一种换相装置的制作方法

总的而言本实用新型属于电力领域，特别涉及一种换相装置。

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。我们将配电变压器所供电的区域成为配电台区，如图1所示，配电变压器经三相交流母线A、B、C向外送电，用户1、用户2……用户n分别与三相交流母线相连，以用户1为例，用户1通过机械式触点开关KA1与A相相连，通过KB1与B相相连，通过KC1与C相相连，在通常供电中，KA1、KB1、KC1仅有一个闭合，图1中KA1闭合，则用户1接入了A向，同理用户2接入了B相，用户n接入了C相。由于各用户用电设备不同，这样极易造成三相间负荷不平衡。例如当过多的大负荷(大功率)用户接入A相后，会使得A相负荷急剧增加，B相或C相由于接入用户较少，而负荷相对较轻，这样便造成了A、B、C三相间的不平衡。三相负荷不平衡会造成配电变压器和负荷线路损耗增加，供电压质量下降，电能转换效率下降，配电变压器运行温度升高等一系列危害。

对此，现有技术中为了解决三相负荷不平衡问题，一般通过台区管理终端，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，台区管理终端以通讯的力式选择性地遥控终端负荷的进行换相，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。继续参考图1，例如当A相负荷过大时，此时台区管理终端发出换相指令，接收到指令后开关KA1打开，KB1闭合，这样便将用户1由A相切换至了B相，减轻了A相负荷，使得各相间重新平衡。但这一换相过程中机械式触点开关打开与闭合的时机较为随意，其对于受电用户和开关的冲击均较大，在打开与闭合过程中均会产生电弧，切换期间有短时的供电中断，这一中断在一些重要的供电场合(例如医院等)是不能被接受的。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种换相装置。

一种换相装置，包括：通信模块，用于接收从当前相切换至目标相的换相指令；周期测量模块，用于获取用户所在当前相的电流周期T1和用户所要接入的目标相的电压周期T2；多个无触点开关单元，用于经所述多个无触点开关单元将用户分别与所述三相交流母线相连；存储模块，用于预存储所述多个无触点开关单元的导通时间；中央处理模块，所述中央处理模块分别与所述通信模块、周期测量模块和存储模块相连，中央处理模块使得在目标相的电压过零时刻t2导通目标相的无触点开关单元。还包括，波形变换模块，用于将三相交流母线的交流信号变为方波信号。还包括，沿检测模块，用于检测所述方波信号的上升沿和下降沿；所述中央处理模块，用于根据所述上升沿和下降沿判断当前相的电流过零点和目标相的电压过零点。还包括，周期测量模块，用于对上升沿和下降沿进行计数，根据计数结果计算所述当前相的电流周期T1和目标相的电流周期T2。还包括智能管理终端，用于计算三相交流母线的各相负荷，当各相负荷之差大于设定阈值时向换相装置发送所述换相指令。

本实用新型的有益效果是：在配电台区发生三相不平衡时，将造成三相不平衡的单相负荷断电后，投切到另一相的方式来调整三相负荷平衡，在负荷终端换相过程中采用智能无缝换相技术短时切换，使终端用户感受不到换相的切换过程，同时最大限度地保护用电设备；精确的过零换相控制，无谐波产生，投切无涌流，且无导通压降及损耗，无需散热部件；采用无触点电子开关元件作为换相操作的执行机构，承载能力很大，使用寿命长，在零电压处导通、在零电流处关断，可以减小开关瞬态效应，降低对用户用电设备的冲击。

附图说明

图1为本实用新型现有技术的结构示意图；

图2是本实用新型整体结构示意图；

图3为本实用新型换相装置的结构示意图；

图4为本实用新型控制单元的结构示意图；

图5为本实用新型换相波形图；

图6为本实用新型换相方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，使本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

实施例1

请参阅图2首先对本实用新型的整体结构做介绍。本实用新型中智能管理终端用于检测配电变压器的三相交流母线A、B、C的各相的负荷，电量测量装置如电流表、电压表等测量三相交流母线A、B、C的电压、电流等参数，将这些参数传输至智能管理终端，智能管理终端与分散安装于各地的换相装置相互通信，根据三相交流母线A、B、C各相的负荷和各换相装置的负荷状况向相应的装置发出换相指令，换相装置接收到该换相指令后执行换相操作。智能管理终端还可以通过例如GPRS与监控中心通信，以将智能管理终端的状态发送至监控中心，或接收监控中心发送的换相阈值。

请参阅图3，用户通过a、b、c三根电力线分别与三相交流母线A、B、C相连，A相交流母线上连接有A相第一检测单元SA1，a相电力线与A相无触点开关单元TA相连，TA经A相第二检测单元SA2连接用户；同样的，B相交流母线上连接有B相第一检测单元SB1，b相电力线与B相无触点开关单元TB相连，TB经A相第二检测单元SA2连接用户；C相交流母线上连接有C相第一检测单元SC1，c相电力线与C相无触点开关单元TC相连，TC经C相第二检测单元SC2连接用户。第一检测单元SA1、SB1、SC1，第二检测单元SA2、SB2、SC2，分别与控制单元相连，控制单元的输出端连接无触点开关单元TA、TB、TC。控制单 元通过通信模块与智能管理终端通信，以接收智能管理终端发送的换相指令。

