CN109347126A - 一种智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，包括：主控制器、换相器、第一电流互感器、防断电电器元件组合；主控制器，为控制终端，与配电变压器出线侧母线电连接；换相器，为执行终端，通过防断电电器元件组合与三相支路下户线和用户负载电连接；本发明采用继电器电流过零切除、电压过零投入技术，确保切除瞬间无拉弧、投入瞬间无涌流，延长继电器的使用寿命、提升继电器运行可靠性；采用带投切状态反馈信号输出端的磁保持继电器，避免因磁保持继电器投切动作执行不到位而引发的相间短路问题。
Description
技术领域
本发明涉及配网三相电流不平衡治理领域，具体涉及一种智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置。
背景技术
低压配电网是末级供电网络的重要一环，直接为各类用户提供电力。低压配电网通常采用三相四线制供电模式，单相用电和三相用电现象并存。单相用电特征复杂，如用户电习惯差距大、用电随机性强、用电同时率低，时空分布离散性大等。单相用电的以上特征造成三相电流不平衡现象在低压配电网中长期存在。三相电流不平衡对低压配网安全经济运行带来的危害有：使变压器处于不平衡运行状态，导致变压器损耗增大，重负荷相也存在长时间过载运行的危险；使低压线路损耗增加，当负荷不平衡严重、负载率高时尤为明显，严重影响低压配网经济运行；导致各负荷节点电压偏差和电压不平衡，负荷不平衡严重、负债率高时可导致线路后端用户电压偏低，直接影响用户正常的生产生活用电；负荷节点电压不平衡度高时，所含的负序电压分量严重超标，可造成电机输出功率明显减少和电动机效率降低等不良影响。
采用自动换相技术，改变负荷接入的相序，平均分配各项承担的负荷容量是最直接和根本的方法。目前，部分区域已经开始试点基于自动换相的三相电流不平衡治理装置，但在实际运行中也暴露出了诸多问题，如：现场安装调试时，调试人员需要通过登杆才能操作，装置投运后，无法在不开箱的情况下获知装置的运行状态、治理效果，智能化程度低；主控制器与换相器通信不可靠，换相成功率低，治理效果不明显；开关投切时间过长，造成用户短则数秒，长则数分钟的停电；换相不可靠，相间短路现象频发；换相器出现故障时，无法保证用户供电不中断。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种能够避免负荷切除瞬间产生的拉弧、避免负荷投入瞬间产生的涌流，避免磁保持继电器投切不可靠引起的相间短路的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：一种智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，包括：主控制器、换相器、第一电流互感器、防断电电器元件组合；
主控制器，为一套装置的控制终端，与配电变压器出线侧母线电连接；主控制器以窄带电力载波或无线方式与一套装置下的全部换相器进行通信，主控制器采集并计算出配电变压器出线侧母线电流，根据三相线电流大小，依据三相电流不平衡度的常用计算方法((I最大-I平均/I平均)×100％)，计算出三相电流不平衡度，通过专门的换相算法生成换相策略，最后给目标换相器下发换相命令；
换相器，为一套装置的执行终端，通过防断电电器元件组合与三相支路下户线和用户负载电连接，通过窄带电力载波或无线方式接收主控制器下发的查询命令或换相命令，上报负载当前所在相序及负载电流或执行换相命令进行换相；
第一电流互感器，设于配电变压器出线侧母线上，用于测量配电变压器出线侧母线电流并将电流信号提供给主控制器；
防断电电器元件组合，包括三相断路器、辅助触点开关和交流接触器；三相断路器进线端接A、B、C三相线路，出线端接换相器的A、B、C三相进线；辅助触点开关与三相断路器联动动作，辅助触点开关进线端接三相中的一相，如接A相，出线端接交流接触器线圈进线端；交流接触器线圈出线端接中性线，交流接触器触点进线端接三相中的一相，如接A相，交流接触器触点出线端接负载。
工作原理为：当发生相间短路时，短路电流迫使三相断路器跳闸，三相断路器联动辅助触点闭合，辅助触点有电流流通，交流接触器内的线圈通电，产生的磁场使触电闭合，可从某一相继续为用户供电。
优选的，智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置还包括手机APP，手机APP为一套装置的客户管理终端，通过WiFi与主控制器进行数据通讯。
