CN109950075B - 一种基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法以磁保持继电器作为换相开关，结合交流过零检测信号以及换相开关状态反馈信号并使用时序逻辑控制算法来完成负载相序的切换。本发明通过改进磁保持继电器的控制方法，大大缩短换相过程中的掉电时间，最长掉电时间约15ms，不会影响家庭用户负载的正常用电，而且满足了交流过零投切原则，误差小，不会产生电弧，并利用换相开关状态反馈信号设置合适的校验时刻，对是否成功切除和是否成功切入进行判断处理，可以避免相间短路，保证了低压配电网的正常运行。

Description

一种基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网自动化与控制领域，尤其涉及一种基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法。

背景技术

我国低压配电网主要采用三相四线制，理想情况下三相负荷为平衡配置，实际上由于大功率单相负载的接入、用户用电习惯差异等原因，往往容易造成配电网末端电压低于限值，加重了三相不平衡问题,极大增加了电能损耗。智能选相开关是国网运检部《关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知(运检三【2017】68号)》中首要推荐的治理三相不平衡的方法，从引起三相不平衡的根本原因--三相负荷不平衡出发，重新均匀分配每一相的负荷，使低压配电网三相趋于平衡。它由主机和终端换相开关两部分组成，主机负责逻辑调平和组网通信，终端换相开关负责执行主机的换相指令。但是终端换相开关执行负荷换相的过程中，极易影响负载的正常用电，本文研究低压配电网快速换相的新方法就是为解决该问题。

此前的以继电器为主构成的换相开关，驱动电路简单，承载过流和过压能力强，抗干扰能力强，但采用传统的控制方法，换相时间长，超过20ms以上，影响用电设备的连续供电，而且继电器在接到投切命令后马上执行分断任务，而此时很有可能正值继电器通过的电压最大或电流最大值的时候，就很有可能出现拉弧现象，没有满足交流过零投切的原则(指在交流电压、电流刚好在零点的位置时投入电路、切除出电路的原则)，这将影响继电器的正常工作和寿命，更严重的后果可能会由于继电器触头的烧灼而使继电器不能断开，从而导致相间短路。因此解决基于磁保持继电器的换相方法换相时间过长和换相不安全的问题刻不容缓。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种可以缩短换相时间，同时满足交流过零投切需求的基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)步骤1：检测到负载电流过零点时，记该时刻为0ms时刻，同时开启检测要切入相序的电压过零点，到达预设时刻T1时，发送切除当前连接的相序的指令给磁保持继电器，预估在10ms时刻完成切除，其中，10ms时刻为电流半个周期的时间点，也是过零点，

T1＝10-t1；

式中，t1为磁保持继电器的动作断开时间；

(2)步骤2：从0ms时刻直至检测到电压过零点的时间段记为t0，如果t0小于5ms，记T2时刻作为需要的电压过零点，到达预设时刻T5时，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，预估在T6时刻完成切入，其中，

T2＝t0+10

T5＝T2+10-t2

T6＝T2+10

式中，10为电压半个周期的时间，t2为磁保持继电器的动作闭合时间；

(3)步骤3：如果t0大于或等于5ms，同时小于t3，记T3时刻作为需要的电压过零点，到达预设时刻T7时，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，预估在T8时刻完成切入，其中，t3为有干扰电压过零检测的最低时刻；

t3＝10-t5-t6

T3＝t0

T7＝T3+10-t2

T8＝T3+10

式中，t5为预设继电器动作的最大误差时间，t6为预设切除相序瞬间产生杂波的最大误差时间；

(4)步骤4：如果t0大于或等于t3，同时小于t4,记T4时刻作为需要的电压过零点，到达预设时刻T9时，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，预估在T10时刻完成切入，其中，t4为有干扰电压过零检测的最高时刻；

t4＝10+t5+t6

T4＝(t3+t4)/2

T9＝T4+10-t2

T10＝T4+10

(5)步骤5：到达第一校验时刻T11时，通过换相开关状态反馈信号对步骤1中的相序进行是否成功切除的校验，若校验通过，则切除成功，否则，停止切入新相序的指令，执行步骤1，其中，所述换相开关状态反馈信号若为低电平，则表示第一次校验未通过，切除失败；所述反馈信号若为高电平，则表示第一次校验通过，切除成功；

