CN212627174U - 一种三相不平衡度监测装置、变压器及低压配电网系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型关于一种三相不平衡度监测装置、变压器及低压配电网系统。装置包括：采样模块，生成一采样数据进行输出；控制模块，包括单片机，该单片机用于接收采样数据，并对该采样数据进行计算处理，以判断电网的中性线电流是否异常；若是，则判断中性线电流是否小于等于一预设值，若是则生成第一处理结果，若大于则生成第二处理结果；生成相应的第一控制信号和第二控制信号；电容器组，使三相负载达到平衡状态；自动换相设备，通过有功调配使三相负载达到预平衡状态，再通过电容器组使该三相负载达到平衡状态。本实用新型不仅减少因三相不平衡度异常对低压配电网与用电设备造成的不良影响，而且降低线路与变压器的电能损耗，提高变压器效率。

Description

一种三相不平衡度监测装置、变压器及低压配电网系统

技术领域

本实用新型实施例涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种三相不平衡度监测装置、变压器及低压配电网系统。

背景技术

低压配电网大多是经过变压器降压后，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。在接入单相用户时，供电部门应该将单相负载均衡地分接在A、B、C三相上。但在实际工作及运行中，线路的标志、接电人员的疏忽再加上由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，都造成了三相负载的不平衡。特别是近年来“城中村”和城乡结合经济建设高速发展，大量新增的混合用电性质负荷增多，更加导致低压配电网系统的三相负载不平衡。

三相不平衡是指在电力系统中三相电流(或电压)幅值不一致，且幅值差超过规定范围。国标GB50052《变压器运行规程》、《供配电设计规范》中都规定了Y/Y n0接线的配电变压器运行时中线电流不能超过变压器相、线电流的25％。一般要求电力变压器低压电流的不平衡度不得超过10％，低压干线及主变支线始端的电流不平衡度不得超过20％。GB/T15543-2008《电能质量三相电压允许不平衡度》中规定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％，每个用户在公共节点引起的三相电压不平衡度不得超过1.3％。

目前已经建立三相不平衡度算法有13中，包括：三相电压不平衡度算法9种，三相有功不平衡度算法1种，三相电流不平衡度算法3种；但尚未建立一套能够兼容多种三相不平衡度算法的终端显示装置，以更好的监测三相不平衡度，并且适应不同算法的需求，提供给三相不平衡研究者及用户更加直观的分析与认识，因此，亟需一种兼容多种不平衡度算法的终端显示装置。另外，如何减少因三相不平衡度异常对低压配电网与用电设备造成的不良影响，以降低线路与变压器的电能损耗，提高变压器效率，也是目前急需解决的问题。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种三相不平衡度监测装置、变压器及低压配电网系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本实用新型实施例的第一方面，提供一种三相不平衡度监测装置，该装置包括：

采样模块，与三相电网连接，实时采集该三相电网的中性线电流信号，并将采集到的该信号生成一采样数据进行输出；

控制模块，包括单片机，该单片机用于接收所述采样数据，并对该采样数据进行计算处理，以判断所述电网的中性线电流是否异常；若是，则判断该中性线电流是否小于等于一预设值，若是则生成第一处理结果，若大于则生成第二处理结果；所述控制模块根据所述第一处理结果和第二处理结果生成相应的第一控制信号和第二控制信号；

电容器组，与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块生成的第一控制信号，以通过投切该电容器组实现无功补偿，而使三相负载达到平衡状态；

自动换相设备，与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块生成的第二控制信号，以通过有功调配使三相负载达到预平衡状态，再通过所述电容器组使该三相负载达到平衡状态。

