CN113241782A - 一种低压智能断路器及其控制方法和应用 - Google Patents

一种低压智能断路器及其控制方法和应用 Download PDF

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CN113241782A CN202110715797.3A CN202110715797A CN113241782A CN 113241782 A CN113241782 A CN 113241782A CN 202110715797 A CN202110715797 A CN 202110715797A CN 113241782 A CN113241782 A CN 113241782A
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刘奕
游金梁
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Abstract

本发明公开了一种低压智能断路器及其控制方法和应用，此断路器包括断路器本体、监测单元、中控单元和执行单元；监测单元、中控单元和执行单元依次相连；执行单元包括换相开关；监测单元用于监测断路器本体的电压和电流数据；中控单元用于根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；中控单元还用于根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。本发明具有三相不平衡治理、负荷调控、结构简单紧凑、智能化等优点。

Description

一种低压智能断路器及其控制方法和应用
技术领域
本发明主要涉及电网治理技术领域，具体涉及一种低压智能断路器及其控制方法和应用。
背景技术
在低压配电台区存在大量的单相负荷，这些单相负荷的用电时间存在很大的随机性，造成了低压配电台区三相负荷严重不平衡，增加了变压器的损耗，还会使变压器内部温度升高，严重时导致变压器损坏，降低供电质量。此外，电网长期处于三相不平衡状态，也会对低压台区电气设备造成不良影响，面对复杂现场环境所导致的线路三相负荷不平衡，目前的治理方式需要安装无功补偿装置、末支安装换相开关等设备，存在成本高、效率低、体积大、功能单一、实施难度较大、非实时性等问题。
另外，随着国家乡村振兴政策的逐步落实，农村居民用电负荷将会迎来新一轮快速增长期，迎峰度夏/冬、节假日等时段随机性的短时高峰负荷特征将会更加突出，以及部分台区特殊生产负荷(如养殖业、小作坊)的短时突增，配变随机性的短时重过载运行将会显著增加，增加配变运行风险和损毁概率、降低配变运行效率和使用寿命、影响配电台区持续可靠供电。目前发生超负荷运行时多是变电所运维人员手动拉闸限电，无法精确的去切除负荷，需要大量的人力去支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具备三相不平衡治理功能以及负荷调控功能的低压智能断路器及其控制方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种低压智能断路器，包括断路器本体，还包括监测单元、中控单元和执行单元；所述监测单元、中控单元和执行单元依次相连；所述执行单元包括换相开关；所述监测单元用于监测所述断路器本体的电压和电流数据；所述中控单元用于根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；所述中控单元还用于根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述中控单元包括计算模块和判断模块，所述计算模块用于根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值；所述判断模块用于根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，以及判断所述功率值是否大于预设值。
所述中控单元还包括载波通信模块。
本发明还公开了一种基于如上所述的低压智能断路器的控制方法，包括：
所述监测单元监测所述断路器本体的电压和电流数据；
所述中控单元根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；
所述中控单元根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。
