实时换相装置及系统的制作方法

本实用新型实施例涉及智能配电技术领域，具体而言，涉及一种实时换相装置及系统。

背景技术：

我国的低压配电网大多是通过10kV/0.4kV变压器以三相四线制向用户供电，由于我国低压配电网覆盖面积广阔，运行环境各不相同，电力用户众多且较分散，存在大量的时空分布不平衡的单相负荷，即使将三相负荷平均分配到A、B、C三相上，居民的用电习惯差异以及负荷的随机性强，同样会引起较大的三相不平衡。用电负荷不能均匀分配到各相上，是三相不平衡问题产生的主要原因。若电网在三相不平衡较严重的情况下长时间运行，对供电和用电双方都将产生不利影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种实时换相装置及系统，能够有效解决电网三相不平衡的问题，提高农网电能质量，提高居民用电可靠性。

本实用新型实施例提供了一种实时换相装置，包括：第一无线通讯单元、主控芯片以及换相开关，其中：

所述第一无线通讯单元用于接收由其他无线通讯单元发送的信息；

所述主控芯片分别与所述换相开关、所述第一无线通讯单元连接；

所述换相开关包括：第一电流互感器、第一支路、第二支路以及第三支路，所述第一支路、第二支路与第三支路并联后与所述第一电流互感器连接；

所述第一支路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第一永磁开关和第二电流互感器，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一永磁开关的一端连接后，与所述第二电流互感器连接，作为所述第一支路的输出端，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一永磁开关的另一端连接后作为所述第一支路的输入端，所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极和所述第一永磁开关的控制端与所述主控芯片连接；

所述第二支路包括第二绝缘栅双极型晶体管、第二永磁开关和第三电流互感器，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二永磁开关的一端连接后，与所述第三电流互感器连接，作为所述第二支路的输出端，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第二永磁开关的另一端连接后作为所述第二支路的输入端，所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极和所述第二永磁开关的控制端与所述主控芯片连接；

所述第三支路包括第三绝缘栅双极型晶体管、第三永磁开关和第四电流互感器，所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第三永磁开关的一端连接后，与所述第四电流互感器连接，作为所述第三支路的输出端，所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第三永磁开关的另一端连接后作为所述第三支路的输入端，所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极和所述第三永磁开关的控制端与所述主控芯片连接；

所述第一支路的输出端、第二支路的输出端和第三支路的输出端与所述第一电流互感器连接，作为所述实时换相装置的输出端，所述实时换相装置的输出端用于与负荷连接，所述第一支路的输入端、第二支路的输入端和第三支路的输入端用于分别与三相电源的不同相电路连接；

所述第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器与第四电流互感器分别用于检测所述实时换相装置的输出端、所述第一支路的输出端、所述第二支路的输出端以及所述第三支路的输出端的电流大小。

可选地，所述实时换相装置还包括存储单元，所述存储单元与所述主控芯片连接，用于记录所述实时换相装置的换相信息。

可选地，所述实时换相装置还包括电源系统，所述电源系统与所述换相开关、主控芯片以及第一无线通讯单元连接，所述电源系统用于为所述实时换相装置供电。

可选地，所述实时换相装置还包括显示单元，所述显示单元与所述主控芯片连接，用于显示所述实时换相装置的换相信息。

可选地，所述主控芯片包括模数转换模块，用于将接收到的模拟电压信号转换为数字信号。

可选地，所述主控芯片与所述换相开关之间还连接有第一放大模块和第二放大模块，所述第一放大模块与第二放大模块用于放大电路中的电流信号。

可选地，所述第一放大模块包括：

第一三极管放大单元，所述第一三极管放大单元连接于所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述主控芯片之间；

第二三极管放大单元，所述第二三极管放大单元连接于所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述主控芯片之间；

第三三极管放大单元，所述第三三极管放大单元连接于所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极与所述主控芯片之间。

