本发明涉及智能电网技术领域的一种自动换相系统及其换相方法，具体为一种中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法。
背景技术：
三相负荷平衡是安全供电的基础，而三相负荷不平衡轻则会降低线路和配电变压器的供电效率，重则会因重负荷相超载过多而造成某相导线烧断、开关烧坏，甚至配电变压器单相烧毁等严重后果。因此，只有三相阻抗平衡，才能保证低压漏电总保护良好运行，防止人身触电伤亡事故，也只有三相负荷平衡，才能保证用户的电能质量。三相负荷保持平衡还是节约能耗、降损降价的基础。
现有的配电台区的中低压配电线路的布局不合理、三相动力用户负荷性质不同、单相负荷的不可控接入、单相负荷的不同时性，这些均可造成三相负荷不平衡。三相负荷严重不对称，中性点电位就会发生偏移，线路压降和功率损失就会大大增加。同时，三相负荷不平衡可引起线损率升高。现场施工中，往往存在相序接错的情况，现场往往也无法判断。并且，在整个配电线路中，缺少对线损的监测，窃电现象常常发生，这些都对供电公司造成了巨大的经济损失。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，具备节能、实时性高等优点，解决了配电台区内三相负荷不平衡的问题。
(二)技术方案
为实现上述节能、实时性高的目的，本发明提供如下技术方案：一种中低压线路多功能自动换相系统，所述换相系统应用在一个配电台区内，所述换相系统包括设置在台区变压器端的主控模块、设置在用户端的多个执行模块；每个执行模块对应并联的多家用户；其中，
所述主控模块包括主控制器、三相电流采样单元；所述三相电流采样单元用于实时检测变压器输出的三相电流ia、ib、ic；所述主控制器先根据所述三相电流ia、ib、ic计算三相不平衡度σ，σ＝((imax-imin)/imax)×100％，其中，imax为三相电流ia、ib、ic中的最大值，imin为三相电流ia、ib、ic中的最小值，再判断三相不平衡度σ是否达到一个预设三相不平衡度，是则继续判断三相不平衡度σ达到所述预设三相不平衡度的持续时间是否达到一个预设时间一，是则计算切换方案，输出切换命令；
每个执行模块包括电子换相开关，所述电子换相开关根据所述切换命令，在变压器的供电三相中选择与所述切换命令相对应的一相，给与所述执行模块相对应的多家用户供电；
其中，所述切换方案为针对当前不平衡情况进行换相开关切换组合对比：按照a、b两个约束条件进行筛选，a：达到最佳三相平衡；b：切换方案所需的切换动作次数最少；同时，为了增强换相切换对三相平衡的预测调节能力，调节分为预测性切换和临时性切换；预测性切换：在三相不平衡尚未达到切换设定临界值前的主动切换；通过统计较长时间内的用电曲线情况，掌握规律性的不平衡发生信息，预测性地计算不平衡的规律发生情况，提前切换，限制不平衡的发生；临时性切换：针对无规律的临时性发生的不平衡，达到设定值时，临时所做的换相调整。
作为上述方案的进一步改进，每个执行模块还包括电压采样单元、老化报警装置和执行控制器，所述电压采样单元检测所述电子换相开关在闭合时所述电子换相开关两端的电压，所述执行控制器判断所述电子换相开关两端的电压差是否超过一个预设电压差，是则所述执行控制器驱动所述老化报警装置报警。
作为上述方案的进一步改进，每个执行模块还包括电压采样单元、老化报警装置和执行控制器，所述电子换相开关闭合后，其电压在一个预设时间二内波动，且在所述预设时间二后达到平稳；所述电压采样单元检测所述电子换相开关闭合后在所述预设时间二内的峰值电压，和在所述预设时间二后达到平稳时的平稳电压；所述执行控制器判断所述峰值电压和所述平稳电压的电压差是否超过一个预设电压差，是则所述执行控制器驱动所述老化报警装置报警。
作为上述方案的进一步改进，每个执行模块还包括电流采样单元、老化报警装置和执行控制器，所述电子换相开关闭合后，其电流在一个预设时间二内波动，且在所述预设时间二后达到平稳；所述电流采样单元检测所述电子换相开关闭合后在所述预设时间二内的峰值电流，和在所述预设时间二后达到平稳时的平稳电流；所述执行控制器判断所述峰值电流和所述平稳电流的电压差是否超过一个预设电流差，是则所述执行控制器驱动所述老化报警装置报警。
作为上述方案的进一步改进，所述主控模块还包括三相电压采样单元一和线路报警装置，所述三相电压采样单元一检测在所述换相系统在空载时所述变压器侧输出的三相电压ua1、ub1、uc1和带载时所述变压器侧输出的三相电压ua2、ub2、uc2；每个执行模块还包括三相电压采样单元二，所述三相电压采样单元二检测在所述换相系统在空载时所述电子换相开关侧输出的三相电压ua3、ub3、uc3和带载时所述电子换相开关侧输出的三相电压ua4、ub4、uc4；
