一種智能換相控制裝置及換相控制方法與流程
2024-04-02 08:49:05
本發明涉及配電網領域，尤其涉及一種智能換相控制裝置及換相控制方法。
背景技術：
我國配電網內電力用戶眾多且位置分散，存在大量的時空分布不平衡的單相負荷，導致多數配電臺區存在不同程度的三相負荷不平衡問題。三相負荷不平衡對配電臺區造成配電變壓器和負荷線路損耗增加，配電臺區重載相的電壓質量下降，配電變壓器出力降低，電能轉換效率下降，三相不平衡運行造成配電變壓器零序電流增大，引起的渦流損耗使配電變壓器運行溫度升高，危及變壓器安全和壽命。
目前針對配電臺區的三相不平衡問題的解決方式是基於臺區控制終端的換相控制系統，其基本原理是通過臺區管理終端，實時監測配電變壓器的運行工況，在三相負荷不平衡越限的情況下，臺區控制終端以通訊的方式選擇性地遙控終端負荷的換相開關，將掛在重載相別的負荷切換到輕載相別，以達到負荷平衡的目的。但不足之處在於：常規的換相開關是基於機械式的分合操作，切換期間有短時的供電中斷，不能被供電部門和用戶所接受。
技術實現要素：
為了克服上述現有技術中的不足，本發明提供一種智能換相控制裝置，包括：模擬量輸入模塊，ad轉換器，處理器，換相控制模塊，載波通訊模塊以及用於給智能換相控制裝置內部元件提供電源的電源模塊;
模擬量輸入模塊通過ad轉換器與處理器連接，模擬量輸入模塊用於獲取配電網的三相電壓信號和電流信號，並將電壓、電流信號通過ad轉換器後傳輸至處理器；
換相控制模塊，載波通訊模塊分別與處理器連接，載波通訊模塊用於向臺區控制終端上傳負荷電流值及電子換相開關三相狀態，同時接收臺區控制終端的換相指令；
處理器用於接收模擬量輸入模塊傳輸的配電網的三相電壓信號和電流信號，採用半波傅立葉變換算法計算出三相電壓、負荷電流幅值及相位，實現測量顯示及通訊遠傳功能，同時實現過壓、欠壓、過流保護功能；當接收到臺區控制終端發出的換相指令後，實時判斷電壓、電流採樣波形，通過向控制換相控制模塊發出換相指令，實現換相動作；換相動作完成後，通過載波通訊模塊向臺區控制終端上傳操作結果；
換相控制模塊用於根據處理器發出的換相指令，控制電子換相開關執行換相動作。
優選地，模擬量輸入模塊包括：電壓輸入電路，電流輸入電路，信號放大電路，低通濾波電路；
電壓輸入電路用於獲取配電網的電壓信號，電流輸入電路用於獲取配電網的電流信號，信號放大電路用於將獲取的電壓信號和電流信號進行運放，低通濾波電路將運放的電壓信號和電流信號進行濾波，濾波後傳入ad轉換器。
優選地，電壓輸入電路包括：第一電阻r1，過壓保護裝置fu，第一變壓器t1；
過壓保護裝置fu的第一端與電壓輸入電路的第一輸入端連接，過壓保護裝置fu的第二端通過第一電阻r1連接第一變壓器t1一次側的第一端，第一變壓器t1一次側的第二端連接電壓輸入電路的第二輸入端；第一變壓器t1的二次側接信號放大電路；
電流輸入電路包括：第二電阻r2，第三電阻r3，第二變壓器t2；
電流輸入電路的第一輸入端分別與第二電阻r2第一端，第二變壓器t2一次側的第一端，第三電阻r3第一端連接；電流輸入電路的第二輸入端分別與第二電阻r2第二端和第二變壓器t2一次側的第二端連接；第三電阻r3第二端與第二變壓器t2二次側第一端及電流輸入電路的第一輸出端連接，第二變壓器t2二次側第二端與電流輸入電路的第二輸出端連接；
信號放大電路包括：第四電阻r4，第五電阻r5，第一電容c1，第二電容c2，第十一運放器u11；
信號放大電路的輸入端分別與第四電阻r4第一端，第一電容c1第一端，第十一運放器u11二腳連接，第十一運放器u11三腳接地，第十一運放器u11四腳接地，第十一運放器u11五腳接電源，第十一運放器u11一腳分別與第四電阻r4第二端，第一電容c1第二端，第五電阻r5第一端連接，第五電阻r5第二端分別與第二電容c2第一端，信號放大電路的輸出端連接，第二電容c2第二端接地。
