一种智能换相控制装置及换相控制方法与流程

文档序号:11233702
一种智能换相控制装置及换相控制方法与流程

本发明涉及配电网领域,尤其涉及一种智能换相控制装置及换相控制方法。



背景技术:

我国配电网内电力用户众多且位置分散,存在大量的时空分布不平衡的单相负荷,导致多数配电台区存在不同程度的三相负荷不平衡问题。三相负荷不平衡对配电台区造成配电变压器和负荷线路损耗增加,配电台区重载相的电压质量下降,配电变压器出力降低,电能转换效率下降,三相不平衡运行造成配电变压器零序电流增大,引起的涡流损耗使配电变压器运行温度升高,危及变压器安全和寿命。

目前针对配电台区的三相不平衡问题的解决方式是基于台区控制终端的换相控制系统,其基本原理是通过台区管理终端,实时监测配电变压器的运行工况,在三相负荷不平衡越限的情况下,台区控制终端以通讯的方式选择性地遥控终端负荷的换相开关,将挂在重载相别的负荷切换到轻载相别,以达到负荷平衡的目的。但不足之处在于:常规的换相开关是基于机械式的分合操作,切换期间有短时的供电中断,不能被供电部门和用户所接受。



技术实现要素:

为了克服上述现有技术中的不足,本发明提供一种智能换相控制装置,包括:模拟量输入模块,AD转换器,处理器,换相控制模块,载波通讯模块以及用于给智能换相控制装置内部元件提供电源的电源模块;

模拟量输入模块通过AD转换器与处理器连接,模拟量输入模块用于获取配电网的三相电压信号和电流信号,并将电压、电流信号通过AD转换器后传输至处理器;

换相控制模块,载波通讯模块分别与处理器连接,载波通讯模块用于向台区控制终端上传负荷电流值及电子换相开关三相状态,同时接收台区控制终端的换相指令;

处理器用于接收模拟量输入模块传输的配电网的三相电压信号和电流信号,采用半波傅立叶变换算法计算出三相电压、负荷电流幅值及相位,实现测量显示及通讯远传功能,同时实现过压、欠压、过流保护功能;当接收到台区控制终端发出的换相指令后,实时判断电压、电流采样波形,通过向控制换相控制模块发出换相指令,实现换相动作;换相动作完成后,通过载波通讯模块向台区控制终端上传操作结果;

换相控制模块用于根据处理器发出的换相指令,控制电子换相开关执行换相动作。

优选地,模拟量输入模块包括:电压输入电路,电流输入电路,信号放大电路,低通滤波电路;

电压输入电路用于获取配电网的电压信号,电流输入电路用于获取配电网的电流信号,信号放大电路用于将获取的电压信号和电流信号进行运放,低通滤波电路将运放的电压信号和电流信号进行滤波,滤波后传入AD转换器。

优选地,电压输入电路包括:第一电阻R1,过压保护装置FU,第一变压器T1;

过压保护装置FU的第一端与电压输入电路的第一输入端连接,过压保护装置FU的第二端通过第一电阻R1连接第一变压器T1一次侧的第一端,第一变压器T1一次侧的第二端连接电压输入电路的第二输入端;第一变压器T1的二次侧接信号放大电路;

电流输入电路包括:第二电阻R2,第三电阻R3,第二变压器T2;

电流输入电路的第一输入端分别与第二电阻R2第一端,第二变压器T2一次侧的第一端,第三电阻R3第一端连接;电流输入电路的第二输入端分别与第二电阻R2第二端和第二变压器T2一次侧的第二端连接;第三电阻R3第二端与第二变压器T2二次侧第一端及电流输入电路的第一输出端连接,第二变压器T2二次侧第二端与电流输入电路的第二输出端连接;

信号放大电路包括:第四电阻R4,第五电阻R5,第一电容C1,第二电容C2,第十一运放器U11;

信号放大电路的输入端分别与第四电阻R4第一端,第一电容C1第一端,第十一运放器U11二脚连接,第十一运放器U11三脚接地,第十一运放器U11四脚接地,第十一运放器U11五脚接电源,第十一运放器U11一脚分别与第四电阻R4第二端,第一电容C1第二端,第五电阻R5第一端连接,第五电阻R5第二端分别与第二电容C2第一端,信号放大电路的输出端连接,第二电容C2第二端接地。

