CN111682562A - 一种三相不平衡自动调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三相不平衡自动调节系统，包括塑壳断路器，其特点为塑壳断路器与三相智能控制同步开关连接，三相智能控制同步开关与GPRS无线通信模块连接，三相智能控制同步开关分别与相间补偿电容器和并联电感组合模块连接；三相智能控制同步开关包括主控MCU、三相电压电流采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路和继电器开关组合模块，三相电压电流采集模块，数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路分别与主控MCU连接，继电器开关组合模块连接同步开关控制电路。实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，降低变压器和线路损耗。

Description

一种三相不平衡自动调节系统
技术领域
本发明涉及一种配网三相不平衡调节技术领域，尤其涉及一种三相不平衡自动调节系统。
背景技术
我国城乡电网中，大量采用三相四线制配电方式，由于电网线路长、线损大、负荷分布广、分支线多，用电负荷随昼夜、季节变化较大的特点，同时因存在大量的单相负载及用电不同时性等原因，配电变压器的三相不平衡运行是不可避免的。配电变压器的不平衡运行，使中线电流增大，增加变压器的铜损、铁损，降低变压器的运行效率，影响变压器的安全运行，造成三相电压不平衡，降低电能质量。目前，解决低压电网三相不平衡的基本手段是通过人工手段把A、B、C三相中接带较大负荷相的部分用户调整到另一相上，以达到平衡目的，但这种方法存在着停电次数多、切换负荷比较盲目等，影响供电可靠性，难以满足实际调整需求。而近年来，电力企业进一步加强了对台区三相不平衡的考核指标，因此开发设计一种三相不平衡自动调节系统用于改善农网三相不平衡及电能质量具有较强的推广意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种三相不平衡调节自动系统，自动监测采集台区实时的电压、电流、无功功率、功率因数等电能参数，控制相间补偿电容器和并联电感组合模块的投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。
本发明的目的是这样实现的，一种三相不平衡自动调节系统，包括塑壳断路器、三相智能控制同步开关、GPRS无线通信模块、相间补偿电容器和并联电感组合模块，其特征在于：塑壳断路器与三相智能控制同步开关采用铜导线连接，三相智能控制同步开关与GPRS无线通信模块采用普通导线连接，三相智能控制同步开关采用铜导线分别与相间补偿电容器和并联电感组合模块连接；所述的三相智能控制同步开关包括主控MCU、三相电压电流采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路和继电器开关组合模块，所述的三相电压电流采集模块，数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路分别与主控MCU连接，继电器开关组合模块连接同步开关控制电路，无线通信模块包括GPRS无线通讯和WIFI无线通讯。
三相智能控制同步开关自动监测采集台区实时的电压、电流、无功功率、功率因数电能参数，合理分析计算当前线路的无功需量及三相不平衡状态，当线路无功需量大时，通过三相智能控制同步开关发出相应控制指令，自动控制内部继电器开关组合模块的继电器开关动作，合理控制相间补偿电容器的投入，实现A相对B相或B相对C相或C相对A相的有功电流转移，同时进行了无功补偿，调节了三相电流的模值和相角，实现了三相平衡自动调节，提高线路功率因数，改善线路电压，降低线路损耗；投入相间补偿电容器时，存在产生过多的容性无功电流，存在容性无功倒送电网的可能，此时三相智能控制同步开关将继续采集线路电压、电流、无功功率、功率因数电能参数，若线路存在过多的容性无功时，三相智能控制同步开关将发出相应的控制指令，自动控制内部继电器开关组合模块的继电器开关动作，合理控制并联电感组合模块的投入，使得既转移了有功功率，同时也避免了容性无功倒送，既实现三相平衡的目的，也可降低线路损耗；并联电感组合模块是通过智能控制单元和滑动可调电感器组合，智能控制单元既能够接收三相智能控制同步开关2发出的所需接入的电感量大小，也可以通过智能控制单元自行采集相间补偿电容器4投入时的电压、电流、无功功率、有功功率信息，分析当前线路所需的电感量，自行控制滑动可调电感器的投入，实现对容性无功电流的补偿，降低线损。
所述的并联电感组合模块是由四路固定电感器、可调滑动电感器及同步开关并联组合，每路是由固定电感器、滑动可调电感器和同步开关串联而成的，其中所述的固定电感器是用于提供单路最大感性无功电流；所述的可调滑动电感器是通过控制抽头的接入，使得改变单路的电感值；当调节的可调滑动电感器接入最小时，单路可产生最大的感性无功电流，当调节的可调滑动电感器接入最大时，单路可产生最小的感性无功电流；所述的同步开关是用于控制固定电感器及可调滑动电感器的投入与切除；所述的继电器开关组合模块是由开关电路、继电器、备用继电器和相间补偿电容器组合而成，所述的继电器是用于控制相间补偿电容器或并联电感组合模块的投入与切除，所述的备用继电器是串联于继电器与控制相间补偿电容器或并联电感组合模块之间，且正常运行时，处于常闭导通状态；三相智能控制同步开关通过采集线路电能信息，发出控制指令时，只需控制继电器动作，即可实现控制相间补偿电容器或并联电感组合模块的投入与切除；通过同步开关中的温度采集模块实时采集相间补偿电容器和并联电感组合模块的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时，继电器开关组合模块中的备用继电器将强行断开，防止相间补偿电容器或并联电感组合模块温度过高，造成爆裂或烧毁故障；也能在切除相间补偿电容器或并联电感组合模块时，实时监测各个继电器开关通道的电流值，在判定继电器吸合的故障状态下，继电器开关组合模块中的备用继电器强行断开，避免相间补偿电容器或并联电感组合模块长期处于投入状态而降低使用寿命。
