丁家峰，宮 飛，劉 靜，李新梅，李志鋒

（1.中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司，濮陽(yáng) 457000）

0 引言

我國(guó)低壓配電網(wǎng)主要采用三相四線制，理想情況下三相負(fù)荷為平衡配置，實(shí)際上由于大功率單相負(fù)載的接入、用戶用電習(xí)慣差異等原因，往往容易造成配電網(wǎng)末端電壓低于限值，加重了三相不平衡問(wèn)題[1]，極大增加了電能損耗[2]。智能選相開(kāi)關(guān)是國(guó)網(wǎng)運(yùn)檢部《關(guān)于開(kāi)展配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問(wèn)題治理工作的通知（運(yùn)檢三【2017】68號(hào)）》中首要推薦的治理三相不平衡的方法，從引起三相不平衡的根本原因——三相負(fù)荷不平衡出發(fā)，重新均勻分配每一相的負(fù)荷，使低壓配電網(wǎng)三相趨于平衡。它由主機(jī)和終端換相開(kāi)關(guān)兩部分組成，主機(jī)負(fù)責(zé)邏輯調(diào)平[3]和組網(wǎng)通信，終端換相開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)執(zhí)行主機(jī)的換相指令。但是終端換相開(kāi)關(guān)執(zhí)行負(fù)荷換相的過(guò)程中，極易影響用戶及其用電設(shè)備的正常用電，本文研究負(fù)荷換相的新方法就是為解決該問(wèn)題。

目前常用的換相方式有三種：1）由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的換相開(kāi)關(guān)[4]，速度快、功耗小，對(duì)用戶連續(xù)供電影響小，但需設(shè)計(jì)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，耐過(guò)流和過(guò)壓能力差，需要安裝散熱器，而且受靜電干擾時(shí)易導(dǎo)致IGBT失效；2）由晶閘管構(gòu)成的換相開(kāi)關(guān)[5]，控制靈敏，晶閘管的導(dǎo)通和截止微秒級(jí)，但承受過(guò)流和過(guò)壓的能力較差，而且易受干擾而誤導(dǎo)通。由晶閘管和機(jī)械開(kāi)關(guān)構(gòu)成的復(fù)合換相開(kāi)關(guān)[6,7]，承受過(guò)流和過(guò)壓的能力有所增強(qiáng)，換相時(shí)間也短，但晶閘管在運(yùn)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)干擾嚴(yán)重，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致交流過(guò)零點(diǎn)投切不容易控制，可能會(huì)產(chǎn)生電??；3）以繼電器為主構(gòu)成的換相開(kāi)關(guān)[8]，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，承載過(guò)流和過(guò)壓能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，但采用傳統(tǒng)的控制方法，換相時(shí)間長(zhǎng)，影響用電設(shè)備的連續(xù)供電。

本文在上述第三種換相方式的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)繼電器的控制方法來(lái)縮短換相時(shí)間，提出了一種基于磁保持繼電器的低壓配電網(wǎng)負(fù)荷換相的新方法。文獻(xiàn)[9]所述采用磁保持繼電器作為智能換相開(kāi)關(guān)，換相時(shí)間在19～29ms之間；文獻(xiàn)[10]所述采用繼電器和接觸器組合作為智能換相開(kāi)關(guān)，切換時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)20ms；本文采用新的換相策略，換相時(shí)間最長(zhǎng)約15ms，并且過(guò)零投切偏差較小，確保負(fù)荷的連續(xù)供電不受影響。最后實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明該方法切實(shí)有效，不會(huì)影響普通用戶的任何用電設(shè)備的正常運(yùn)行，確保電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。

