總的而言本實用新型屬于電力領(lǐng)域，特別涉及一種換相裝置。

背景技術(shù)：

我國配電網(wǎng)內(nèi)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(dǎo)致多數(shù)配電臺區(qū)存在不同程度的三相負荷不平衡問題。我們將配電變壓器所供電的區(qū)域成為配電臺區(qū)，如圖1所示，配電變壓器經(jīng)三相交流母線A、B、C向外送電，用戶1、用戶2……用戶n分別與三相交流母線相連，以用戶1為例，用戶1通過機械式觸點開關(guān)KA1與A相相連，通過KB1與B相相連，通過KC1與C相相連，在通常供電中，KA1、KB1、KC1僅有一個閉合，圖1中KA1閉合，則用戶1接入了A向，同理用戶2接入了B相，用戶n接入了C相。由于各用戶用電設(shè)備不同，這樣極易造成三相間負荷不平衡。例如當過多的大負荷(大功率)用戶接入A相后，會使得A相負荷急劇增加，B相或C相由于接入用戶較少，而負荷相對較輕，這樣便造成了A、B、C三相間的不平衡。三相負荷不平衡會造成配電變壓器和負荷線路損耗增加，供電壓質(zhì)量下降，電能轉(zhuǎn)換效率下降，配電變壓器運行溫度升高等一系列危害。

對此，現(xiàn)有技術(shù)中為了解決三相負荷不平衡問題，一般通過臺區(qū)管理終端，實時監(jiān)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(qū)管理終端以通訊的力式選擇性地遙控終端負荷的進行換相，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。繼續(xù)參考圖1，例如當A相負荷過大時，此時臺區(qū)管理終端發(fā)出換相指令，接收到指令后開關(guān)KA1打開，KB1閉合，這樣便將用戶1由A相切換至了B相，減輕了A相負荷，使得各相間重新平衡。但這一換相過程中機械式觸點開關(guān)打開與閉合的時機較為隨意，其對于受電用戶和開關(guān)的沖擊均較大，在打開與閉合過程中均會產(chǎn)生電弧，切換期間有短時的供電中斷，這一中斷在一些重要的供電場合(例如醫(yī)院等)是不能被接受的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實用新型提供了一種換相裝置。

一種換相裝置，包括：通信模塊，用于接收從當前相切換至目標相的換相指令；周期測量模塊，用于獲取用戶所在當前相的電流周期T1和用戶所要接入的目標相的電壓周期T2；多個無觸點開關(guān)單元，用于經(jīng)所述多個無觸點開關(guān)單元將用戶分別與所述三相交流母線相連；存儲模塊，用于預(yù)存儲所述多個無觸點開關(guān)單元的導(dǎo)通時間；中央處理模塊，所述中央處理模塊分別與所述通信模塊、周期測量模塊和存儲模塊相連，中央處理模塊使得在目標相的電壓過零時刻t2導(dǎo)通目標相的無觸點開關(guān)單元。還包括，波形變換模塊，用于將三相交流母線的交流信號變?yōu)榉讲ㄐ盘?。還包括，沿檢測模塊，用于檢測所述方波信號的上升沿和下降沿；所述中央處理模塊，用于根據(jù)所述上升沿和下降沿判斷當前相的電流過零點和目標相的電壓過零點。還包括，周期測量模塊，用于對上升沿和下降沿進行計數(shù)，根據(jù)計數(shù)結(jié)果計算所述當前相的電流周期T1和目標相的電流周期T2。還包括智能管理終端，用于計算三相交流母線的各相負荷，當各相負荷之差大于設(shè)定閾值時向換相裝置發(fā)送所述換相指令。