相间补偿电容器投入时，即产生容性无功电流，此时通过计算，合理控制可调滑动电感器产生相应的感值，并实时控制同步开关的闭合与开启，组合四路固定电感器，产生相应的感性无功电流进行补偿；具体地说：所述的并联电感组合模块是由固定电感器、可调滑动电感器及同步开关并联组合而成；连接A相的固定电感器分别为：A相第一固定电感器、A相第二固定电感器、A相第三固定电感器、A相第四固定电感器；连接A相的可调滑动电感器：分别是A相第一可调滑动电感器、A相第二可调滑动电感器、A相第三可调滑动电感器、A相第四可调滑动电感器，且固定电感器和可调滑动电感器之间连接采取串联；控制A相并联电感组合模块投入与切除的同步开关：分别是A相第一同步开关、A相第二同步开关、A相第三同步开关、A相第四同步开关；连接B相的固定电感器：分别是B相第一固定电感器、B相第二固定电感器、B相第三固定电感器、B相第四固定电感器；连接B相的可调滑动电感器：分别是B相第一可调滑动电感器、B相第二可调滑动电感器、B相第三可调滑动电感器、B相第四可调滑动电感器，且固定电感器和可调滑动电感器之间连接采取串联；控制B相并联电感组合模块投入与切除的同步开关：分别是B相第一同步开关、B相第二同步开关、B相第三同步开关、B相第四同步开关；连接C相的固定电感器：分别是C相第一固定电感器、C相第二固定电感器、C相第三固定电感器、C相第四固定电感器；连接C相的可调滑动电感器：分别是C相第一可调滑动电感器、C相第二可调滑动电感器、C相第三可调滑动电感器、C相第四可调滑动电感器，且固定电感器和可调滑动电感器之间连接采取串联；控制C相并联电感组合模块投入与切除的同步开关：分别是C相第一同步开关、C相第二同步开关、C相第三同步开关、C相第四同步开关；三相智能控制同步开关实时采集台区线路中的电压、电流、无功功率、有功功率和功率因数，合理分析台区线路当前的无功需量，控制相间补偿电容器的投入与切除，对A相及B相的有功负荷进行了转移，同时进行了无功补偿，调节了三相电流的模值和相角,成功实现了三相平衡自动调节；相间补偿电容器对有功电流的转移是1/2的相间补偿电容投入时产生超前线电压的电流，同时也伴随着补偿了无功电流为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的相间补偿电容投入时产生超前线电压的电流；此时为了不对线路产生过多的容性无功倒送，控制并联电感组合模块进行投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。
A、B、C相与零线间的相电压分别为UA、UB、UC； A、B两相之间的线电压分别为Uab和Uba；跨接A、B相之间的电容Cab；电容Cab投入时产生超前线电压Uab90°的电流Iab，可分解容性电流Iaq和反向有功电流Iap；电容Cab投入时产生超前线电压Uba90°的电流Iba，可分解容性电流Ibq和正向有功电流Ibp，在相线与相线之间跨接电容元件可以达到相间有功电流转移和每相无功电流的补偿；从A相看，电容Cab的电流Iab超前线电压Uab90°，电容Cab的Iab可以分解成两部分，一部分为超前Ua90°的容性电流Iaq，一部分为与Ua方向相反的有功电流Iap，意味着A相的有功电流减少；从B相看，电容Cab的电流Iba超前线电压Uba 90°，电容Cab的Iba可以分解成两部分，一部分为超前Ub 90°的容性电流Ibq，一部分为与Ub方向相同的有功电流Ibp，意味着B相的有功电流增加；因此，在A相与B相之间跨接电容，不但在A相与B相出现容性无功电流，而且能将一部分有功电流从A相转移到B相；因此在相间跨接电容器，具有调节变压器三相出线有功功率平衡的功能，但也能产生相应的无功电流，使得无功电流倒供电网，造成电网载流量增大，线损耗也提高；通过控制相间补偿电容器和并联电感组合模块的投入与切除，实现对容性无功电流的补偿，降低线损。
当相间补偿电容器的额定电压为450V，补偿容量QC为30kvar，则AB相间补偿电容器容量为10kvar，在标准电压380V情况下，相应的电容电流为18.8A，在标准三相电压下当UA和UB之间的相位角为120°时，产生的容性无功电流为Iaq为16.3A；当UA和UB之间的相位角为180°时，产生的容性无功电流为Iaq为18.8A；当UA和UB之间的相位角为0°时，产生的容性无功为Iaq接近0A，即需要补偿的容性无功电流范围为0A-18.8A；结合实际线路导线产生的感性电流约2.2A，因此装置实际需要控制并联电感组合模块产生2.2A-18.8A的感性无功电流进行补偿；结合并联电感组合模块，通过分析与计算，可设计并联电感组合模块中的固定电感器的最大值为150mh/5A，滑动可调电感器最大值为170mh/5A，即可实现单路并联电感组合模块产生的最大感性无功电流为4.7A，产生的最小感性无功电流为2.2A，当控制四路固定电感器全部投入，滑动可调电感器调节至0mh，此时可产生感性无功电流为18.8A，满足补偿10kvar相间补偿电容器投入时产生的最大容性无功电流；在装置实际运行时，可根据需要补偿的容性无功电流大小，调节开关及可调滑动电感器的接入，产生相应的感性无功电流进行补偿，最小可实现产生2.2A的感性无功电流。