1 磁保持繼電器

磁保持繼電器是一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是靠一定寬度的連續(xù)脈沖電信號(hào)觸發(fā)而完成的。磁保持繼電器相比一般電磁繼電器，具有性能穩(wěn)定、動(dòng)作速度快、帶載能力大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[11]。本方法選用的磁保持繼電器必須滿足在初始電平為零電平的情況下，輸入高電平脈沖進(jìn)行切除的動(dòng)作斷開(kāi)時(shí)間（指處于閉合狀態(tài)的繼電器，從施加電壓的瞬間起到繼電器斷開(kāi)為止的時(shí)間）或切入的動(dòng)作閉合時(shí)間（指處于斷開(kāi)狀態(tài)的繼電器，從施加電壓的瞬間起到繼電器閉合為止的時(shí)間）都不超過(guò)10ms的條件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端換相開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，A、B、C三相電上的3個(gè)開(kāi)關(guān)各表示一個(gè)磁保持繼電器，配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，只有一個(gè)磁保持繼電器處于閉合狀態(tài)，剩余兩個(gè)都處于斷開(kāi)狀態(tài)，與閉合狀態(tài)磁保持繼電器相連接的一相電負(fù)責(zé)為L(zhǎng)線的負(fù)荷供電。

圖1 終端換相開(kāi)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 功能單元

1）繼電器驅(qū)動(dòng)單元

繼電器驅(qū)動(dòng)單元采用大功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803，不需外圍電路，并且芯片內(nèi)部的反向二極管可以消除繼電器閉合時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。

2）諧波濾除單元

諧波濾除單元采用Butterworth低通濾波器和平均值濾波器結(jié)合的濾波器[12]，這樣既具有較好的檢測(cè)精度，又有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

3）電流和電壓過(guò)零檢測(cè)單元

電流和電壓過(guò)零檢測(cè)單元，主要由互感器和比較器組成，作用是把工頻50Hz交流電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為50Hz占空比為50%的方波信號(hào)，此方波信號(hào)的上升沿和下降沿就是電流或電壓信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)，方便MCU中斷檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)。兩個(gè)單元采集信號(hào)的位置如圖1所示，A、B、C三相上的PT1、PT2、PT3各表示一個(gè)電壓過(guò)零檢測(cè)單元，L線上CT表示一個(gè)電流過(guò)零檢測(cè)單元。

4）換相開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋單元

換相開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋單元，是為了準(zhǔn)確反饋終端換相開(kāi)關(guān)的狀態(tài)而著重設(shè)計(jì)的，信號(hào)處理流程如圖2所示，作用是當(dāng)有交流電時(shí)就會(huì)輸出到50Hz高電平占空比低于20%的方波信號(hào)，當(dāng)沒(méi)有交流電時(shí)只會(huì)輸出高電平，MCU借此判斷終端換相開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。本單元采集的是L線負(fù)荷上的電壓信號(hào)。

圖2 換相開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋單元信號(hào)處理框圖

5）與主機(jī)通信單元

終端換相開(kāi)關(guān)根據(jù)主機(jī)的發(fā)出的指令執(zhí)行換相，與主機(jī)通信單元選用德州儀器的ZigBee CC2630組網(wǎng)通信[13]，速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、不受電網(wǎng)諧波的干擾。

6）微控制處理器（Microcontroller Unit，MCU）

微控制處理器選用意法半導(dǎo)體32位Cortex-M3內(nèi)核的處理芯片STM32F103，最高72MHz工作頻率、可用外設(shè)資源豐富。

2.2 控制信號(hào)閉鎖

如圖1所示，MCU與繼電器驅(qū)動(dòng)單元是通過(guò)74HC573鎖存器來(lái)傳遞控制信號(hào)的，當(dāng)開(kāi)始換相時(shí)，MCU關(guān)閉鎖存器的鎖存功能，使其處于透明傳輸?shù)哪Ｊ较聜鬏斝盘?hào)，當(dāng)換相結(jié)束后，MCU先發(fā)送低電平信號(hào)復(fù)位3個(gè)磁保持繼電器使其處于無(wú)電流的常態(tài)模式，然后開(kāi)啟鎖存器的鎖存功能，防止非換相期間一切雜波對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的影響，有利于避免相間短路。

