CN108899920B - 一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法，包括换相开关、单片机、电网信息采样定时器和用户电压采样定时器，所述换相开关为接触器/二极管复合开关，该治理方法包括以下步骤：步骤1，初始化单片机ADC采样通道、采样定时器和单片机的IO口；步骤2，判断是否需要进行校准，若是，则依次进行接触器校准和电压/电流采样系数校准；否则，直接执行步骤3；步骤3，所有换相开关在同一时刻配置并开启顺序***；步骤4，根据计时时间判断是否到当前时刻是否为换相时间，若是，则执行换相决策，否则返回，重新判断当前时刻是否为换相时间。

Description

一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法

技术领域

本发明涉及电力技术供应领域，具体的说，涉及了一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法。

背景技术

当前流行的自动换相开关，其结构都是主控器+换相分开关。每一个换相分开关都由换相开关和一个单片机组成。工作时，各个分开关先检测它所在位置的电压和用户电流，以及用户接在哪一相上，然后把这些信息上传给主控器。主控器汇总所有信息，通过一系列算法进行换相安排，然后再将换相指令发送给各个分开关。最后分开关执行换相动作，将用户切换到主控器指定的相。其中用于换相开关的通信***架构在文献中有所论述，上述方法需要主控器和分开关的通信，这种通信可以由当下流行的Lora方式实现，也可以通过电力载波的方式实现，这两种方式现在都有成熟的对应模块。然而通信总会给***造成不确定性，可靠的无线通信不易实现，而电力载波也容易收到电网中干扰信号的影响。

虽然通过主控器有可能实现用户负载的三相最佳分配，从而使得整个配电网的各处三相不平衡程度都达到最小。然而在实际应用中，某些场合不需要这样的最优分配，只要对三相不平衡有所改善即可。在换相开关的某些（如农网）的实际应用中，并不需要将配网的三相功率调整到完全平衡，换相开关只要能避免某一相负载特别集中或者某一相负载特别轻这两种情况即可。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种换相过程无扰、接触器延时数据准确度要求低、驱动电路简单的换相开关型三相负荷不平衡治理方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法，包括换相开关、单片机、电网信息采样定时器和用户电压采样定时器，所述换相开关为接触器/二极管复合开关，该治理方法包括以下步骤：

步骤1，初始化单片机ADC采样通道、采样定时器和单片机的IO口；

步骤2，判断是否需要进行校准，若是，则依次进行接触器校准和电压/电流采样系数校准；否则，直接执行步骤3；

步骤3，所有换相开关在同一时刻配置并开启顺序定时器；

步骤4，根据计时时间判断当前时刻是否为换相时间，若是，则执行换相决策，否则返回，重新判断当前时刻是否为换相时间。

基于上述，步骤4中，换相决策包括如下：

步骤a，依据单片机的ADC采样通道进行电网信息采样与用户电压采样，并根据获得的电网信息采样序列和用户电压采样序列计算获得A相电压、B相电压、C相电压、负载电流和用户电压有效值；

步骤b，单片机根据用户接入处的线路阻抗以及步骤a获得的A相电压、B相电压、C相电压、负载电流有效值预测换相后A相电压、B相电压和C相电压；

步骤c，比较换相后A相电压、B相电压和C相电压与当前用户电压有效值，若预测换相后A相电压、B相电压和C相电压均小于当前用户电压有效值，则不动作；否则进行换相切换，将负载切换至换相后电压最高的一相。

基于上述，步骤a中，电网信息采样的具体步骤为：

步骤a1，启动电网信息采样定时器；

步骤a2，累计电网信息采样定时器的计时时长，判断电网信息采样定时器是否溢出，若溢出，则触发电网信息ADC采样通道按照顺序采样一周，电网信息ADC采样通道的采样顺序配置为：A相电压、B相电压、C相电压、负载电流；

步骤a3，每一次采样完成后，电网信息ADC采样通道触发一次DMA，将本次采样得到的数据放入采样序列Array[]中，然后返回，重新执行步骤a2；其中，Array[4*i] (i=0,1,2,……)是A相电压的采样序列，Array[4*i+1]是B相电压的采样序列，Array[4*i+2]是C相电压的采样序列，而Array[4*i+3]是负载电流的采样序列；

