一种无缝换相开关系统的工作方法

摘要

一种新型无缝换相开关系统及其工作方法。提供了一种完全无缝的新型无缝换相开关系统，可以做到无缝换相，无弧换相和用户“无感”换相。包括ARM控制模块、开关模块、检测模块和GPRS通信模块，所述开关模块、检测模块分别通过GPRS通信模块与ARM控制模块相连，所述开关模块包括一个接触器、一个磁保持继电器和一个功率二极管，所述功率二极管和磁保持继电器串联之后与接触器并联。本发明换相过程是利用三相电和二极管单相导通的特性，使其强迫自换相，换相过程不停电，能做到无缝换相，无弧换相，用户“无感换相”，对负载做到不断电0ms换相。

权利要求

1.一种无缝换相开关系统的工作方法,所述无缝换相开关系统包括ARM控制模块、开关模块、检测模块和GPRS通信模块，所述开关模块、检测模块分别通过GPRS通信模块与ARM控制模块相连，所述开关模块包括连接在电网的A、B、C线上的三个相同的开关模块A、开关模块B和开关模块C，所述开关模块A、开关模块B和开关模块C的另一端连接在同一负荷的火线上；所述检测模块用于检测三相线路中的电流、电压信号，其特征在于，所述开关模块A、开关模块B和开关模块C分别包括一个接触器、一个磁保持继电器和一个功率二极管，所述功率二极管和磁保持继电器串联之后与接触器并联，所述检测模块包括三个一端分别连接在开关模块A、开关模块B、开关模块C与电网的A、B、C三相之间、另一端连接在零线上的霍尔电压传感器，一个连接在开关模块与负荷之间的霍尔电流传感器，所述ARM控制模块包括信号接收模块、信号处理模块、信号发送模块和计数器，其特征在于，所述工作方法为：当ARM控制模块接收到的切换命令是A相切换到B相或B相切换到C相或C相切换到A相，执行步骤1）、2.1）、3）、4.1），当ARM控制模块接收到的切换命令是A相切换到C相或C相切换到B相或B相切换到A相，执行步骤1）、2.2）、3）、4.2），具体步骤如下：

1）、霍尔电压传感器测的电网A、B、C三相的电压，ARM控制模块对采集到的A、B、C三相电压分别进行锁相处理，进一步计算得到A、B、C三相的电压相位，形成三相波形图；

2）、选取切换时刻点：

2.1）、切换时刻点按以下方法选取：在一个完整的当前相正弦周期内计数器间隔t0采样一次，当霍尔电压传感器检测到的电网当前相的电压从负值进入零点，该零点作为第一个采样点，计数器记为1，霍尔电压传感器第一次检测到的电网当前相的电压大于0的采样点计数器记为2；当前相和切入相电压相等前的最后一个采样点计数器计记x；当前相的电压第一次小于0的采样点计数器记为y；切入相电压第一个小于0的采样点计数器计为z；

2.2）、切换时刻点按以下方法选取：在一个完整的当前相正弦周期内计数器间隔t0’采样一次，当霍尔电压传感器检测到的电网当前相的电压从负值进入零点，该零点作为第一个采样点，计数器记为1，当霍尔电压传感器第一次检测到的电网当前相的电压大于0的采样点计数器记为2；当前相和切入相电压相等前的最后一个采样点计数器记为x’；切入相的电压第一次小于0的采样点计数器记为y’；

3）、收到换相指令；

4）、执行换相指令：

4.1）、计数器在1和x之间，当前相的开关模块的接触器断开，并且闭合切入相的开关模块的磁保持继电器；

计数器在y和z之间，断开当前相的开关模块的磁保持继电器，闭合切入相的开关模块的接触器；

计数器在过了z后，断开切入相的开关模块的磁保持继电器，完毕；

4.2）、接收到换相指令后，在计数器计数前，闭合当前相的开关模块的磁保持继电器；

当计数器在1到2之间时，立即关断当前相的接触器；

计数器在2和x’之间时，先闭合切入相的开关模块的磁保持继电器再断开当前相的开关模块的磁保持继电器；

计数器在x’和y’之间，闭合切入相的开关模块的接触器；

计数器在在y’之后断开切入相的开关模块的磁保持继电器，完毕。

说明书

一种无缝换相开关系统的工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力供应技术领域，具体涉及一种无缝换相开关系统及其工作方法。