優選地，處理器採用mcu晶片，mcu晶片兼具高效率數位訊號處理能力和微程序控制器的實時控制能力，內核工作頻率可達120mhz，程序空間和數據空間分開編址，支持並行處理，片內集成了相當容量的flash、ram以及豐富的i/o模塊，並具有多個帶輸入捕捉的定時器；
載波通訊模塊採用fsk調製方式，半雙工方式與處理器的異步串行口通信，處理器使用dma模式讀取異步串行口收發數據，實現與臺區控制終端的數據交互。
優選地，還包括：多個led工作指示燈；
處理器還用於根據換相指令，對led工作指示燈顯示內容進行控制，更新相應的led工作指示燈顯示狀態；處理器在每個預設的循環周期進行自檢操作，若自檢失敗則發出告警指示，並閉鎖智能換相控制裝置。
優選地，換相控制模塊包括：換相開關控制電路，輔助電源電路；
換相開關控制電路用於控制電子換相開關動作；輔助電源電路用於向換相控制模塊提供激勵+24電源，輔助電源電路包括：第十一電阻r11，第十二電阻r12，第十三電阻r13，第十四電阻r14，第三電容c3，第四電容c4，第五電容c5，第六電容c6，電感l，二極體d，電源晶片u1；
輔助電源電路輸入端分別與第十一電阻r11第一端，第三電容c3第一端，電源晶片u1六腳連接，第三電容c3第二端，電源晶片u1四腳，第十四電阻r14第二端，第四電容c4第二端，第五電容c5第二端分別接地，第十一電阻r11第二端分別與電源晶片u1七腳，電感l第一端，第十二電阻r12第一端連接，第十二電阻r12第二端接電源晶片u1八腳，電感l第二端分別與電源晶片u1一腳，二極體d陽極連接，二極體d陰極分別與第十三電阻r13第一端，第四電容c4第一端，第五電容c5第一端，輔助電源電路輸出端連接，電源晶片u1二腳接地，三腳通過第六電容c6接地，第十三電阻r13第二端分別與電源晶片u1五腳第十四電阻r14第一端連接。
優選地，換相開關控制電路包括：第二運放器u2，第三運放器u3，第四運放器u4，第五運放器u5，第一三極體q1，第二三極體q2，第六電阻r6，第七電阻r7；
換相開關控制電路的set腳分別與第二運放器u2的一腳和第五運放器u5的一腳連接，第二運放器u2二腳，第三運放器u3二腳，第四運放器u4二腳，第五運放器u5二腳分別接地，第二運放器u2的三腳分別與第六電阻r6第一端和第一三極體q1基極連接，換相開關控制電路的rst腳分別與第三運放器u3一腳和第四運放器u4一腳連接，第三運放器u3三腳分別與第一三極體q1集電極和換相開關控制電路的out+連接，第五運放器u5分別與第二三極體q2集電極和換相開關控制電路的out-連接，第四運放器u4三腳分別與第七電阻r7第一端和第二三極體q2基極連接，第六電阻r6第二端，第七電阻r7第二端，第一三極體q1發射極，第二三極體q2發射極分別與+24電源連接。
優選地，還包括：電子開關元件觸頭端電壓測量模塊；
電子開關元件觸頭端電壓測量模塊用於檢測電子換相開關中每一相的換相前電壓和換相後電壓，並將檢測是電壓信號傳輸至處理器。
一種換相控制方法，方法包括：
智能換相控制裝置上電或復位後執行初始化操作，讀取測頻方波邊沿信號計算實時頻率，並同步調整採樣間隔；採用半波傅立葉變換算法計算出三相電壓、負荷電流幅值及相位，實現測量顯示及通訊遠傳功能，同時實現過壓、欠壓、過流保護功能；
當接收到臺區控制終端發送的換相指令後，智能換相控制裝置根據臺區三相電的電壓、電流採樣波形，
通過處理器內置的定時器判斷出接收到換相指令後電流的第一個過零點，此時根據頻率預判出第二個過零點的發生時刻，智能換相控制裝置根據換相開關的固有動作時間，預先發出切換指令，在電流過零點時瞬時斷開負載；
換相動作完成後，通過載波通訊模塊上傳換相結果。
優選地，初始化操作包括採樣數據初始化、通信數據初始化、io口初始化、ad採樣初始化，
初始化操作之後還包括：智能換相控制裝置進行自檢操作，自檢成功後讀取測頻方波邊沿信號計算實時頻率；
智能換相控制裝置的處理器在每個預設的循環周期運行自檢操作，若自檢失敗則發出告警指示，並閉鎖智能換相開關。
從以上技術方案可以看出，本發明具有以下優點：