步骤a4，DMA每传送一次数据，就计数一次，并判断计数值是否达到预设采样序列长度，当计数值达到预设采样序列长度时，就触发一次中断，通知单片机的存储器读取Array[]中的数据，否则不动作。

基于上述，步骤a中，在用户电压采样定时器触发的中断服务函数中用软件触发用户电压ADC采样通道进行用户电压采样。

基于上述，步骤2中，接触器校准包括以下步骤：

校准之前，将第二接触器和二极管串联后与所述第一接触器并联组成接触器/二极管复合开关，三个相同的接触器/二极管复合开关A、接触器/二极管复合开关B、接触器/二极管复合开关C的一端分别连接电网的A、B、C线，接触器/二极管复合开关A、接触器/二极管复合开关B、接触器/二极管复合开关C的另一端连接负载，其中负载为空载或小功率阻性负载；

接通延时校准：

通过单片机将所有接触器断开，然后控制驱动待测接触器接通，同时开启用户电压采样定时器，开始采样；采样完成后，扫描采样序列，查找电压突跳点，依据序列中电压突跳点的采样序号和采样间隔，计算接触器的接通动作延时；若没有查找到电压突跳点，则重新开始接通延时校准；

关断延时校准：

通过单片机控制驱动待测接触器断开，同时开启用户电压采样定时器，开始采样；采样完成后，扫描采样序列，寻找电压突跳点，依据序列中电压突跳点的采样序号和采样间隔，计算接触器的关断动作延时；若没有查找到电压突跳点，则重新开始关断延时校准；

对每一个接触器都进行接通延时校准和关断延时校准，获得所有接触器的接通延时和关断延时。

基于上述，步骤2中电压/电流采样系数校准步骤如下：

1）通过电网信息ADC采样通道进行一次电网信息自动采样；

2）用万用表进行一次电网信息人工采样；

3）将人工采样获得的电网信息输入到程序中；

4）程序自动计算自动采样获得的电网信息与人工采样获得的电网信息之间的比例，获得电压/电流采样系数。

基于上述，单片机将获得的接触器校准数据或电压/电流采样系数校准数据保存至片内FLASH中，断电后恢复供电时，单片机通过初始化程序将对应地址的FLASH中的内容读出来即可恢复所述接触器校准数据和所述电压/电流采样系数校准数据。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，通过本发明中所述的三相不平衡治理方法使得每一个换相开关独立动作而无需中央主控器，施工时不需要像目前流行的主控器方式一样现场编码和现场调试，也不存在通信被干扰的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的流程示意图。

图3是本发明换相决策的流程示意图。

图4是本发明换相过程中的电压示意图。

图5是本发明预测电压计算模型。

图6是本发明电网信息采样流程示意图。

图7是本发明采样序列有效值计算过程。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1和图2所示，一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法，包括换相开关、单片机、电网信息采样定时器和用户电压采样定时器，所述换相开关为接触器/二极管复合开关，该不平衡治理方法包括以下步骤：

步骤1，初始化单片机ADC采样通道、采样定时器和单片机的IO口；

步骤2，判断是否需要进行校准，若是，则依次进行接触器校准和电压/电流采样系数校准；否则，直接执行步骤3；

步骤3，所有换相开关在同一时刻配置并开启顺序***；

步骤4，根据计时时间判断当前时刻是否为换相时间，若否，则返回，重新判断当前时刻是否为换相时间，否则执行换相决策，如图3所示；

步骤a，依据单片机的ADC采样通道进行电网信息采样与用户电压采样，并根据获得的电网信息采样序列和用户电压采样序列计算获得A相电压、B相电压、C相电压、负载电流和用户电压有效值；具体的，本实施例中一共使用了单片机片内的5路ADC通道，分别用于采集ABC三相电压、负载电流和用户电压；为了实现等间隔采样，这些采样通道的采样动作都由片内8的定时器触发；

步骤b，单片机根据用户接入处的线路阻抗以及步骤a获得的A相电压、B相电压、C相电压、负载电流有效值预测换相后A相电压、B相电压和C相电压；

步骤c，比较换相后A相电压、B相电压和C相电压与当前用户电压有效值，若预测换相后A相电压、B相电压和C相电压均小于当前用户电压有效值，则不动作；否则进行换相切换，将负载切换至换相后电压最高的一相。