本實用新型的有益效果是：在配電臺區(qū)發(fā)生三相不平衡時，將造成三相不平衡的單相負荷斷電后，投切到另一相的方式來調(diào)整三相負荷平衡，在負荷終端換相過程中采用智能無縫換相技術(shù)短時切換，使終端用戶感受不到換相的切換過程，同時最大限度地保護用電設(shè)備；精確的過零換相控制，無諧波產(chǎn)生，投切無涌流，且無導(dǎo)通壓降及損耗，無需散熱部件；采用無觸點電子開關(guān)元件作為換相操作的執(zhí)行機構(gòu)，承載能力很大，使用壽命長，在零電壓處導(dǎo)通、在零電流處關(guān)斷，可以減小開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)，降低對用戶用電設(shè)備的沖擊。

附圖說明

圖1為本實用新型現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型換相裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型換相波形圖；

圖6為本實用新型換相方法的流程圖。

具體實施方式

為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式做詳細的說明，使本實用新型的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點在于示出本實用新型的主旨。

實施例1

請參閱圖2首先對本實用新型的整體結(jié)構(gòu)做介紹。本實用新型中智能管理終端用于檢測配電變壓器的三相交流母線A、B、C的各相的負荷，電量測量裝置如電流表、電壓表等測量三相交流母線A、B、C的電壓、電流等參數(shù)，將這些參數(shù)傳輸至智能管理終端，智能管理終端與分散安裝于各地的換相裝置相互通信，根據(jù)三相交流母線A、B、C各相的負荷和各換相裝置的負荷狀況向相應(yīng)的裝置發(fā)出換相指令，換相裝置接收到該換相指令后執(zhí)行換相操作。智能管理終端還可以通過例如GPRS與監(jiān)控中心通信，以將智能管理終端的狀態(tài)發(fā)送至監(jiān)控中心，或接收監(jiān)控中心發(fā)送的換相閾值。

請參閱圖3，用戶通過a、b、c三根電力線分別與三相交流母線A、B、C相連，A相交流母線上連接有A相第一檢測單元SA1，a相電力線與A相無觸點開關(guān)單元TA相連，TA經(jīng)A相第二檢測單元SA2連接用戶；同樣的，B相交流母線上連接有B相第一檢測單元SB1，b相電力線與B相無觸點開關(guān)單元TB相連，TB經(jīng)A相第二檢測單元SA2連接用戶；C相交流母線上連接有C相第一檢測單元SC1，c相電力線與C相無觸點開關(guān)單元TC相連，TC經(jīng)C相第二檢測單元SC2連接用戶。第一檢測單元SA1、SB1、SC1，第二檢測單元SA2、SB2、SC2，分別與控制單元相連，控制單元的輸出端連接無觸點開關(guān)單元TA、TB、TC?？刂茊?元通過通信模塊與智能管理終端通信，以接收智能管理終端發(fā)送的換相指令。

TA、TB、TC可以采用晶閘管、IGBT等電力電子器件，這類電力電子器件內(nèi)部不存在機械式觸點，通過控制信號可以控制無觸點開關(guān)單元的導(dǎo)通與關(guān)斷，以晶閘管為例，圖1中控制單元與晶閘管的控制極相連，當控制單元輸出高電平信號至TA的控制極后，TA導(dǎo)通，則用戶被接入A相，相應(yīng)的，當TA控制極電平變低后，用戶從A相斷開。第一檢測單元SA1、SB1、SC1分別用于檢測A、B、C三相母線的電壓、電流、頻率等電信號，第二檢測單元SA2、SB2、SC2分別用于檢測a、b、c三相電力線的出線側(cè)(即用戶側(cè))電壓、電流、頻率等電信號，這些檢測到的電信號均被送入控制單元。

智能管理終端根據(jù)所檢測到的電信號，計算A、B、C三相的負荷LA、LB、LC，現(xiàn)有技術(shù)中存在多種負荷計算方法，在此不再贅述。當三相間的負荷的差值超過設(shè)定換相閾值后，智能管理終端通過通信模塊向換相裝置發(fā)送換相指令，控制單元將用戶從當前相切換至負荷相對較輕的相，從而維持三相交流母線的負荷平衡。下面對照圖4、圖5對此做進一步的詳細說明。