3 換相原則及目標(biāo)

1）避免出現(xiàn)電弧。繼電器切除或切入的時(shí)刻如果不是在信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)附近，同時(shí)濕度允許，很可能產(chǎn)生電弧，較大時(shí)會(huì)造成電路接觸不良，嚴(yán)重時(shí)燒毀設(shè)備及電線。為避免出現(xiàn)電弧，必須實(shí)現(xiàn)交流過(guò)零投切技術(shù)，即在負(fù)荷電流過(guò)零點(diǎn)切除原來(lái)的相序，電壓過(guò)零點(diǎn)切入新的相序。

2）換相時(shí)間很短。即要求負(fù)荷電壓斷開(kāi)的持續(xù)時(shí)間足夠短，盡量不影響用戶設(shè)備的正常供電。不同類型的用電設(shè)備對(duì)電壓的敏感度是不同的，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，電壓中斷不超過(guò)20ms的情況下，能夠確保用戶負(fù)荷的連續(xù)供電不受影響。

3）不能出現(xiàn)相間短路。換相時(shí)如果出現(xiàn)相間短路，不僅會(huì)影響用戶負(fù)荷的正常供電，還會(huì)導(dǎo)致上游保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)而影響其他支路的供電可靠性。

4 換相策略

以往的控制繼電器進(jìn)行換相的方法，換相時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法保證負(fù)荷的連續(xù)供電不受影響，針對(duì)該弊端，本文提出了一種新的換相策略即時(shí)序邏輯控制策略，包含以下三個(gè)要點(diǎn)。

4.1 換相時(shí)序邏輯算法

為實(shí)現(xiàn)交流過(guò)零投切技術(shù)和縮短換相時(shí)間，換相過(guò)程中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇尤為重要。首先要考慮電網(wǎng)運(yùn)行頻率的范圍，根據(jù)電力工業(yè)部施行的《供電營(yíng)業(yè)規(guī)則》規(guī)定：在電力系統(tǒng)非正常狀況下，供電頻率允許偏差不應(yīng)超過(guò)±1.0Hz，頻率范圍就是49～51Hz之間。當(dāng)頻率為49或51Hz時(shí)，相比標(biāo)準(zhǔn)50Hz，一個(gè)周期的偏差最大為±0.4ms，半個(gè)周期的偏差最大是±0.2ms。

其次為方便分析，本文測(cè)量了一批不超過(guò)10ms動(dòng)作斷開(kāi)或閉合時(shí)間磁保持繼電器的3個(gè)特征參數(shù)，繼電器的動(dòng)作斷開(kāi)時(shí)間記為t1，經(jīng)測(cè)量7.7ms＜t1＜8.6ms，取中間值t1=8.15ms，偏差不超過(guò)"±0.45ms" ；繼電器的動(dòng)作閉合時(shí)間記為t2，經(jīng)測(cè)量8.7ms＜t2＜9.5ms，取中間值t2=9.1ms，偏差不超過(guò)±0.4ms；觸發(fā)繼電器閉合的最短脈沖寬度記為t3，經(jīng)測(cè)量t3＞8.5ms。終端換相開(kāi)關(guān)的換相時(shí)序邏輯算法如圖3所示。