背景技术

[0002] 低压配电网中存在大量的单相负荷，由于单相负荷分布的不均衡和投入不同时性，使得三相负荷不平衡成为低压电网运行维护中一个比较突出的问题。三相负荷不平衡将增加电网损耗，严重影响供电质量，对低压电网、配电变压器、10～35kV高压线路均造成危害。随着社会经济的发展，人们生活水平的日益提高，大量大功率的单相家用电器如：空调器、热水器、微波炉、电磁炉等进入普通家庭，这些家用电器给人们带来舒适、方便、快捷生活的同时，造成了单相负荷激增，进一步加剧了低压供电系统三相负荷不平衡的影响。低压电网的三相不平衡一直是困扰供电单位的主要问题之一。

[0003] 低压配电网的三相负荷平衡工作已经受到了电力部门越来越多的关注和重视，但受到现有技术水平和测量仪器的限制，低压三相负荷的平衡工作仍然只停留在定期测试和根据经验去调整负荷，并且平衡点仅着眼于变压器低压侧出线等少数测试点处平衡，而没考虑到低压供电网络内部的平衡，所以调整的效果不明显。因此有必要开展低压线路三相负荷平衡技术研究，利用先进的智能电网技术、电力电子技术，实现低压线路三相负荷自动平衡，使低压线路三相负荷全线、全时段保持平衡。开展低压线路三相负荷平衡技术研究，可以大大降低配变、低压线路损耗，提高供电质量及设备利用率，减少电网建设投资。

[0004] 专利号为“200710055277.4”，专利名称为“电力智能无缝隙三相调平系统”的中国专利提供了一种采用检测模块、服务器、切换模块和切换开关构成的电力智能无缝隙三相调平系统， 该专利提出的具体换相开关的结构如图7所示，以从A相切换到B相为例，介绍其换相过程。一开始A相接触器K1闭合，参见图3，在t1时刻之前的一个周波内接受到由A相切换到B相的指令，给双向晶闸管触发指令并使K2吸合，此时A相的晶闸管导通。在A相电压过零点即t3时刻双向晶闸管关断，然后切断A相接触器K2，此时负载从A相断开。接下来，闭合B相的接触器K2并在B相电压过零点是双向晶闸管导通，然后闭合B相的接触器K1并断开B相的接触器K2，此时负载接入B相，完成了整个换相过程。其换相过程负载电压波形如图8所示，有三分之一个周波（t3-t4）断电，这严重影响了居民的供电质量。7ms的断电会导致电子式日光灯严重闪烁、电感式日光灯熄灭并重启、老式电饭煲误跳、电机振动，对于用户而言，不能做到无感换相。

发明内容

[0005] 本发明针对以上问题，提供了一种完全无缝的无缝换相开关系统及其工作方法，可以做到无缝换相，无弧换相和用户“无感”换相。

[0006] 本发明的技术方案是：一种无缝换相开关系统, 包括ARM控制模块、开关模块、检测模块和GPRS通信模块，所述开关模块、检测模块分别通过GPRS通信模块与ARM控制模块相连，所述开关模块包括连接在电网的A、B、C线上的三个相同的开关模块A、开关模块B和开关模块C，所述开关模块A、开关模块B和开关模块C的另一端连接在同一负荷的火线上；所述检测模块用于检测三相线路中的电流、电压信号，所述开关模块A、开关模块B和开关模块C分别包括一个接触器、一个磁保持继电器和一个功率二极管，所述功率二极管和磁保持继电器串联之后与接触器并联。

[0007] 所述检测模块包括三个一端分别连接在开关模块A、开关模块B、开关模块C与电网的A、B、C三相之间、另一端连接在零线上的霍尔电压传感器，一个连接在开关模块与负荷之间的霍尔电流传感器。