如圖4所示，控制單元包括波形變換模塊，其與A、B、C三相母線相連，用于將輸入的三相交流信號變?yōu)榉讲ㄐ盘?；沿檢測模塊，用于檢測方波信號的上升沿和下降沿，沿檢測模塊所檢測到的邊沿信號分別送入中央處理模塊和周期測量模塊；周期測量模塊，用于對上升沿和下降沿進行計數(shù)，根據(jù)計數(shù)結(jié)果計算A、B、C三相的周期值，并將周期值輸入中央處理模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊，其與SA1、SB1、SC1、SA2、SB2、SC2相連，用于將檢測到的模擬電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；通信模塊，用于接收智能管理終端所發(fā)送的換相指令。存儲模塊，其可以采用例如非易失性存儲器等，存儲模塊內(nèi)至少存儲有開關(guān)單元TA、TB、TC的導(dǎo)通時間特性，所謂導(dǎo)通時間指的是，開關(guān)單元接收到導(dǎo)通指令后至其完全導(dǎo)通所需的時間，例如對于晶閘管而言，當控制單元向TA的控制極發(fā)送高電平信號后，TA的輸出端電壓會逐漸升高，當TA完全導(dǎo)通后，其輸入端與輸出端電壓相等(不考慮TA自身壓降)，這一過程所需時間稱為導(dǎo)通時間，關(guān)斷過程與此過程相反，即在控制極變?yōu)榈碗娖胶?，TA的輸出端電壓會逐漸降 低至零，不同元器件的導(dǎo)通時間各不相同通常均在ms級，導(dǎo)通時間可以通過實驗測得，本實用新型為了精確的控制換相時刻，在存儲模塊內(nèi)預(yù)存儲了TA、TB、TC的導(dǎo)通時間特性。

本實用新型中，中央處理模塊，在判定需要換相時，根據(jù)沿檢測模塊所檢測到的邊沿信號判斷用戶當前所在相的電流過零點，并結(jié)合當前相的周期和開關(guān)單元的導(dǎo)通時間特性，計算用戶當前所在相的關(guān)斷觸發(fā)時刻，在關(guān)斷觸發(fā)時刻發(fā)出關(guān)斷指令，從而在當前相的電流過零點將用戶從當前相斷開；接著，中央處理模塊，根據(jù)沿檢測模塊所檢測到的邊沿信號判斷目標相(即用戶將要接入的相)的電壓過零點，并結(jié)合目標相的周期和開關(guān)單元的導(dǎo)通時間特性，計算目標相的導(dǎo)通觸發(fā)時刻，在導(dǎo)通觸發(fā)時刻發(fā)出導(dǎo)通指令，從而在目標相的電壓過零點將用戶接入目標相。通常而言，對于用電設(shè)備，在電流過零時將其斷電，不會影響用電設(shè)備的運行，而在電壓過零時將用電設(shè)備接入，此時由于電壓為零，對用電設(shè)備所產(chǎn)生的沖擊最小，因此本實用新型采用了零電流關(guān)斷，零電壓導(dǎo)通的方式。

請參閱圖5，通過波形變換模塊將A、B、C三相的交流電壓或電流變?yōu)榱Σㄐ盘?，這一變換可以通過比較器來實現(xiàn)，例如以A相電流為例，A相電流呈止弦波形式，在正半周期電流值大于0，在負半周期小于0，據(jù)此比較器在電流值大于0時輸出幅值為1的方波信號，在負半周期輸出為0，這樣便將正弦波信號變?yōu)榱讼鄳?yīng)的方波信號，B、C兩相的變換與此相同，最終經(jīng)波形變換模塊便輸出了圖4所示的方波信號。沿檢測模塊用于檢測方波信號的上升沿與下降沿，上升沿與下降沿所在時刻與三相的交流電壓或電流的過零時刻相同。以A相為例，在t1時刻，A相電流由正變負，電流過零，此時與A相對應(yīng)的方波信號也在t1時刻產(chǎn)生下降沿，通過檢測該下降沿便可以判斷出A相電流的過零時刻。