圖3 換相時(shí)序邏輯算法

收到換相命令后MCU先開(kāi)啟電流過(guò)零檢測(cè)中斷，當(dāng)檢測(cè)到電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，記該時(shí)刻為0ms時(shí)刻并開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，在（10-t1）ms時(shí)刻發(fā)送切除連接相序的指令給繼電器，走到10ms時(shí)刻預(yù)計(jì)剛好切除該相，過(guò)零切除時(shí)刻偏差不超過(guò)±0.65ms（源于繼電器動(dòng)作斷開(kāi)時(shí)間的偏差和運(yùn)行頻率的半周期偏差）。正常情況下，在切除之后才開(kāi)始切入新相序，但換相時(shí)間很長(zhǎng)，因此在切除之前，本文就開(kāi)始計(jì)劃如何切入新相序了。在5ms時(shí)刻，MCU開(kāi)啟要切入相序的電壓過(guò)零檢測(cè)中斷，選擇這一時(shí)刻是因?yàn)榧词乖谶@一時(shí)刻檢測(cè)到電壓過(guò)零點(diǎn)，最早切入新相序的時(shí)間點(diǎn)也剛好超過(guò)15ms時(shí)刻，距離切除的時(shí)間點(diǎn)10ms時(shí)刻至少有5ms，這是一個(gè)安全的間隔時(shí)間。從打開(kāi)電壓過(guò)零檢測(cè)中斷到檢測(cè)到電壓過(guò)零點(diǎn)為止的時(shí)間記為t0，t0是一個(gè)時(shí)間變量，每次換相時(shí)都可能變化，但0≤t0＜10ms。在（5+t0）ms時(shí)刻檢測(cè)到電壓過(guò)零點(diǎn)同時(shí)關(guān)閉電壓過(guò)零檢測(cè)中斷，在（5+t0+10-t2）ms時(shí)刻發(fā)送切入新相序的指令給繼電器，預(yù)計(jì)在（5+t0+10）ms時(shí)刻切入新相序，過(guò)零切入時(shí)刻偏差不超過(guò)±0.6ms（源于繼電器動(dòng)作閉合時(shí)間的偏差和運(yùn)行頻率的半周期偏差）。整個(gè)換相過(guò)程的掉電時(shí)間為（5+t0+10）-10=（5+t0）ms，也就是5ms到15ms之間。

實(shí)際中為了防止相間短路，需要借助換相開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋信號(hào)在合適的時(shí)刻判斷相序是否切除或切入。根據(jù)換相開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋單元在有交流電時(shí)輸出的方波信號(hào)中存在不超過(guò)2ms的高電平，沒(méi)有交流電時(shí)只輸出高電平的原理，選擇在10ms（切除相序的時(shí)刻）+0.65ms（切除時(shí)刻的最大偏差）+2.1ms（大于2ms高電平時(shí)間）＜12.8ms時(shí)刻判斷連接的相序是否切除，如果是低電平則切除失敗，發(fā)送低電平復(fù)位所有繼電器即可，如果這一時(shí)刻之前發(fā)送了切入新相序的指令，到這一時(shí)刻的持續(xù)脈沖寬度記為tw。

為了求最大持續(xù)脈沖寬度twmax，t2取最大值9.5ms，t0取最小值0ms，那么twmax=9.5-0-2.2=7.3ms。因?yàn)閠wmax＜t3min，即使在12.8ms時(shí)刻之前發(fā)送了切入新相序的指令，到這一時(shí)刻的連續(xù)脈沖寬度也不會(huì)導(dǎo)致新相序的切入，這也是選擇5ms時(shí)刻開(kāi)啟電壓過(guò)零檢測(cè)的另外一個(gè)原因，如果之前沒(méi)有發(fā)送切入新相序的指令，更不會(huì)有任何影響，最后重新開(kāi)始換相，累計(jì)失敗3次后給主機(jī)發(fā)送切除相序失敗的信息；如果是高電平則切除成功，繼續(xù)往下走。

為了判斷新相序是否切入，只需在預(yù)計(jì)切入新相序的電壓過(guò)零點(diǎn)往前走1/4周期時(shí)間到達(dá)電壓峰值的時(shí)間點(diǎn)，也就是在（5+t0+10+5）ms時(shí)刻判斷換相開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋單元的輸出信號(hào)，當(dāng)有交流電時(shí)這一時(shí)刻肯定輸出低電平，沒(méi)有交流電時(shí)輸出高電平，因此MCU如果檢測(cè)到高電平，則切入新相序失敗，發(fā)送低電平復(fù)位所有繼電器，然后給主機(jī)發(fā)送切入新相序失敗的信息并結(jié)束換相；如果檢測(cè)到低電平，則切入新相序成功，發(fā)送低電平復(fù)位所有繼電器并保存換相后的相序連接信息到非易失性存儲(chǔ)器Flash Memory（Flash），然后給主機(jī)發(fā)送換相成功的信息，到此換相成功結(jié)束。