优选地,处理器采用MCU芯片,MCU芯片兼具高效率数字信号处理能力和微程序控制器的实时控制能力,内核工作频率可达120MHz,程序空间和数据空间分开编址,支持并行处理,片内集成了相当容量的FLASH、RAM以及丰富的I/O模块,并具有多个带输入捕捉的定时器;

载波通讯模块采用FSK调制方式,半双工方式与处理器的异步串行口通信,处理器使用DMA模式读取异步串行口收发数据,实现与台区控制终端的数据交互。

优选地,还包括:多个LED工作指示灯;

处理器还用于根据换相指令,对LED工作指示灯显示内容进行控制,更新相应的LED工作指示灯显示状态;处理器在每个预设的循环周期进行自检操作,若自检失败则发出告警指示,并闭锁智能换相控制装置。

优选地,换相控制模块包括:换相开关控制电路,辅助电源电路;

换相开关控制电路用于控制电子换相开关动作;辅助电源电路用于向换相控制模块提供激励+24电源,辅助电源电路包括:第十一电阻R11,第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第三电容C3,第四电容C4,第五电容C5,第六电容C6,电感L,二极管D,电源芯片U1;

辅助电源电路输入端分别与第十一电阻R11第一端,第三电容C3第一端,电源芯片U1六脚连接,第三电容C3第二端,电源芯片U1四脚,第十四电阻R14第二端,第四电容C4第二端,第五电容C5第二端分别接地,第十一电阻R11第二端分别与电源芯片U1七脚,电感L第一端,第十二电阻R12第一端连接,第十二电阻R12第二端接电源芯片U1八脚,电感L第二端分别与电源芯片U1一脚,二极管D阳极连接,二极管D阴极分别与第十三电阻R13第一端,第四电容C4第一端,第五电容C5第一端,辅助电源电路输出端连接,电源芯片U1二脚接地,三脚通过第六电容C6接地,第十三电阻R13第二端分别与电源芯片U1五脚第十四电阻R14第一端连接。

优选地,换相开关控制电路包括:第二运放器U2,第三运放器U3,第四运放器U4,第五运放器U5,第一三极管Q1,第二三极管Q2,第六电阻R6,第七电阻R7;

换相开关控制电路的SET脚分别与第二运放器U2的一脚和第五运放器U5的一脚连接,第二运放器U2二脚,第三运放器U3二脚,第四运放器U4二脚,第五运放器U5二脚分别接地,第二运放器U2的三脚分别与第六电阻R6第一端和第一三极管Q1基极连接,换相开关控制电路的RST脚分别与第三运放器U3一脚和第四运放器U4一脚连接,第三运放器U3三脚分别与第一三极管Q1集电极和换相开关控制电路的OUT+连接,第五运放器U5分别与第二三极管Q2集电极和换相开关控制电路的OUT-连接,第四运放器U4三脚分别与第七电阻R7第一端和第二三极管Q2基极连接,第六电阻R6第二端,第七电阻R7第二端,第一三极管Q1发射极,第二三极管Q2发射极分别与+24电源连接。

优选地,还包括:电子开关元件触头端电压测量模块;

电子开关元件触头端电压测量模块用于检测电子换相开关中每一相的换相前电压和换相后电压,并将检测是电压信号传输至处理器。

一种换相控制方法,方法包括:

智能换相控制装置上电或复位后执行初始化操作,读取测频方波边沿信号计算实时频率,并同步调整采样间隔;采用半波傅立叶变换算法计算出三相电压、负荷电流幅值及相位,实现测量显示及通讯远传功能,同时实现过压、欠压、过流保护功能;

当接收到台区控制终端发送的换相指令后,智能换相控制装置根据台区三相电的电压、电流采样波形,

通过处理器内置的定时器判断出接收到换相指令后电流的第一个过零点,此时根据频率预判出第二个过零点的发生时刻,智能换相控制装置根据换相开关的固有动作时间,预先发出切换指令,在电流过零点时瞬时断开负载;

换相动作完成后,通过载波通讯模块上传换相结果。

优选地,初始化操作包括采样数据初始化、通信数据初始化、IO口初始化、AD采样初始化,

初始化操作之后还包括:智能换相控制装置进行自检操作,自检成功后读取测频方波边沿信号计算实时频率;

