能互感单元以及所述控制器的第一端连接；

合闸时刻控制模块，包括处理器，所述处理器分别与所述控制器的第二端以及所述功率控制器连接，所述处理器根据所述控制器传来的负载特性信息控制所述功率控制器和所述开关的闭合或断开。

2.根据权利要求1所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述开关为接触器，每个接触器均与所述处理器连接。

3.根据权利要求2所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述功率控制器为晶闸管，每个晶闸管均与所述处理器连接。

4.根据权利要求1所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述电能互感单元包括电流互感器和电压互感器。

5.根据权利要求4所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述采样单元包括采样调理电路和模数转换器，所述采样调理电路的第一端与所述电流互感器的输出端、所述电压互感器的输出端，所述采样调理电路的第二端通过所述模数转换器与所述控制器的第一端连接。

6.根据权利要求1所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述控制器为微程序控制器。

7.根据权利要求6所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述控制器包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器。

8.根据权利要求1-7任一权项所述的三相不平衡电流控制装置，其特征在于，所述处理器为单片微控制器。

9.一种三相不平衡电流控制方法，其特征在于，应用于合闸控制模块，所述三相不平衡电流控制方法包括：

基于负载特性检测模块传来的负载特性信息判断负荷不平衡度是否超过预设阈值；

在为是时，闭合第一相功率控制器，断开第一相开关，基于所述负载特性信息获取负载特性判断结果；

基于所述负载特性判断结果在对应时刻控制功率控制模块完成换相。

10.根据权利要求9所述的三相不平衡电流控制方法，其特征在于，所述基于所述负载特性判断结果在对应时刻控制功率控制模块完成换相，包括：

所述负载特性判断结果为容性时，在电压过零时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器；

所述负载特性判断结果为阻性时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器；

所述负载特性判断结果为感性时，在电压达到最大值时，断开所述第一相功率控制器，闭合第二相功率控制器，闭合第二相开关，再断开第二相功率控制器。