4.2 切除瞬間產(chǎn)生雜波的處理

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，選取的某一次切除相序的波形如圖4所示，藍(lán)色方波是要切入相序的電壓過(guò)零檢測(cè)方波，紅色正弦波是要切除相序的電流波形，可以看出在電流正弦波過(guò)零點(diǎn)切除相序的同一時(shí)刻，電壓過(guò)零檢測(cè)方波的低電平半波周期段產(chǎn)生了一個(gè)向上的大概40us寬度的不規(guī)則脈沖雜波，而且每次寬度和幅度都會(huì)變化，幅度較大時(shí)就會(huì)觸發(fā)MCU的中斷檢測(cè)（邊沿觸發(fā)中斷），較小時(shí)就不會(huì)有影響。如果電壓過(guò)零檢測(cè)方波此刻處于高電平的半波周期段，有時(shí)也有一個(gè)向上的不規(guī)則脈沖雜波，但由于處于高電平階段，電平不會(huì)發(fā)生改變，也就不會(huì)觸發(fā)MCU的中斷檢測(cè)。因此只需考慮電壓過(guò)零檢測(cè)方波的低電平半波周期段出現(xiàn)此雜波的影響。

圖4 某次切除瞬間產(chǎn)生的雜波

切除瞬間產(chǎn)生雜波的影響在于，如果電壓過(guò)零檢測(cè)方波此刻處于低電平半波周期段，而且要切入相序的電壓過(guò)零點(diǎn)在切除時(shí)刻之后，雜波就可能被誤判為電壓過(guò)零點(diǎn)，導(dǎo)致提前切入新相序，如果不是在電壓過(guò)零點(diǎn)附近切入，可能會(huì)產(chǎn)生電弧。

經(jīng)分析研究，如果切除的負(fù)荷為感性負(fù)載時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感性負(fù)載的切除干擾問(wèn)題，主要表現(xiàn)在切除瞬間感性負(fù)載上的自感（或諧振）電壓迭加到中性線上，當(dāng)感性負(fù)載較大時(shí)就會(huì)導(dǎo)致中性線上的電壓變大，當(dāng)此電壓大于要切入相序的電壓時(shí)，通過(guò)電壓過(guò)零檢測(cè)單元中的比較器后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的脈沖雜波，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，雜波的寬度都低于200us，為了更可靠設(shè)定雜波最大寬度不超過(guò)300us。通過(guò)硬件濾波的方法很難根本去除，軟件處理雜波的流程如圖5所示。

圖5 軟件處理雜波流程圖

先計(jì)算雜波出現(xiàn)的時(shí)間范圍，雜波時(shí)間點(diǎn)記為tz，切除相序的時(shí)間點(diǎn)范圍是（10-0.65）至（10+0.65）ms時(shí)刻，雜波的寬度范圍為0至300us，則tzmin=[(10-0.65)+0]=9.35ms時(shí)刻，tzmax=[(10+0.65)+0.3]=10.95ms時(shí)刻，tz的時(shí)間范圍就是9.35ms～10.95ms之間，為了更可靠擴(kuò)大檢測(cè)范圍，讓 tz∈（9.2ms，11ms）。

軟件處理該雜波的方法是，如果在9.2ms時(shí)刻之前沒(méi)有檢測(cè)到電壓過(guò)零點(diǎn)，則先保存9.2ms時(shí)刻電壓過(guò)零檢測(cè)方波信號(hào)的電平，再在tz所屬時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到中斷的次數(shù)、中斷的邊沿觸發(fā)類型、電平變化等因素的綜合分析來(lái)判斷檢測(cè)到的中斷是否是電壓過(guò)零點(diǎn)，包含以下四個(gè)方面。