[0008] 所述ARM控制模块包括信号接收模块、信号处理模块、信号发送模块和计数器。

[0009] 一种无缝换相开关系统的工作方法，当ARM控制模块接收到的切换命令是A相切换到B相或B相切换到C相或C相切换到A相，执行步骤1）、2.1）、3）、4.1），当ARM控制模块接收到的切换命令是A相切换到C相或C相切换到B相或B相切换到A相，执行步骤1）、2.2）、3）、4.2），具体步骤如下：

[0010] 1）、霍尔电压传感器测的电网A、B、C三相的电压，ARM控制模块对采集到的A、B、C三相电压分别进行锁相处理，进一步计算得到A、B、C三相的电压相位，形成三相波形图；

[0011] 2）、选取切换时刻点：

[0012] 2.1）、切换时刻点按以下方法选取：在一个完整的当前相正弦周期内计数器间隔t0采样一次，当霍尔电压传感器检测到的电网当前相的电压从负值进入零点，该零点作为第一个采样点，计数器记为1，霍尔电压传感器第一次检测到的电网当前相的电压大于0的采样点计数器记为2；当前相和切入相电压相等前的最后一个采样点计数器计记x；当前相的电压第一次小于0的采样点计数器记为y；切入相电压第一个小于0的采样点计数器计为z；

[0013] 2.2）、切换时刻点按以下方法选取：在一个完整的当前相正弦周期内计数器间隔t0’采样一次，当霍尔电压传感器检测到的电网当前相的电压从负值进入零点，该零点作为第一个采样点，计数器记为1，当霍尔电压传感器第一次检测到的电网当前相的电压大于0的采样点计数器记为2；当前相和切入相电压相等前的最后一个采样点计数器记为x’；切入相的电压第一次小于0的采样点计数器记为y’；

[0014] 3）、收到换相指令；

[0015] 4）、执行换相指令：

[0016] 4.1）、计数器在1和x之间，当前相的开关模块的接触器断开，并且闭合切入相的开关模块的磁保持继电器；

[0017] 计数器在y和z之间，断开当前相的开关模块的磁保持继电器，闭合切入相的开关模块的接触器；

[0018] 计数器在过了z后，断开切入相的开关模块的磁保持继电器，完毕；

[0019] 4.2）、接收到换相指令后，在计数器计数前，闭合当前相的开关模块的磁保持继电器；

[0020] 当计数器在1到2之间时，立即关断当前相的接触器；

[0021] 计数器在2和x’之间时，先闭合切入相的开关模块的磁保持继电器再断开当前相的开关模块的磁保持继电器；

[0022] 计数器在x’和y’之间，闭合切入相的开关模块的接触器；

[0023] 计数器在在y’之后断开切入相的开关模块的磁保持继电器，完毕。

[0024] 本发明的有益效果是：换相过程是利用三相电和二极管单相导通的特性，使其强迫自换相，换相过程不停电，能做到无缝换相，无弧换相，用户“无感换相”，对负载做到不断电0ms换相；采用换相开关采用接触器加磁保持继电器加功率二极管的主电路结构，一方面在达到同等功率等级的时候，功率二极管更便宜，体积也比双向晶闸管小，这样可以降低整个装置的体积，便于安装；另一方面，与双向晶闸管相比，功率二极管不需要驱动，它降低了整个控制电路的设计难度，提高了装置换相的可靠性和响应速度。无缝换相开关，既可以远程控制完成换相操作，又可以将数据通过无线传输给控制中心，大大提高了低压配网自动化水平。控制中心采取有效的三相负荷平衡调度策略，可以大大降低电网电流的不平衡度，有效减小电网配电线路的损耗，提升了电压合格率，提高了配电网供电质量，降低企业的供电成本，实现节能减排的目的。

附图说明

[0025] 图1是本发明的结构示意图；

[0026] 图2是开关模块的示意图；

[0027] 图3是本发明的实际应用示意图；

[0028] 图4是三相电压波形图；

[0029] 图5是本发明第一种实施方式换相过程负载电压波形图；

[0030] 图6是本发明第二种实施方式换相过程负载电压波形图；

[0031] 图7是背景技术中的换相开关的结构示意图；

[0032] 图8是背景技术中换相过程负载电压波形图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图对本发明作具体说明。