本实用新型的一实施例中，该装置还包括：

模式选择按键模块，与所述控制模块连接，用于向控制模块发送指令，以使预存储的三相不平衡度算法结果能在显示模块上显示；

所述采样模块还实时采集所述三相电网的各相电压信号及电流信号，并发送至所述控制模块中，以用于该控制模块对所述三相不平衡度的计算。

本实用新型的一实施例中，该装置还包括存储装置，用于存储多种不同的所述三相不平衡度算法。

本实用新型的一实施例中，该装置还包括：

相位检测模块，一端与所述三相电网电源连接，用于检测三相电源相位，并将检测信号发送至所述控制模块。

本实用新型的一实施例中，该装置还包括通信模块，用于实现控制模块、电容器组及自动换相设备之间的通信连接。

本实用新型的一实施例中，该装置还包括执行模块，用于接收所述控制模块发出的动作信号，以切断三相电网电源与负载之间的连接。

本实用新型的一实施例中，所述执行模块为继电器。

本实用新型的一实施例中，所述无功补偿为采用SVG无功补偿器组进行的补偿；和/或，所述无功补偿为采用SVG无功补偿器组和三角形无功补偿器共同进行的补偿。

根据本实用新型实施例的第二方面，提供一种变压器，该变压器包括上述实施例所述的三相不平衡监测装置。

根据本实用新型实施例的第三方面，提供一种低压配电网系统，该系统包括上述实施例所述的三相不平衡监测装置。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型的实施例中，根据本实用新型提供的三相不平衡度监测装置，通过采样模块实时采集电网中的中性线电流信号，并根据控制模块将该中性线电流信号与预设值进行比较判断，从而生成相应的处理结果及控制信号，并且通过电容器组及自动换相设备接收对应的控制信号，以对电网进行无功补偿或是先进行有功调配后再进行无功补偿的方式，以达到三相平衡的目的，不仅减少因三相不平衡度异常对低压配电网与用电设备造成的不良影响，而且降低线路与变压器的电能损耗，提高变压器效率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。

图1示出本实用新型示例性实施例中三相不平衡度监测装置示意图；

图2示出本实用新型示例性实施例中三相不平衡度监测装置示意图；

图3示出本实用新型示例性实施例中三相不平衡度监测装置示意图；

图4示出本实用新型示例性实施例中三相不平衡无功补偿原理图；

图5示出本实用新型示例性实施例中电压检测模块的引脚图；

图6示出本实用新型示例性实施例中电流检测模块的引脚图；

图7示出本实用新型示例性实施例中控制模块的引脚图；

图8示出本实用新型示例性实施例中模式选择按键电路原理图；

图9示出本实用新型示例性实施例中相位检测模块的引脚图；

图10示出本实用新型示例性实施例中继电器执行模块的引脚图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本实用新型实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种三相不平衡度监测装置。参考图1中所示，该装置可以包括采样模块、控制模块、电容器组和自动换相设备。

所述采样模块与三相电网连接，实时采集该三相电网的中性线电流信号，并将采集到的该信号生成一采样数据进行输出；所述控制模块包括单片机，该单片机用于接收所述采样数据，并对该采样数据进行计算处理，以判断所述电网的中性线电流是否异常；若是，则判断该中性线电流是否小于等于一预设值，若是则生成第一处理结果，若大于则生成第二处理结果；所述控制模块根据所述第一处理结果和第二处理结果生成相应的第一控制信号和第二控制信号；所述电容器组与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块生成的第一控制信号，以通过投切该电容器组实现无功补偿，而使三相负载达到平衡状态；所述自动换相设备与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块生成的第二控制信号，以通过有功调配使三相负载达到预平衡状态，再通过所述电容器组使该三相负载达到平衡状态。

根据本实用新型提供的三相不平衡度监测装置，通过采样模块实时采集电网中的中性线电流信号，并根据控制模块将该中性线电流信号与预设值进行比较判断，从而生成相应的处理结果及控制信号，并且通过电容器组及自动换相设备接收对应的控制信号，以对电网进行无功补偿或是先进行有功调配后再进行无功补偿的方式，以达到三相平衡的目的。

下面，将参考图1至图10对本示例实施方式中的上述三相不平衡度监测装置的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，如图1-3所示，采样模块实时对三相电网的中性线电流进行采集，并将采集的中性线电流信号生成采样数据输出，具体为将采样数据通过串行总线送往上述控制模块中的单片机进行接收。如图7所示，单片机接收数据后，根据A/D采样数据计算出电流有效值，并通过其运算功能实时完成FFT计算，并完成三相不平衡的判断，首先判断电网中的中性线电流是否发生异常，若异常，则判断中性线电流是否小于等于一预设值，若是单片机将会生成第一处理结果，并且由控制模块根据该第一处理结果生成相应的第一控制信号进行发送；若中性线电流大于预设值，则由单片机生成第二处理结果，并由控制模块根据该第二处理结果生成相应的第二控制信号进行发送。需要说明的是，预设值可根据三相负载不平衡度的允许值范围而设定在程序之中，三相负载不平衡度ε＝In/Imax，其中，In为中性线电流，Imax为三相线电流的最大值，三相电流是由电流采样模块检测，如图6所示。中性线电流的预设值可根据实际适用场所具体设定，例如，具体的预设值可根据实际使用场合的三相负载不平衡度的允许值范围与检测的三相线电流的最大值的乘积来作为预设值设定，然后通过中性线电流与预设值的比较来判断是否直接进行无功补偿和或是先进行有功调配然后再进行无功补偿的方式，从而使得三相负载平衡，但不限于此。