所述主控制器判断ua1和ua3的电压差，ua2和ua4的电压差是否均超过一个预设电压差一，是则驱动所述线路报警装置针对a相线路报警，还判断ub1和ub3的电压差，ub2和ub4的电压差是否均超过一个预设电压差二，是则驱动所述线路报警装置针对b相线路报警，还判断uc1和uc3的电压差，uc2和uc4的电压差是否均超过一个预设电压差三，是则驱动所述线路报警装置针对c相线路报警。
作为上述方案的进一步改进，每个执行模块还包括电量计量装置，所述主控模块还包括窃电报警装置；所述电量计量装置计量一个预设时间二内与所述执行模块相对应的多家用户的总用电量，所述主控制器判断所述总用电量与用户端的抄表电量的电量差是否超过一个预设电量差，是则驱动所述窃电报警装置报警。
作为上述方案的进一步改进，每个执行模块还包括超级电容、掉电报警装置、电压采样单元、执行控制器；所述换相开关的输出端连接一个分支箱，所述分支箱的输出端接入与所述执行模块相对应的多家用户；所述电压采样单元检测所述换相开关的电压、所述分支箱输出端的电压，所述执行控制器判断所述电压采样单元检测电压是否小于一个预设电压，是则驱动所述超级电容电性连接的掉电报警装置报警。
作为上述方案的进一步改进，所述主控模块还包括三相电压采样单元，每个执行模块还包括单相电压采样单元、单相电流采样单元、相序错误报警装置；所述三相电压采样单元检测变压器输出的三相电压ua1、ub1、uc1，所述单相电压采样单元检测所述换相开关依次换相至a相、b相、c相时所述换相开关的电压ua2、ub2、uc2；所述单相电流采样单元检测所述换相开关依次换相至a相、b相、c相时通过所述换相开关的电流ia1、ib1、ic1；
所述主控制器判断ua1、ub1、uc1相互的电压差是否大于一个预设电压差一，是则：进一步判断ua1和ua2的电压差，ub1和ub2的电压差，uc1和uc2的电压差是否分别小于一个预设电压二，一个预设电压三，一个预设电压四，否则驱动所述相序错误报警装置报警；否则：判断在一个预设时间二ia和ia1，ib和ib1，ic和ic1的电流差是否分别小于一个预设电流差二，一个预设电流差三，一个预设电流差四，否则驱动所述相序错误报警装置报警。
作为上述方案的进一步改进，所述执行模块还包括温度传感器、过热报警装置；所述温度传感器检测所述换相开关的温度，所述主控制器判断所述温度传感器一检测的温度是否大于一个预设温度，是则驱动所述过热报警装置报警。
本发明还提供了一种中低压线路多功能自动换相系统的换相方法，其包括：
(1)所述主控制器根据所述三相电流采样单元实时检测的三相电流计算出变压器的三相不平衡度；
(2)所述主控制器判断所述三相不平衡度是否达到一个预设三相不平衡度，是则继续判断所述三相不平衡度达到所述预设三相不平衡度的持续时间是否达到一个预设时间一，是则计算切换方案，输出切换命令；
(3)所述电子换相开关根据所述切换命令，在变压器的供电三相中选择与所述切换命令相对应的一相，给与所述执行模块相对应的多家用户供电。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，具备以下有益效果：
1.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过设置主控模块、执行模块，将配电台区的线路进行划分，每条线路的末端安装一个执行模块，通过配电变压器端设置的主控模块控制多个执行模块对各线路的三相进行切换，使切换后所有线路的三相用电负荷趋于平衡，从而改善三相的不平衡性，降低配电台区的线损，保证低压漏电总保护良好运行，防止人身触电伤亡事故，保证用户的电能质量，实现节能和降低电价的目的。
2.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过监测所述电子换相开关的老化状态，并实时报警，实现了换相系统的老化监测功能，避免由于换相开关老化而造成的换相不及时、换相错误等问题，提高换相系统的换相成功率和准确性，提高换相效率。
3.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过监测配电台区内各个线路的电压降情况，在压降过大时发出报警信息，以提醒检修或更换线路，实现换相系统的线路监测功能，降低配电线路的线损，提高电能的利用率，降低电力输送费用。
4.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过监测各个线路的用户的用电量，并与抄表电量进行比较，并在电量差值过大时进发出窃电报警信息，实现了换相系统的防窃电功能，降低供电公司的经济损失。