智能换相控制装置的处理器在每个预设的循环周期运行自检操作,若自检失败则发出告警指示,并闭锁智能换相开关。

从以上技术方案可以看出,本发明具有以下优点:

智能换相控制装置利用载波通讯模块与台区控制终端系统通讯,在收到其下发的换相指令后,根据电压、电流采样波形过零点投切实现换相功能,实现智能无缝换相技术,从接收到换相指令到换相完成整个过程实时跟踪电压、电流相位过零点,切换操作短时可靠,且保证不发生换相搭接。实现过零换相控制,全正弦波切换,无谐波产生,投切无涌流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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为智能换相控制装置的整体示意图;

图2为电压输入电路的电路图;

图3为电流输入电路电路图;

图4为信号放大电路电路图;

图5为辅助电源电路电路图;

图6为换相开关控制电路电路图;

图7为换相控制方法流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面将运用具体的实施例及附图,对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部的实施例。基于本专利中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本专利保护的范围。

本实施例提供一种智能换相控制装置,如图1所示,包括:模拟量输入模块1,AD转换器2,处理器3,换相控制模块4,载波通讯模块5以及用于给智能换相控制装置内部元件提供电源的电源模块6;

模拟量输入模块1通过AD转换器2与处理器3连接,模拟量输入模块1用于获取配电网的三相电压信号和电流信号,并将电压、电流信号通过AD转换器2后传输至处理器3;

换相控制模块4,载波通讯模块5分别与处理器3连接,载波通讯模块5用于向台区控制终端上传负荷电流值及换相开关三相状态,同时接收台区控制终端的换相指令;

处理器3用于接收模拟量输入模块1传输的配电网的三相电压信号和电流信号,采用半波傅立叶变换算法计算出三相电压、负荷电流幅值及相位,实现测量显示及通讯远传功能,同时实现过压、欠压、过流保护功能;当接收到台区控制终端发出的换相指令后,实时判断电压、电流采样波形,通过向控制换相控制模块发出换相指令,实现换相动作;换相动作完成后,通过载波通讯模块5向台区控制终端上传操作结果;换相控制模块4用于根据处理器发出的换相指令,控制电子换相开关执行换相动作。电源模块6提供智能换相控制装置所需的直流24V、±12V、5V电压。

本实施例中,模拟量输入模块1包括:电压输入电路,电流输入电路,信号放大电路,低通滤波电路;电压输入电路用于获取配电网的电压信号,电流输入电路用于获取配电网的电流信号,信号放大电路用于将获取的电压信号和电流信号进行运放,低通滤波电路将运放的电压信号和电流信号进行滤波,滤波后传入AD转换器。

如图2所示,电压输入电路包括:第一电阻R1,过压保护装置FU,第一变压器T1;过压保护装置FU的第一端与电压输入电路的第一输入端连接,过压保护装置FU的第二端通过第一电阻R1连接第一变压器T1一次侧的第一端,第一变压器T1一次侧的第二端连接电压输入电路的第二输入端;第一变压器T1的二次侧接信号放大电路;

如图3所示,电流输入电路包括:第二电阻R2,第三电阻R3,第二变压器T2;电流输入电路的第一输入端分别与第二电阻R2第一端,第二变压器T2一次侧的第一端,第三电阻R3第一端连接;电流输入电路的第二输入端分别与第二电阻R2第二端和第二变压器T2一次侧的第二端连接;第三电阻R3第二端与第二变压器T2二次侧第一端及电流输入电路的第一输出端连接,第二变压器T2二次侧第二端与电流输入电路的第二输出端连接;

如图4所示,信号放大电路包括:第四电阻R4,第五电阻R5,第一电容C1,第二电容C2,第十一运放器U11;信号放大电路的输入端分别与第四电阻R4第一端,第一电容C1第一端,第十一运放器U11二脚连接,第十一运放器U11三脚接地,第十一运放器U11四脚接地,第十一运放器U11五脚接电源,第十一运放器U11一脚分别与第四电阻R4第二端,第一电容C1第二端,第五电阻R5第一端连接,第五电阻R5第二端分别与第二电容C2第一端,信号放大电路的输出端连接,第二电容C2第二端接地。