手机APP帮助维护管理人员方便、快捷地调试装置、修改参数、查看运行状态、在线升级程序等，是装置的智慧中枢，有以下几个显示界面：
1)实时监测界面：显示三相电压、三相电流、三相电流不平衡度和换相器数量；
2)换相器界面：记录换相器产生的具体投切动作及对应时间；
3)SOE(事件顺序记录)界面，显示全部换相器的地址、所在相序、负载电流和故障代码；
4)参数设置界面：进行IP地址和端口号设置，提供修改CT变比、主控制器的换相命令下发时间间隔、对目标换相器进行遥控换相操作，此外，还提供连接网络、断开网络和网络对时等操作选项。
优选的，所述的换相器包括：第一微控制器及与其连接的电力载波和无线通信模块、四个第一电压互感器、一个负载电流互感器、磁保持继电器及其驱动电路、旋转开关、拨码开关、LED状态指示灯；电力载波和无线通信模块，通过电力载波数据传输和无线数据传输两种方式与主控制器进行通信；
四个第一电压互感器，分别将A、B、C三相相电压和负载电压变换成电压信号模拟量并传送给第一微控制器进行分析、计算；
一个负载电流互感器，采集负载电流并转换成电流模拟量信号，传送给第一微控制器进行分析、计算；
磁保持继电器及其驱动电路，接收第一微控制器的换相命令，完成投、切动作及换相动作；
旋转开关，用于手动调整换相器的投、切及目标相序；
拨码开关，用于手动设置换相器的地址码；旋转开关、及拨码开关这两个器件设于换相器电路板上；
LED状态指示灯，指示换相器的运行状态、故障状态及当前所在的相序；
第一微控制器，通过计算并比较负载电压信号与A、B、C三相相电压信号，识别出负载当前所在的相序；根据负载电流互感器传输来的电流信号计算出负载电流；通过电力载波和无线通信模块接收主控制器发来的查询命令、换相命令，根据要求上报换相器的当前状态信息或根据主控制器下发的换相命令向继电器发出换相动作指令；根据拨码开关的状态位，给出换相器的地址码；手动状态下，根据旋转开关的位置，向磁保持继电器发出换相投切命令。
优选的，所述的主控制器包括：第二微控制器及与其连接的电力载波和无线通信模块、三个第二电压互感器、三个第二电流互感器、WiFi模块、FLASH存储器、按键、液晶显示屏；
三个第二电压互感器，采集线路A、B、C三相相电压，分别将A、B、C三相相电压变换成电压信号模拟量并传送给第二微控制器进行分析、计算；第二电压互感器测得的是变压器低压出线侧三相电压，第一电压互感器测得的是用户侧三相电压，经一定长度的输电线路传输后，数值会相对低一些；
三个第二电流互感器，分别将经配电变压器出线侧母线上的三个第一电流互感器一次变换后的A、B、C三相电流二次变换成电流信号模拟量后，传送给第二微控制器进行分析、计算；第一电流互感器用于测量大电流，第二电流互感器用于测量小电流，主控制器上的第二电流互感器不能直接用于测量大电流，测量大电流由第一电流互感器完成，然后由第二电流互感器对第一电流互感器的电流输出信号进行二次变换；三个第一电流互感器的电流信号输出端子与主控制器上的三个第二电流互感器输入端子电连接；
WiFi模块，负责建立WiFi网络，用于手机APP和主控制器之间进行数据通讯；
FLASH存储器，记录装置运行过程中产生的重要数据及时间信息；
按键，用于装置状态信息查询、参数修改、命令下发；
液晶显示屏，有主控开关状态界面、全部的换相器状态界面、参数设置界面、命令序列界面；主控开关状态界面显示三相相电压、三相相电流、中性线电流和三相电流不平衡度；全部的换相器状态界面显示换相器所在相序、负载电流和错误状态；参数设置界面包括CT变比设置、换相器最大数量设置、中性线电流显示、短时间隔时间设置、长时间隔时间设置、手动操作某个换相器设置、校准设置；命令序列界面显示主控制器给各个换相器下发过的换相命令及对应时间点；
第二微控制器，根据经三个第二电压互感器变换的三相电压信号模拟量，计算出A、B、C三相相电压值；根据经三个第二电流互感器二次变换后的A、B、C三相电流信号模拟量，计算出A、B、C三相线电流，并据此计算出三相电流不平衡度；接收按键的输入命令；将要显示的主控制器和各换相器的状态数据传输给液晶屏进行显示；将需要记录的数据传输给FLASH存储器单元；通过WiFi模块与手机APP进行数据通讯；通过电力载波和无线通信模块与各换相器之间进行数据通信。
优选的，所述磁保持继电器及其驱动电路配有三个带投切状态反馈信号输出端的磁保持继电器；三个磁保持继电器输入端分别与A、B、C三相进出线端连接，3个磁保持继电器输出端用铜排短接在一起后接负载端子，磁保持继电器执行投或切命令后，换相器内的第一微控制器随即通过磁保持继电器的投切状态反馈信号输出端检查磁保持继电器投或切是否执行到位，如果某个磁保持继电器执行切除动作不到位，则第一微控制器不会再向另外一个磁保持继电器下发投命令，从而避免因磁保持继电器投或切执行不到位而引发的相间短路问题。