智能換相控制裝置利用載波通訊模塊與臺區控制終端系統通訊，在收到其下發的換相指令後，根據電壓、電流採樣波形過零點投切實現換相功能，實現智能無縫換相技術，從接收到換相指令到換相完成整個過程實時跟蹤電壓、電流相位過零點，切換操作短時可靠，且保證不發生換相搭接。實現過零換相控制，全正弦波切換，無諧波產生，投切無湧流。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為智能換相控制裝置的整體示意圖；
圖2為電壓輸入電路的電路圖；
圖3為電流輸入電路電路圖；
圖4為信號放大電路電路圖；
圖5為輔助電源電路電路圖；
圖6為換相開關控制電路電路圖；
圖7為換相控制方法流程圖。
具體實施方式
為使得本發明的發明目的、特徵、優點能夠更加的明顯和易懂，下面將運用具體的實施例及附圖，對本發明保護的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而非全部的實施例。基於本專利中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本專利保護的範圍。
本實施例提供一種智能換相控制裝置，如圖1所示，包括：模擬量輸入模塊1，ad轉換器2，處理器3，換相控制模塊4，載波通訊模塊5以及用於給智能換相控制裝置內部元件提供電源的電源模塊6;
模擬量輸入模塊1通過ad轉換器2與處理器3連接，模擬量輸入模塊1用於獲取配電網的三相電壓信號和電流信號，並將電壓、電流信號通過ad轉換器2後傳輸至處理器3；
換相控制模塊4，載波通訊模塊5分別與處理器3連接，載波通訊模塊5用於向臺區控制終端上傳負荷電流值及換相開關三相狀態，同時接收臺區控制終端的換相指令；
處理器3用於接收模擬量輸入模塊1傳輸的配電網的三相電壓信號和電流信號，採用半波傅立葉變換算法計算出三相電壓、負荷電流幅值及相位，實現測量顯示及通訊遠傳功能，同時實現過壓、欠壓、過流保護功能；當接收到臺區控制終端發出的換相指令後，實時判斷電壓、電流採樣波形，通過向控制換相控制模塊發出換相指令，實現換相動作；換相動作完成後，通過載波通訊模塊5向臺區控制終端上傳操作結果；換相控制模塊4用於根據處理器發出的換相指令，控制電子換相開關執行換相動作。電源模塊6提供智能換相控制裝置所需的直流24v、±12v、5v電壓。
本實施例中，模擬量輸入模塊1包括：電壓輸入電路，電流輸入電路，信號放大電路，低通濾波電路；電壓輸入電路用於獲取配電網的電壓信號，電流輸入電路用於獲取配電網的電流信號，信號放大電路用於將獲取的電壓信號和電流信號進行運放，低通濾波電路將運放的電壓信號和電流信號進行濾波，濾波後傳入ad轉換器。
如圖2所示，電壓輸入電路包括：第一電阻r1，過壓保護裝置fu，第一變壓器t1；過壓保護裝置fu的第一端與電壓輸入電路的第一輸入端連接，過壓保護裝置fu的第二端通過第一電阻r1連接第一變壓器t1一次側的第一端，第一變壓器t1一次側的第二端連接電壓輸入電路的第二輸入端；第一變壓器t1的二次側接信號放大電路；
如圖3所示，電流輸入電路包括：第二電阻r2，第三電阻r3，第二變壓器t2；電流輸入電路的第一輸入端分別與第二電阻r2第一端，第二變壓器t2一次側的第一端，第三電阻r3第一端連接；電流輸入電路的第二輸入端分別與第二電阻r2第二端和第二變壓器t2一次側的第二端連接；第三電阻r3第二端與第二變壓器t2二次側第一端及電流輸入電路的第一輸出端連接，第二變壓器t2二次側第二端與電流輸入電路的第二輸出端連接；
如圖4所示，信號放大電路包括：第四電阻r4，第五電阻r5，第一電容c1，第二電容c2，第十一運放器u11；信號放大電路的輸入端分別與第四電阻r4第一端，第一電容c1第一端，第十一運放器u11二腳連接，第十一運放器u11三腳接地，第十一運放器u11四腳接地，第十一運放器u11五腳接電源，第十一運放器u11一腳分別與第四電阻r4第二端，第一電容c1第二端，第五電阻r5第一端連接，第五電阻r5第二端分別與第二電容c2第一端，信號放大電路的輸出端連接，第二電容c2第二端接地。