1）連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到3個(gè)中斷的處理

不規(guī)則脈沖雜波如果附近沒(méi)有其他邊沿中斷的影響，就會(huì)連續(xù)檢測(cè)到兩次邊沿方向相反的中斷，再加上一個(gè)電壓過(guò)零檢測(cè)中斷，最多能檢測(cè)到3個(gè)中斷。連續(xù)間隔小于300us(雜波最大寬度)的時(shí)間檢測(cè)到3個(gè)中斷的情況如圖6所示2種。

圖6 連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到3個(gè)中斷

從圖6看出，第一個(gè)和第三個(gè)中斷之中必有一個(gè)是電壓過(guò)零點(diǎn)，再判斷第一個(gè)中斷的觸發(fā)類型，如果第一個(gè)中斷是下降沿觸發(fā)，則第一個(gè)中斷是電壓過(guò)零點(diǎn)（如圖6(a)所示，后面只寫(xiě)編號(hào)），否則第三個(gè)中斷是電壓過(guò)零點(diǎn)(b)。3個(gè)中斷總計(jì)花費(fèi)不超過(guò)600us的時(shí)間，也不會(huì)影響執(zhí)行切入相序指令的時(shí)間點(diǎn)錯(cuò)過(guò)。

2）連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到2個(gè)中斷的處理

連續(xù)間隔小于300us的時(shí)間檢測(cè)到2個(gè)中斷的情況如圖7所示7種。

圖7 連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到2個(gè)中斷

從圖7看出，如果檢測(cè)到的兩個(gè)中斷都是下降沿或上升沿，再判斷中斷的觸發(fā)類型，如果是下降沿則第一個(gè)中斷是電壓過(guò)零點(diǎn)(d)，否則第二個(gè)中斷是電壓過(guò)零點(diǎn)(h)。如果檢測(cè)到的第一個(gè)中斷是下降沿，第二個(gè)中斷是上升沿，再判斷9.2ms時(shí)刻的電平類型，如果是高電平則第一個(gè)中斷是電壓過(guò)零點(diǎn)(c)，否則第二個(gè)中斷是電壓過(guò)零點(diǎn)(i)。如果檢測(cè)到的第一個(gè)中斷是上升沿，第二個(gè)中斷是下降沿，先判斷9.2ms時(shí)刻的電平類型，如果是高電平則第一個(gè)中斷時(shí)間點(diǎn)減去150us（雜波最大寬度的一半）近似作為電壓過(guò)零點(diǎn)(e)，這樣距離真正電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的偏差不超過(guò)"±" 0.15ms，原來(lái)過(guò)零切入時(shí)刻的最大偏差是"±" 0.6ms，現(xiàn)在最大偏差為"±"（0.15ms+0.6ms）="±"0.75ms，否則判斷第二個(gè)中斷時(shí)間點(diǎn)延時(shí)300us后的電平類型，如果是高電平則第二個(gè)中斷時(shí)間點(diǎn)加上150us近似作為電壓過(guò)零點(diǎn)(g)，過(guò)零切入時(shí)刻的最大偏差也是"±" 0.75ms，否則這兩個(gè)中斷都不是電壓過(guò)零點(diǎn)而是雜波(f)。