本实施例中,处理器3采用MCU芯片,MCU芯片兼具高效率数字信号处理能力和微程序控制器的实时控制能力,内核工作频率可达120MHz,程序空间和数据空间分开编址,支持并行处理,片内集成了相当容量的FLASH、RAM以及丰富的I/O模块,并具有多个带输入捕捉的定时器;载波通讯模块采用FSK调制方式,半双工方式与处理器的异步串行口通信,处理器使用DMA模式读取异步串行口收发数据,实现与台区控制终端的数据交互。

本实施例中,智能换相控制装置还包括:多个LED工作指示灯;处理器3还用于根据换相指令,对LED工作指示灯显示内容进行控制,更新相应的LED工作指示灯显示状态;处理器在每个预设的循环周期进行自检操作,若自检失败则发出告警指示,并闭锁智能换相控制装置。

本实施例中,如图5和图6所示,换相控制模块4包括:换相开关控制电路,辅助电源电路;

换相开关控制电路用于控制电子换相开关动作;辅助电源电路用于向换相控制模块提供激励+24电源,辅助电源电路包括:第十一电阻R11,第十二电阻R12,第十三电阻R13,第十四电阻R14,第三电容C3,第四电容C4,第五电容C5,第六电容C6,电感L,二极管D,电源芯片U1;

辅助电源电路输入端分别与第十一电阻R11第一端,第三电容C3第一端,电源芯片U1六脚连接,第三电容C3第二端,电源芯片U1四脚,第十四电阻R14第二端,第四电容C4第二端,第五电容C5第二端分别接地,第十一电阻R11第二端分别与电源芯片U1七脚,电感L第一端,第十二电阻R12第一端连接,第十二电阻R12第二端接电源芯片U1八脚,电感L第二端分别与电源芯片U1一脚,二极管D阳极连接,二极管D阴极分别与第十三电阻R13第一端,第四电容C4第一端,第五电容C5第一端,辅助电源电路输出端连接,电源芯片U1二脚接地,三脚通过第六电容C6接地,第十三电阻R13第二端分别与电源芯片U1五脚第十四电阻R14第一端连接。

换相开关控制电路包括:第二运放器U2,第三运放器U3,第四运放器U4,第五运放器U5,第一三极管Q1,第二三极管Q2,第六电阻R6,第七电阻R7;

换相开关控制电路的SET脚分别与第二运放器U2的一脚和第五运放器U5的一脚连接,第二运放器U2二脚,第三运放器U3二脚,第四运放器U4二脚,第五运放器U5二脚分别接地,第二运放器U2的三脚分别与第六电阻R6第一端和第一三极管Q1基极连接,换相开关控制电路的RST脚分别与第三运放器U3一脚和第四运放器U4一脚连接,第三运放器U3三脚分别与第一三极管Q1集电极和换相开关控制电路的OUT+连接,第五运放器U5分别与第二三极管Q2集电极和换相开关控制电路的OUT-连接,第四运放器U4三脚分别与第七电阻R7第一端和第二三极管Q2基极连接,第六电阻R6第二端,第七电阻R7第二端,第一三极管Q1发射极,第二三极管Q2发射极分别与+24电源连接。

本实施例中,智能换相控制装置还包括:电子开关元件触头端电压测量模块;电子开关元件触头端电压测量模块用于检测电子换相开关中每一相的换相前电压和换相后电压,并将检测是电压信号传输至处理器。

若为正常相电压值则说明负载完全切断,若为零则切换失败或硬件回路异常,此时智能换相控制装置自动闭锁不再执行合目标相动作,确保不发生相间短路。负载完全切断后,智能换相控制装置寻找目标相的电压过零点,在电压过零点前,提前驱动电子换相开关,使电子换相开关在过零瞬时闭合恢复线路供电。整个分合响应时间为毫秒级的切换,用户和通常的用电设备感觉不到,大大提高了供电可靠性。

本发明还提供一种换相控制方法,如图7所示,方法包括:

智能换相控制装置上电或复位后执行初始化操作,读取测频方波边沿信号计算实时频率,并同步调整采样间隔;采用半波傅立叶变换算法计算出三相电压、负荷电流幅值及相位,实现测量显示及通讯远传功能,同时实现过压、欠压、过流保护功能;