在预先编程时，给各个换相开关的顺序定时器写入不同的值；这样当统一上电后，线路上连接的各个换相开关都将在同一时刻运行到“配置并开启顺序定时器”这一步，之后它们的定时器就会像走马灯一样按照顺序溢出，从而触发中断而引发一次决策和换相。

具体的，如图4所示，下面在功率因数等于1的情况下通过t1到t6这几个时刻动作详细说明换相过程：以A相换到B相为例，A相处于稳定工作状态时，A相的第一接触器As导通，A相的第二接触器Ad断开；

接收到换相指令后，在t1时刻将A相的第二接触器Ad导通，此时A相的第二接触器Ad虽然导通，但是A相的二极管中并没有电流通过；

在t2时刻，断开A相的第一接触器As，电流此刻从A相的第一接触器As所在支路换流到A相的第二接触器Ad和二极管所在支路；

在t3时刻，B相的第二接触器Bd导通，准备通过A、B两相的二极管完成自然换相；

在tc时刻，由于只有A相的第二接触器Ad、B相的第二接触器Bd所在的两个支路导通，用户会像三相半波整流一样由A相换流到B相；

在tc时刻之后，A相的第二接触器Ad所在支路的电流为0，B相的第二接触器Bd所在支路的电流为负载电流；

在t4时刻，将A相的第二接触器Ad断开，使得A相与用户彻底断开；

然后在t5时刻，导通B相的第一接触器Bs，电流此刻从B相的第二接触器Bd和二极管所在支路换流到B相的第一接触器Bs所在支路；

在t6时刻，断开B相的第二接触器Bd，至此整个换相过程结束，用户从A相换到B相，且整个换相过程中用户断电时间为0，不存在电压突变冲击。

具体的，如图5所示，电压预测计算过程为：通过已知源端电压和末端功率的潮流计算，其中源端电压为未接入的两相之一的开路电压，计算出用户换相后的用户电压U2，即未接入两相各自的当前用户负载接入后的电压值。

本申请的换相策略的工作过程具体通过例子来说明：某一时刻，配电网某处A相电压最高，为230.1V，该点B相电压为230V，而配网中功率最大的用户Sx在B相；若按照“始终向高电压相转移”的传统换相策略，Sx应该向A相转移，结果转移以后，A相电压降低到225V，而B相电压上升到235V。从不平衡治理的角度看，这个结果是不理想的；而按照本申请中的换相策略，换相前，先对换相后的用户电压进行预测计算，计算出若B相的负载Sx向A相转移后，用户电压将下降到225V，低于当前在B相的用户电压，则换相决策为不切换至A相，这样一来Sx就可以稳定在B相，这正是比较理想的结果。

具体的，如图6所示，步骤a中，电网信息采样的具体步骤为：

步骤a1，启动电网信息采样定时器；

步骤a2，累计电网信息采样定时器的计时时长，判断电网信息采样定时器是否溢出，若溢出，则触发电网信息ADC采样通道按照顺序采样一周，电网信息ADC采样通道的采样顺序配置为：A相电压、B相电压、C相电压、负载电流；对于电网信息，采样间隔设定为0.2ms，而每个通道的采样长度是300个采样点，也就是说每次采样中，每个通道连续采样3个周波；每一个通道的采样时间是0.625微秒，一个通道采样完成后ADC就立即对下一个通道进行采样，直到这四个采样通道都被采样一次；0.625微秒在工频的时间尺度内可以被忽略，因此认为几个通道在每一个采样点都是被同时采样的；

步骤a3，每一次采样完成后，电网信息ADC采样通道触发一次DMA，将本次采样得到的数据放入采样序列Array[]中，然后返回，重新执行步骤a2；其中，Array[4*i] (i=0,1,2,……)是A相电压的采样序列，Array[4*i+1]是B相电压的采样序列，Array[4*i+2]是C相电压的采样序列，而Array[4*i+3]是负载电流的采样序列；

