CN106300398B - 一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置，所述终端装置包括交流主电路模块、采样模块、指令操作模块、主控模块和通信接口模块，所述主控模块分别与所述通信接口模块、采样模块、指令操作模块相连，所述采样模块和所述指令操作模块还与所述交流主电路模块相连。本发明实施方式提供的基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置，能够在换相操作过程中快速实现相间负荷转移，避免用户停电；能够在换相操作中分断点和闭合点瞬间电流趋于零，避免产生较大的冲击电流，减小对换相装置本体和用电设备的冲击。目的是通过自动调整配电变压器和低压线路的三相负荷不平衡，降低电能损耗，较少低电压问题，解决配电变压器单相过载问题。

Description

一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置

技术领域

本发明涉及低压配电及节能技术领域，特别涉及一种基于稳态波形拟合的相间负载转移终端装置。

背景技术

在目前的低压线路中通常包含A相、B相、C相三相相线和零线，如果三相电路的负荷不平衡，那么会引起配电变压器和低压线路的电能损耗增大，可能会引发低电压问题、甚至烧毁变压器的单相绕组。

当前，三相负荷不平衡自动调节的方法有电源侧相间跨接电容方法、动态无功补偿方法、负载侧负荷转移方法等。其中，相间跨接电容方法的原理是通过在低压母线上跨接电容器，从负荷比较重的相向负荷比较轻的相分流电流，使配变低压出口三相电流基本平衡。该方法的优点是调节装置比较简单，安装比较方便，缺点是只能调节配电变压器三相电流的不平衡，不能调节低压线路的三相电流不平衡。动态无功率补偿方法是近几年来研发的新方法，其原理与相间跨接电容方法相似，其优点是既调节电流不平衡，也调节电压不平衡。该方法的优点是功能齐全，调节精细，响应速度快，缺点也是只能调节配电变压器三相电流的不平衡，不能调节低压线路的三相电流不平衡，而且装置本身功耗比较高，成本比较高。

负载侧负荷转移方法的原理是采用数个安装于单相用户分支线路的自动换相终端，将用户部分负荷从负荷比较重的相自动转移到负荷比较轻的相，从而实现配电变压器出口和线路三相电流基本平衡，该方法既能降低变压器的电能损耗，又能降低线路的电能损耗，而且成本比较低。

目前常用的相间负荷转移方法是采用过零选相方法，即在ABC三相电路中，当负荷比较重的当前相的电流波形过零时分断该相，当负荷比较轻的目标相电压波形过零时闭合该相。该方法的问题是，由于线路分断后，负载侧电路中存在感生电动势，当目标相电压过零时，闭合点的电压并不为零，线路闭合瞬间，会产生比较大的电流，对用电设备或电器产生比较大的冲击，或产生操作过电压，影响用电设备的正常使用，或者导致电能质量下降。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置，能够在换相操作过程中快速实现相间负荷转移，避免用户停电；能够在换相操作中分断点和闭合点瞬间电流趋于零，避免产生较大的冲击电流，实现相间负荷平稳转移，减小对换相装置本体和用电设备的冲击。目的是通过自动调整配电变压器和低压线路的三相负荷不平衡，降低电能损耗，较少低电压问题，解决配电变压器单相过载问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置，所述终端装置包括交流主电路模块、采样模块、指令操作模块、主控模块和通信接口模块，所述主控模块分别与所述通信接口模块、采样模块、指令操作模块相连，所述采样模块和所述指令操作模块还与所述交流主电路模块相连，其中：所述交流主电路模块包括电源侧电路、开关电路和负载侧电路，所述电源侧电路包括并联的A相电路、B相电路、C相电路，所述开关电路中包括与各相电路相对应的磁保持继电器，所述负载侧电路包括电流互感器、电压互感器和负载侧输出端子；所述A相电路、B相电路、C相电路的结构相同，均包括输入端子和电压互感器；所述通信接口模块用于接收从当前相电路向目标相电路切换的换相指令，并将所述换相指令发送至所述主控模块；所述采样模块用于采集所述负载侧电路中电流互感器的电流信号以及采集所述当前相电路中电压互感器的电压信号；所述主控模块包括计时器和用于控制所述计时器开启或关闭的计时器控制单元，所述计时器用于响应所述计时器控制单元的控制指令，记录所述负载侧电路中电流互感器的电流信号的变化时间以及记录所述当前相电路中电压互感器的电压信号的变化时间；所述指令操作模块用于向各个所述磁保持继电器传输所述主控模块下达的分断指令或闭合指令。