当接收到台区控制终端发送的换相指令后,智能换相控制装置根据台区三相电的电压、电流采样波形,

通过处理器内置的定时器判断出接收到换相指令后电流的第一个过零点,此时根据频率预判出第二个过零点的发生时刻,智能换相控制装置根据换相开关的固有动作时间,预先发出切换指令,在电流过零点时瞬时断开负载;

换相动作完成后,通过载波通讯模块上传换相结果。

初始化操作包括采样数据初始化、通信数据初始化、IO口初始化、AD采样初始化,

初始化操作之后还包括:智能换相控制装置进行自检操作,自检成功后读取测频方波边沿信号计算实时频率;

智能换相控制装置的处理器在每个预设的循环周期运行自检操作,若自检失败则发出告警指示,并闭锁智能换相开关。

具体的,智能换相控制装置正常工作时采集安装处的三相电压及负荷电流,外部电压、电流信号经相应的互感器变换成小的电压信号,经一级运算放大器再低通滤波后接入AD进行采样。考虑到傅氏算法和跟踪判别过零点的需要,必须固定每一基波周期的采样点数,由于系统的基波频率并不一定是固定的50Hz,通常略有偏差,先将A相电压调制成方波输入到处理器的定时器,利用定时器的计数功能和边沿触发中断功能进行捕获上升沿进行频率跟踪,消除基频波动引起的计算误差。

智能换相控制装置的处理器采用高性能的MCU芯片,兼具高效率数字信号处理能力和微程序控制器的实时控制能力,内核工作频率可达120MHz,程序空间和数据空间分开编址,支持并行处理,片内集成了相当容量的FLASH、RAM以及丰富的I/O模块,并具有多个带输入捕捉的定时器,中断管理功能强大。载波模块采用FSK调制方式,半双工方式与处理器的异步串行口通信,处理器使用DMA模式读取异步串行口收发数据,实现与台区管理终端的数据交互

本发明采用电子换相开关元件作为换相操作的执行机构,和普通电磁继电器一样可以对电路起着接通和切断作用,承载能力大。为延长电子换相开关使用寿命,应用中需尽量消除拉弧保护其触点,具体方法是在零电压处导通、在零电流处关断,同时可以减小开关瞬态效应,降低对用户用电设备的冲击

本发明中,辅助电源电路作为换相开关控制电路的激励电压源,同时内置智能触发电路,执行换相动作的换相开关控制电路由处理器的GPIO口直接驱动SET管脚,同理执行复位操作也是由处理器的另一路GPIO口驱动 RST管脚。智能换相控制装置将三相电压、负载电流信号进行硬件滤波,消除除基波外的所有其他谐波信号,然后通过过零检测电路将相应的正弦波整为方波,其上升沿、下降沿均为实际过零点。由于电子换相开关存在固有动作时间,需在接近过零点之前的某时刻提前发出关断命令,这样确保触点在很接近过零点时动作,可消除拉弧对触点的粘合作用。智能换相控制装置通过定时器判断出接收到换相指令后负载电流的第一个过零点,此时根据频率可预判出第二个过零点的发生时刻,根据电子换相开关的固有动作时间提前驱动GPIO口,在负荷电流过零点时瞬时断开负载。智能换相控制装置可记录下从发出指令到分断成功之间的时间,利用此值去修正电子开关的固有动作时间,这样可以使下次切换操作控制更精确。然后智能换相控制装置立即判断该电子开关的动、静触头端电压。智能换相控制装置判断若目标相电压为正常相电压值则说明负载完全切断,若为零可能是切换失败或硬件回路异常,此时软件自动闭锁不再执行合目标相动作,可确保不发生相间短路。负载完全切断后,智能换相控制装置寻找目标相的电压过零点,方法同上,在电压过零点时前提前驱动GPIO口,使电子开关在过零瞬时闭合恢复线路供电。整个分合响应时间为毫秒级的切换,用户和通常的用电设备感觉不到,大大提高了供电可靠性。

智能换相控制装置采用模块化封装电源,防尘防潮防氧化,交流输入。外部输入电压经抗干扰滤波回路后,利用逆变原理输出本装置需要的三组直流电压,即+5V、±12V和+24V,三组电压均不共地,且采用浮地方式,同外壳不相连。其中,+5V为装置内部微处理器的工作电源,±12V为数据采集系统电源,+24V用于驱动电子开关。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

再多了解一些
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