一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置及控制方法与流程

本发明涉及低压台区治理
技术领域：
，包括三相负荷不平衡治理、低电压治理、用户线路负荷调整等，特别是台区三相负荷不平衡治理，具体涉及一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置及控制方法。
背景技术：
：在三相四线制的城市和农村低压配电网中，用户单相负荷和三相负荷混合接入电网。由于负载的不平衡和系统元件参数的不对称，普遍存在三相间的负载不平衡的情况。同时，用户负荷不平衡状况的无规律性和不可预知性，容易导致低压配变负载长期的不平衡。据统计，目前全国有超过85％的低压台区存在不同程度的三相不平衡状态，目前解决办法有：1.人工换相。人工换相繁琐、操作复杂，准确性与实时性无法保证；换相开关动作不在过零点，换相时产生电流过大，导致损耗大，甚至在开关处有拉弧，器件发热影响其使用寿命。2.静止无功发生器SVG(StaticVarGenerator)。SVG通过注入反向不平衡补偿电流来实现配变出口三相平衡，没有从根本上解决实际的负荷均匀分配问题,无法降低线损。3.利用经验尽量合理地分配负荷，采取诸如增大中性线截面等保护措施以降低三相过度不平衡带来的安全风险，没有解决实际的负荷均匀分配问题,无法降低线损。4.智能换相开关。采用智能换相开关进行换相是一种行之有效、可以从根本上解决三相不平衡的措施，但换相开关换相容易造成两相短路，换相时失电时间过长可能导致电器重启。因此，亟需开发一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置，实现相间开关互锁防止相间短路，解决现有技术换相时失电时间过长的问题。。技术实现要素：本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置及控制方法。智能换相开关装置可实现过零点断电，过零点上电和过零点换相功能，可采集三相输入电压和负载电流，采集数据上传至主控单元，主控单元计算三相不平衡度，并计算最优切换方案，然后向相应智能换相开关下发控制指令，控制换相开关换相。解决现有技术换相时失电时间过长和相间短路风险的技术问题，有效解决三相不平衡问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：1.本发明提供一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置，包括：三个电压采样单元，一一对应地分别检测三相电压的输入电压；一个电流采样单元，通过采样电流互感器采样电阻的两端电压，检测负载输入电流；三个开关单元，包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元；所述第一开关单元为单刀单掷磁保持继电器，输入端与A相电连接，输出端与第二开关单元一个输入端相连；第二开关单元为单刀双掷磁保持继电器，一个输入端与B相连接，输出端与第三开关单元一个输入端相连；第三开关单元为单刀双掷磁保持继电器，一个输入端与C相连接，输出端与负载连接；四个过零检测单元，其中三个过零检测单元连接A相、B相、C相电压，另外一个过零检测单元连接负载电流；人机交互单元，包括一个显示屏和两个设置按键；控制单元，分别连接电压采样单元、电流采样单元、过零检测单元、人机交互单元和开关单元。优选地，所述三个电压采样单元和一个电流采样单元分别测当前三相输入电压和当前负载电流，并将检测值输入至控制单元，控制单元经所述显示屏循环显示当前电压、电流值，并由控制单元经所述通信单元向智能换相终端传输表号、电流、相序检测数据。优选地，所述人机交互单元循环显示表号、三相输入电压、当前负载电流、温度，常显当前负载相、通讯状况，通过按键进行人工换相、设置换相终止的电流阈值参数。优选地，所述通信单元选择LORA无线通信或载波通信，在一次换相周期即将结束时，向智能换相终端发送表号、当前负载相、当前负载电流，并接收智能换相终端向所述智能换相开关发送的换相控制指令。优选地，根据检测数据并由智能换相终端分析当前三相不平衡状况，由智能换相终端向所述智能换相开关发送控制指令，通过检测负载电流和输入端交流电压的过零检测，执行当前负载由一相切换到另一相的动作。优选地，所述过零检测单元用于检测输入端交流电压和输出端负载电流的过零情况，在相应相电压过零和负载电流过零时输出过零信号，所述控制单元接收所述过零信号，并根据接收指令控制相应的开关单元动作以实现智能换相；换相时通过检测当前负载电流的过零信号并经软件计算后执行关闭动作，通过检测相应相电压过零信号并经软件计算后执行开启动作。优选地，所述三开关单元内均含两个磁保持继电器，其中一个作为常开、常闭开关，另外一个作为辅助触点，所述控制单元分别控制两个磁保持继电器，通过控制常开、常闭开关实现换相，所述辅助触点的状态随着常开、常闭开关的变化而变化，并将状态传输给控制单元。2.