进一步地，所述A相电路、B相电路、C相电路还包括熔断器或空气开关。

进一步地，所述终端装置还包括电源模块、数据存储模块和显示键盘电路模块，其中，所述电源模块用于为所述终端装置中的各个模块供电，所述显示键盘电路模块和所述数据存储模块均与所述主控模块相连。

进一步地，所述主控模块中还包括用于将所述计时器记录的时间与预设时间进行匹配的逻辑匹配单元。

进一步地，所述主控模块中还包括用于对所述磁保持继电器的分断时间或闭合时间进行修正的修正单元。

由以上本发明实施方式提供的技术方案可见，本发明实施方式通过对负载侧电路中电流互感器的电流信号进行检测，从而可以确定电流信号过零的时间点。将电流信号过零的时间点作为当前相的分断点，可以保证在线路分断点的瞬间电流趋于零，不会在分断点产生较大的电流。此外，在线路分断之后，通过对目标相中电压互感器的电压信号和负载侧电路中电压互感器的感生电动势信号进行检测，从而可以确定目标相电路中的电压与负载侧感生电动势的电压相等的时间点，将该时间点确定为目标相的闭合时间点便可以保证在目标相电路闭合点的瞬间电流趋于零，不会在闭合点产生较大的电流，从而能够保护用电设备。

进一步地，所述的负载侧产生的感生电动势随着时间推移会逐渐衰减为0。电动势在感生电动势产生的第一个周期内，其波形与当先相电路中的电压波形近似一致(也就是忽略其随时间的衰减值)，可以用当前相电压波形近似代替负载侧感生电动势波形。为了简化控制电路，可以确定目标相的电电压与当前相的电压相等的时间点，将该时间点确定为目标相的闭合时间点。

附图说明

图1为本发明实施方式中交流电路分断之后的电压波形图；

图2为本发明实施方式中从A相到B相的换相过程波形图；

图3为本发明实施方式中从A相到C相的换相过程波形图；

图4为本发明实施方式中基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置的结构示意图；

图5为本发明实施方式中交流主电路模块的电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置。请一并参阅图4和图5，所述终端装置包括交流主电路模块1、采样模块3、指令操作模块4、主控模块6和通信接口模块8，所述主控模块6分别与所述通信接口模块8、采样模块3、指令操作模块4相连，所述采样模块3和所述指令操作模块4还与所述交流主电路模块1相连。

在本实施方式中，所述交流主电路模块1包括电源侧电路、开关电路和负载侧电路，其中，所述电源侧电路包括并联的A相电路、B相电路、C相电路，所述开关电路中包括与各相电路相对应的磁保持继电器14、18、112，所述负载侧电路包括电流互感器113、电压互感器114和负载侧输出端子115，所述A相电路、B相电路、C相电路的结构相同，均包括输入端子11、15、19和电压互感器13、17、111。

请参阅图1。在本实施方式中，各相电路中的电压信号，即稳态波形均为正弦波形。三相电路中的电压信号的相位为相差120°。在同一时刻，只能有一条相电路处于闭合状态，其它两条相电路处于分断状态。假设当前A相电路处于闭合状态，B相和C相电路处于分断状态。那么当A相电路在某个时刻分断后，会在负载侧产生感生电动势，即暂态波形，图1中的虚线便是感生电动势的波形。从图1中看出，A相电路分断之后在负载侧产生的感生电动势随着时间推移会逐渐衰减为0。在本实施方式中，在感生电动势产生的第一个周期内，其波形与A相电路中的电压波形近似一致(也就是忽略其随时间的衰减值)，可以用A相电压波形近似代替负载侧感生电动势波形。这样，相当于在A相电路分断之后，在负载侧还会延续一个周期的正常电压波形。