TA、TB、TC可以采用晶闸管、IGBT等电力电子器件，这类电力电子器件内部不存在机械式触点，通过控制信号可以控制无触点开关单元的导通与关断，以晶闸管为例，图1中控制单元与晶闸管的控制极相连，当控制单元输出高电平信号至TA的控制极后，TA导通，则用户被接入A相，相应的，当TA控制极电平变低后，用户从A相断开。第一检测单元SA1、SB1、SC1分别用于检测A、B、C三相母线的电压、电流、频率等电信号，第二检测单元SA2、SB2、SC2分别用于检测a、b、c三相电力线的出线侧(即用户侧)电压、电流、频率等电信号，这些检测到的电信号均被送入控制单元。

智能管理终端根据所检测到的电信号，计算A、B、C三相的负荷LA、LB、LC，现有技术中存在多种负荷计算方法，在此不再赘述。当三相间的负荷的差值超过设定换相阈值后，智能管理终端通过通信模块向换相装置发送换相指令，控制单元将用户从当前相切换至负荷相对较轻的相，从而维持三相交流母线的负荷平衡。下面对照图4、图5对此做进一步的详细说明。

如图4所示，控制单元包括波形变换模块，其与A、B、C三相母线相连，用于将输入的三相交流信号变为方波信号；沿检测模块，用于检测方波信号的上升沿和下降沿，沿检测模块所检测到的边沿信号分别送入中央处理模块和周期测量模块；周期测量模块，用于对上升沿和下降沿进行计数，根据计数结果计算A、B、C三相的周期值，并将周期值输入中央处理模块；A/D转换模块，其与SA1、SB1、SC1、SA2、SB2、SC2相连，用于将检测到的模拟电压、电流信号转换为数字信号；通信模块，用于接收智能管理终端所发送的换相指令。存储模块，其可以采用例如非易失性存储器等，存储模块内至少存储有开关单元TA、TB、TC的导通时间特性，所谓导通时间指的是，开关单元接收到导通指令后至其完全导通所需的时间，例如对于晶闸管而言，当控制单元向TA的控制极发送高电平信号后，TA的输出端电压会逐渐升高，当TA完全导通后，其输入端与输出端电压相等(不考虑TA自身压降)，这一过程所需时间称为导通时间，关断过程与此过程相反，即在控制极变为低电平后，TA的输出端电压会逐渐降 低至零，不同元器件的导通时间各不相同通常均在ms级，导通时间可以通过实验测得，本实用新型为了精确的控制换相时刻，在存储模块内预存储了TA、TB、TC的导通时间特性。

本实用新型中，中央处理模块，在判定需要换相时，根据沿检测模块所检测到的边沿信号判断用户当前所在相的电流过零点，并结合当前相的周期和开关单元的导通时间特性，计算用户当前所在相的关断触发时刻，在关断触发时刻发出关断指令，从而在当前相的电流过零点将用户从当前相断开；接着，中央处理模块，根据沿检测模块所检测到的边沿信号判断目标相(即用户将要接入的相)的电压过零点，并结合目标相的周期和开关单元的导通时间特性，计算目标相的导通触发时刻，在导通触发时刻发出导通指令，从而在目标相的电压过零点将用户接入目标相。通常而言，对于用电设备，在电流过零时将其断电，不会影响用电设备的运行，而在电压过零时将用电设备接入，此时由于电压为零，对用电设备所产生的冲击最小，因此本实用新型采用了零电流关断，零电压导通的方式。

请参阅图5，通过波形变换模块将A、B、C三相的交流电压或电流变为力波信号，这一变换可以通过比较器来实现，例如以A相电流为例，A相电流呈止弦波形式，在正半周期电流值大于0，在负半周期小于0，据此比较器在电流值大于0时输出幅值为1的方波信号，在负半周期输出为0，这样便将正弦波信号变为了相应的方波信号，B、C两相的变换与此相同，最终经波形变换模块便输出了图4所示的方波信号。沿检测模块用于检测方波信号的上升沿与下降沿，上升沿与下降沿所在时刻与三相的交流电压或电流的过零时刻相同。以A相为例，在t1时刻，A相电流由正变负，电流过零，此时与A相对应的方波信号也在t1时刻产生下降沿，通过检测该下降沿便可以判断出A相电流的过零时刻。

由于供电系统存在各种干扰，基波频率也并不一定是固定的50Hz，各相间的负载与运行环境也不相同，各相间的频率也会存在差异，为了能准确的在电流过零时刻断相，在电压过零时刻接入，本实用新型设置了周期测量模块，其对上升沿与下降沿进行计数，根据计数值计算当前相的信号周期孔与目标相的 信号周期T2，还以A相为例，在一个电流周期内会产生1上升沿和1下降沿，若在1s内周期测量模块所检测到到的上升沿和下降沿的总数为25个，则可以得出A相电流的周期T1为1/25s，若总数为50则T1为1/50s，同理可以计算出B相与C相的周期T2、T3。T1、T2、T3均送入中央处理模块。