5.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过监测换相开关和分支箱的电压大小，实时监测电压状态，从而实现了换相系统的停电报警功能，便于维护人员及时维修线路，提高用户的用电质量。
6.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过检测变压器到换相开关的三相电压电流变化，判断相序是否错误，实现了换相系统的监测相序的功能，提高台区线路末端的感知能力。
7.本发明的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过设置温度传感器，对换相开关的温度进行监测，实现换相系统的温度监测功能，避免换相开关由于温度过高而烧毁的情况，降低换相开关的使用费用，同时避免了由于换相开关烧毁而造成的火灾，提高换相系统的安全性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的中低压线路多功能自动换相系统的台区系统连接图
图2为图1中的主控模块的系统框架图；
图3为图1中的执行模块的系统框架图；
图4为本发明的实施例1的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图5为本发明的实施例2的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图6为本发明的实施例2的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图7为本发明的实施例3的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图8为本发明的实施例3的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图9为本发明的实施例4的中低压线路多功能自动换相系统的主控模块的系统框架图；
图10为本发明的实施例4的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图11为本发明的实施例4的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图12为本发明的实施例5的中低压线路多功能自动换相系统的主控模块的系统框架图；
图13为本发明的实施例5的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图14为本发明的实施例5的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图15为本发明的实施例6的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图16为本发明的实施例6的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图17为本发明的实施例7的中低压线路多功能自动换相系统的主控模块的系统框架图；
图18为本发明的实施例7的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图19为本发明的实施例7的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图；
图20为本发明的实施例8的中低压线路多功能自动换相系统的执行模块的系统框架图；
图21为本发明的实施例8的中低压线路多功能自动换相系统的系统框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统应用在一个配电台区内,换相系统包括设置在台区变压器端的主控模块、设置在用户端的多个执行模块，其中，每个执行模块对应并联的多家用户。
请参阅图2，主控模块包括主控制器、三相电流采样单元、按键显示单元一、信号发射单元。三相电流采样单元用于实时检测变压器输出的三相电流ia、ib、ic。信号发射单元用于将三相电流采样单元检测的电流信息远程传输至电网主站，同时也可以将其他信息传输至主站。信号发射单元可以采用gsm模块，并与主站进行通讯。这样就可以在主站形成每个台区的三相负荷曲线，便于实时掌握电网的运行状态。按键显示单元一用于显示三相电流采样单元检测的电流信息，通过设置按键显示单元一，可以人工查询主控模块的运行数据，从而了解台区的运行状态，便于人员实时进行监控和维护。主控制器先根据三相电流ia、ib、ic计算三相不平衡度σ，σ＝((imax-imin)/imax)×100％，其中，imax为三相电流ia、ib、ic中的最大值，imin为三相电流ia、ib、ic中的最小值，再判断三相不平衡度σ是否达到一个预设三相不平衡度，是则继续判断三相不平衡度σ达到预设三相不平衡度的持续时间是否达到一个预设时间一，是则计算切换方案，输出切换命令。在本实施例中，主控制器与执行模块之间可以采用宽带电力载波的方式进行通讯，这样可以节省通讯成本，提高通讯质量。