请参见附图2，A相电路的电流信号200过零点的时刻为T0和T2，A相电路的电压信号100的过零点的时刻为T1。由图2可见，在T1时刻，当电压信号100过零时，电流信号200并不为零。因此，如果在T1时刻分断A相电路，那么分断点还是会有较大的电流，这样会对负载侧的用电设备产生损害。在本实施方式中，在T2时刻，也就是电流信号200过零时分断A相电路，分断点的瞬间电流趋于零。而此时在负载侧电路中还产生如图2中虚线所示的感生电动势。为了在B相电路闭合点，电源侧电路的电压与负载侧电路的感生电动势电压能够相同，在如图2所示的T3时刻，也就是当感生电动势的电压波形与B相电路输入的电压波形300相交时闭合B相电路。这样，B相电路闭合时，电源侧的电压便与负载侧的电压相等，从而闭合点的瞬间电流趋于零。为了简化控制电路，可以确定B相的电压与A相的电压相等的时间点，将该时间点确定为B相的闭合时间点。在B相电路闭合后，电路中便可以产生B相电流500。

同样地，请参阅图3，在A相电路分断后，在T4时刻，也就是负载侧的感生电动势的电压波形与C相电路输入的电压波形400相交时，闭合C相电路，从而使得闭合点的瞬间电流趋于零。为了简化控制电路，可以确定C相的电压与A相的电压相等的时间点，将该时间点确定为目标相的闭合时间点。在C相电路闭合后，电路中便可以产生C相电流600。

请一并参阅图4和图5。在本实施方式中，所述通信接口模块8用于接收从当前相电路向目标相电路切换的换相指令，并将所述换相指令发送至所述主控模块6。为了便于描述，假设所述当前相为A相，所述目标相为B相。这样，所述主控模块6便通过采样模块采集所述负载侧电路中电流互感器113的电流信号以及采集所述当前相电路中电压互感器13的电压信号。

在本实施方式中，所述主控模块6包括计时器和用于控制所述计时器开启或关闭的计时器控制单元，所述计时器用于响应所述计时器控制单元的控制指令，记录所述负载侧电路中电流互感器的电流信号的变化时间以及记录所述当前相电路中电压互感器的电压信号的变化时间。具体地，当检测到如图2所示的电流波形200由正变为0时，即在T0点，主控模块6启动计时器控制单元中的分断计时器程序。当检测到图2中的电压波形100由负变为0时，即在T1点，主控模块6启动计时器控制单元中的闭合计时器程序。这样，计时器便分别对分断过程和闭合过程进行计时，其中，对分断过程进行计时的起点为T0，为闭合过程进行计时的起点为T1。

在本实施方式中，线路中电压信号和电流信号的频率均为50Hz，那么电压信号和电流信号的半个周期的时间跨度便为10毫秒。这样，当计时器中记录的分断时间等于10-Tr时，主控模块6通过指令操作模块4提前分断A相电路对应的磁保持继电器14的主触点S。其中，Tr为磁保持继电器的分断/闭合时间，典型值为5毫秒，即在对磁保持继电器下达分断或者闭合指令后，经过5毫秒，主触点S才会将线路分断或者闭合。这样，从T0开始，经过5毫秒主控模块6便通过指令操作模块4向磁保持继电器14下达分断指令，从而在图2的T2点分断A相电路。

在本实施方式中，所述主控模块6中的计时器从T1时刻对B相电路闭合过程开始计时。由于A相电路的电压信号与B相电路的电压信号之间的相位差为120°，那么计算得到图2中T3时刻与T1时刻之间角度差为150°，那么T1与T3之间的时间差为(150/360)×20＝8.33毫秒。这样，当计时器中针对闭合过程的计时时间等于8.33-Tr时，所述主控模块6便通过指令操作模块4提前闭合B相电路对应的磁保持继电器18的主触点S，这样，从T1开始，经过3.33毫秒主控模块6便通过指令操作模块4向磁保持继电器18下达分断指令，从而在图2的T3点闭合B相电路。