步骤a4，DMA每传送一次数据，就计数一次，并判断计数值是否达到预设采样序列长度，当计数值达到预设采样序列长度时，就触发一次中断，通知单片机的存储器读取Array[]中的数据，否则不动作。

具体的，步骤a中，在用户电压采样定时器触发的中断服务函数中用软件触发用户电压ADC采样通道进行用户电压采样。

具体的，换相决策需要利用电网电压的有效值、负载电流的有效值以及负载的复功率来进行运算和决策。

故而，步骤a中，如图7所示，所述ADC采样通道的采样序列有效值的计算过程为：

1）求取该ADC采样通道采样序列U[]的平均值；

2）令该ADC采样通道采样序列的有效值Ur的初始值为0，采样通道定时器i的初始值为0，采样序列长度L为300；

3）将上述数值代入相应公式进行计算；

4）计算完毕后令i加1，判断i是否小于L，若小于，则返回执行步骤3）；否则，将i代入相应公式进行计算，并输出Ur；

5）将输出值Ur乘以电压/电流采样系数，即可得到该采样通道的实际电压有效值或实际电流有效值。

复功率的计算过程如下：先求出平均功率，并将电压电流有效值相乘得到视在功率，然后利用视在功率平方等于平均功率与无功功率平方和的关系，求出无功功率。

具体的，步骤2中，接触器校准包括以下步骤：

校准之前，将T（T为A/B/C）相的第二接触器Td和二极管串联后与所述第一接触器Ts并联组成接触器/二极管复合开关，三个相同的接触器/二极管复合开关A、接触器/二极管复合开关B、接触器/二极管复合开关C的一端分别连接电网的A、B、C线，接触器/二极管复合开关A、接触器/二极管复合开关B、接触器/二极管复合开关C的另一端连接负载，其中负载为空载或小功率阻性负载；

接通延时校准：

通过单片机将所有接触器断开，然后控制驱动待测接触器接通，同时开启用户电压采样定时器，开始采样；采样完成后，扫描采样序列，查找电压突跳点，依据序列中电压突跳点的采样序号和采样间隔，计算接触器的接通动作延时；当接触器动作时刻离电压过零点太近，有可能会出现测量不到电压突跳点的情况，若没有查找到电压突跳点，则重新开始接通延时校准；

关断延时校准：

通过单片机控制驱动待测接触器断开，同时开启用户电压采样定时器，开始采样，采样过程长达1.5个周波，在这段时间内，该待测接触器必定已经动作；采样完成后，扫描采样序列，寻找电压突跳点，依据序列中电压突跳点的采样序号和采样间隔，计算接触器的关断动作延时；若没有查找到电压突跳点，则重新开始关断延时校准；

对每一个接触器都进行接通延时校准和关断延时校准，即可获得所有接触器的接通延时和关断延时。

具体的，步骤2中电压/电流采样系数校准步骤如下：

1）通过电网信息ADC采样通道进行一次电网信息自动采样；

2）用万用表进行一次电网信息人工采样；

3）将人工采样获得的电网信息输入到程序中；

4）程序自动计算自动采样获得的电网信息与人工采样获得的电网信息之间的比例，获得电压/电流采样系数。

单片机通过接触器校准和电压/电流采样系数校准后获得的接触器校准数据或电压/电流采样系数校准数据必须妥善保存，并且这些数据仅仅存储在单片机的存储器中是不可靠的，因为民用电网随时有停电的可能，一旦停电，存储器中的内容就将全部丢失。故而，单片机将获得的接触器校准数据或电压/电流采样系数校准数据需保存至片内FLASH中，这样一来，每次恢复供电时，单片机通过初始化程序将对应地址的FLASH中的内容读出来即可恢复所述接触器校准数据和所述电压/电流采样系数校准数据。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种换相开关型三相负荷不平衡治理方法，包括换相开关、单片机、电网信息采样定时器和用户电压采样定时器，所述换相开关为接触器/二极管复合开关，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，初始化单片机ADC采样通道、采样定时器和单片机的IO口；