T11＝10+t5+t6+t7

式中，t7为预设的换相开关状态反馈信号的高电平抗干扰时间；

(7)步骤6：到达第二校验时刻T12时，通过换相开关状态反馈信号对新相序进行是否成功切入的校验，若校验通过，新相序成功切入，换相成功，否则，新相序切入失败，换相失败；其中，所述换相开关状态反馈信号若为低电平，则表示新相序成功切入；所述反馈信号若为高电平，则表示新相序切入失败，若执行了步骤2，则T12＝T2+t8；若执行了步骤3，则

T12＝T3+t8；

若执行了步骤3，则

T12＝T4+t8；

式中，t8为预设校验延长时间，

上述步骤1至步骤5中，采用磁保持继电器作为换相开关，选用的磁保持继电器必须满足在初始电平为低电平的情况下，输入高电平脉冲进行切除的动作断开时间以及切入的动作闭合时间都不超过10ms。

本发明上述方法以磁保持继电器作为换相开关，结合交流过零检测信号以及换相开关状态反馈信号并使用时序逻辑控制算法来完成负载相序的切换。时序逻辑控制算法中的关键是执行各个指令时间的选择，本方法分析磁保持继电器的最短动作时间和换相开关状态反馈信号的特点，以及考虑到切除相序瞬间产生杂波的影响，得到了最优的执行各个指令的时间点，实现了电流过零点连接的相序切除以及电压过零点新的相序切入，同时换相掉电时间大大缩短，从上述可知，步骤2中掉电时间为t0+10，同时t0<5，所以步骤2中的最长掉电时间约为15ms；步骤3中掉电时间为t0，同时t0<t3，所以步骤3中的最长掉电时间为t3＝10-0.4-0.3＝9.3ms；步骤4中掉电时间为(t3+t4)/2＝(9.7+10.7)/2，所以步骤4中的最长掉电时间为10ms；因此本方法进行换相的最长时间约为15ms，不会影响家庭用户负载的正常用电。同时本方法中的时序逻辑控制算法巧妙的安排发送切除和切入相序的时间点，以保证磁保持继电器完成切除和切入相序的时刻刚好在电流和电压的过零点，误差小，防止了电弧的产生。考虑到切除相序瞬间产生杂波对电压过零检测信号的影响，本方法对t3到t4这个极窄的时间段取平均值作为需要的电压过零点，可以避免杂波的影响，而且误差较小。最后，上述换相过程中还进行了是否成功切除和是否成功切入的校验，通过换相开关状态反馈信号来设置合适的校验时刻，短时间内进行了两次校验，提高了换相过程的安全性。

进一步作为优选，所述预设继电器动作最大误差时间t5为0.4ms，所述预设切除相序瞬间产生杂波的最大误差时间t6为0.3ms，所述预设的换相开关状态反馈信号的高电平抗干扰时间t7为2ms，所述预设校验延长时间t8为15ms。

进一步作为优选，步骤5中第一次校验不通过后，执行步骤1之前还包括如下步骤：判读步骤1中的相序切除失败的累计次数是否超过3次，若没超过，停止切入新相序的指令，再执行步骤1；否则，停止换相。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)本发明以磁保持继电器作为换相开关，磁保持继电器是一种自动开关，其耐过压和耐过流能力强，适合低压配电网的运行环境。

(2)本发明通过改进磁保持继电器的控制方法，大大缩短换相过程中的掉电时间，最长掉电时间约15ms，不会影响家庭用户负载的正常用电，而且满足了交流过零投切原则，误差小，不会产生电弧。

(3)本发明利用换相开关状态反馈信号设置合适的校验时刻，对是否成功切除和是否成功切入进行判断处理，可以避免相间短路，保证了低压配电网的正常运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种低压配电网换相设备的系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的换相时序逻辑控制算法的时间点分布图；

图3是本发明实施例提供的换相过程的波形图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

参见图1-图3，本实施例如图1所示，本发明实施例提供的一种低压配电网换相设备的系统结构示意图，本发明的方法运行在该设备上，该设备包括控制单元(MCU)、继电器驱动单元、信号锁存单元、电流和电压过零检测单元、人机交互单元、通信单元以及三个磁保持继电器。