3）連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到1個(gè)中斷的處理

連續(xù)間隔小于300us的時(shí)間只檢測(cè)到1個(gè)中斷的情況如圖8所示6種。

圖8 連續(xù)間隔時(shí)間檢測(cè)到1個(gè)中斷

從圖8看出，如果檢測(cè)到的中斷是下降沿，再判斷9.2ms時(shí)刻的電平類型，如果是高電平則是電壓過(guò)零點(diǎn)(j)或接近電壓過(guò)零點(diǎn)(l)，為減小(l)的誤差，將中斷時(shí)間點(diǎn)減去150us作為電壓過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零切入時(shí)刻的最大偏差仍為“±”0.75ms，否則就是雜波(o)。如果檢測(cè)到的中斷是上升沿，判斷中斷時(shí)間點(diǎn)延時(shí)300us后電平類型，如果是高電平則是電壓過(guò)零點(diǎn)(k)或接近電壓過(guò)零點(diǎn)(m)，為減小(m)的誤差，將中斷時(shí)間點(diǎn)加上150us作為電壓過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零切入時(shí)刻的最大偏差仍是“±”0.75ms，否則就是雜波(n)。

4）沒(méi)有檢測(cè)到任何中斷的處理

如果在tz所屬時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到中斷，則繼續(xù)電壓過(guò)零檢測(cè)。

雜波處理完后，按照?qǐng)D3時(shí)序邏輯算法繼續(xù)前進(jìn)。

4.3 軟件防止相間短路

本文的防短路機(jī)制由硬件+軟件雙重閉鎖組成，硬件閉鎖主要是控制信號(hào)閉鎖，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)章節(jié)已介紹，軟件閉鎖包含以下三點(diǎn)。

1）Flash存儲(chǔ)每次換相結(jié)束后的各相序連接狀態(tài)信息，防止掉電重啟后信息丟失，導(dǎo)致下次換相時(shí)切除了錯(cuò)誤的相序而造成相間短路。

2）選擇在合適的時(shí)刻通過(guò)反饋信號(hào)的電平來(lái)判斷換相開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，如果不是預(yù)計(jì)的狀態(tài)，采取相應(yīng)的制止措施來(lái)防止相間短路，對(duì)切除瞬間雜波的準(zhǔn)確處理也有助于防止相間短路。

3）切除和切入相序的時(shí)間間隔超過(guò)5ms。

5 實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行分析

為了測(cè)試實(shí)際運(yùn)行效果，在國(guó)網(wǎng)河南省電力公司濮陽(yáng)供電公司的幫助下，選取了一些用電設(shè)備及用電情況盡量有所差異的家庭用戶進(jìn)行試點(diǎn)，本文從所有測(cè)試的情況中隨機(jī)選取了線性和非線性這兩種類型負(fù)載的換相波形來(lái)進(jìn)行分析。

圖9 某次線性負(fù)載換相過(guò)程波形

某次線性負(fù)載的換相過(guò)程波形如圖9所示，圖9中(a)是當(dāng)前相切換到滯后相波形圖，圖9中(b)是當(dāng)前相切換到超前相波形圖，3號(hào)綠線是負(fù)載電流波形。1號(hào)藍(lán)線是負(fù)載電壓波形，由兩個(gè)相序的電壓波形組成，切除之前的電壓正弦波是原來(lái)相序的電壓波形，切除之后波形是新相序的電壓波形。4號(hào)紫線是要切入新相序的電壓過(guò)零檢測(cè)方波，可以看出在要切入新相序電壓正弦波的過(guò)零點(diǎn)剛好是負(fù)載電壓過(guò)零檢測(cè)方波的上升沿或下降沿。2號(hào)紅線是執(zhí)行切入新相序時(shí)發(fā)送的脈沖控制信號(hào)，可以看到在此脈沖信號(hào)上升沿之前約1～2ms時(shí)間點(diǎn)處有一個(gè)電壓過(guò)零檢測(cè)方波的下降沿或上升沿，這就是檢測(cè)到的要切入新相序的電壓過(guò)零點(diǎn)，然后延時(shí)（10-t2）ms后執(zhí)行切入新相序的指令，即產(chǎn)生了該脈沖信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行動(dòng)作閉合。