本實施例中，處理器3採用mcu晶片，mcu晶片兼具高效率數位訊號處理能力和微程序控制器的實時控制能力，內核工作頻率可達120mhz，程序空間和數據空間分開編址，支持並行處理，片內集成了相當容量的flash、ram以及豐富的i/o模塊，並具有多個帶輸入捕捉的定時器；載波通訊模塊採用fsk調製方式，半雙工方式與處理器的異步串行口通信，處理器使用dma模式讀取異步串行口收發數據，實現與臺區控制終端的數據交互。
本實施例中，智能換相控制裝置還包括：多個led工作指示燈；處理器3還用於根據換相指令，對led工作指示燈顯示內容進行控制，更新相應的led工作指示燈顯示狀態；處理器在每個預設的循環周期進行自檢操作，若自檢失敗則發出告警指示，並閉鎖智能換相控制裝置。
本實施例中，如圖5和圖6所示，換相控制模塊4包括：換相開關控制電路，輔助電源電路；
換相開關控制電路用於控制電子換相開關動作；輔助電源電路用於向換相控制模塊提供激勵+24電源，輔助電源電路包括：第十一電阻r11，第十二電阻r12，第十三電阻r13，第十四電阻r14，第三電容c3，第四電容c4，第五電容c5，第六電容c6，電感l，二極體d，電源晶片u1；
輔助電源電路輸入端分別與第十一電阻r11第一端，第三電容c3第一端，電源晶片u1六腳連接，第三電容c3第二端，電源晶片u1四腳，第十四電阻r14第二端，第四電容c4第二端，第五電容c5第二端分別接地，第十一電阻r11第二端分別與電源晶片u1七腳，電感l第一端，第十二電阻r12第一端連接，第十二電阻r12第二端接電源晶片u1八腳，電感l第二端分別與電源晶片u1一腳，二極體d陽極連接，二極體d陰極分別與第十三電阻r13第一端，第四電容c4第一端，第五電容c5第一端，輔助電源電路輸出端連接，電源晶片u1二腳接地，三腳通過第六電容c6接地，第十三電阻r13第二端分別與電源晶片u1五腳第十四電阻r14第一端連接。
換相開關控制電路包括：第二運放器u2，第三運放器u3，第四運放器u4，第五運放器u5，第一三極體q1，第二三極體q2，第六電阻r6，第七電阻r7；
換相開關控制電路的set腳分別與第二運放器u2的一腳和第五運放器u5的一腳連接，第二運放器u2二腳，第三運放器u3二腳，第四運放器u4二腳，第五運放器u5二腳分別接地，第二運放器u2的三腳分別與第六電阻r6第一端和第一三極體q1基極連接，換相開關控制電路的rst腳分別與第三運放器u3一腳和第四運放器u4一腳連接，第三運放器u3三腳分別與第一三極體q1集電極和換相開關控制電路的out+連接，第五運放器u5分別與第二三極體q2集電極和換相開關控制電路的out-連接，第四運放器u4三腳分別與第七電阻r7第一端和第二三極體q2基極連接，第六電阻r6第二端，第七電阻r7第二端，第一三極體q1發射極，第二三極體q2發射極分別與+24電源連接。
本實施例中，智能換相控制裝置還包括：電子開關元件觸頭端電壓測量模塊；電子開關元件觸頭端電壓測量模塊用於檢測電子換相開關中每一相的換相前電壓和換相後電壓，並將檢測是電壓信號傳輸至處理器。
若為正常相電壓值則說明負載完全切斷，若為零則切換失敗或硬體迴路異常，此時智能換相控制裝置自動閉鎖不再執行合目標相動作，確保不發生相間短路。負載完全切斷後，智能換相控制裝置尋找目標相的電壓過零點，在電壓過零點前，提前驅動電子換相開關，使電子換相開關在過零瞬時閉合恢復線路供電。整個分合響應時間為毫秒級的切換，用戶和通常的用電設備感覺不到，大大提高了供電可靠性。
本發明還提供一種換相控制方法，如圖7所示，方法包括：
智能換相控制裝置上電或復位後執行初始化操作，讀取測頻方波邊沿信號計算實時頻率，並同步調整採樣間隔；採用半波傅立葉變換算法計算出三相電壓、負荷電流幅值及相位，實現測量顯示及通訊遠傳功能，同時實現過壓、欠壓、過流保護功能；
當接收到臺區控制終端發送的換相指令後，智能換相控制裝置根據臺區三相電的電壓、電流採樣波形，