在本实施方式中，从A相电路向C相电路的换相过程也与上述过程类似，只不过在闭合C相电路的过程中，计时器计算的时间不同。请参阅图3，当计时器中记录的分断时间等于10-Tr时，主控模块6通过指令操作模块4提前分断A相电路对应的磁保持继电器14的主触点S。其中，Tr为磁保持继电器的分断/闭合时间，典型值为5毫秒，即在对磁保持继电器下达分断或者闭合指令后，经过5毫秒，主触点S才会将线路分断或者闭合。这样，从T0开始，经过5毫秒主控模块6便通过指令操作模块4向磁保持继电器14下达分断指令，从而在图2的T2点分断A相电路。

在本实施方式中，所述主控模块6中的计时器从T1时刻对C相电路闭合过程开始计时。由于A相电路的电压信号与C相电路的电压信号之间的相位差为210°，那么计算得到图3中T4时刻与T1时刻之间角度差为210°，那么T1与T4之间的时间差为(210/360)×20＝11.67毫秒。这样，当计时器中针对闭合过程的计时时间等于11.67-Tr时，所述主控模块6便通过指令操作模块4提前闭合C相电路对应的磁保持继电器112的主触点S。这样，从T1开始，经过6.67毫秒主控模块6便通过指令操作模块4向磁保持继电器112下达分断指令，从而在图3的T4点闭合C相电路。

由上可见，所述指令操作模块4用于向各个所述磁保持继电器传输所述主控模块6下达的分断指令或闭合指令。

在本发明一个实施方式中，所述A相电路、B相电路、C相电路还包括熔断器12、16、110，所述熔断器对各相电路中的最大电流进行限制，当电路中电流超过最大限制值时，熔断器便会熔断，从而保护线路中的电子器件不受损坏。所述熔断器还可以替换为空气开关。

在本发明一个实施方式中，所述终端装置还包括电源模块2、数据存储模块5和显示键盘电路模块7，其中，所述电源模块2用于为所述终端装置中的各个模块供电，所述显示键盘电路模块7和所述数据存储模块5均与所述主控模块6相连。其中，所述显示键盘电路模块7作为主控模块6与外界的交互模块，用户通过所述显示键盘电路模块7向所述主控模块6下达各种指令，所述主控模块6也通过所述显示键盘电路模块7向用户显示当前装置的各项参数。所述数据存储模块5则存储终端装置在进行数据处理过程中产生的数据。

在本发明一个实施方式中，所述主控模块6中还包括用于将所述计时器记录的时间与预设时间进行匹配的逻辑匹配单元。所述逻辑匹配单元针对不同相电路，设置的预设时间也不同。例如，对于A相电路向B相电路换相时，所述逻辑匹配单元针对分断过程，将预设时间设置为5毫秒，这样，一旦计时器记录的分断时间达到5毫秒时，主控模块6便通过指令操作模块4向磁保持继电器14下达分断指令，从而在图2的T2点分断A相电路。此外，所述逻辑匹配单元中设置的预设时间例如还为3.33毫秒和6.67毫秒。

在本发明一个实施方式中，所述主控模块6中还包括用于对所述磁保持继电器的分断时间或闭合时间进行修正的修正单元。具体地，如图2所示，所述修正单元控制计时器记录从T0开始到电流为零的实际时间ts。由于T2点与T0点的理论时差为10毫秒，所以，在分断过程中修正时间为Toff＝10-ts。那么从T0点开始，A相电路对应的磁保持继电器14进行分断操作的时间点便为10-Tr+Toff。利用同样的方法计算出B相和C相磁保持继电器的分断修正时间。