本发明还公开了一种如上所述的低压智能断路器在低压配电台区中的应用方法，包括步骤：
台区下所有低压智能断路器进行组网通信；
在电力系统无异常的情况下，监测单元实时获取当前三相负荷和换相开关状态，并实时传输给中控单元；
中控单元将监测单元传输的数据进行分类处理，筛选出用于处理三相不平衡的三相电流数据，对数据进行逻辑计算，得到三相电流平均值和三相电流不平衡度；
中控单元再将三相电流平均值和三相电流不平衡度与其对应设定值进行对比；当三相电流平均值和三相电流不平衡度均大于对应设定值时，则判断电网处于三相不平衡状态；
中控单元读取下级低压智能断路器的数据，根据电力系统内所有执行单元的运行状态，选取可控执行单元和控制逻辑并通过计算所有可控执行单元调节后的三相电流不平衡度，预测控制后的三相电流不平衡度；
根据执行单元实时状态选择相应的三相电流不平衡度减小为目标进行控制；其中控制结束条件为当选择的控制能使三相平均电流小于设定值或者当前三相流不平衡度小于其设定值时结束控制逻辑，否则继续控制。
优选地，所述三相电流平均值和三相电流不平衡度通过以下公式得到：
Iav＝(Ia+Ib+Ic)/3
ρ＝(Imax-Imin)/Imax
其中Iav为三相电流平均值，ρ为三相电流不平衡度，Ia、Ib、Ic分别为配电变压器低压侧A相、B相、C相电流值，Imax、Imin分别为配电变压器低压侧三相电流值中的最大值和最小值。
优选地，台区下所有断路器进行组网通信，具体为：
规定一级断路器为主节点，其余断路器为从节点，各级断路器之间通过中控单元进行数据交换，并且所有从节点的中控单元均起到中继作用；当各级断路器上电后，分别读取各自连接的断路器中的地址，以此作为自己节点的地址，并根据信噪比完成组网；
各级断路器通讯方式只能是主节点和从节点之间相互通讯，从节点之间不能直接通讯，从节点作为从设备发出去的命令带主节点地址的。
从节点之间的通信流程为：
从节点断路器先向主节点断路器发送请求读取另一从节点断路器的数据；
主节点断路器收到从节点断路器发来的请求数据后，发送相应的请求数据到从另一节点断路器；
另一从节点断路器收到主节点断路器发来的请求数据后回复主节点断路器；
主节点断路器将从另一节点断路器的回复数据发送给从节点断路器；
从节点断路器收到回复数据。
优选地，当主节点断路器检测到其负荷达到饱和时，可通过事前设置的控制策略，根据用户用电的优先级，将优先级低的用户的断路器进行开闸，确保主节点下其余优先级更高的用户的用电保障；如果主节点断路器下的从节点断路器用户的优先级是一致的，则可以关断当前负荷较小的断路器，来保障其余用户的用电情况；其中用户优先级关系提前配置在断路器中。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的低压智能断路器，设置有监测单元、中控单元和执行单元，通过监测单元进行相关数据的采集，再通过中控单元进行分析判断，以确定电网是否处于三相不平衡状态或者满负荷状态，从而在三相不平衡状态控制其对应的执行单元(换相开关)进行三相不平衡的治理，以及在满负荷状态时控制对应断路器本体的通断以实现负载的调控；即本发明具备解决电网三相不平衡的处理功能，以及负荷调控治理功能，有效的提高了电网供电的可靠性和安全性。
本发明在原有的断路器的基础上进行开发，解决电网中三相不平衡的问题时，利用线路中原有的设备对线路进行整改，大幅降低了整改成本；在解决线路三相不平衡问题时，全程依靠中控单元协调自动处理，在提高效率的同时大幅降低了人力成本。本发明的断路器功能丰富，具有剩余电流、过电流、短路等保护功能，以及自动重合闸、剩余电流显示、实时负荷电流显示、动作状态指示、跳闸数据显示等实用功能。本发明的断路器集漏电保护、过电流保护、自动重合闸功能与一体，体积小、功能全，缩小了产品的安装位置，简化了应用接线，为用户降低了应用成本。本发明的断路器具有功能特性选择性操作方法，可按实际情况分别设定动作电流、分断时间和主电路额定电流，可根据需要选择告警功能、欠压缺相保护功能、自动跟踪等功能。本发明的断路器由单片微处理器组成的智能化控制电路，可设定额定电流和显示实时负荷电流，能监测故障跳闸原因，显示跳闸时故障参数，可查询各类故障跳闸的总次数。本发明可记录和查询引起跳闸的相序、原因和跳闸的时间等详细数据，可与电脑建立通讯，下载记录数据。
附图说明
图1为本发明的断路器在实施例的拓扑图。
图2为本发明的断路器在实施例的主视图。
图3为本发明的断路器在实施例的内部结构图。
图4为本发明的三相不平衡治理方法实施例的流程图。