本发明的可以采用如下具体方式实现的，本发明所述的一种三相不平衡自动调节系统，包括三相不平衡自动调节装置，其结构特点为：所述的三相不平衡调节自动装置包含SMC不饱和聚酯树脂箱体、塑壳断路器、三相智能控制同步开关、GPRS无线通信模块、风扇、相间补偿电容器和并联电感组合模块。所述的SMC不饱和聚酯树脂箱体是将装置所有运行元器件组合与一体，具有阻燃，无需接地等特点，方便现场安装；所述的塑壳断路器是能够保证设备的正常通断，具有短路保护等功能；所述的三相智能控制同步开关是通过数据采集及分析功能和开关控制功能相结合与一体，数据采集及分析功能实现采集台区线路的电压、电流、无功功率、功率因数等电能参数，通过核心控制器的计算分析，发出控制指令控制内部继电器的投切动作。开关控制功能是控制相间补偿电容器及并联电感组合模块的投入与切除，内部含有继电器和备用继电器构成的开关组合，正常运行状态时，备用继电器处于常闭状态，当监测相间补偿电容器及并联电感组合模块中的温度超限或者通道常时间存在电流时，即刻断开备用继电器，实现保护相间补偿电容器及并联电感组合模块的功能。数据采集及分析功能和开关控制功能相互配合，实现改善三相不平衡，降低损耗；所述的GPRS无线通信模块是用来与后台主站的实时信息交互，实现后台对装置的运行状态的监控；所述的风扇是用于当装置内部温度超过设定值时，自动启动风扇功能，降低装置内部温度，保护装置可靠稳定运行；相间补偿电容器是补偿线路无功需量，提高功率因数，降低线路损耗；所述的并联电感组合模块是用于抑制相间补偿电容器投入时产生多余的容性无功，防止容性无功倒送。
本发明所述的一种三相不平衡自动调节系统，包括三相不平衡自动调节装置、APP手持终端及后台主站构成的含数据监测、参数设置、状态控制等一体化系统。APP手持终端可分为单机版APP手持终端和网络版APP手持终端，网络版是通过微信公众号平台与APP数据库的对接，实现采集控制等功能。APP手持终端支持GPRS无线通讯及WIFI无线通讯功能，能够满足在安装现场或者远程对三相不平衡自动调节装置进行数据交互及状态控制，方便现场的安装与调试。后台主站可通过GPRS模块，实现后台主站与三相不平衡自动调节装置的实时通讯及数据交互，并结合历史数据进行决策分析，对设备进行状态控制和程序远程升级等。
本发明的优点：
本发明的一种三相不平衡自动调节系统，所含的三相不平衡自动调节装置采用SMC不饱和聚酯树脂箱体，具有绝缘、阻燃等特点，在安装过程中无需接地处理，实现安全、简化的安装方式。
本发明的一种三相不平衡自动调节系统，采用的三相智能控制同步开关为自主研发设计，不仅具备传统控制器中的数据采集、分析、显示、通讯、控制等功能，还将开关单元结合与控制器中形成一体化的三相智能控制同步开关。三相智能控制同步开关满足传统功能的基础上，增加保护功能设计，可以通过温度采集模块实时采集相间补偿电容器和并联电感组合模块的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时（参数可根据实际运行环境设置），同步开关中的备用继电器强行断开，防止相间补偿电容器或并联电感组合模块温度过高，造成爆裂或烧毁等故障；也可以在切除相间补偿电容器或并联电感组合模块时，实时监测各个开关通道的电流值，在判定继电器吸合的故障状态下，同步开关中的备用继电器强行断开，避免相间补偿电容器或并联电感组合模块长期处于投入状态。
本发明的一种三相不平衡自动调节系统，将GPRS无线通信模块和WIFI无线通信模块相结合，通过APP手持终端及后台主站的相互配合，实现对装置的全时段数据监测、参数设置、状态控制、程序升级等功能，同时方便现场安装与调试。
本发明的一种三相不平衡自动调节系统，配套设计的APP手持终端是将单机版APP手持终端和网络版APP手持终端相结合。单机版APP手持终端可通过WIFI无线通信模块与三相不平衡自动调节装置实现点对点的进行信息交互，可以方便使用者对装置进行参数设置、历史运行数据的采集及状态控制。网络版APP手持终端是通过微信公众平台与APP数据库进行对接，实现在微信模式下，使用者既可以通过微信公众平台实现对装置的状态控制，也可以对装置进行数据采集及分析，形成相应曲线图等功能。
附图说明
图1为本发明实施例的一种三相不平衡自动调节装置的结构图。
图2为本发明实施例的一种三相不平衡自动调节装置的原理图。
图3为本发明实施例的一种三相不平衡自动调节装置并联电感组合模块的原理图。
图4为本发明实施例的一种三相不平衡自动调节装置相间电容补偿结构图。
图5是本发明实施例的一种三相不平衡自动调节系统的三相智能控制同步开关结构图。
图6是本发明实施例的主控MCU电路图。
图7是本发明实施例的三相电压电流采集模块电路图。
图8是本发明实施例的数据存储模块电路图。
图9是本发明实施例的无线通信模块电路图。
图10是本发明实施例的电源模块电路图。
图11是本发明实施例的同步开关控制电路电路图。
图12为本发明实施例的一种三相不平衡自动调节系统的继电器开关组合模块的动作原理图。
图13为本发明实施例结合APP手持终端的系统结构图。
图14为本发明实施例结合后台主站的系统结构图。
图15为本发明实施例结合APP手持终端和后台主站的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明一种三相不平衡自动调节系统工作原理及工作过程进行详细说明：