[0034] 如图1和2所示，本发明一种无缝换相开关系统, 包括ARM控制模块、开关模块、检测模块和GPRS通信模块，所述开关模块、检测模块分别通过GPRS通信模块与ARM控制模块相连，所述开关模块包括连接在电网的A、B、C线上的三个相同的开关模块A、开关模块B和开关模块C，所述开关模块A、开关模块B和开关模块C的另一端连接在同一用户负荷的火线上；所述检测模块用于检测三相线路中的电流、电压信号，所述开关模块A、开关模块B和开关模块C分别包括一个接触器、一个磁保持继电器和一个功率二极管，所述功率二极管和磁保持继电器串联之后与接触器并联。ARM控制模块通过GPRS通信模块接受来自控制中心的换相命令，ARM控制模块的控制信号经过驱动放大后可以控制开关模块的通断，换相命令既可以是供电局工作人员的换相指令，也可以是安装于变压器出口侧的控制中心计算出的调度指令。ARM控制模块接受到换相命令后，利用开关模块对用户进行换相操作。ARM控制模块还可将该用户的负载电流信息，并网点的电压信息，当前并网相别信息传输到控制中心，便于可视化远程检测和管理。

[0035] 所述检测模块包括三个一端分别连接在开关模块A、开关模块B、开关模块C与电网的A、B、C三相之间、另一端连接在零线上的霍尔电压传感器，用于检测电网的三相电压；一个连接在开关模块与负荷之间的霍尔电流传感器，用于检测负载电流，并将此电流信息上传至控制中心，控制中心依据基于负载当前相别和电流大小的调度分配算法，给各个负载发出换相指令。

[0036] 所述ARM控制模块包括信号接收模块、信号处理模块、信号发送模块和计数器。所述信号接收模块接收霍尔电压传感器上的电压信号，信号处理模块处理电压信号并分别进行锁相处理，进一步计算得到A、B、C三相的电压相位；信号发送模块将控制指令发送给开关模块；计数器的作用是将对应的电网电压相位信息转换成时间信息。

[0037] 如图3所示，控制中心安装于变压器出口侧，其余每个负荷通过无缝换相开关连接至配电网。当控制中心检测到配变台区负荷不平衡，就会依据调度策略，通过GPRS通信模块给相应负荷的无缝换相开关发出换相指令，无缝换相开关接收到换相指令完成换相操作。控制中心也可位于供电局的监测中心，可进行人工调度。

[0038] 本发明的工作方法为：

[0039] 正常工作情况下，只有当前相的开关模块上的接触器是闭合的。

[0040] 霍尔电压传感器测的电网A、B、C三相的电压，ARM控制模块对采集到的A、B、C三相电压分别进行锁相处理，进一步计算得到A、B、C三相的电压相位，形成三相波形图如图4所示；

[0041] （1）当ARM控制模块接收到的切换命令是A相切换到B相或B相切换到C相或C相切换到A相，切换时刻点按以下方法选取：在一个完整的当前相正弦周期内计数器间隔t0采样一次，当霍尔电压传感器检测到的电网当前相的电压从负值进入零点，该零点作为第一个采样点，计数器记为1，当霍尔电压传感器第一次检测到的电网当前相的电压大于0的采样点计数器记为2；当前相和切入相电压相等前的最后一个采样点计数器记为x；当前相的电压第一次小于0的采样点计数器记为y；切入相电压再次第一个小于0的采样点计数器计为z；

[0042] 收到换相命令后，ARM控制模块开始工作，待当前相进入下一个完整的正弦周期时，计数器开始计数。

[0043] 计数器在1和x之间，当前相的开关模块的接触器断开，并且闭合切入相的开关模块的磁保持继电器；

[0044] 计数器在y和z之间，断开开关模块A的磁保持继电器，闭合开关模块B的接触器；

[0045] 计数器在过了z后，断开开关模块B的磁保持继电器，完毕。

[0046] （2）当ARM控制模块接收到的切换命令是A相切换到C相或C相切换到B相或B相切换到A相，切换时刻点按以下方法选取：切换时刻点按以下方法选取：在一个完整的当前相正弦周期内计数器间隔t0’采样一次，当霍尔电压传感器检测到的电网当前相的电压从负值进入零点，该零点作为第一个采样点，计数器记为1，当霍尔电压传感器第一次检测到的电网当前相的电压大于0的采样点计数器记为2；当前相和切入相电压相等前的最后一个采样点计数器计记为x’；切入相的电压第一次小于0的采样点计数器记为y’；