切换方案为针对当前不平衡情况进行换相开关切换组合对比：按照a、b两个约束条件进行筛选。a：达到最佳三相平衡；b：切换方案所需的切换动作次数最少。
同时，为了增强换相切换对三相平衡的预测调节能力，调节分为预测性切换和临时性切换。
预测性切换：在三相不平衡尚未达到切换设定临界值前的主动切换。通过统计较长时间内的用电曲线情况，掌握规律性的不平衡发生信息，预测性地计算不平衡的规律发生情况，提前切换，限制不平衡的发生。
临时性切换：针对无规律的临时性发生的不平衡，达到设定值时，临时所做的换相调整。
请参阅图3以及图4，每个执行模块包括电子换相开关、按键显示单元二、执行控制器，电子换相开关根据切换命令，在变压器的供电三相中选择与切换命令相对应的一相，给与执行模块相对应的多家用户供电。执行控制器驱动按键显示单元二显示电子换相开关换相后所搭接的相序，从而方便维护人员在现场查看，并进行维护。
本实施例还公开了一种中低压线路多功能自动换相系统的换相方法，其包括：
(1)主控制器根据三相电流采样单元实时检测的三相电流计算出变压器的三相不平衡度；
(2)主控制器判断三相不平衡度是否达到一个预设三相不平衡度，是则继续判断三相不平衡度达到预设三相不平衡度的持续时间是否达到一个预设时间一，是则计算切换方案，输出切换命令；
(3)电子换相开关根据切换命令，在变压器的供电三相中选择与切换命令相对应的一相，给与执行模块相对应的多家用户供电。
综上所述，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过设置主控模块、执行模块，将配电台区的线路进行划分，每条线路的末端安装一个执行模块，通过配电变压器端设置的主控模块控制多个执行模块对各线路的三相进行切换，使切换后所有线路的三相用电负荷趋于平衡，从而改善三相的不平衡性，降低配电台区的线损，保证低压漏电总保护良好运行，防止人身触电伤亡事故，保证用户的电能质量，实现节能和降低电价的目的。
实施例2
请参阅图5以及图6，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在执行模块内的电压采样单元、老化报警装置。电压采样单元检测电子换相开关在闭合时电子换相开关两端的电压，执行控制器判断电子换相开关两端的电压差是否超过一个预设电压差，是则执行控制器驱动老化报警装置报警。
在其他实施例中，电子换相开关闭合后，其电压在一个预设时间二内波动，且在预设时间二后达到平稳。电压采样单元还可以检测电子换相开关闭合后在预设时间二内的峰值电压，和在预设时间二后达到平稳时的平稳电压；执行控制器判断峰值电压和平稳电压的电压差是否超过一个预设电压差，是则执行控制器驱动老化报警装置报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统，通过监测电子换相开关的老化状态，并实时报警，实现了换相系统的老化监测功能，避免由于换相开关老化而造成的换相不及时、换相错误等问题，提高换相系统的换相成功率和准确性，提高换相效率。
实施例3
请参阅图7以及图8，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在执行模块内的电流采样单元、老化报警装置。电子换相开关闭合后，其电流在一个预设时间二内波动，且在预设时间二后达到平稳；电流采样单元检测电子换相开关闭合后在预设时间二内的峰值电流，和在预设时间二后达到平稳时的平稳电流；执行控制器判断峰值电流和平稳电流的电压差是否超过一个预设电流差，是则执行控制器驱动老化报警装置报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统适用于换相开关的电压变化不明显的情况下进行老化报警监测，并也能实现与实施例2相同的有益效果。
实施例3
请参阅图9-11，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在主控模块内的三相电压采样单元一和线路报警装置，设置在执行模块内的三相电压采样单元二。