本发明包括三相不平衡自动调节装置，其中三相不平衡自动调节装置包含SMC不饱和聚酯树脂箱体、塑壳断路器、三相智能控制同步开关、GPRS无线通信模块、风扇、同步开关、相间补偿电容器和并联电感组合模块。如图1所示是本发明所述实施例的一种三相不平衡自动调节系统装置的结构图。图中：塑壳断路器1，三相智能控制同步开关2，GPRS无线通信模块3，相间补偿电容器4，并联电感组合模块5。塑壳断路器1与三相智能控制同步开关2采用铜导线连接，三相智能控制同步开关2与GPRS无线通信模块3采用普通导线连接，三相智能控制同步开关2采用铜导线分别与相间补偿电容器4和并联电感组合模块5连接；所述的相间补偿电容器4中的电容器可以采用自愈式电容器，其由若干自愈式电容器并联而成；所述并联电感组合模块5中的电感可以采用若干固定电感器及可调滑动电感器串联而成。其中三相智能控制同步开关2可以为采用本发明下面如图4所述的专有技术。三相智能控制同步开关2为一般现有技术人员能实现的技术，其具有如下功能：三相智能控制同步开关2自动监测采集台区实时的电压、电流、无功功率、功率因数等电能参数，合理分析计算当前线路的无功需量及三相不平衡状态，当线路无功需量大时，通过三相智能控制同步开关2发出相应控制指令，自动控制内部继电器开关动作，合理控制相间补偿电容器4的投入，实现A相对B相（或B相对C相，或C相对A相）的有功电流转移，同时进行了无功补偿，调节了三相电流的模值和相角，实现了三相平衡自动调节，提高线路功率因数，改善线路电压，降低线路损耗。投入相间补偿电容器4时，存在产生过多的容性无功电流，存在容性无功倒送电网的可能，此时三相智能控制同步开关2将继续采集线路电压、电流、无功功率、功率因数等电能参数，若线路存在过多的容性无功时，三相智能控制同步开关2将发出相应的控制指令，自动控制内部继电器开关动作，合理控制并联电感组合模块的投入，使得既转移了有功功率，同时也避免了容性无功倒送，既实现三相平衡的目的，也可降低线路损耗。并联电感组合模块5主要是通过智能控制单元和滑动可调电感器组合，智能控制单元既能够接收三相智能控制同步开关2发出的所需接入的电感量大小，也可以通过智能控制单元自行采集相间补偿电容器4投入时的电压、电流、无功功率、有功功率等信息，分析当前线路所需的电感量，自行控制滑动可调电感器的投入，实现对容性无功电流的补偿，降低线损。
本发明所述实施例的一种三相不平衡自动调节装置的原理如图2所示，图中LA1、LA2、LA3、LA4是连接A相的固定电感器，分别是A相第一固定电感器LA1、A相第二固定电感器LA2、A相第三固定电感器LA3、A相第四固定电感器LA4；LVA1、LVA2、LVA3、LVA4是连接A相的可调滑动电感器，分别是A相第一可调滑动电感器LVA1、A相第二可调滑动电感器LVA2、A相第三可调滑动电感器LVA3、A相第四可调滑动电感器LVA4，且固定电感器和可调滑动电感器采取串联接法；KA1、KA2、KA3、KA4是作为控制A相并联电感组合模块投入与切除的同步开关，分别是A相第一同步开关KA1、A相第二同步开关KA2、A相第三同步开关KA3、A相第四同步开关KA4；LB1、LB2、LB3、LB4是连接B相的固定电感器，分别是B相第一固定电感器LB1、B相第二固定电感器LB2、B相第三固定电感器LB3、B相第四固定电感器LB4；LVB1、LVB2、LVB3、LVB4是连接B相的可调滑动电感器，分别是B相第一可调滑动电感器LVB1、B相第二可调滑动电感器LVB2、B相第三可调滑动电感器LVB3、B相第四可调滑动电感器LVB4，且固定电感器和可调滑动电感器采取串联接法；KB1、KB2、KB3、KB4是控制B相并联电感组合模块投入与切除的同步开关，分别是B相第一同步开关KB1、B相第二同步开关KB2、B相第三同步开关KB3、B相第四同步开关KB4；LC1、LC2、LC3、LC4是连接C相的固定电感器，分别是C相第一固定电感器LC1、C相第二固定电感器LC2、C相第三固定电感器LC3、C相第四固定电感器LC4；LVC1、LVC2、LVC3、LVC4是连接C相的可调滑动电感器，分别是C相第一可调滑动电感器LVC1、C相第二可调滑动电感器LVC2、C相第三可调滑动电感器LVC3、C相第四可调滑动电感器LVC4，且固定电感器和可调滑动电感器采取串联接法；KC1、KC2、KC3、KC4是控制C相并联电感组合模块投入与切除的同步开关，分别是C相第一同步开关KC1、C相第二同步开关KC2、C相第三同步开关KC3、C相第四同步开关KC4；Cab是并联在A、B相间的相间补偿电容器，Kab是控制Cab相间补偿电容器投入与切除的同步开关；Cbc是并联在B、C相间的相间补偿电容器，Kbc是控制Cbc相间补偿电容器投入与切除的同步开关；Cca是并联在C、A相间的相间补偿电容器，Kca是控制Cca相间补偿电容器投入与切除的同步开关。三相智能控制同步开关实时采集台区线路中的电压、电流、无功功率、有功功率和功率因数，合理分析台区线路当前的无功需量，控制相间补偿电容器Cab的投入与切除，通过此方法，对A相及B相的有功负荷进行了转移，同时进行了无功补偿，调节了三相电流的模值和相角,成功实现了三相平衡自动调节。根据wangs定理可知，相间补偿电容器对有功电流的转移是1/2的Iab，同时也伴随着补偿了无功电流为
Figure 596608DEST_PATH_IMAGE001
的Iab。此时为了不对线路产生过多的容性无功倒送，控制并联电感组合模块（A相第一固定电感器LA1、A相第二固定电感器LA2、A相第三固定电感器LA3、A相第四固定电感器LA4、A相第一可调滑动电感器LVA1、A相第二可调滑动电感器LVA2、A相第三可调滑动电感器LVA3、A相第四可调滑动电感器LVA4及B相第一固定电感器LB1、B相第二固定电感器LB2、B相第三固定电感器LB3、B相第四固定电感器LB4、B相第一可调滑动电感器LVB1、B相第二可调滑动电感器LVB2、B相第三可调滑动电感器LVB3、B相第四可调滑动电感器LVB4）进行投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。
本发明所述实施例的一种三相不平衡自动调节装置的并联电感组合模块的结构图如图3所示，所述的并联电感组合模块是由四路固定电感器、可调滑动电感器及同步开关并联组合，每路是由固定电感器、滑动可调电感器和同步开关串联而成的，可以采用本领域常规的电容器，可以采用本领域常规的电感器。其中所述的固定电感器是用于提供单路最大感性无功电流；所述的可调滑动电感器是通过控制抽头的接入，使得改变单路的电感值。当调节的可调滑动电感器接入最小时，单路可产生最大的感性无功电流，当调节的可调滑动电感器接入最大时，单路可产生最小的感性无功电流。所述的同步开关是用于控制固定电感器及可调滑动电感器的投入与切除。如Cab相间补偿电容器投入时，即产生容性无功电流，此时通过计算，合理控制可调滑动电感器产生相应的感值，并实时控制同步开关的闭合与开启，组合四路电感模块，产生相应的感性无功电流进行补偿。