由于供電系統(tǒng)存在各種干擾，基波頻率也并不一定是固定的50Hz，各相間的負載與運行環(huán)境也不相同，各相間的頻率也會存在差異，為了能準確的在電流過零時刻斷相，在電壓過零時刻接入，本實用新型設(shè)置了周期測量模塊，其對上升沿與下降沿進行計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值計算當前相的信號周期孔與目標相的 信號周期T2，還以A相為例，在一個電流周期內(nèi)會產(chǎn)生1上升沿和1下降沿，若在1s內(nèi)周期測量模塊所檢測到到的上升沿和下降沿的總數(shù)為25個，則可以得出A相電流的周期T1為1/25s，若總數(shù)為50則T1為1/50s，同理可以計算出B相與C相的周期T2、T3。T1、T2、T3均送入中央處理模塊。

存儲模塊內(nèi)預(yù)存儲有TA、TB、TC的導(dǎo)通時間Δt1、Δt2、Δt3；所設(shè)定的換相閾值為Y，當LA、LB、LC之間差值大于設(shè)定的閾值時，進行換相，管理終端相換相裝置發(fā)送換相指令，設(shè)此時為換相開始時刻t0。中央處理模塊讀取t0前一時刻當前相的電流過零時間點t1’，根據(jù)當前相的電流周期T1計算當前相的下一電流過零時刻t1，t1＝T1/2-t1’，在獲得t1后，中央處理模塊從存儲模塊內(nèi)讀取Δt1，計算關(guān)斷觸發(fā)時刻tc，tc＝t1-Δt1，在到達tc時中央處理模塊發(fā)出關(guān)斷信號至當前相的開關(guān)單元，這樣在t1時刻，即電流為零的時刻，開關(guān)單元恰好關(guān)斷。在到達t1時刻后，中央處理模塊讀取t1前一時刻目標相的電壓過零時間點t2’，根據(jù)目標相的電流周期T2計算目標相的下一電壓過零時刻t2，t2＝T2/2-t2’，在獲得t2后，中央處理模塊從存儲模塊內(nèi)讀取目標相的導(dǎo)通時間Δt2，計算導(dǎo)通觸發(fā)時刻to，to＝t2-Δt2，在到達to時中央處理模塊發(fā)出導(dǎo)通信號至目標相的開關(guān)單元，這樣在L2時刻，即目標相電壓為零的時刻，開關(guān)單元恰好打開，用戶從當前相切換至了目標相。由于電源周期通常為50Hz左右，t1與t2間的間隔時間非常短，且是在電流過零時刻關(guān)斷用電設(shè)備，這樣在換相過程中，對用戶影響會十分小，整個分合響應(yīng)時間為毫秒級的切換，用戶和通常的用電設(shè)備感覺不到，大大提高了供電可靠性。

進一步的，若在當前相尚未完全切斷時導(dǎo)通目標相，則會出現(xiàn)相間短路，為了防止該狀況的發(fā)生，本實用新型中，中央處理模塊在t1時刻后讀取當前相的第二檢測單元所檢測到的當前相用戶側(cè)的電壓或電流值，在電壓或電流值為零時，再開始計算下一電壓過零時刻t2，這樣保證能在當前相斷開后再將用戶接入目標相，避免了相間短路的出現(xiàn)。

以從A相切換至B相為例，設(shè)Y為50，A相電流周期為T1，B相電壓周期為T2，而在t0時刻LA＝300，LB＝100，LA-LB＝300-100＝200＞50，則布t0時刻， 中央處理模塊讀取與t0相鄰的前一時刻A相的電流過零時間點t1’，根據(jù)A相的電流周期T1計算A相的下一電流過零時刻t1，t1＝T1/2-t1’，中央處理模塊從存儲模塊內(nèi)讀取A相導(dǎo)通時間Δt1，計算A相關(guān)斷觸發(fā)時刻tc，tc＝t1-Δt1，在到達tc時中央處理模塊發(fā)出低電平信號至晶閘管TA的控制極，這樣在到達t1時刻時，即電流為零的時刻，TA恰好關(guān)斷。在到達t1時刻后，中央處理模塊讀取A相的第二檢測單元SA2所檢測到的電壓或電流值，在電壓和電流值為零時，中央處理模塊讀取t1前一時刻B相的電壓過零時間點t2’，計算B相的下一電壓過零時刻t2，t2＝T2/2-t2’，在獲得t2后，中央處理模塊從存儲模塊內(nèi)讀取B相的導(dǎo)通時間Δt2，計算B相導(dǎo)通觸發(fā)時刻to，to＝t2-Δt2，在到達to時中央處理模塊發(fā)出高電平信號至晶閘管TB的控制極，這樣在t2時刻，即B相電壓為零的時刻，TB恰好打開，用戶從當前相切換至了目標相。