图例说明：1、指示灯；2、显示窗；3、功能按钮；4、自动/手动转换旋钮；5、分合闸指示灯；6、手动操作手柄；21、中控单元；22、监测单元；23、执行单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的低压智能断路器，包括断路器本体、监测单元22、中控单元21和执行单元23；监测单元22、中控单元21和执行单元23依次相连；执行单元23包括换相开关；监测单元22用于监测断路器本体的电压和电流数据；中控单元21用于根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；中控单元21还用于根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。
本发明的低压智能断路器，在原有的断路器的基础上，设置有监测单元22、中控单元21和执行单元23，通过监测单元22进行相关数据的采集，再通过中控单元21进行分析判断，以确定电网是否处于三相不平衡状态或者满负荷状态，从而在三相不平衡状态控制其对应的执行单元23(换相开关)进行三相不平衡的治理，以及在满负荷状态时控制对应断路器本体的通断以实现负载的调控；即本发明具备解决电网三相不平衡的处理功能，以及负荷调控治理功能，有效的提高了电网供电的可靠性和安全性。
在一具体实施例中，断路器还包含显示窗2、指示灯1、手动操作手柄6、分合闸指示灯5、功能按钮3、自动/手动转换旋钮4，其相应结构以及功能如下：
显示窗2：工作人员可以通过显示窗2查看剩余电流动作值、漏电动作分断时间、实时参数显示、跳闸参数显示、额定负载电流、功能状态等信息；
指示灯1：工作人员可以通过指示灯1判断断路器的分合状态，以及是否发生发生漏电或过载等故障；
手动操作手柄6：工作人员可以通过手动操作手柄6对断路器进行分合闸操作；
分合闸指示灯5：工作人员可以通过分合闸指示灯5判断断路器当前所处状态；
功能按钮3：工作人员可以通过功能按钮3查看数据或修改参数；
自动/手动转换旋钮4：工作人员可以通过自动/手动转换旋钮4设置断路器的工作状态；
另外中控单元21包含计算模块、判断模块和载波通信模块。其中计算模块用于对监测单元22传输、、监测到的数据进行分类处理，从大量的监测数据中筛选出用于处理三相不平衡的三相电流数据，对数据进行逻辑计算，将计算出的结论传输给判断模块；判断模块则对计算结果进行逻辑判断，以判断电网是否处于三相不平衡状态，同时中控单元21还具有通信功能，用于断路器上级与下级进行数据传输，将逻辑判断的结果传输给相对应的执行单元23。
监测单元22用于实时监测断路器的各项数据，包含三相电压、三相电流、分合状态等，将采集到的各项数据实时传输给中控单元21。
执行单元23用于电网发生三相不平衡时执行中控单元21下达的换相命令。执行单元23包括无异常闭锁的换相开关、无通讯异常的换相开关、无日换相次数越限的换相开关、无功率因数闭锁的换相开关、无无流闭锁的换相开关。
本发明在原有的断路器的基础上进行开发，解决电网中三相不平衡的问题时，利用线路中原有的设备对线路进行整改，大幅降低了整改成本；在解决线路三相不平衡问题时，全程依靠中控单元21协调自动处理，在提高效率的同时大幅降低了人力成本。本发明的断路器功能丰富，具有剩余电流、过电流、短路等保护功能，以及自动重合闸、剩余电流显示、实时负荷电流显示、动作状态指示、跳闸数据显示等实用功能。本发明的断路器集漏电保护、过电流保护、自动重合闸功能与一体，体积小、功能全，缩小了产品的安装位置，简化了应用接线，为用户降低了应用成本。本发明的断路器具有功能特性选择性操作方法，可按实际情况分别设定动作电流、分断时间和主电路额定电流，可根据需要选择告警功能、欠压缺相保护功能、自动跟踪等功能。本发明的断路器由单片微处理器组成的智能化控制电路，可设定额定电流和显示实时负荷电流，能监测故障跳闸原因，显示跳闸时故障参数，可查询各类故障跳闸的总次数。本发明可记录和查询引起跳闸的相序、原因和跳闸的时间等详细数据，可与电脑建立通讯，下载记录数据。
本发明还公开了一种基于如上所述的低压智能断路器的控制方法，包括：
监测单元22监测所述断路器本体的电压和电流数据；
中控单元21根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；
中控单元21根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。