[0047] 收到换相命令后，ARM控制模块开始工作，待当前相进入下一个完整的正弦周期时，计数器开始计数。

[0048] 在计数器计数前，当前相的磁保持继电器闭合；

[0049] 当计数器在1到2之间时，立即关断当前相的接触器；

[0050] 计数器在2和x’之间时，先闭合切入相的磁保持继电器再断开当前相的磁保持继电器；

[0051] 计数器在x’和y’之间，闭合切入相的接触器；

[0052] 计数器在在y’之后断开切入相的开关模块的磁保持继电器，完毕。

[0053] 待相关相进入负值再断开其开关模块的磁保持继电器的原因在于：一是为了给二极管的电流转移到接触器上，留出时间；二是因为电压反向后，二极管电流就一定为零了，此时断开磁保持继电器，属于机械动作能延长磁保持继电器的机械寿命。

[0054] 实施例1（电网情况220V，50HZ，0.2S）接收到的命令是A相切换到B相[0055] 1）、霍尔电压传感器测的电网A、B、C三相的电压，ARM控制模块对采集到的A、B、C三相电压分别进行锁相处理，进一步计算得到A、B、C三相的电压相位，形成三相波形图，以图4为例；

[0056] 2）、选取切换时刻点：ARM的采样周期定为0.1ms，即一个周期里有200采样点，四个切换点分别为：1（t1时刻）、84（t2时刻）、101（t3时刻）、167（t4时刻）；

[0057] 3）、收到换相指令；

[0058] 4）、执行换相指令：

[0059] 计数器在1和84之间，A相的开关模块的接触器断开，并且闭合B相的开关模块的磁保持继电器；由于二极管的单向导电特性，在t1和t2时刻之间，A相电压高于B相电压，因此尽管开关模块A和B的磁保持继电器都闭合，但只有开关模块A中的二极管有电流流过，当过了t2时刻之后，因为B相电压高于A相电压，开关模块B的二极管有电流流过，而开关模块A的二极管反向电压箝位截止。

[0060] 计数器在101和167即在t3和t4时刻之间，断开A相的开关模块的磁保持继电器，闭合B相的开关模块的接触器；

[0061] 计数器在过了167即t4时刻后，断开B相的开关模块的磁保持继电器，完毕；其换相过程负载电压波形如图5所示，实现0ms无缝换相，负载不断电。

[0062] 实施例2（电网情况220V，50HZ，0.2S）接收到的命令是A相切换到C相[0063] 1）、霍尔电压传感器测的电网A、B、C三相的电压，ARM控制模块对采集到的A、B、C三相电压分别进行锁相处理，进一步计算得到A、B、C三相的电压相位，形成三相波形图，以图4为例；

[0064] 2）、选取切换时刻点：ARM的采样周期定为0.1ms，即一个周期里有200采样点，四个切换点分别为：1（t1’时刻）、2（t2’时刻）、x’ （t3’时刻）和y’（t4’时刻）；

[0065] 3）、收到换相指令；

[0066] 4）、执行换相指令：

[0067] 在计数器计数前，闭合A相的开关模块的磁保持继电器；

[0068] 当计数器在1到2之间时（即当A相的电压刚过零点时），立即关断A相的接触器，t1’和t2’时刻之间A相的二极管承受正向电压，二极管导通；

[0069] 计数器在2和16之间时，先闭合C相的磁保持继电器（由于此时C相的二极管承受电压CA的压差，且此时电压CA大于零，所以t2’和t3’时刻C相的二极管导通，A相的二极管强迫关断）再断开A相的磁保持继电器（以防止A相的二极管再次导通）；

[0070] 计数器在16和33之间即在t3’和t4’时刻之间，闭合C相的接触器；

[0071] 计数器在在33即t4’时刻之后断开C相的磁保持继电器，完毕。其换相过程负载电压波形如图6所示，实现0ms无缝换相，负载不断电。