中央處理模塊可采用高性能的MCU芯片，兼具高效率數(shù)字信號處理能力和微程序控制器的實時控制能力，內(nèi)核工作頻率可達120MHz，程序空間和數(shù)據(jù)空間分開編址，支持并行處理，片內(nèi)集成了相當容量的FLASH、RAM以及豐富的I/O模塊，并具有多個帶輸入捕捉的定時器，中斷管理功能強大。載波模塊采用FSK調(diào)制方式，半雙工方式與CPU的異步中行口通信，CPU使用DMA模式讀取異步串行口收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與臺區(qū)管理終端的數(shù)據(jù)交互。CPU工作流程為，系統(tǒng)上電或復(fù)位后執(zhí)行初始化操作，包括采樣數(shù)據(jù)初始化、通信數(shù)據(jù)初始化、IO口初始化、AD采樣初始化等；其后進行自檢操作，自檢成功后讀取測頻方波邊沿信號計算實時頻率，并同步調(diào)整采樣間隔；采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(xiàn)測量顯示及通訊遠傳功能，同時實現(xiàn)過壓、欠壓、過流等保護功能；當接收到換相指令后，軟件實時判斷電壓、電流采樣波形，采用智能無縫換相技術(shù)準確發(fā)出切換指令，換相動作完成后，通過載波通訊上傳操作結(jié)果；軟件實時掃描按鍵，根據(jù)相應(yīng)的操作對數(shù)碼管顯示內(nèi)容進行刷新，同時更新相應(yīng)的LED指示燈狀態(tài)；CPU在每個循環(huán)周期都進行運行自檢操作，若自檢失敗則發(fā)出告警指示，并閉鎖智能換相開關(guān)。

實施例2

請參閱圖6，相應(yīng)的本實用新型還公開了一種換相方法，一種換相方法，包括以下步驟：S100：接收從當前相切換至目標相的換相指令；S200：獲取用戶所在當前相的電流周期T1和用戶所要接入的目標相的電壓周期T2；S300：經(jīng)多個無觸點開關(guān)單元將用戶分別與所述三相交流母線相連；S400：預(yù)存儲所述多個無觸點開關(guān)單元的導(dǎo)通時間；S500：在在接收到所述換相指令的初始時刻t0，根據(jù)所述當前相的電流周期T1和預(yù)存儲的當前相的無觸點開關(guān)單元的導(dǎo)通時間計算當前相的關(guān)斷觸發(fā)時刻tc，使得在當前相電流過零時刻t1關(guān)斷當前相的無觸點開關(guān)單元，并在關(guān)斷當前相的無觸點開關(guān)單元之后，根據(jù)所述目標相的電壓周期T2和預(yù)存儲的目標相的無觸點開關(guān)單元的導(dǎo)通時間計算目標相的導(dǎo)通觸發(fā)時刻to，使得在目標相的電壓過零時刻t2導(dǎo)通目標相的無觸點開關(guān)單元。所述步驟S500還包括，讀取與t0相鄰的前一時刻當前相的電流過零時間點t1’，計算t1，t1＝T1/2-t1’，計算tc，tc＝t1-Δt1。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于本申請的方法實施例而言，由于其與裝置實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見裝置實施例的部分說明即可。

在以上的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型。但是以上描述僅是本實用新型的較佳實施例而已，本實用新型能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，因此本實用新型不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實用新型技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。