存储模块内预存储有TA、TB、TC的导通时间Δt1、Δt2、Δt3；所设定的换相阈值为Y，当LA、LB、LC之间差值大于设定的阈值时，进行换相，管理终端相换相装置发送换相指令，设此时为换相开始时刻t0。中央处理模块读取t0前一时刻当前相的电流过零时间点t1’，根据当前相的电流周期T1计算当前相的下一电流过零时刻t1，t1＝T1/2-t1’，在获得t1后，中央处理模块从存储模块内读取Δt1，计算关断触发时刻tc，tc＝t1-Δt1，在到达tc时中央处理模块发出关断信号至当前相的开关单元，这样在t1时刻，即电流为零的时刻，开关单元恰好关断。在到达t1时刻后，中央处理模块读取t1前一时刻目标相的电压过零时间点t2’，根据目标相的电流周期T2计算目标相的下一电压过零时刻t2，t2＝T2/2-t2’，在获得t2后，中央处理模块从存储模块内读取目标相的导通时间Δt2，计算导通触发时刻to，to＝t2-Δt2，在到达to时中央处理模块发出导通信号至目标相的开关单元，这样在L2时刻，即目标相电压为零的时刻，开关单元恰好打开，用户从当前相切换至了目标相。由于电源周期通常为50Hz左右，t1与t2间的间隔时间非常短，且是在电流过零时刻关断用电设备，这样在换相过程中，对用户影响会十分小，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。

进一步的，若在当前相尚未完全切断时导通目标相，则会出现相间短路，为了防止该状况的发生，本实用新型中，中央处理模块在t1时刻后读取当前相的第二检测单元所检测到的当前相用户侧的电压或电流值，在电压或电流值为零时，再开始计算下一电压过零时刻t2，这样保证能在当前相断开后再将用户接入目标相，避免了相间短路的出现。

以从A相切换至B相为例，设Y为50，A相电流周期为T1，B相电压周期为T2，而在t0时刻LA＝300，LB＝100，LA-LB＝300-100＝200＞50，则布t0时刻， 中央处理模块读取与t0相邻的前一时刻A相的电流过零时间点t1’，根据A相的电流周期T1计算A相的下一电流过零时刻t1，t1＝T1/2-t1’，中央处理模块从存储模块内读取A相导通时间Δt1，计算A相关断触发时刻tc，tc＝t1-Δt1，在到达tc时中央处理模块发出低电平信号至晶闸管TA的控制极，这样在到达t1时刻时，即电流为零的时刻，TA恰好关断。在到达t1时刻后，中央处理模块读取A相的第二检测单元SA2所检测到的电压或电流值，在电压和电流值为零时，中央处理模块读取t1前一时刻B相的电压过零时间点t2’，计算B相的下一电压过零时刻t2，t2＝T2/2-t2’，在获得t2后，中央处理模块从存储模块内读取B相的导通时间Δt2，计算B相导通触发时刻to，to＝t2-Δt2，在到达to时中央处理模块发出高电平信号至晶闸管TB的控制极，这样在t2时刻，即B相电压为零的时刻，TB恰好打开，用户从当前相切换至了目标相。

中央处理模块可采用高性能的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CPU的异步中行口通信，CPU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。CPU工作流程为，系统上电或复位后执行初始化操作，包括采样数据初始化、通信数据初始化、IO口初始化、AD采样初始化等；其后进行自检操作，自检成功后读取测频方波边沿信号计算实时频率，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、过流等保护功能；当接收到换相指令后，软件实时判断电压、电流采样波形，采用智能无缝换相技术准确发出切换指令，换相动作完成后，通过载波通讯上传操作结果；软件实时扫描按键，根据相应的操作对数码管显示内容进行刷新，同时更新相应的LED指示灯状态；CPU在每个循环周期都进行运行自检操作，若自检失败则发出告警指示，并闭锁智能换相开关。

实施例2

请参阅图6，相应的本实用新型还公开了一种换相方法，一种换相方法，包括以下步骤：S100：接收从当前相切换至目标相的换相指令；S200：获取用户所在当前相的电流周期T1和用户所要接入的目标相的电压周期T2；S300：经多个无触点开关单元将用户分别与所述三相交流母线相连；S400：预存储所述多个无触点开关单元的导通时间；S500：在在接收到所述换相指令的初始时刻t0，根据所述当前相的电流周期T1和预存储的当前相的无触点开关单元的导通时间计算当前相的关断触发时刻tc，使得在当前相电流过零时刻t1关断当前相的无触点开关单元，并在关断当前相的无触点开关单元之后，根据所述目标相的电压周期T2和预存储的目标相的无触点开关单元的导通时间计算目标相的导通触发时刻to，使得在目标相的电压过零时刻t2导通目标相的无触点开关单元。所述步骤S500还包括，读取与t0相邻的前一时刻当前相的电流过零时间点t1’，计算t1，t1＝T1/2-t1’，计算tc，tc＝t1-Δt1。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于本申请的方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。