另外，在三相电网电源与三相负载之间还设置有电容器组和自动换相设备。电容器组与上述控制模块连接，用于接收控制模块生成的第一控制信号，以通过投切该电容器组实现无功补偿的方式使三相负载达到平衡状态，当电网三相不平衡时，且检测到中性线电流小于等于预设值，控制模块将投切上述电容器组补偿装置接入到被补偿系统中，以对被补偿系统进行无功补偿，即无功功率补偿。如图4所示，在一个示例中，所述无功补偿为采用SVG无功补偿器组进行的补偿；和/或，所述无功补偿为采用SVG无功补偿器组和三角形无功补偿器共同进行的补偿。SVG无功补偿器组为利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的；但在实际中SVG无功补偿器组在进行无功补偿时，不能很好的使中性线电流趋近于零，因此需要SVG无功补偿器组进行的分相补偿和三角形无功补偿器组进行的三相共补的微调来实现补偿目的，从而使中性线电流无限趋近于零，以实现无功补偿，使三相负载达到平衡状态，具体技术可参考现有无功补偿装置，通过该种无功补偿方式能够使三相负载达到平衡状态；若是电网三相达到平衡后，控制模块将投切上述电容器组补偿装置从被补偿系统中断开。自动换相设备与上述控制模块连接，用于接收控制模块生成的第二控制信号，通过有功调配的方式将三相负载达到预平衡状态，具体为当控制模块检测到中性线电流大于预设值时，将控制该自动换相设备切换负荷较高的一相给负荷较低的一相，该过程可通过控制模块的强大分析计算能力实现，此时的中性线电流接近于零，以实现三相负载预平衡，当该三相负载达到预平衡状态后，将会将该结果上报至控制模块，上述电容器组将会再次接收控制模块发送的第一控制信号，通过上述方式控制电容器组投切接入到被补偿系统中，以对被补偿系统进行无功补偿，从而使三相负载达到平衡状态。

在一个实施例中，如图8所示，该装置还包括模式选择按键模块，与所述控制模块连接，用于向控制模块发送指令，以使预存储的三相不平衡度算法结果能在显示模块上显示；所述采样模块还实时采集所述三相电网的各相电压信号及电流信号，并发送至所述控制模块中，以用于该控制模块对所述三相不平衡度的计算。具体的，目前已经建立的三相不平衡度算法有13种，包括：三相电压不平衡度算法9种，三相有功不平衡度算法1种，三相电流不平衡度算法3种，为更好的监测三相不平衡度，将该13种三相不平衡度算法输入该监测装置中的存储模块，在一个示例中，该装置还包括存储装置，用于存储多种不同的所述三相不平衡度算法。具体的，该监测装置还包括显示模块，并且显示模块上设有模式选择按键模块，该按键模块对应13种不平衡度算法，相对应于13种工作模式，可通过该按键模块对13种模式进行选择，当用户按压对应模式的按键模块后，控制模块将调取存储模块内存储的对应的不平衡度算法公式，然后将采样模块采集到的三相电网的各相电压、电流信号转化为数据，并导入该不平衡度算法公式中，并将最终结果通过显示模块进行显示，该种设置能够适应不同算法的需求，能够提供给三相不平衡研究者及用户更加直观的分析与认识，而且为用户和技术人员提供更多直观比较，便于用户维护和技术人员分析电力系统故障；同时也增加了三相不平衡监测装置的智能性，为装置的继续开发提供了参考。

在一个实施例中，该装置还包括相位检测模块，如图9所示，一端与所述三相电网电源连接，用于检测三相电源相位，并将检测信号发送至所述控制模块。具体的，该相位检测模块设置于三相电网电源与控制模块之间，用于检测三相电源相位，并将检测信号发送至控制模块，以通过控制模块判断补偿的方式及补偿量，具体为通过检测相位来判断是要超前补偿或者滞后补偿，确保过零投切，防止投切时对电网造成的震荡。根据检测的相位可以检测功率因数，进而可以确定需要投切多少电容器组就能达到无功补偿效果实现三相负载平衡。相当于从另外一个层面对中性线电流与预设值的判断而采取的补偿方式进行辅助补充，使得补偿方式更精确，以免误补偿。

在一个实施例中，该装置还包括通信模块，用于实现控制模块、电容器组及自动换相设备之间的通信连接。具体的，为使该监测装置更加快速便捷，该监测装置中的各个子模块之间可设置通信模块，该通信模块可为无线通信方式，但不限于此。