通過處理器內置的定時器判斷出接收到換相指令後電流的第一個過零點，此時根據頻率預判出第二個過零點的發生時刻，智能換相控制裝置根據換相開關的固有動作時間，預先發出切換指令，在電流過零點時瞬時斷開負載；
換相動作完成後，通過載波通訊模塊上傳換相結果。
初始化操作包括採樣數據初始化、通信數據初始化、io口初始化、ad採樣初始化，
初始化操作之後還包括：智能換相控制裝置進行自檢操作，自檢成功後讀取測頻方波邊沿信號計算實時頻率；
智能換相控制裝置的處理器在每個預設的循環周期運行自檢操作，若自檢失敗則發出告警指示，並閉鎖智能換相開關。
具體的，智能換相控制裝置正常工作時採集安裝處的三相電壓及負荷電流，外部電壓、電流信號經相應的互感器變換成小的電壓信號，經一級運算放大器再低通濾波後接入ad進行採樣。考慮到傅氏算法和跟蹤判別過零點的需要，必須固定每一基波周期的採樣點數，由於系統的基波頻率並不一定是固定的50hz，通常略有偏差，先將a相電壓調製成方波輸入到處理器的定時器，利用定時器的計數功能和邊沿觸發中斷功能進行捕獲上升沿進行頻率跟蹤，消除基頻波動引起的計算誤差。
智能換相控制裝置的處理器採用高性能的mcu晶片，兼具高效率數位訊號處理能力和微程序控制器的實時控制能力，內核工作頻率可達120mhz，程序空間和數據空間分開編址，支持並行處理，片內集成了相當容量的flash、ram以及豐富的i/o模塊，並具有多個帶輸入捕捉的定時器，中斷管理功能強大。載波模塊採用fsk調製方式，半雙工方式與處理器的異步串行口通信，處理器使用dma模式讀取異步串行口收發數據，實現與臺區管理終端的數據交互
本發明採用電子換相開關元件作為換相操作的執行機構，和普通電磁繼電器一樣可以對電路起著接通和切斷作用，承載能力大。為延長電子換相開關使用壽命，應用中需儘量消除拉弧保護其觸點，具體方法是在零電壓處導通、在零電流處關斷，同時可以減小開關瞬態效應，降低對用戶用電設備的衝擊
本發明中，輔助電源電路作為換相開關控制電路的激勵電壓源，同時內置智能觸發電路，執行換相動作的換相開關控制電路由處理器的gpio口直接驅動set管腳，同理執行復位操作也是由處理器的另一路gpio口驅動rst管腳。智能換相控制裝置將三相電壓、負載電流信號進行硬體濾波，消除除基波外的所有其他諧波信號，然後通過過零檢測電路將相應的正弦波整為方波，其上升沿、下降沿均為實際過零點。由於電子換相開關存在固有動作時間，需在接近過零點之前的某時刻提前發出關斷命令，這樣確保觸點在很接近過零點時動作，可消除拉弧對觸點的粘合作用。智能換相控制裝置通過定時器判斷出接收到換相指令後負載電流的第一個過零點，此時根據頻率可預判出第二個過零點的發生時刻，根據電子換相開關的固有動作時間提前驅動gpio口，在負荷電流過零點時瞬時斷開負載。智能換相控制裝置可記錄下從發出指令到分斷成功之間的時間，利用此值去修正電子開關的固有動作時間，這樣可以使下次切換操作控制更精確。然後智能換相控制裝置立即判斷該電子開關的動、靜觸頭端電壓。智能換相控制裝置判斷若目標相電壓為正常相電壓值則說明負載完全切斷，若為零可能是切換失敗或硬體迴路異常，此時軟體自動閉鎖不再執行合目標相動作，可確保不發生相間短路。負載完全切斷後，智能換相控制裝置尋找目標相的電壓過零點，方法同上，在電壓過零點時前提前驅動gpio口，使電子開關在過零瞬時閉合恢復線路供電。整個分合響應時間為毫秒級的切換，用戶和通常的用電設備感覺不到，大大提高了供電可靠性。
智能換相控制裝置採用模塊化封裝電源，防塵防潮防氧化，交流輸入。外部輸入電壓經抗幹擾濾波迴路後,利用逆變原理輸出本裝置需要的三組直流電壓,即+5v、±12v和+24v，三組電壓均不共地,且採用浮地方式,同外殼不相連。其中，+5v為裝置內部微處理器的工作電源，±12v為數據採集系統電源，+24v用於驅動電子開關。
本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」、「第三」「第四」等（如果存在）是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。