优选的，所述第一微控制器上报的换相器的当前状态信息包括地址码、所在相序、负载电流、故障状态。
优选的，所述的主控制器、换相器均设有电源模块。电源模块，负责将AC220V交流电源转换合适的直流电源，并给主控制器及换相器上的各个功能电路供电。
本发明能够避免负荷切除瞬间产生的拉弧、避免负荷投入瞬间产生的涌流，避免磁保持继电器投切不可靠引起的相间短路。从技术上保证换相时间控制在10ms以内，保证在换相器因某种意外原因出现短路故障时能够及时将换相器从电路中切除，并在同一刻将用户负载接在某一相上继续供电。此外，通过使用配套开发的手机APP，无需登杆即可现场调试装置，省时省力。装置投运后的电压数据、电流数据、三相电流不平衡度、各个换相器所在相序、负载电流、故障状态等信息都可以在APP上查看。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.采用继电器电流过零切除、电压过零投入技术，确保切除瞬间无拉弧、投入瞬间无涌流，延长继电器的使用寿命、提升继电器运行可靠性；
2.采用带投切状态反馈信号输出端的磁保持继电器，避免因磁保持继电器投切动作执行不到位而引发的相间短路问题；
3.换相迅速，可在10ms内完成换相动作，不会影响用电设备正常工作；
4.当换相器因某种意外原因出现短路故障时，防断电电器元件组合能在第一时间内将换相器从电路中切除同时确保用户供电不中断；
5.用手机APP客户端来管理装置，操作简便、运维工作量小、效率高。
附图说明
图1是本装置的使用状态图；
图2是本装置主控制器功能电路组成框图；
图3是本装置换相器功能电路组成框图；
图4是本装置防断电电器元件组合示意图；
图5是手机APP界面。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，如图1所示，包括：主控制器、换相器、第一电流互感器、防断电电器元件组合，手机APP；
换相器，为一套装置的执行终端，通过防断电电器元件组合与三相支路下户线和用户负载电连接，通过窄带电力载波或无线方式接收主控制器下发的查询命令或换相命令，上报负载当前所在相序及负载电流或执行换相命令进行换相；如图3所示，所述的换相器包括：第一微控制器及与其连接的电力载波和无线通信模块、四个第一电压互感器、一个负载电流互感器、磁保持继电器及其驱动电路、旋转开关、拨码开关、LED状态指示灯、电源模块；
电力载波和无线通信模块，通过电力载波数据传输和无线数据传输两种方式与主控制器进行通信；
四个第一电压互感器，分别将A、B、C三相相电压和负载电压变换成电压信号模拟量并传送给第一微控制器进行分析、计算；
一个负载电流互感器，采集负载电流并转换成电流模拟量信号，传送给第一微控制器进行分析、计算；
磁保持继电器及其驱动电路，接收第一微控制器的换相命令，完成投、切动作及换相动作；所述的磁保持继电器及其驱动电路设有三个带投切状态反馈信号输出端的磁保持继电器，磁保持继电器执行投或切命令后，换相器内的第一微控制器通过磁保持继电器的投切状态反馈信号输出端检查磁保持继电器投或切是否执行到位，如果某个磁保持继电器执行切除动作不到位，则第一微控制器不会再向另外一个磁保持继电器下发投命令；
旋转开关，用于手动调整换相器的投、切及目标相序；
拨码开关，用于手动设置换相器的地址码；
LED状态指示灯，指示换相器的运行状态、故障状态及当前所在的相序；
第一微控制器，通过计算并比较负载电压信号与A、B、C三相相电压信号，识别出负载当前所在的相序；根据负载电流互感器传输来的电流信号计算出负载电流；通过电力载波和无线通信模块接收主控制器发来的查询命令、换相命令，根据要求上报换相器的当前状态信息(地址码、所在相序、负载电流、故障状态)或根据主控制器下发的换相命令向继电器发出换相动作指令；根据拨码开关的状态位，给出换相器的地址码；手动状态下，根据旋转开关的位置，向磁保持继电器发出换相投切命令。
第一电流互感器，设于配电变压器出线侧母线上，用于测量配电变压器出线侧母线电流并将电流信号提供给主控制器；
主控制器，为一套装置的控制终端，与配电变压器出线侧母线电连接；主控制器以窄带电力载波或无线方式与一套装置下的全部换相器进行通信，主控制器采集并计算出配电变压器出线侧母线电流，根据三相线电流大小计算出三相电流不平衡度，通过换相算法生成换相策略，最后给目标换相器下发换相命令；如图2所示，所述的主控制器包括：第二微控制器及与其连接的电力载波和无线通信模块、三个第二电压互感器、三个第二电流互感器、WiFi模块、FLASH存储器、按键、液晶显示屏、电源模块；