本发明所述实施例的一种三相不平衡自动调节装置相间电容补偿原理是采用现有的wangs定理技术如图4所示，图中所述的UA、UB、UC表示A、B、C相与零线间的相电压；所述的Uab和Uba表示A、B两相之间的线电压；所述的Cab表示跨接A、B相之间的相间补偿电容器；所述的Iab表示相间补偿电容器Cab投入时产生超前线电压Uab90°的电流，可分解容性电流Iaq和反向有功电流Iap；所述的Iba表示相间补偿电容器Cab投入时产生超前线电压Uba90°的电流，可分解容性电流Ibq和正向有功电流Ibp。在三相系统中，利用wangs定理的原理技术，在相线与相线之间跨接电容元件可以达到相间有功电流转移和每相无功电流的补偿。
如图4所示的相间补偿电容器Cab跨接在A相与B相之间， Cab两端电压为线电压。从A相看，相间补偿电容器Cab的电流Iab超前线电压Uab90°，Iab可以分解成两部分，一部分为超前Ua90°的容性电流Iaq，一部分为与Ua方向相反的有功电流Iap，意味着A相的有功电流减少。从B相看，相间补偿电容器Cab的电流Iba超前线电压Uba 90°，Iba可以分解成两部分，一部分为超前Ub 90°的容性电流Ibq，一部分为与Ub方向相同的有功电流Ibp，意味着B相的有功电流增加。因此，在A相与B相之间跨接电容，不但在A相与B相出现容性无功电流，而且可以将一部分有功电流从A相转移到B相。因此在相间跨接相间补偿电容器，具有调节变压器三相出线有功功率平衡的功能，但也能产生相应的无功电流，使得无功电流倒供电网，造成电网载流量增大，线损耗也提高。因此在这一技术基础上，本发明增加设计了并联电感组合模块，通过控制电感的合理投入，减少因相间补偿电容器的投入而产生的容性无功电流。
本发明包括三相不平衡自动调节装置，其主要通过控制相间补偿电容器和并联电感组合模块的投入与切除，实现对容性无功电流的补偿，降低线损。结合图3和图4的原理图，举出实际例子：假设相间补偿电容器的额定电压为450V，补偿容量QC为30kvar，则AB相间补偿电容器容量为10kvar，在标准电压380V情况下，相应的电容电流为18.8A，结合图4中的wangs定理2技术中电容补偿技术，当UA和UB之间的相位角为120°时（标准三相电压），产生的容性无功电流为Iaq为16.3A；当UA和UB之间的相位角为180°时，产生的容性无功电流为Iaq为18.8A；当UA和UB之间的相位角为0°时，产生的容性无功为Iaq接近0A，即需要补偿的容性无功电流范围为0A-18.8A。结合实际线路导线产生的感性电流约2.2A，因此装置实际需要控制并联电感组合模块产生2.2A-18.8A的感性无功电流进行补偿。结合图3的并联电感组合模块，通过分析与计算，可设计并联电感组合模块中的固定电感器的最大值为150mh/5A，滑动可调电感器最大值为170mh/5A。即可实现单路并联电感组合模块产生的最大感性无功电流为4.7A，产生的最小感性无功电流为2.2A。当控制四路固定电感器LA1、LA2、LA3、LA4全部投入，滑动可调电感器调节至最小时（即0mh），此时可产生感性无功电流为18.8A，满足补偿10kvar相间补偿电容器投入时产生的最大容性无功电流。在装置实际运行时，可根据需要补偿的容性无功电流大小，调节开关及可调滑动电感器的接入，产生相应的感性无功电流进行补偿，最小可实现产生2.2A的感性无功电流。
如图5所示，本发明所述实施例的三相智能控制同步开关的结构图，包括主控MCU模块、三相电压电流采集模块，数据存储模块、无线通信模块（GPRS无线通讯和WIFI无线通讯）、电源模块、同步开关控制电路（控制相间补偿电容器投切、控制并联电感组合模块投切）、继电器开关组合模块，所述的三相电压电流采集模块，数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路分别与主控MCU连接，上述具体各部件模块及功能如下：
1）主控MCU模块：如图6所示，所述的主控MCU采用现有技术，其主要包括U7芯片和周边元件电容、电阻等连接而成，U7芯片可采用STM32F101RBT6或STM32F103RBT6代替，主要实现对采集的台区实时的电压、电流、无功功率、功率因数等电能参数的分析与计算，实现传输与控制、并发出控制信号驱动同步开关控制电路，进行合理控制投入与切除，这些校准分析及计算程序为一般技术人员能实现的。
2）三相电压电流采集模块：如图7所示，所述的三相电压电流采集模块采用现有技术，其电路主要包含采集芯片，相关电阻、电容，晶振，二极管等连接而成，其中采集芯片采用ATT7022C，该芯片是高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用，同时提供SPI接口，方便与MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递，该芯片目前市场有售。
3）数据存储模块：如图8所示，所述的数据存储模块采用现有技术，其电路主要包含存储芯片、电阻、电容等连接而成，其中存储芯片采用24LC64和SST25VF016两种不同存储反方式，其中24LC64芯片存储容量小，存储速度快，SST25VF016芯片存储容量大，存储速度较慢，两种存储方式同时采用，能够实现对对各种运行数据进行存储及查询，该芯片目前市场有售。