步骤2，判断是否需要进行校准，若是，则依次进行接触器校准和电压/电流采样系数校准；否则，直接执行步骤3；

接触器校准包括以下步骤：

校准之前，将第二接触器和二极管串联后与第一接触器并联组成接触器/二极管复合开关，三个相同的接触器/二极管复合开关A、接触器/二极管复合开关B、接触器/二极管复合开关C的一端分别连接电网的A、B、C线，接触器/二极管复合开关A、接触器/二极管复合开关B、接触器/二极管复合开关C的另一端连接负载，其中负载为空载或小功率阻性负载；

接通延时校准：

通过单片机将所有接触器断开，然后控制驱动待测接触器接通，同时开启用户电压采样定时器，开始采样；采样完成后，扫描采样序列，查找电压突跳点，依据序列中电压突跳点的采样序号和采样间隔，计算接触器的接通动作延时；若没有查找到电压突跳点，则重新开始接通延时校准；

关断延时校准：

通过单片机控制驱动待测接触器断开，同时开启用户电压采样定时器，开始采样；采样完成后，扫描采样序列，寻找电压突跳点，依据序列中电压突跳点的采样序号和采样间隔，计算接触器的关断动作延时；若没有查找到电压突跳点，则重新开始关断延时校准；

对每一个接触器都进行接通延时校准和关断延时校准，获得所有接触器的接通延时和关断延时；

步骤3，所有换相开关在同一时刻配置并开启顺序定时器；

步骤4，根据计时时间判断当前时刻是否为换相时间，若是，则执行换相决策，否则返回，重新判断当前时刻是否为换相时间；

换相决策包括如下：

步骤a，依据单片机的ADC采样通道进行电网信息采样与用户电压采样，并根据获得的电网信息采样序列和用户电压采样序列计算获得A相电压、B相电压、C相电压、负载电流和用户电压有效值；

步骤b，单片机根据用户接入处的线路阻抗以及步骤a获得的A相电压、B相电压、C相电压、负载电流有效值预测换相后A相电压、B相电压和C相电压；

步骤c，比较换相后A相电压、B相电压和C相电压与当前用户电压有效值，若预测换相后A相电压、B相电压和C相电压均小于当前用户电压有效值，则不动作；否则进行换相切换，将负载切换至换相后电压最高的一相。

2.根据权利要求1所述的换相开关型三相负荷不平衡治理方法，其特征在于，步骤a中，电网信息采样的具体步骤为：

步骤a1，启动电网信息采样定时器；

步骤a2，累计电网信息采样定时器的计时时长，判断电网信息采样定时器是否溢出，若溢出，则触发电网信息ADC采样通道按照顺序采样一周，电网信息ADC采样通道的采样顺序配置为：A相电压、B相电压、C相电压、负载电流；

步骤a3，每一次采样完成后，电网信息ADC采样通道触发一次DMA，将本次采样得到的数据放入采样序列Array[]中，然后返回，重新执行步骤a2；其中，Array[4*i] 是A相电压的采样序列，i=0,1,2,……，Array[4*i+1]是B相电压的采样序列，Array[4*i+2]是C相电压的采样序列，而Array[4*i+3]是负载电流的采样序列；

步骤a4，DMA每传送一次数据，就计数一次，并判断计数值是否达到预设采样序列长度，当计数值达到预设采样序列长度时，就触发一次中断，通知单片机的存储器读取Array[]中的数据，否则不动作。

3.根据权利要求1所述的换相开关型三相负荷不平衡治理方法，其特征在于，步骤a中，在用户电压采样定时器触发的中断服务函数中用软件程序触发用户电压ADC采样通道进行用户电压采样。

4.根据权利要求1所述的换相开关型三相负荷不平衡治理方法，其特征在于，步骤2中电压/电流采样系数校准步骤如下：

通过电网信息ADC采样通道进行一次电网信息自动采样；

用万用表进行一次电网信息人工采样；

将人工采样获得的电网信息输入到程序中；

单片机通过程序自动计算自动采样获得的电网信息与人工采样获得的电网信息之间的比例，获得电压/电流采样系数。

5.根据权利要求1或4所述的换相开关型三相负荷不平衡治理方法，其特征在于：单片机将获得的接触器校准数据或电压/电流采样系数校准数据保存至片内FLASH中，断电后恢复供电时，单片机通过初始化程序将对应地址的FLASH中的内容读出来即可恢复所述接触器校准数据和所述电压/电流采样系数校准数据。

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