三相电压采样单元一检测在换相系统在空载时变压器侧输出的三相电压ua1、ub1、uc1和带载时变压器侧输出的三相电压ua2、ub2、uc2。三相电压采样单元二检测在换相系统在空载时电子换相开关侧输出的三相电压ua3、ub3、uc3和带载时电子换相开关侧输出的三相电压ua4、ub4、uc4。主控制器判断ua1和ua3的电压差，ua2和ua4的电压差是否均超过一个预设电压差一，是则驱动线路报警装置针对a相线路报警，还判断ub1和ub3的电压差，ub2和ub4的电压差是否均超过一个预设电压差二，是则驱动线路报警装置针对b相线路报警，还判断uc1和uc3的电压差，uc2和uc4的电压差是否均超过一个预设电压差三，是则驱动线路报警装置针对c相线路报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统，通过监测配电台区内各个线路的电压降情况，在压降过大时发出报警信息，以提醒检修或更换线路，实现换相系统的线路监测功能，降低配电线路的线损，提高电能的利用率，降低电力输送费用。
实施例5
请参阅图12-14，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在主控模块内的窃电报警装置，设置在执行模块内的电量计量装置。电量计量装置计量一个预设时间二内与执行模块相对应的多家用户的总用电量，主控制器判断总用电量与用户端的抄表电量的电量差是否超过一个预设电量差，是则驱动窃电报警装置报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统，通过监测各个线路的用户的用电量，并与抄表电量进行比较，并在电量差值过大时进发出窃电报警信息，实现了换相系统的防窃电功能，降低供电公司的经济损失。
实施例6
请参阅图15以及图16，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在执行模块内的超级电容、掉电报警装置、电压采样单元。换相开关的输出端连接一个分支箱，分支箱的输出端接入与执行模块相对应的多家用户；电压采样单元检测换相开关的电压、分支箱输出端的电压，执行控制器判断电压采样单元检测电压是否小于一个预设电压，是则驱动超级电容电性连接的掉电报警装置报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统，通过监测换相开关和分支箱的电压大小，实时监测电压状态，从而实现了换相系统的停电报警功能，便于维护人员及时维修线路，提高用户的用电质量。
实施例7
请参阅图17-19，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在主控模块内的三相电压采样单元，设置在执行模块内的单相电压采样单元、单相电流采样单元、相序错误报警装置。
三相电压采样单元检测变压器输出的三相电压ua1、ub1、uc1，单相电压采样单元检测换相开关依次换相至a相、b相、c相时换相开关的电压ua2、ub2、uc2。单相电流采样单元检测换相开关依次换相至a相、b相、c相时通过换相开关的电流ia1、ib1、ic1。
主控制器判断ua1、ub1、uc1相互的电压差是否大于一个预设电压差一，是则：进一步判断ua1和ua2的电压差，ub1和ub2的电压差，uc1和uc2的电压差是否分别小于一个预设电压二，一个预设电压三，一个预设电压四，否则驱动相序错误报警装置报警；否则：判断在一个预设时间二ia和ia1，ib和ib1，ic和ic1的电流差是否分别小于一个预设电流差二，一个预设电流差三，一个预设电流差四，否则驱动相序错误报警装置报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统，通过检测变压器到换相开关的三相电压电流变化，判断相序是否错误，实现了换相系统的监测相序的功能，提高台区线路末端的感知能力。
实施例8
请参阅图20以及图21，本实施例的中低压线路多功能自动换相系统在实施例1的基础上增加了设置在执行模块内的温度传感器、过热报警装置。温度传感器检测换相开关的温度，主控制器判断温度传感器一检测的温度是否大于一个预设温度，是则驱动过热报警装置报警。
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统及其换相方法，通过设置温度传感器，对换相开关的温度进行监测，实现换相系统的温度监测功能，避免换相开关由于温度过高而烧毁的情况，降低换相开关的使用费用，同时避免了由于换相开关烧毁而造成的火灾，提高换相系统的安全性。
实施例9
本实施例的中低压线路多功能自动换相系统结合上述所有实施例的结构，实现换相系统的多功能化，全自动化，并且主控制器还可以将所有报警信息通过信号发射单元传输至主站，使主站人员第一时间了解台区的运行状态，并做出相应的处理，提高台区的故障反馈能力，提高供电质量，较少电力损失，方便供电公司进行针对性的维护，从而最大化地使台区三相负荷平衡化。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。