本发明还进一步公开了一种如上所述的低压智能断路器在低压配电台区中的应用方法，具体包括三相不平衡治理方法和负荷调控治理方法；其中三相不平衡治理方法过程为：
断路器中集合换相开关，台区下所有断路器有效组网通信，统一调控分配三相负荷；其中台区至少具备两级断路器的电网线路；
在电力系统无异常的情况下，三相不平衡功能处于闭锁状态，监测单元22实时获取当前三相负荷和换相开关状态；
监测单元22将采集到的数据实时传输给中控单元21；
中控单元21的计算模块将监测单元22传输的数据进行分类处理，从大量的监测数据中筛选出用于处理三相不平衡的三相电流数据，对数据进行逻辑计算，公式如下：
Iav＝(Ia+Ib+Ic)/3 (1)
ρ＝(Imax-Imin)/Imax (2)
其中Iav为三相电流平均值，ρ为三相电流不平衡度，Ia、Ib、Ic分别为配电变压器低压侧A相、B相、C相电流值，Imax、Imin分别为配电变压器低压侧三相电流值中的最大值和最小值；
计算模块将计算出的结论传输给判断模块，与设定好的三相电流平均值和三相电流不平衡度进行对比，判断模块对计算结果进行逻辑判断判断电网是否处于三相不平衡状态；
如果所选择的三相电流平均值和三相电流不平衡度均大于对应设定值，则判定其处于三相不平衡状态；其中设定值为参数变量，根据现场实际情况设定；
中控单元21将通过载波通信模块读取下级相关数据，根据电力系统内所有执行单元23的运行状态，选取可控执行单元23和控制逻辑并通过计算所有可控执行单元23调节后的三相电流不平衡度，预测控制后的三相电流不平衡度；
根据执行单元23实时状态选择相应的三相电流不平衡度减小为目标进行控制；
控制结束条件为当选择的控制能使三相平均电流小于设定值或者当前三相流不平衡度小于目标定值时结束控制逻辑，否则继续控制。
上述治理方法能够对电力系统三相不平衡进行快速、稳定及可靠性治理，提高电力系统的安全性。
其中负荷调控治理方法的过程如下：
台区下所有断路器有效组网通信，统一调控分配各分支线路负荷；通过对分支精确控制达到对应控制效果；
一般的规定一级断路器为主节点，其余断路器为从节点，各级断路器之间通过中控单元21的载波通信模块进行数据交换，并且所有从节点中控单元21的载波通信模块均可以起到中继作用。当各级断路器上电后，会分别去读取各自连接的断路器中的地址，以此作为自己这个节点的地址，并根据信噪比完成组网。
现在各级断路器通讯方式只能是主节点和从节点之间相互通讯，从节点之间不能直接通讯，从节点作为从设备发出去的命令都是带主节点地址的；从节点之间想要进行通讯的话，必须经过主节点；
其中监测单元22都可以读取断路器所在线路节点的数据，采集包括所在线路节点遥测、遥信数据等数值；
监测单元22将采集到的数据实时传输给中控单元21；
中控单元21对接收的数据进行实时处理，并根据所需实现控制策略需求对获取的数值进行独立计算，计算结果将会及时保存至当前节点，以备上级节点调取使用；
从节点断路器通过中控单元21的载波通信模块将计算后的数据发送给主节点断路器。
其中从节点无法直接进行通信，从节点之间通信必须经过主节点，从节点具体通信流程如下所示：
(1)从节点断路器先向主节点断路器发送请求读取另一从节点断路器的数据；
(2)主节点断路器收到从节点断路器发来的请求数据后，发送相应的请求数据到另一从节点断路器；
(3)另一从节点断路器收到主节点断路器发来的请求数据后回复主节点断路器；
(4)主节点断路器将从另一节点断路器的回复数据发送给从节点断路器；
(5)从节点断路器收到回复数据。
当主节点断路器检测到它的负荷达到饱和时，可通过事前设置的控制策略，根据用户用电的优先级，将优先级低的用户的断路器进行开闸，确保主节点下其余优先级更高的用户的用电保障；其中用户优先级关系需要提前通过平台配置给断路器；
如果主节点断路器下面的从节点断路器用户的优先级是一致的，那么可以关断当前负荷较小的断路器，来保障其余用户的用电情况。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低压智能断路器，包括断路器本体，其特征在于，还包括监测单元(22)、中控单元(21)和执行单元(23)；所述监测单元(22)、中控单元(21)和执行单元(23)依次相连；所述执行单元(23)包括换相开关；所述监测单元(22)用于监测所述断路器本体的电压和电流数据；所述中控单元(21)用于根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；所述中控单元(21)还用于根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。