三个第二电压互感器，分别将A、B、C三相相电压变换成电压信号模拟量并传送给第二微控制器进行分析、计算；
三个第二电流互感器，分别将经三个第一电流互感器一次变换后的A、B、C三相电流二次变换成电流信号模拟量后，传送给第二微控制器进行分析、计算；
WiFi模块，负责建立WiFi网络，用于手机APP和主控制器之间进行数据通讯；
FLASH存储器，记录装置运行过程中产生的重要数据及时间信息；按键，用于装置状态信息查询、参数修改、命令下发；
液晶显示屏，有主控开关状态界面、全部的换相器状态界面、参数设置界面、命令序列界面；
第二微控制器，根据经三个第二电压互感器变换的三相电压信号模拟量，计算出A、B、C三相相电压值；根据经三个第二电流互感器二次变换后的A、B、C三相电流信号模拟量，计算出A、B、C三相线电流，并据此计算出三相电流不平衡度；接收按键的输入命令；将要显示的主控制器和各换相器的状态数据传输给液晶屏进行显示；将需要记录的数据传输给FLASH存储器单元；通过WiFi模块与手机APP进行数据通讯；通过电力载波和无线通信模块与各换相器之间进行数据通信。
如图4所示，防断电电器元件组合，包括三相断路器、辅助触点开关和交流接触器；三相断路器进线端接A、B、C三相线路，出线端接换相器的A、B、C三相进线；辅助触点开关与三相断路器联动动作，辅助触点开关进线端接A相，出线端接交流接触器线圈进线端；交流接触器线圈出线端接中性线，交流接触器触点进线端接A相，交流接触器触点出线端接负载。
如图5所示，手机APP为一套装置的客户管理终端，通过WiFi与主控制器进行数据通讯。
装置对三相电流不平衡的治理过程为：
①主控制器上电，与智能手机建立Wi-Fi连接，根据APP客户端的设置参数，完成初始化配置；
②换相器上电，完成初始化配置后，扫描旋转开关的状态，将负载切换到旋转开关所指示的相序(初始相序)；
③主控制器，采集配电变压器出线侧三相母线电流数据，分析不平衡度是否超过阈值，若超过，则进行步骤④；若没超过，则间隔一定时间后重复步骤③，再次分析不平衡度是否超过阈值；
④主控制器通过电力线载波或无线方式，依次给各个换相器发送查询命令，要求各个换相器将所在相序代码和负载电流数据上报给主控制器；
⑤主控制器收到各个换相器发来的相序代码和负载电流数据后，根据三相电流不平衡度和各个换相器的负载分布情况，根据预设算法生成控制策略，并给需要进行换相的目标换相器发送换相命令；
⑥换相器收到主控制器发来的换相命令后，进行相应的换相操作，完成换相；
⑦一定时间后，进入步骤③。
实际实施时，准备一套本发明所论述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，包括：1个主控制器、若干个换相器、三个第一电流互感器、若干个防断电电器元件组合、手机APP，此外，必要的连接线缆和工具也要备齐。
按图1所示，在一个供电台区安装一套本装置，其中换相器的数量可按台区配电变压器的容量、三相负荷分布情况综合确定。安装完成后，按如下步骤进行操作：
第一步，利用换相器上的旋转开关将各个换相器的初始相位打到未装换相器之前负荷所在的相位。
第二步，用智能手机在现场搜索装置发出的Wi-Fi无线信号并进行无线连接。
第三步，建立Wi-Fi连接后，打开APP，在参数设置界面设置CT变比、换相控制短时间间隔和长时间间隔，进行时间对时。
第四步，切换到实时监测界面，观察装置对台区三相电流不平衡的治理效果。
Claims (7)
1.一种智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于，包括：主控制器、换相器、第一电流互感器、防断电电器元件组合；主控制器，为一套装置的控制终端，与配电变压器出线侧母线电连接；主控制器以窄带电力载波或无线方式与一套装置下的全部换相器进行通信，主控制器采集并计算出配电变压器出线侧母线电流，根据三相线电流大小计算出三相电流不平衡度，通过换相算法生成换相策略，最后给目标换相器下发换相命令；
换相器，为一套装置的执行终端，通过防断电电器元件组合与三相支路下户线和用户负载电连接，通过窄带电力载波或无线方式接收主控制器下发的查询命令或换相命令，上报负载当前所在相序及负载电流或执行换相命令进行换相；
第一电流互感器，设于配电变压器出线侧母线上，用于测量配电变压器出线侧母线电流并将电流信号提供给主控制器；