在一个实施例中，该装置还包括执行模块，用于接收所述控制模块发出的动作信号，以切断三相电网电源与负载之间的连接。

具体的，当三相电网或三相负载发生故障，例如发生短路、单相接地、两相接地的情况时，控制模块所接收的采集数据也将呈现异常状态，此时控制模块将发送给执行模块一动作信号，如图10所示，在一个示例中，所述执行模块为继电器。该继电器设置于三相电源与三相负载之间，当该继电器接收到控制模块发送的动作信号时，便切断三相电网电源与负载之间的连接，以防止发生意外触电等事故。需要说明的是，该执行模块在发生如短路、单相接地等故障情况下才切断三相电网电源与负载之间的连接，但在相对于该故障情况的正常情况下，该执行模块保持常闭状态。

根据本实用新型提供的三相不平衡度监测装置，通过采样模块实时采集电网中的中性线电流信号，并根据控制模块将该中性线电流信号与预设值进行比较判断，从而生成相应的处理结果及控制信号，并且通过电容器组及自动换相设备接收对应的控制信号，以对电网进行无功补偿或是先进行有功调配后再进行无功补偿的方式，以达到三相平衡的目的。

本实用新型实施例还提供一种变压器，包括上述任一实施例中的三相不平衡度监测装置。关于该三相不平衡度监测装置具体可参考前述实施例，此处不再赘述。

进一步的，本实用新型实施例的还提供一种低压配电网系统，包括上述任一实施例中所述的三相不平衡度监测装置。关于该三相不平衡度监测装置具体可参考前述实施例，此处不再赘述。

根据本实用新型提供的三相不平衡度监测装置，通过采样模块实时采集电网中的中性线电流信号，并根据控制模块将该中性线电流信号与预设值进行比较判断，从而生成相应的处理结果及控制信号，并且通过电容器组及自动换相设备接收对应的控制信号，以对电网进行无功补偿或是先进行有功调配后再进行无功补偿的方式，以达到三相平衡的目的，不仅减少因三相不平衡度异常对低压配电网与用电设备造成的不良影响，而且降低线路与变压器的电能损耗，提高变压器效率。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种三相不平衡度监测装置，其特征在于，该装置包括：

采样模块，与三相电网连接，实时采集该三相电网的中性线电流信号，并将采集到的该信号生成一采样数据进行输出；

控制模块，包括单片机，该单片机用于接收所述采样数据，并对该采样数据进行计算处理，以判断所述电网的中性线电流是否异常；若是，则判断该中性线电流是否小于等于一预设值，若是则生成第一处理结果，若大于则生成第二处理结果；所述控制模块根据所述第一处理结果和第二处理结果生成相应的第一控制信号和第二控制信号；

电容器组，与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块生成的第一控制信号，以通过投切该电容器组实现无功补偿，而使三相负载达到平衡状态；

自动换相设备，与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块生成的第二控制信号，以通过有功调配使三相负载达到预平衡状态，再通过所述电容器组使该三相负载达到平衡状态。

2.根据权利要求1所述监测装置，其特征在于，该装置还包括：

模式选择按键模块，与所述控制模块连接，用于向控制模块发送指令，以使预存储的三相不平衡度算法结果能在显示模块上显示；

所述采样模块还实时采集所述三相电网的各相电压信号及电流信号，并发送至所述控制模块中，以用于该控制模块对所述三相不平衡度的计算。

3.根据权利要求2所述监测装置，其特征在于，该装置还包括存储装置，用于存储多种不同的所述三相不平衡度算法。

4.根据权利要求1所述监测装置，其特征在于，该装置还包括：

相位检测模块，一端与所述三相电网电源连接，用于检测三相电源相位，并将检测信号发送至所述控制模块。

5.根据权利要求1所述监测装置，其特征在于，该装置还包括通信模块，用于实现控制模块、电容器组及自动换相设备之间的通信连接。

6.根据权利要求1所述监测装置，其特征在于，该装置还包括执行模块，用于接收所述控制模块发出的动作信号，以切断三相电网电源与负载之间的连接。

7.根据权利要求6所述监测装置，其特征在于，所述执行模块为继电器。

8.根据权利要求1所述监测装置，其特征在于，所述无功补偿为采用SVG无功补偿器组进行的补偿；和/或，所述无功补偿为采用SVG无功补偿器组和三角形无功补偿器共同进行的补偿。

9.一种变压器，其特征在于，该变压器包括权利要求1～8任一项所述的三相不平衡度监测装置。

10.一种低压配电网系统，其特征在于，该系统包括权利要求1～8任一项所述的三相不平衡度监测装置。

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