其中，A、B、C所示电线为三相电路输出端，A、B、C三相电路上的PT1、PT2以及PT3的位置上各配有一个电压过零检测单元，即三个电压过零检测单元的输入端分别与三相电路输出端连接，输出端均与控制模块连接。三个磁保持继电器分别串接于A、B、C三相电路输出端与用户负载接入端L之间。用户负载接入端CT的位置上串接一个电流过零检测单元以及换相开关状态反馈单元，且即电流过零检测单元以及换相开关状态反馈单元的输入端均与用户负载接入端连接，输出端均与控制模块连接。本实施例中每个磁保持继电器串接一个驱动单元。

其中，电压过零检测单元和电流过零检测单元先滤除电网的谐波，然后转换输出50Hz占空比为50％的方波信号，方波信号的上升沿和下降沿为电压或电流的过零点。换相开关状态反馈单元先滤除电网的谐波，然后转换输出50Hz高电平占空比低于20％的方波信号，当磁保持继电器为换相开关且断开时，电流过零检测单元只输出低电平，换相开关状态反馈单元只输出高电平，这些信号供MCU检测和判断使用。本发明采用的磁保持继电器驱动电压为12V，并且继电器动作断开或动作闭合时间都不超过10ms。低压配电网正常运行时，电压过零检测单元和电流过零检测单元检测到过零点时会立即通知MCU，换相开关状态反馈单元会在预设的时刻检查换相开关是否成功切除或切入。

如图2所示，本发明将以所述预设继电器动作最大误差时间t5为0.4ms，预设切除相序瞬间产生杂波的最大误差时间t6为0.3ms，预设的换相开关状态反馈信号的高电平抗干扰时间t7为2ms，预设校验延长时间t8为15ms为例对本发明中的一种低压配电网换相方法进行说明。如图2所示，一种低压配电网换相方法，包括如下步骤：

步骤一：获取负载电流过零点时刻，并依据电流过零点时刻来切除当前连接的相序。

其中，检测到负载电流过零点时，记该时刻为0ms时刻，同时开启检测要切入相序的电压过零点和定时器，当定时器走到(10-t1)ms时刻时，MCU发送切除当前连接的相序的指令给磁保持继电器。

需要说明的是，t1是磁保持继电器的动作断开时间。其中，发送相序切除指令的时刻T1为(10-t1)ms时刻，相序切除预估时刻为10ms时刻，也就是电流半个周期的时间点，刚好是过零点时刻，误差小于±0.7ms。

此外，预先测量获取磁保持继电器的动作断开时间t1(t1<10ms),继电器的动作闭合时间t2(t2<10ms)，触发继电器断开的最短脉冲宽度t11(t11<t1)。

步骤二：从0ms时刻直至检测到电压过零点的时间段记为t0,如果t0<5，换相时序逻辑控制算法的时间点分布如图2中(a)所示，记T2时刻作为需要的电压过零点，当定时器走到T5时刻，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，相序切入预估时刻为T6时刻。

本实例中：T2＝t0+10

T5＝T2+10-t2＝t0+20-t2

T6＝T2+10＝t0+20

需要说明的是，这里的T2时刻是检测到的电压过零点之后紧挨着的下一个过零点，T6时刻为T2之后紧挨着的下一个过零点，因此相序切入时刻刚好在电压过零点，误差小于±0.7ms。换相过程的掉电时间为T6-10＝t0+20-10＝t0+10，因为t0<5，所以掉电时间最长约为5+10＝15ms。

步骤3：如果5≤t0<t3，换相时序逻辑控制算法的时间点分布如图2中(b)所示，记T3时刻作为需要的电压过零点，当定时器走到T7时刻，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，相序切入预估时刻为T8。

其中，t3为有干扰电压过零检测的最低时刻，所述预设继电器动作最大误差时间t5为0.4ms，预设切除相序瞬间产生杂波的最大误差时间t6为0.3ms，本实施例中：

t3＝10-t5-t6＝10-0.4-0.3＝9.3ms

T3＝t0

T7＝T3+10-t2＝t0+10-t2

T8＝T3+10＝t0+10

需要说明的是，这里的T3时刻就是是检测到的电压过零点，T6时刻为T3之后紧挨着的下一个过零点，因此相序切入时刻刚好在电压过零点，误差小于±0.7ms。换相过程的掉电时间为T8-10＝t0+10-10＝t0，因为t0<t3，所以掉电时间最长约为9.3ms。