同样地，对于A相到B相的闭合修正时间而言，如图2所示，所述修正单元控制计时器记录从T1开始到负载侧电流互感器中电流信号由零上升的时间ts1。因为T3点与T1点的理论时差为8.33毫秒，所以，B相电路对应的磁保持继电器的闭合修正时间为Ton＝8.33-ts1。那么从T1点开始，B相电路对应的磁保持继电器进行闭合操作的时间点便为8.33-Tr+Ton。利用同样方法计算“从B相到C相”和“从C相到A相”的闭合修正时间。

对于从A相到C相的闭合修正时间的计算方法也与上述从A相到B相的计算方式类似。请参阅图3，所述修正单元控制计时器记录从T1开始到负载侧电流互感器中电流信号由零上升的时间ts2。因为T4点与T1点的理论时差为11.67毫秒，所以，C相电路对应的磁保持继电器的闭合修正时间为Ton1＝11.67-ts2。那么从T1点开始，C相电路对应的磁保持继电器进行闭合操作的时间点便为11.67-Tr+Ton。利用同样方法计算“从C相到B相”和“从B相到A相”的闭合修正时间。

由以上本发明实施方式提供的技术方案可见，本发明实施方式通过对负载侧电路中电流互感器的电流信号进行检测，从而确定电流信号过零的时间点。将电流信号过零的时间点作为当前相的分断点，保证在线路分断之后，不会在分断点产生较大的电流。此外，在线路分断之后，通过对当前相电压进行检测，从而确定目标相的电压与当前相电压相等的时间点，将该时间点确定为目标相的闭合时间点便保证在目标相电路闭合电瞬间电流趋于零。

上面对本发明的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。本发明的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本发明旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

Claims (5)

1.一种基于稳态波形拟合的相间负荷转移终端装置，所述终端装置包括交流主电路模块、采样模块、指令操作模块、主控模块和通信接口模块，其特征在于，所述主控模块分别与所述通信接口模块、采样模块、指令操作模块相连，所述采样模块和所述指令操作模块还与所述交流主电路模块相连，其中：

所述交流主电路模块包括电源侧电路、开关电路和负载侧电路，所述电源侧电路包括并联的A相电路、B相电路、C相电路，所述开关电路中包括与各相电路相对应的磁保持继电器，所述负载侧电路包括电流互感器、电压互感器和负载侧输出端子；所述A相电路、B相电路、C相电路的结构相同，均包括输入端子和电压互感器；

所述通信接口模块用于接收从当前相电路向目标相电路切换的换相指令，并将所述换相指令发送至所述主控模块；

所述采样模块用于采集所述负载侧电路中电流互感器的电流信号以及采集所述当前相电路中电压互感器的电压信号；

所述主控模块包括计时器和用于控制所述计时器开启或关闭的计时器控制单元，所述计时器用于响应所述计时器控制单元的控制指令，记录所述负载侧电路中电流互感器的电流信号的变化时间以及记录所述当前相电路中电压互感器的电压信号的变化时间，以确定第一电流信号过零的时间点和确定目标相电路中的电压与负载侧感生电动势的电压相等的时间点；第一电流信号过零的时间点用作当前相的分断点，确定目标相电路中的电压与负载侧感生电动势的电压相等的时间点用作目标相的闭合时间点；

所述指令操作模块用于向各个所述磁保持继电器传输所述主控模块下达的分断指令或闭合指令。

2.根据权利要求1所述的终端装置，其特征在于，所述A相电路、B相电路、C相电路还包括熔断器或空气开关。

3.根据权利要求1所述的终端装置，其特征在于，所述终端装置还包括电源模块、数据存储模块和显示键盘电路模块，其中，所述电源模块用于为所述终端装置中的各个模块供电，所述显示键盘电路模块和所述数据存储模块均与所述主控模块相连。

4.根据权利要求1所述的终端装置，其特征在于，所述主控模块中还包括用于将所述计时器记录的时间与预设时间进行匹配的逻辑匹配单元。

5.根据权利要求1所述的终端装置，其特征在于，所述主控模块中还包括用于对所述磁保持继电器的分断时间或闭合时间进行修正的修正单元。