可选地，所述第二放大模块包括：

第四三极管放大单元，所述第四三极管放大单元连接于所述第一永磁开关的控制端与所述主控芯片之间；

第五三极管放大单元，所述第五三极管放大单元连接于所述第二永磁开关的控制端与所述主控芯片之间；

第六三极管放大单元，所述第六三极管放大单元连接于所述第三永磁开关的控制端与所述主控芯片之间。

本实用新型实施例还提供一种实时换相系统，包括：三相负荷监测端、人机后台端以及上述的实时换相装置，其中：

所述三相负荷监测端包括配电变压器、互感器以及第二无线通讯单元，所述配电变压器、第二无线通讯单元分别与所述互感器连接；

所述人机后台端包括电连接的人机后台和第三无线通讯单元；

所述三相负荷监测端、人机后台端以及实时换相装置通过所述第一无线通讯单元、第二无线通讯单元以及第三无线通讯单元建立无线通讯连接。

可选地，所述第一无线通讯单元、第二无线通讯单元以及第三无线通讯单元为LoRa无线传输模块。

本实用新型实施例提供的一种实时换相装置及系统，实时换相装置包括：换相开关、主控芯片以及第一无线通讯单元，所述主控芯片分别与所述换相开关、所述第一无线通讯单元连接，所述第一无线通讯单元用于接收由其他无线通讯单元发送的指令信息，所述主控芯片根据所述指令信息控制所述换相开关中不同支路的永磁开关的闭合和断开以及绝缘栅双极型晶体管的导通和关断，以此实现负荷支路在不同相之间的自由投切和转换，从而有效解决电网三相不平衡的问题，进一步提高农网电能质量，提高居民用电可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种实时换相装置的模块框图。

图2为本实用新型实施例提供的一种换相开关的电路图。

图3为本实用新型实施例提供的一种实时换相系统的模块框图。

图4为本实用新型实施例提供的一种实时换相装置的部分电路图。

图标：

110-配电变压器；120-互感器；130-第二无线通讯单元；210-第三无线通讯单元；220-人机后台；300-实时换相装置；310-换相开关；320-第一无线通讯单元；330-主控芯片；340-存储单元；350-电源系统；360-显示单元；370-第一放大模块；380-第二放大模块；3101-第一绝缘栅双极型晶体管；3102-第一永磁开关；3103-第二绝缘栅双极型晶体管；3104-第二永磁开关；3105-第三绝缘栅双极型晶体管；3106-第三永磁开关；3107-第二电流互感器；3108-第三电流互感器；3109-第四电流互感器；3110-第一电流互感器；3410-第一三极管放大单元；3420-第二三极管放大单元；3430-第三三极管放大单元；3510-第四三极管放大单元；3520-第五三极管放大单元；3530-第六三极管放大单元。

具体实施方式

申请人经调查发现，现有的针对农网负荷三相不平衡的现状，主要采取的是手动换相操作，换相过程中必须将负荷支路停电，对供电可靠性造成了较大影响，另外由于农村地域复杂，往往无法处理三相不平衡现象，给电能质量和设备健康造成了严重影响。

以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是申请人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本实用新型实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是申请人在本实用新型过程中对本实用新型做出的贡献。

基于上述研究，本实用新型实施例提供了一种实时换相装置及系统。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参照图1，图1示出了本实用新型实施例所提供的一种实时换相装置300的模块框图，由图可见，该实时换相装置300包括：第一无线通讯单元320、主控芯片330以及换相开关310。

其中，所述第一无线通讯单元320用于接收由其他无线通讯单元发送的信息，所述主控芯片330分别与所述换相开关310、第一无线通讯单元320连接。

进一步地，请参照图2，所述换相开关310包括：第一电流互感器3110、第一支路、第二支路以及第三支路，所述第一支路、第二支路与第三支路并联后与所述第一电流互感器3110连接；

所述第一支路包括第一绝缘栅双极型晶体管3101、第一永磁开关3102和第二电流互感器3107，所述第一绝缘栅双极型晶体管3101的发射极与所述第一永磁开关3102的一端连接后，与所述第二电流互感器3107连接，作为所述第一支路的输出端，所述第一绝缘栅双极型晶体管3101的集电极与所述第一永磁开关3102的另一端连接后作为所述第一支路的输入端，所述第一绝缘栅双极型晶体管3101的栅极和所述第一永磁开关3102的控制端与所述主控芯片330连接；

所述第二支路包括第二绝缘栅双极型晶体管3103、第二永磁开关3104和第三电流互感器3108，所述第二绝缘栅双极型晶体管3103的发射极与所述第二永磁开关3104的一端连接后，与所述第三电流互感器3108连接，作为所述第二支路的输出端，所述第二绝缘栅双极型晶体管3103的集电极与所述第二永磁开关3104的另一端连接后作为所述第二支路的输入端，所述第二绝缘栅双极型晶体管3103的栅极和所述第二永磁开关3104的控制端与所述主控芯片330连接；