4）无线通信模块：如图9所示，所述的无线通信模块采用现有技术，其无线通讯方式包含了GPRS无线通讯和WIFI无线通讯，GPRS无线通讯电路主要包含了SN65HVD3082ED芯片U8，电阻、电容、二极管等连接而成。WIFI无线通讯电路主要采用了市场现有的USR-C215模块。该系统通过GPRS无线通讯和后台主站进行实时数据交互。通过WIFI无线通讯和APP手持终端进行数据交互。此GPRS无线通讯和WIFI无线通讯为现有技术。
5）电源模块：如图10所示，所述的电源模块采用现有技术，交流220V作为电源输入，经过电源芯片转换成多路直流电压供各电路模块使用，该电源模块电路分别采用7805电源芯片U17及SPX1117电源芯片U26，相关电阻电容连接形成，分别能够转换出5V和3.3V的直流电压供相关电路使用，7805及SPX1117电源芯片目前市场有售。
6）同步开关控制电路：如图11所示，所述的同步开关控制电路采用现有技术，其电路主要驱动芯片、电阻、电容等连接而成，驱动芯片采用CD74HC395M和ULN2003ADR两种。当主控MCU发出控制信号指令时，控制相间补偿电容器的投入与切除时，即实现对线路的无功补偿，调整三相不平衡。当主控MCU发出控制信号指令时，控制并联电感组合模块的投入与切除时，即实现抑制线路的无功倒送，降低线路损耗，实现三相平衡的目的。此技术为一般技术人员能实现的。
7）继电器开关组合模块：采用开关电路、继电器和备用继电器、相间补偿电容器进行串联结合，开关电路、继电器和备用继电器、相间补偿电容器为现有技术产品，在装置正常运行状态下时，备用继电器处于闭合状态，通过控制继电器的通断，进行切换相间补偿电容器。当采集信息分析装置处于异常状态下运行时，备用持继电器将强行断开，保护装置可靠运行。
如图12所示，本发明实施例的一种三相不平衡自动调节系统的继电器开关组合模块的动作原理图，继电器开关组合模块包括开关电路、继电器或备用继电器和相间补偿电容器，开关电路连接继电器或备用继电器，继电器或备用继电器连接相间补偿电容器，其中所述的继电器开关组合模块的动作原理是由开关电路发出控制指令，控制继电器或备用继电器的开启与闭合，所述的继电器是用于控制相间补偿电容器或并联电感组合模块的投入与切除，所述的备用继电器是串联于继电器与控制相间补偿电容器或并联电感组合模块之间，且正常运行时，处于常闭导通状态。三相智能控制同步开关中的三相电压电流采集模块采集电能信息，并通过主控MCU模块的计算分析，发出控制指令至开关电路，只需控制继电器动作，即可实现控制相间补偿电容器或并联电感组合模块的投入与切除。装置通过同步开关中的温度采集模块实时采集相间补偿电容器和并联电感组合模块的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时（参数可根据实际运行环境设置），同步开关控制电路中的备用继电器将强行断开，防止相间补偿电容器或并联电感组合模块温度过高，造成爆裂或烧毁等故障；装置也可以在切除相间补偿电容器或并联电感组合模块时，实时监测各个继电器开关通道的电流值，在判定继电器吸合的故障状态下，同步开关控制电路中的备用继电器强行断开，避免相间补偿电容器或并联电感组合模块长期处于投入状态而降低使用寿命。
如图13所示，本发明采用三相不平衡自动调节装置和APP手持终端构成一体化系统；所述的APP手持终端为一般现有技术，APP手持终端可包括单机版APP手持终端和/或网络版APP手持终端和微信公众号，单机版APP手持终端可通过WIFI无线通信模块与三相不平衡自动调节装置实现点对点的进行信息交互，可以方便使用者对装置进行参数设置、历史运行数据的采集及状态控制。网络版APP手持终端是通过微信公众平台与APP数据库进行对接，实现在微信模式下，使用者既可以通过微信公众平台的微信公众号实现对装置的状态控制，也可以对装置进行数据采集及分析，形成相应曲线图等功能。所述的相间补偿电容器及并联电感组合模块通过导线与三相智能控制同步开关进行连接，三相智能控制同步开关采集线路电压、电流、功率因数等电能参数进行分析，合理控制相间补偿电容器及并联电感组合模块的投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。当本发明所采用的一种三相不平衡自动调节系统中的三相智能控制同步开关采用图4的技术时，包括主控MCU、数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块和同步开关控制电路，所述的数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块和同步开关控制电路分别与主控MCU连接，所述的APP手持终端通过WIFI无线通信模块与三相不平衡自动调节装置进行信息交互，通过主控MCU完成传输与控制，为一般技术人员能实现的技术。
如图14所示，本发明采用三相不平衡自动调节装置和后台主站构成一体化系统。所述的后台主站为一般现有技术，后台主站通过GPRS通信模块与三相不平衡自动调节装置进行无线通讯；后台主站可以方便使用者对装置进行参数设置、各种实时与历史运行数据的采集及状态控制。所述的相间补偿电容器及并联电感组合模块通过导线与三相智能控制同步开关进行连接，三相智能控制同步开关采集线路电压、电流、功率因数等电能参数进行分析，合理控制相间补偿电容器及并联电感组合模块的投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。当本发明所采用的一种三相不平衡自动调节系统中的三相智能控制同步开关采用图4的技术时，包括主控MCU、数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块和同步开关控制电路，所述的数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块和同步开关控制电路分别与主控MCU连接，所述的后台主站通过GPRS无线通信模块与三相智能控制同步开关进行信息交互，通过主控MCU完成传输与控制，为一般技术人员能实现的技术。