步骤4：如果t3≤t0<t4，换相时序逻辑控制算法的时间点分布如图2中(c)所示，记T4时刻作为需要的电压过零点，当定时器走到T9时刻，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，相序切入预估时刻为T10。

其中，t4为有干扰电压过零检测的最高时刻，本实施例中：

t4＝10+t5+t6＝10+0.4+0.3＝10.7ms

T4＝(t3+t4)/2＝(9.3+10.7)/2＝10ms

T9＝T4+10-t2＝10+10-t2＝20-t2

T10＝T4+10＝10+10＝20

需要说明的是，这里的T4时刻是分析出的电压过零点，t3到t4这段时间切除相序瞬间产生的杂波会影响电压过零检测，因此这里取中间时刻值作为电压过零点，相序切除的误差小于±0.7ms，T10时刻相序切入偏差也小于±0.7ms，对于过零投切原则没有任何影响，也不会产生电弧。换相过程的掉电时间约为T10-10＝20-10＝10ms。

步骤5：当定时器走到第一校验时刻T11时，通过换相开关状态反馈信号对步骤1中的相序进行是否成功切除的校验，若校验通过，则切除成功，否则，停止切入新相序的指令，执行步骤1。

其中，所述换相开关状态反馈信号若为低电平，则表示第一次校验未通过，切除失败；所述反馈信号若为高电平，则表示第一次校验通过，切除成功；所述预设换相开关状态反馈信号的高电平抗干扰时间t7为2ms，本实施例中：

T11＝10+t5+t6+t7＝10+0.4+0.3+2＝12.7ms

需要说明的是，即时在T11时刻之前发送了切入新相序的命令，到这一时刻为止的时间段都不足以触发磁保持继电器完成切入的动作，因为这段时间的最大值小于触发继电器断开的最短脉冲宽度t11，如果旧相序切除失败，仍然可以在此刻停止切入新相序,避免相间短路。若第一次校验未通过，判断失败次数累计是否超过3次，若超过3次，停止切入新相序的指令，换相失败，若没超过3次，则执行步骤1。

步骤6：当定时器走到第二校验时刻T12时，通过换相开关状态反馈信号对新相序进行是否成功切入的校验，若校验通过，新相序成功切入，换相成功，否则，新相序切入失败，换相失败；

其中，在T12时刻进行校验也是基于此刻正处于电压峰值的时间点，当有交流电时，换相开关状态反馈信号为低电平，表示新相序成功切入；没有交流电时，反馈信号为高电平，则表示新相序切入失败；所述预设校验延长时间t8为15ms，本实施例中：若执行了步骤2，则T12＝T2+t8＝t0+10+15＝t0+25；若执行了步骤3，则T12＝T3+t8＝t0+15；若执行了步骤3，则T12＝T4+t8＝(t3+t4)/2+15＝(9.3+10.7)/2+15＝25；最后把换相后三个相序的连接状态信息保存在EEPROM中，到此整个换相过程成功结束。