2.根据权利要求1所述的低压智能断路器，其特征在于，所述中控单元(21)包括计算模块和判断模块，所述计算模块用于根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值；所述判断模块用于根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，以及判断所述功率值是否大于预设值。
3.根据权利要求1或2所述的低压智能断路器，其特征在于，所述中控单元(21)还包括载波通信模块。
4.一种基于权利要求1～3中任意一项所述的低压智能断路器的控制方法，其特征在于，包括：
所述监测单元(22)监测所述断路器本体的电压和电流数据；
所述中控单元(21)根据电压和电流数据得到三相电流平均值、三相电流不平衡度和功率值，并根据三相电流平均值和三相电流不平衡度来判断电网是否处于三相不平衡状态，并在电网处于三相不平衡状态时控制对应的换相开关动作以实现对三相不平衡的治理；
所述中控单元(21)根据功率值控制所述断路器本体的开关来实现负荷的调控。
5.一种如权利要求1～3中任意一项所述的低压智能断路器在低压配电台区中的应用方法。
6.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于，包括步骤：
台区下所有低压智能断路器进行组网通信；
在电力系统无异常的情况下，监测单元(22)实时获取当前三相负荷和换相开关状态，并实时传输给中控单元(21)；
中控单元(21)将监测单元(22)传输的数据进行分类处理，筛选出用于处理三相不平衡的三相电流数据，对数据进行逻辑计算，得到三相电流平均值和三相电流不平衡度；
中控单元(21)再将三相电流平均值和三相电流不平衡度与其对应设定值进行对比；当三相电流平均值和三相电流不平衡度均大于对应设定值时，则判断电网处于三相不平衡状态；
中控单元(21)读取下级低压智能断路器的数据，根据电力系统内所有执行单元(23)的运行状态，选取可控执行单元(23)和控制逻辑并通过计算所有可控执行单元(23)调节后的三相电流不平衡度，预测控制后的三相电流不平衡度；
根据执行单元(23)实时状态选择相应的三相电流不平衡度减小为目标进行控制；其中控制结束条件为当选择的控制能使三相平均电流小于设定值或者当前三相流不平衡度小于其设定值时结束控制逻辑，否则继续控制。
7.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于，所述三相电流平均值和三相电流不平衡度通过以下公式得到：
Iav＝(Ia+Ib+Ic)/3
ρ＝(Imax-Imin)/Imax
其中Iav为三相电流平均值，ρ为三相电流不平衡度，Ia、Ib、Ic分别为配电变压器低压侧A相、B相、C相电流值，Imax、Imin分别为配电变压器低压侧三相电流值中的最大值和最小值。
8.根据权利要求5～7中任意一项所述的应用方法，其特征在于，台区下所有断路器进行组网通信，具体为：
规定一级断路器为主节点，其余断路器为从节点，各级断路器之间通过中控单元(21)进行数据交换，并且所有从节点的中控单元(21)均起到中继作用；当各级断路器上电后，分别读取各自连接的断路器中的地址，以此作为自己节点的地址，并根据信噪比完成组网；
各级断路器通讯方式只能是主节点和从节点之间相互通讯，从节点之间不能直接通讯，从节点作为从设备发出去的命令带主节点地址的。
9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，从节点之间的通信流程为：
从节点断路器先向主节点断路器发送请求读取另一从节点断路器的数据；
主节点断路器收到从节点断路器发来的请求数据后，发送相应的请求数据到从另一节点断路器；
另一从节点断路器收到主节点断路器发来的请求数据后回复主节点断路器；
主节点断路器将从另一节点断路器的回复数据发送给从节点断路器；
从节点断路器收到回复数据。
10.根据权利要求9所述的应用方法，其特征在于，当主节点断路器检测到其负荷达到饱和时，可通过事前设置的控制策略，根据用户用电的优先级，将优先级低的用户的断路器进行开闸，确保主节点下其余优先级更高的用户的用电保障；如果主节点断路器下的从节点断路器用户的优先级是一致的，则可以关断当前负荷较小的断路器，来保障其余用户的用电情况；其中用户优先级关系提前配置在断路器中。
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