如图15所示，本发明采用三相不平衡自动调节装置、APP手持终端和后台主站构成一体化系统。APP手持终端可包括后台主站、单机版APP手持终端和/或网络版APP手持终端和微信公众号，APP手持终端可通过GPRS无线通信模块或WIFI无线通信模块与三相不平衡自动调节装置进行信息交互，APP手持终端还可以与后台主站进行无线通讯。后台主站也可以通过GPRS通信模块与三相不平衡自动调节装置进行无线通讯；APP手持终端和后台主站可以同时对三相不平衡自动调节装置进行参数设置、历史运行数据采集及状态控制。后台主站也可以对APP手持终端进行参数配置。所述的相间补偿电容器及并联电感组合模块通过导线与三相智能控制同步开关进行连接，三相智能控制同步开关采集线路电压、电流、功率因数等电能参数进行分析，合理控制相间补偿电容器及并联电感组合模块的投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。本发明采用一种三相不平衡自动调节系统中的三相智能控制同步开关采用图4的技术时，包括主控MCU、数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块和同步开关控制电路，所述的数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块和同步开关控制电路分别与主控MCU连接，所述的APP手持终端和后台主站与主控MCU连接，APP手持终端通过GPRS无线通信模块或WIFI无线通信模块与三相不平衡自动调节装置进行信息交互，后台主站通过GPRS通信模块与三相智能控制同步开关进行信息交互，APP手持终端还可以与后台主站进行对接，通过主控MCU完成传输与控制，为一般技术人员能实现的技术。

Claims (6)

1.一种三相不平衡自动调节系统，包括塑壳断路器、三相智能控制同步开关、GPRS无线通信模块、相间补偿电容器和并联电感组合模块，其特征在于：塑壳断路器与三相智能控制同步开关采用铜导线连接，三相智能控制同步开关与GPRS无线通信模块采用普通导线连接，三相智能控制同步开关采用铜导线分别与相间补偿电容器和并联电感组合模块连接；所述的三相智能控制同步开关包括主控MCU、三相电压电流采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路和继电器开关组合模块，所述的三相电压电流采集模块，数据存储模块、无线通信模块、电源模块、同步开关控制电路分别与主控MCU连接，继电器开关组合模块连接同步开关控制电路，无线通信模块包括GPRS无线通讯和WIFI无线通讯。
2.根据权利要求1所述的一种三相不平衡自动调节系统，其特征在于：三相智能控制同步开关自动监测采集台区实时的电压、电流、无功功率、功率因数电能参数，合理分析计算当前线路的无功需量及三相不平衡状态，当线路无功需量大时，通过三相智能控制同步开关发出相应控制指令，自动控制内部继电器开关组合模块的继电器开关动作，合理控制相间补偿电容器的投入，实现A相对B相或B相对C相或C相对A相的有功电流转移，同时进行了无功补偿，调节了三相电流的模值和相角，实现了三相平衡自动调节，提高线路功率因数，改善线路电压，降低线路损耗；投入相间补偿电容器时，存在产生过多的容性无功电流，存在容性无功倒送电网的可能，此时三相智能控制同步开关将继续采集线路电压、电流、无功功率、功率因数电能参数，若线路存在过多的容性无功时，三相智能控制同步开关将发出相应的控制指令，自动控制内部继电器开关组合模块的继电器开关动作，合理控制并联电感组合模块的投入，使得既转移了有功功率，同时也避免了容性无功倒送，既实现三相平衡的目的，也可降低线路损耗；并联电感组合模块是通过智能控制单元和滑动可调电感器组合，智能控制单元既能够接收三相智能控制同步开关2发出的所需接入的电感量大小，也可以通过智能控制单元自行采集相间补偿电容器4投入时的电压、电流、无功功率、有功功率信息，分析当前线路所需的电感量，自行控制滑动可调电感器的投入，实现对容性无功电流的补偿，降低线损。
3.根据权利要求1或2所述的一种三相不平衡自动调节系统，其特征在于：所述的并联电感组合模块是由四路固定电感器、可调滑动电感器及同步开关并联组合，每路是由固定电感器、滑动可调电感器和同步开关串联而成的，其中所述的固定电感器是用于提供单路最大感性无功电流；所述的可调滑动电感器是通过控制抽头的接入，使得改变单路的电感值；当调节的可调滑动电感器接入最小时，单路可产生最大的感性无功电流，当调节的可调滑动电感器接入最大时，单路可产生最小的感性无功电流；所述的同步开关是用于控制固定电感器及可调滑动电感器的投入与切除；所述的继电器开关组合模块是由开关电路、继电器、备用继电器和相间补偿电容器组合而成，所述的继电器是用于控制相间补偿电容器或并联电感组合模块的投入与切除，所述的备用继电器是串联于继电器与控制相间补偿电容器或并联电感组合模块之间，且正常运行时，处于常闭导通状态；三相智能控制同步开关通过采集线路电能信息，发出控制指令时，只需控制继电器动作，即可实现控制相间补偿电容器或并联电感组合模块的投入与切除；通过同步开关中的温度采集模块实时采集相间补偿电容器和并联电感组合模块的温度值，当采集的温度值超出预置的参数时，继电器开关组合模块中的备用继电器将强行断开，防止相间补偿电容器或并联电感组合模块温度过高，造成爆裂或烧毁故障；也能在切除相间补偿电容器或并联电感组合模块时，实时监测各个继电器开关通道的电流值，在判定继电器吸合的故障状态下，继电器开关组合模块中的备用继电器强行断开，避免相间补偿电容器或并联电感组合模块长期处于投入状态而降低使用寿命。