所述第三支路包括第三绝缘栅双极型晶体管3105、第三永磁开关3106和第四电流互感器3109，所述第三绝缘栅双极型晶体管3105的发射极与所述第三永磁开关3106的一端连接后，与所述第四电流互感器3109连接，作为所述第三支路的输出端，所述第三绝缘栅双极型晶体管3105的集电极与所述第三永磁开关3106的另一端连接后作为所述第三支路的输入端，所述第三绝缘栅双极型晶体管3105的栅极和所述第三永磁开关3106的控制端与所述主控芯片330连接；

所述第一支路的输出端、第二支路的输出端和第三支路的输出端与所述第一电流互感器3110连接，作为所述实时换相装置300的输出端，所述实时换相装置300的输出端用于与负荷连接，所述第一支路的输入端、第二支路的输入端和第三支路的输入端用于分别与三相电源的不同相电路连接；

所述第一电流互感器3110、第二电流互感器3107、第三电流互感器3108与第四电流互感器3109分别用于检测所述实时换相装置300的输出端、所述第一支路的输出端、所述第二支路的输出端以及所述第三支路的输出端的电流大小。

在本实施例中，所述实时换相装置300的输入端连接三相线路，所述实时换相装置300的输出端连接负荷，负荷可以在A、B、C三相线路间进行切换。所述实时换相装置300每一相均设置绝缘栅双极型晶体管和永磁开关。绝缘栅双极型晶体管的控制极通过驱动电路控制。不同相的永磁继电器通断信号和绝缘栅双极型晶体管的控制脉冲相互独立、互不影响，使该负荷支路能在A、B、C三相之间进行自由投切和转换。对具有实时换相装置300的负荷支路而言，正常运行时只有一相上的永磁开关为闭合，其余两相处于断开状态，而三相上的绝缘栅双极型晶体管均处于关断状态。当检测到三相负荷不均衡需要换相时，下述一特例：

将负荷支路从A相换到B相，首先将A相上的绝缘栅双极型晶体管导通，导通后将A相上的永磁开关断开；然后将A相上的绝缘栅双极型晶体管关断，再将B相上的绝缘栅双极型晶体管导通，将负荷电流从A相换流到B相上，再闭合B相上的永磁开关，待B相上的永磁开关闭合后关断B相上的绝缘栅双极型晶体管，以此实现负荷支路从A相向B相的转换，负荷在其余相序间的调整与上述操作相似。

在农网负荷中，负荷一般为几安培到几十安培，负荷较轻，但是线路结构复杂，撕拉乱接现象较多，容易出现短路现象，且继电保护薄弱，无法及时切除故障，因此，防止环流短路是必须注意的问题，现有技术中，常采用晶闸管等电子元件与永磁开关配合使用，申请人发现，晶闸管等电子元件由于只能控制导通，而无法控制截止，所以在换相时需要准确的换相配合，但由于农网本身的特征，即使进行准确设置也无法杜绝上述现象。而绝缘栅双极型晶体管控制极可控制导通和关断，在换相过程中可以及时地开关绝缘栅双极型晶体的电流通路，防止环流现象的发生。换相操作过程中，通过绝缘栅双极型晶体管换相可起到缓冲作用，不会产生浪涌和拉弧现象，从而避免对低压电网和负荷造成冲击，另外，换相操作过程有序配合，无需停电，能够实现带载情况下对用电负荷的相序进行调整，实现无缝切换，保障供电可靠性和电压质量。正常运行时永磁开关处于闭合状态，电阻很小，基本无损耗；换相时绝缘栅双极型晶体管提供电流通道，有较小的通态损耗，但维持时间可控制在毫秒精度，损耗极小，满足电网无损性要求。

在本实施例中，可选地，所述第一绝缘栅双极型晶体管3101、第二绝缘栅双极型晶体管3103以及第三绝缘栅双极型晶体管3105可以选用一种型号为FF300R12KS4的IGBT模块，通路电流可达300A，满足农网负荷，其体积较小，外形类似空气开关，可方便地安装在农网配电箱中。