如图3所示，本发明实施例随机选取的一次换相过程波形，波形图(a)是当前相切换到滞后相波形图，波形图(b)是当前相切换到超前相波形图，3号线是负载电流波形。1号线是负载电压波形，由两个相序的电压波形组成，切除之前的电压正弦波是原来相序的电压波形，切除之后波形是新相序的电压波形。4号线是要切入新相序的电压过零检测方波，可以看出在要切入新相序电压正弦波的过零点刚好是负载电压过零检测方波的上升沿或下降沿。2号线是执行切入新相序时发送的脉冲控制信号，该脉冲信号用来驱动继电器进行动作闭合。从图3的波形图(a)和(b)可以看出，在负载电流正弦波的过零点刚好切除原来的相序变成一条零电平的直线，接着在要切入新相序的电压正弦波的过零点刚好切入新相序，又由一条零电平的直线变成电压正弦波，并且切除和切入相序时刻的过零点偏差较小，证实了本发明完全满足了交流过零投切的原则。最后计数波形图上的小格子可以得出换相过程的掉电时间，当前相切换到滞后相大概是7ms左右,当前相切换到超前相大概是13.5ms左右，换相过程的掉电时间都小于15ms，证实了本发明换相时间短的优势，相关数据分析表明换相时间只要低于25ms就不会影响一般家庭用户的任何用电设备的正常运行，本发明不仅满足了该条件还把换相时间大大缩短。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于磁保持继电器的低压配电网快速换相方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)步骤1：检测到负载电流过零点时，记该时刻为0ms时刻，同时开启检测要切入相序的电压过零点，到达预设时刻T1时，发送切除当前连接的相序的指令给磁保持继电器，预估在10ms时刻完成切除，其中，10ms时刻为电流半个周期的时间点，也是过零点， T1＝10-t1；式中，t1为磁保持继电器的动作断开时间；

(2)步骤2：从0ms时刻直至检测到电压过零点的时间段记为t0，如果t0小于5ms，记T2时刻作为需要的电压过零点，到达预设时刻T5时，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，预估在T6时刻完成切入，其中， T2＝t0+10 T5＝T2+10-t2 T6＝T2+10 式中，10ms为电压半个周期的时间，t2为磁保持继电器的动作闭合时间；

(3)步骤3：如果t0大于或等于5ms，同时小于t3，记T3时刻作为需要的电压过零点，到达预设时刻T7时，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，预估在T8时刻完成切入，其中，t3为有干扰电压过零检测的最低时刻； t3＝10-t5-t6 T3＝t0 T7＝T3+10-t2 T8＝T3+10 式中，t5为预设继电器动作的最大误差时间，t6为预设切除相序瞬间产生杂波的最大误差时间；

(4)步骤4：如果t0大于或等于t3，同时小于t4,记T4时刻作为需要的电压过零点，到达预设时刻T9时，发送切入要切入相序的指令给磁保持继电器，预估在T10时刻完成切入，其中，t4为有干扰电压过零检测的最高时刻； t4＝10+t5+t6 T4＝(t3+t4)/2 T9＝T4+10-t2T10＝T4+10；

(5)步骤5：到达第一校验时刻T11时，通过换相开关状态反馈信号对步骤1中的相序进行是否成功切除的校验，若校验通过，则切除成功，否则，停止切入新相序的指令，执行步骤1，其中，所述换相开关状态反馈信号若为低电平，则表示第一次校验未通过，切除失败；所述反馈信号若为高电平，则表示第一次校验通过，切除成功；T11＝10+t5+t6+t7式中，t7为预设的换相开关状态反馈信号的高电平抗干扰时间；

(6)步骤6：到达第二校验时刻T12时，通过换相开关状态反馈信号对新相序进行是否成功切入的校验，若校验通过，新相序成功切入，换相成功，否则，新相序切入失败，换相失败；其中，所述换相开关状态反馈信号若为低电平，则表示新相序成功切入；所述反馈信号若为高电平，则表示新相序切入失败，若执行了步骤2，则T12＝T2+t8；若执行了步骤3，则 T12＝T3+t8； 若执行了步骤3，则 T12＝T4+t8； 式中，t8为预设校验延长时间， 上述步骤1至步骤5中，采用磁保持继电器作为换相开关，选用的磁保持继电器必须满足在初始电平为低电平的情况下，输入高电平脉冲进行切除的动作断开时间以及切入的动作闭合时间都不超过10ms。

2.根据权利要求1所述的低压配电网快速换相方法，其特征在于：所述预设继电器动作最大误差时间t5为0.4ms，所述预设切除相序瞬间产生杂波的最大误差时间t6为0.3ms，所述预设的换相开关状态反馈信号的高电平抗干扰时间t7为2ms，所述预设校验延长时间t8为15ms。

3.根据权利要求1所述的低压配电网快速换相方法，其特征在于：步骤5中第一次校验不通过后，执行步骤1之前还包括如下步骤：判读步骤1中的相序切除失败的累计次数是否超过3次，若没超过，停止切入新相序的指令，再执行步骤1；否则，停止换相。

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