從圖9可以看出，負(fù)載的電流相位與電壓相位同相，這是一個(gè)線性負(fù)載。然后看到，在負(fù)載電流正弦波的過(guò)零點(diǎn)剛好切除原來(lái)的相序變成一條零電平的直線，接著在要切入新相序的電壓正弦波的過(guò)零點(diǎn)剛好切入新相序，又由一條零電平的直線變成電壓正弦波，并且切除和切入相序時(shí)刻的過(guò)零點(diǎn)偏差較小，肉眼分辨不出來(lái)，最后計(jì)數(shù)波形圖上的小格子可以得出換相過(guò)程的掉電時(shí)間，當(dāng)前相切換到滯后相大概是7ms左右，當(dāng)前相切換到超前相大概是13.5ms左右。

圖10 某次非線性負(fù)載換相過(guò)程波形

某次非線性負(fù)載的換相過(guò)程波形如圖10所示，圖10中(a)是當(dāng)前相切換到滯后相波形圖，圖10中(b)是當(dāng)前相切換到超前相波形，1號(hào)藍(lán)線是負(fù)載電流波形，2號(hào)紅線是負(fù)載電壓波形，可以看出負(fù)載的電壓相位和電流相位有偏差，這是一個(gè)非線性負(fù)載。然后看到在負(fù)載電流過(guò)零點(diǎn)剛好切除原來(lái)的相序，在要切入新相序的電壓過(guò)零點(diǎn)剛好切入新相序，同時(shí)過(guò)零點(diǎn)投切的偏差依然較小，數(shù)格子計(jì)算換相時(shí)間，當(dāng)前相切換到滯后相大概是9.5ms左右,當(dāng)前相切換到超前相大概是15ms左右。上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有試點(diǎn)用戶的用電設(shè)備連續(xù)供電受到影響，都運(yùn)行正常。

為分析換相時(shí)間范圍和過(guò)零點(diǎn)投切偏差，采用不同的磁保持繼電器對(duì)各種類型負(fù)載進(jìn)行各個(gè)相序的切換，總共實(shí)驗(yàn)100次，換相時(shí)間及過(guò)零點(diǎn)投切偏差測(cè)試統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 換相時(shí)間及過(guò)零點(diǎn)投切偏差測(cè)試統(tǒng)計(jì)

從表1中看出1 0 0次測(cè)試的最大換相時(shí)間為15.52ms，符合本文分析的最長(zhǎng)15ms左右的換相時(shí)間。平均過(guò)零點(diǎn)投切偏差也較小，不超過(guò)±0.75ms的投切偏差占比97%，基本符合本文分析的最大±0.75ms左右的過(guò)零點(diǎn)投切偏差，剩下3%占比來(lái)自同一個(gè)磁保持繼電器的3次過(guò)零點(diǎn)投切偏差，是因?yàn)樵摾^電器動(dòng)作閉合時(shí)間偏差遠(yuǎn)超本文所述的正常偏差導(dǎo)致的。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于磁保持繼電器的低壓配電網(wǎng)負(fù)荷換相的新方法，僅以磁保持繼電器作為換相開(kāi)關(guān)，采用新的時(shí)序邏輯控制策略，能夠在換相過(guò)程中真正實(shí)現(xiàn)交流過(guò)零投切技術(shù)，同時(shí)消除切除瞬間產(chǎn)生雜波的影響，并且過(guò)零投切偏差小，最大±0.75ms左右，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電弧換相，整個(gè)換相過(guò)程的掉電時(shí)間最長(zhǎng)僅15ms左右，不會(huì)影響用戶負(fù)荷的連續(xù)供電。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果和實(shí)驗(yàn)波形證明了本方法的正確性和有效性，對(duì)于替代人工改線調(diào)節(jié)三相不平衡和解決自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷相序的方法來(lái)調(diào)平時(shí)極易影響用戶正常用電的問(wèn)題，提供了很實(shí)用的方法。本文所提方法不足之處在于兼容的磁保持繼電器類型較少，下一步繼續(xù)研究改進(jìn)換相算法來(lái)兼容更多類型的磁保持繼電器。