本发明另提供一种三相智能换相的控制方法，基于上述的一种三相智能换相装置，包括以下步骤：分别测当前三相电压值和负载电流值，并将检测值输入至控制单元，并由控制单元经通信单元向智能换相终端传输表号、电流、相序检测数据；智能换相终端读取配变低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据，分析当前三相不平衡状况，进行优化计算，下发最优换相控制指令，动态把用户分到A、B、C三相上，各换相开关单元收到换相指令后，按照规定换相流程执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配。优选地，所述三开关单元内均含两个磁保持继电器，其中一个作为常开、常闭开关，另外一个作为辅助触点，所述控制单元分别控制两个磁保持继电器，通过控制常开、常闭开关实现换相，所述辅助触点的状态随着常开、常闭开关的变化而变化，并将状态传输给控制单元。优选地，根据开关单元内辅助触点的输出状态，判断当前智能换相开关的工作状态；按照接收的换相指令执行换相操作，通过控制相应的开关单元动作以实现智能换相，通过检测当前负载电流的过零信号并经软件计算后执行开关单元的关闭动作，通过检测相应相电压过零信号并经软件计算后执行开关单元的开启动作。本发明的一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置及控制方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明中，通过开关拓扑结构的优化，实现相间机械互锁防短路，所述的三个开关单元无论开、闭，都不会引起相间短路；在开关误触发时，不会引起相间短路，并可以通过反馈触点状态反馈纠正误触发开关。相比于现有技术，从根本上杜绝了相间短路的发生。本发明中，优化的开关拓扑结构减少了换相时开关单元动作次数。所述四个过零检测单元分别测三相电压和负载电流过零点，所述控制单元根据检测的负载相、切入相的过零点和频率，预测下一周期的过零点，并提前过零点发出继电器驱动信号以补偿继电器动作延迟时间。相比于现有技术，优化的开关拓扑结构减少了换相时动作次数，并支持软硬件结合补偿继电器动作延迟时间，有效缩短了换相时失电时间，实现精准的过零投切。附图说明附图1是本发明装置的结构示意图；附图2是本发明装置的原理示意图；附图3是本发明方法的流程图。具体实施方式下面结合附图1-3，对本发明的一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置及控制方法作以下详细说明。本发明的一种优化开关拓扑的三相智能换相开关装置，如图1所示，本例中的VA、VB、VC分别为A、B、C三相的电压采样单元，所述电压采样单元由分压电阻、信号调理电路和采样电路组成，可以采集当前交流相电压值，该电路为现有技术，在此不再赘述；VI为电流采样单元，电流采样单元通过采样电流互感器采样电阻的两端电压，检测负载输入电流；ZA-ZC为电压过零检测单元，所述过零检测单元可以检测输入两点间交流信号的过零点，并输出给控制器过零信号，ZI为电流过零检测单元，由电流互感器、信号调理电路和采样电路组成，可以采集负载输入电流值，该电路为现有技术，在此不再赘述。K1、K2、K3为开关单元的开关输出；S1、S2、S3为开关单元的辅助触点，分别与K1、K2、K3联动，如图1所示，当K1拨到A相时，S1断；K2拨到B相时，S2断开，K2拨到K1输出时，S2闭合；K3拨到C相时，S2断开，K3拨到K2输出时，S3闭合。VA、VB、VC、ZA-ZC、ZI、S1-S3的输出作为控制器的输入信号，控制器(即控制单元)控制K1-K3动作。如图1所示，VA、VB、VC分别连接到A、B、C相与N相之间，用来采集相电压；ZA-ZC分别连接到A,B,C相与N相之间，ZI、VI连接到负载电路入口处电流互感器两端，K1的输出连接K2的输入，K2的输出连接K3的输入，K3的输出连接负载。结合附图2，开关装置还包括：人机交互单元，包括一个显示屏和两个设置按键；人机交互单元循环显示表号、三相输入电压、当前负载电流、温度，常显当前负载相、通讯状况，通过按键进行人工换相、设置换相终止的电流阈值参数控制单元，分别连接电压采样单元、电流采样单元、过零检测单元、人机交互单元和开关单元。其中VA、VB、VC和VI分别测当前三相输入电压和当前负载电流，并将检测值输入至控制单元，控制单元经所述显示屏循环显示当前电压、电流值，并由控制单元经所述通信单元向智能换相终端传输表号、电流、相序检测数据。根据检测数据并由智能换相终端分析当前三相不平衡状况，由智能换相终端向所述智能换相开关发送控制指令，通过检测负载电流和输入端交流电压的过零检测，执行当前负载由一相切换到另一相的动作。通信单元选择LORA无线通信或载波通信，在一次换相周期即将结束时，向智能换相终端发送表号、当前负载相、当前负载电流，并接收智能换相终端向所述智能换相开关发送的换相控制指令。其中ZA-ZC和ZI用于检测输入端交流电压和输出端负载电流的过零情况，在相应相电压过零和负载电流过零时输出过零信号，控制单元接收所述过零信号，并根据接收指令控制相应的开关单元动作以实现智能换相；换相时通过检测当前负载电流的过零信号并经软件计算后执行关闭动作，通过检测相应相电压过零信号并经软件计算后执行开启动作。