防断电电器元件组合，包括三相断路器、辅助触点开关和交流接触器；三相断路器进线端接A、B、C三相线路，出线端接换相器的A、B、C三相进线；辅助触点开关与三相断路器联动动作，辅助触点开关进线端接三相中的一相，出线端接交流接触器线圈进线端；交流接触器线圈出线端接中性线，交流接触器触点进线端接三相中的一相，交流接触器触点出线端接负载。
2.根据权利要求1所述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于还包括手机APP，手机APP为一套装置的客户管理终端，通过WiFi与主控制器进行数据通讯。
3.根据权利要求1所述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于，所述的换相器包括：第一微控制器及与其连接的电力载波和无线通信模块、四个第一电压互感器、一个负载电流互感器、磁保持继电器及其驱动电路、旋转开关、拨码开关、LED状态指示灯；
电力载波和无线通信模块，通过电力载波数据传输和无线数据传输两种方式与主控制器进行通信；
四个第一电压互感器，分别将A、B、C三相相电压和负载电压变换成电压信号模拟量并传送给第一微控制器进行分析、计算；
一个负载电流互感器，采集负载电流并转换成电流模拟量信号，传送给第一微控制器进行分析、计算；
磁保持继电器及其驱动电路，接收第一微控制器的换相命令，完成投、切动作及换相动作；
旋转开关，用于手动调整换相器的投、切及目标相序；
拨码开关，用于手动设置换相器的地址码；
LED状态指示灯，指示换相器的运行状态、故障状态及当前所在的相序；
第一微控制器，通过计算并比较负载电压信号与A、B、C三相相电压信号，识别出负载当前所在的相序；根据负载电流互感器传输来的电流信号计算出负载电流；通过电力载波和无线通信模块接收主控制器发来的查询命令、换相命令，根据要求上报换相器的当前状态信息或根据主控制器下发的换相命令向继电器发出换相动作指令；根据拨码开关的状态位，给出换相器的地址码；手动状态下，根据旋转开关的位置，向磁保持继电器发出换相投切命令。
4.根据权利要求3所述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于，所述的主控制器包括：第二微控制器及与其连接的电力载波和无线通信模块、三个第二电压互感器、三个第二电流互感器、WiFi模块、FLASH存储器、按键、液晶显示屏；
三个第二电压互感器，分别将A、B、C三相相电压变换成电压信号模拟量并传送给第二微控制器进行分析、计算；
三个第二电流互感器，分别将经三个第一电流互感器一次变换后的A、B、C三相电流二次变换成电流信号模拟量后，传送给第二微控制器进行分析、计算；
WiFi模块，负责建立WiFi网络，用于手机APP和主控制器之间进行数据通讯；
FLASH存储器，记录装置运行过程中产生的重要数据及时间信息；按键，用于装置状态信息查询、参数修改、命令下发；
液晶显示屏，有主控开关状态界面、全部的换相器状态界面、参数设置界面、命令序列界面；
第二微控制器，根据经三个第二电压互感器变换的三相电压信号模拟量，计算出A、B、C三相相电压值；根据经三个第二电流互感器二次变换后的A、B、C三相电流信号模拟量，计算出A、B、C三相线电流，并据此计算出三相电流不平衡度；接收按键的输入命令；将要显示的主控制器和各换相器的状态数据传输给液晶屏进行显示；将需要记录的数据传输给FLASH存储器单元；通过WiFi模块与手机APP进行数据通讯；通过电力载波和无线通信模块与各换相器之间进行数据通信。
5.根据权利要求3所述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于，所述的磁保持继电器及其驱动电路设有三个带投切状态反馈信号输出端的磁保持继电器，磁保持继电器执行投或切命令后，换相器内的第一微控制器通过磁保持继电器的投切状态反馈信号输出端检查磁保持继电器投或切是否执行到位，如果某个磁保持继电器执行切除动作不到位，则第一微控制器不会再向另外一个磁保持继电器下发投命令。
6.根据权利要求3所述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于，所述第一微控制器上报的换相器的当前状态信息包括地址码、所在相序、负载电流、故障状态。
7.根据权利要求1所述的智能型、换相式三相电流不平衡自动调节装置，其特征在于，所述的主控制器、换相器均设有电源模块。
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