4.根据权利要求3所述的一种三相不平衡自动调节系统，其特征在于：相间补偿电容器投入时，即产生容性无功电流，此时通过计算，合理控制可调滑动电感器产生相应的感值，并实时控制同步开关的闭合与开启，组合四路固定电感器，产生相应的感性无功电流进行补偿；所述的并联电感组合模块是由固定电感器、可调滑动电感器及同步开关并联组合而成；连接A相的固定电感器分别为：A相第一固定电感器、A相第二固定电感器、A相第三固定电感器、A相第四固定电感器；连接A相的可调滑动电感器：分别是A相第一可调滑动电感器、A相第二可调滑动电感器、A相第三可调滑动电感器、A相第四可调滑动电感器，且固定电感器和可调滑动电感器之间连接采取串联；控制A相并联电感组合模块投入与切除的同步开关：分别是A相第一同步开关、A相第二同步开关、A相第三同步开关、A相第四同步开关；连接B相的固定电感器：分别是B相第一固定电感器、B相第二固定电感器、B相第三固定电感器、B相第四固定电感器；连接B相的可调滑动电感器：分别是B相第一可调滑动电感器、B相第二可调滑动电感器、B相第三可调滑动电感器、B相第四可调滑动电感器，且固定电感器和可调滑动电感器之间连接采取串联；控制B相并联电感组合模块投入与切除的同步开关：分别是B相第一同步开关、B相第二同步开关、B相第三同步开关、B相第四同步开关；连接C相的固定电感器：分别是C相第一固定电感器、C相第二固定电感器、C相第三固定电感器、C相第四固定电感器；连接C相的可调滑动电感器：分别是C相第一可调滑动电感器、C相第二可调滑动电感器、C相第三可调滑动电感器、C相第四可调滑动电感器，且固定电感器和可调滑动电感器之间连接采取串联；控制C相并联电感组合模块投入与切除的同步开关：分别是C相第一同步开关、C相第二同步开关、C相第三同步开关、C相第四同步开关；三相智能控制同步开关实时采集台区线路中的电压、电流、无功功率、有功功率和功率因数，合理分析台区线路当前的无功需量，控制相间补偿电容器的投入与切除，对A相及B相的有功负荷进行了转移，同时进行了无功补偿，调节了三相电流的模值和相角,成功实现了三相平衡自动调节；相间补偿电容器对有功电流的转移是1/2的相间补偿电容投入时产生超前线电压的电流，同时也伴随着补偿了无功电流为
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的相间补偿电容投入时产生超前线电压的电流；此时为了不对线路产生过多的容性无功倒送，控制并联电感组合模块进行投入与切除，实现改变线路首端电流三相不平衡控制在10%以内，改善功率因数，降低变压器和线路损耗。
5.根据权利要求4所述的一种三相不平衡自动调节系统，其特征在于： A、B、C相与零线间的相电压分别为UA、UB、UC； A、B两相之间的线电压分别为Uab和Uba；跨接A、B相之间的电容Cab；电容Cab投入时产生超前线电压Uab90°的电流Iab，可分解容性电流Iaq和反向有功电流Iap；电容Cab投入时产生超前线电压Uba90°的电流Iba，可分解容性电流Ibq和正向有功电流Ibp，在相线与相线之间跨接电容元件可以达到相间有功电流转移和每相无功电流的补偿；从A相看，电容Cab的电流Iab超前线电压Uab90°，电容Cab的Iab可以分解成两部分，一部分为超前Ua90°的容性电流Iaq，一部分为与Ua方向相反的有功电流Iap，意味着A相的有功电流减少；从B相看，电容Cab的电流Iba超前线电压Uba 90°，电容Cab的Iba可以分解成两部分，一部分为超前Ub 90°的容性电流Ibq，一部分为与Ub方向相同的有功电流Ibp，意味着B相的有功电流增加；因此，在A相与B相之间跨接电容，不但在A相与B相出现容性无功电流，而且能将一部分有功电流从A相转移到B相；因此在相间跨接电容器，具有调节变压器三相出线有功功率平衡的功能，但也能产生相应的无功电流，使得无功电流倒供电网，造成电网载流量增大，线损耗也提高；通过控制相间补偿电容器和并联电感组合模块的投入与切除，实现对容性无功电流的补偿，降低线损。
6.根据权利要求5所述的一种三相不平衡自动调节系统，其特征在于：当相间补偿电容器的额定电压为450V，补偿容量QC为30kvar，则AB相间补偿电容器容量为10kvar，在标准电压380V情况下，相应的电容电流为18.8A，在标准三相电压下当UA和UB之间的相位角为120°时，产生的容性无功电流为Iaq为16.3A；当UA和UB之间的相位角为180°时，产生的容性无功电流为Iaq为18.8A；当UA和UB之间的相位角为0°时，产生的容性无功为Iaq接近0A，即需要补偿的容性无功电流范围为0A-18.8A；结合实际线路导线产生的感性电流约2.2A，因此装置实际需要控制并联电感组合模块产生2.2A-18.8A的感性无功电流进行补偿；结合并联电感组合模块，通过分析与计算，可设计并联电感组合模块中的固定电感器的最大值为150mh/5A，滑动可调电感器最大值为170mh/5A，即可实现单路并联电感组合模块产生的最大感性无功电流为4.7A，产生的最小感性无功电流为2.2A，当控制四路固定电感器全部投入，滑动可调电感器调节至0mh，此时可产生感性无功电流为18.8A，满足补偿10kvar相间补偿电容器投入时产生的最大容性无功电流；在装置实际运行时，可根据需要补偿的容性无功电流大小，调节开关及可调滑动电感器的接入，产生相应的感性无功电流进行补偿，最小可实现产生2.2A的感性无功电流。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113036776A (zh) * 2021-03-04 2021-06-25 儒能(山东)电力科技有限公司 一种抽出式低压开关柜功率因数无级补偿装置及方法
CN118630769A (zh) * 2024-08-15 2024-09-10 数邦电力科技有限公司 低压可调串联补偿装置

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