其中三开关单元内内均含两个磁保持继电器，其中K1、K2、K3作为常开、常闭开关，S1、S2、S3作为辅助触点，控制单元分别控制两个磁保持继电器，通过控制常开、常闭开关实现换相，辅助触点的状态随着常开、常闭开关的变化而变化，并将状态传输给控制单元。本发明根据负载情况可以将本开关装置分为四种运行状态，四种运行状态分别为状态一-状态四，另外存在四种误动作状态，四种误动作状态统称为状态五，五种状态如下:状态一：如图1所示，负载处于A相时，K1闭合，K2拨到K1输出端，K3拨到K2输出端。此时ZA-ZC、ZI处于工作状态，S1闭合，S2断开，S3断开。状态二：如图1所示，负载处于B相时，K1断开，K2拨到B相，K3拨到K2输出端。此时ZA-ZC、ZI处于工作状态，S1断开，S2闭合，S3断开。状态三：如图1所示，负载处于C相时，K1断开，K2拨到K1输出端，K3拨到C相。此时ZA-ZC、ZI处于工作状态，S1断开，S2断开，S3闭合。状态四：如图1所示，负载电路断开时，K1断开，K2拨到K1输出端，K3拨到K2输出端。此时ZA-ZC处于工作状态，ZI处于非工作状态，S1断开，S2断开，S3闭合。状态五：如图1所示，K1、K2、K3各有开、闭两种状态，开关拓扑共有8种状态，除状态一-状态四四种可控状态外，其余四种状态统称为状态五，处于状态五时，不存在短路风险。本发明三相智能换相开关装置的换相过程可分为八种：过程一：负载由A相切换到B相时，即由状态一切换到状态二，先将K1执行断开动作，然后K2由K1输出端切到B相，K3无动作，K1断开的过零点由ZA提供，K2切换动作的过零点由ZB提供。过程二：负载由B相切换到C相时，即由状态二切换到状态三，先将K2由B相切到K1输出端，然后K3由K2输出端切到C相，K1无动作,K2切换动作的过零点由ZI提供，K3动作过零点由ZC提供。过程三：负载由C相切换到A相时，即由状态三切换到状态一，先将K3由C相切到K2输出端，然后K1执行闭合动作,K2无动作，K3动作的过零点由ZI提供，K1动作过零点由ZA提供。过程四：负载由A相切换到C相时，即由状态一切换到状态三，先将K1执行断开动作，然后K3由K2输出端切到C相,K2无动作，K1断开的过零点由ZI提供，K3动作的过零点由ZC提供。过程五：负载由C相切换到B相时，即由状态三切换到状态二，先将K3由C相切到K2输出端，然后K2由K1输出端切到B相，K1无动作，K3动作的过零点由ZI提供，K2动作的过零点由ZB提供。过程六：负载由B相切换到A相时，即由状态二切换到状态一，先将K2由B相切到K1输出端，然后K1执行闭合动作，K3无动作，K2动作的过零点由ZI提供，K1动作的过零点由ZA提供。过程七：负载由A、B、C其中一相切换到断电时，即由状态一、二、三切换到状态四，仅需动作当前负载相开关，其余开关无动作，当前负载相开关动作的过零点由ZI提供。过程八：负载由断电分别切换到A、B、C相时，即由状态四切换到状态一、二、三时，仅需分别动作K1、K2、K3，其余两开关无动作，开关动作的过零点分别由ZA、ZB、ZC提供。当因开关误触发而处于状态五时，并不影响负载供电，通过检测反馈触点S1-S3的状态，确认当前负载相，误动作开关执行恢复动作，恢复至可控状态一-状态四其中之一。首次上电时根据表号将换相开关平均分配至状态一至状态三。本发明中，换相时开关动作次数及上下电时开关动作次数列于表1、2，可知优化的开关拓扑结构减少了换相及上下电时开关单元动作次数。所述四个过零检测单元分别测三相电压和负载电流过零点，所述控制单元根据检测的负载相、切入相的过零点和频率，预测下一周期的过零点，并提前过零点发出继电器驱动信号以补偿继电器动作延迟时间。相比于现有技术，优化的开关拓扑结构减少了换相时动作次数，并支持软硬件结合补偿继电器动作延迟时间，有效缩短了换相时失电时间，实现精准的过零投切。表1换相时开关动作次数换相操作A->BB->CC->AA->CC->BB->A动作次数222222表2上下电时开关动作次数上下电操作A->OffB->OffC->OffOff->AOff->BOff->C动作次数111111如附图3所示，本发明的一种三相智能换相的控制方法，基于上述一种三相智能换相装置，包括以下步骤：分别测当前三相电压值和负载电流值，并将检测值输入至控制单元，并由控制单元经通信单元向智能换相终端传输表号、电流、相序检测数据；智能换相终端读取配变低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据，分析当前三相不平衡状况，进行优化计算，下发最优换相控制指令，动态把用户分到A、B、C三相上，各换相开关单元收到换相指令后，按照规定换相流程执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配。根据开关单元内辅助触点的输出状态，判断当前智能换相开关的工作状态；按照接收的换相指令执行换相操作，通过控制相应的开关单元动作以实现智能换相，通过检测当前负载电流的过零信号并经软件计算后执行开关单元的关闭动作，通过检测相应相电压过零信号并经软件计算后执行开关单元的开启动作。尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。当前第1页1 2 3