在本实施例中，可选地，所述主控芯片330可采用单片机、FPGA、DSP等具有数据处理的控制芯片，在本实用新型较佳实施例中，所述主控芯片330可选用STM32模组。其主频高达百兆赫兹，内置模数转换模块，可直接将接收到的模拟电压信号转换为数字信号，且端口数量足够，完全满足换相监测和控制需要。

请参照图3，为本实用新型实施例所提供的一种实时换相系统的模块框图，由图可见，优选地，本实用新型实施例提供的实时换相装置300中还包括：

存储单元340，所述存储单元340与所述主控芯片330连接，用于记录所述实时换相装置300的换相信息；

电源系统350，所述电源系统350与所述换相开关310、主控芯片330以及第一无线通讯单元320连接，所述电源系统350用于为所述实时换相装置300供电；

显示单元360，所述显示单元360与所述主控芯片330连接，用于显示所述实时换相装置300的换相信息、负荷支路的电流电压信息等。

请参照图4，如图所示，优选地，本实施例中，所述主控芯片330与所述换相开关310之间还连接有第一放大模块370和第一放大模块380，所述第一放大模块370与第一放大模块380用于放大电路中的电流信号，使信号强度达到绝缘栅双极型晶体管所需，从而使绝缘栅双极型晶体管导通。

所述第一放大模块370包括：

第一三极管放大单元3410，所述第一三极管放大单元3410连接于所述第一绝缘栅双极型晶体管3101的栅极与所述主控芯片330之间；

第二三极管放大单元3420，所述第二三极管放大单元3420连接于所述第二绝缘栅双极型晶体管3103的栅极与所述主控芯片330之间；

第三三极管放大单元3430，所述第三三极管放大单元3430连接于所述第三绝缘栅双极型晶体管3105的栅极与所述主控芯片330之间。

所述第一放大模块380包括：

第四三极管放大单元3510，所述第四三极管放大单元3510连接于所述第一永磁开关3102的控制端与所述主控芯片330之间；

第五三极管放大单元3520，所述第五三极管放大单元3520连接于所述第二永磁开关3104的控制端与所述主控芯片330之间；

第六三极管放大单元3530，所述第六三极管放大单元3530连接于所述第三永磁开关3106的控制端与所述主控芯片330之间。

请再次参照图3，本实用新型实施例提供的实时换相系统包括：三相负荷监测端、人机后台端以及实时换相装置300，其中，所述三相负荷监测端包括配电变压器110、互感器120以及第二无线通讯单元130，所述配电变压器110、第二无线通讯单元130分别与所述互感器120连接；所述人机后台端包括电连接的人机后台220和第三无线通讯单元210。

在农网配电变压器110中安装互感器120，将互感器120检测到的三相负荷信息通过第二无线通讯单元130无线传输给第三无线通讯单元210，再由人机后台220进行判断是否存在三相不平衡，如果发现又出现三相不平衡的现象，则通过后台对需要进行换相的负荷支路进行选择，并将换相指令通过第三无线通讯单元210传送给需要进行换相的负荷支路中实时换相装置300的第一无线通讯单元320，再由实时换相装置300中的主控芯片330执行指令信息，控制实时换相装置300中绝缘栅双极型晶体管和永磁开关的通断，实现换相。

本实用新型实施例中，优选地，由于农村地形复杂，很多地方没有网线和光纤铺设，所以通讯方案采用无线传输。本实施例中，所述第一无线通讯单元320、第二无线通讯单元130以及第三无线通讯单元210可采用LoRa无线传输模块，LoRa无线传输模块具有功耗低、传输距离远的特点，非常适用于农网配电信息传输。

综上，本实用新型实施例所提供的实时换相装置300及系统，所述实时换相装置300包括：换相开关310、主控芯片330以及第一无线通讯单元320，所述主控芯片330分别与所述换相开关310、所述第一无线通讯单元320连接，所述第一无线通讯单元320用于接收由其他无线通讯单元发送的指令信息，所述主控芯片330根据所述指令信息控制所述换相开关310中不同支路的永磁开关的闭合和断开以及绝缘栅双极型晶体管的导通和关断，以此实现负荷支路在不同相之间的自由投切和转换，从而有效解决电网三相不平衡的问题，进一步提高农网电能质量，提高居民用电可靠性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。