一種基于磁保持繼電器的低壓配電網負荷換相方法

丁家峰，宮 飛，劉 靜，李新梅，李志鋒

（1.中南大學 物理與電子學院，長沙 410083；2.國網河南省電力公司濮陽供電公司，濮陽 457000）

0 引言

我國低壓配電網主要采用三相四線制，理想情況下三相負荷為平衡配置，實際上由于大功率單相負載的接入、用戶用電習慣差異等原因，往往容易造成配電網末端電壓低于限值，加重了三相不平衡問題[1]，極大增加了電能損耗[2]。智能選相開關是國網運檢部《關于開展配電臺區三相負荷不平衡問題治理工作的通知（運檢三【2017】68號）》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——三相負荷不平衡出發，重新均勻分配每一相的負荷，使低壓配電網三相趨于平衡。它由主機和終端換相開關兩部分組成，主機負責邏輯調平[3]和組網通信，終端換相開關負責執行主機的換相指令。但是終端換相開關執行負荷換相的過程中，極易影響用戶及其用電設備的正常用電，本文研究負荷換相的新方法就是為解決該問題。

目前常用的換相方式有三種：1）由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構成的換相開關[4]，速度快、功耗小，對用戶連續供電影響小，但需設計復雜的驅動電路，耐過流和過壓能力差，需要安裝散熱器，而且受靜電干擾時易導致IGBT失效；2）由晶閘管構成的換相開關[5]，控制靈敏，晶閘管的導通和截止微秒級，但承受過流和過壓的能力較差，而且易受干擾而誤導通。由晶閘管和機械開關構成的復合換相開關[6,7]，承受過流和過壓的能力有所增強，換相時間也短，但晶閘管在運用過程中會產生高次諧波，對電網干擾嚴重，同時會導致交流過零點投切不容易控制，可能會產生電弧；3）以繼電器為主構成的換相開關[8]，驅動電路簡單，承載過流和過壓能力強，抗干擾能力強，但采用傳統的控制方法，換相時間長，影響用電設備的連續供電。

本文在上述第三種換相方式的基礎上，通過改進繼電器的控制方法來縮短換相時間，提出了一種基于磁保持繼電器的低壓配電網負荷換相的新方法。文獻[9]所述采用磁保持繼電器作為智能換相開關，換相時間在19～29ms之間；文獻[10]所述采用繼電器和接觸器組合作為智能換相開關，切換時間最長達20ms；本文采用新的換相策略，換相時間最長約15ms，并且過零投切偏差較小，確保負荷的連續供電不受影響。最后實驗和現場運行證明該方法切實有效，不會影響普通用戶的任何用電設備的正常運行，確保電網的安全與穩定。

1 磁保持繼電器

磁保持繼電器是一種自動開關，其開關狀態的轉換是靠一定寬度的連續脈沖電信號觸發而完成的。磁保持繼電器相比一般電磁繼電器，具有性能穩定、動作速度快、帶載能力大、壽命長等優點[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，輸入高電平脈沖進行切除的動作斷開時間（指處于閉合狀態的繼電器，從施加電壓的瞬間起到繼電器斷開為止的時間）或切入的動作閉合時間（指處于斷開狀態的繼電器，從施加電壓的瞬間起到繼電器閉合為止的時間）都不超過10ms的條件。

2 系統設計

終端換相開關的系統結構如圖1所示，A、B、C三相電上的3個開關各表示一個磁保持繼電器，配電網正常運行時，只有一個磁保持繼電器處于閉合狀態，剩余兩個都處于斷開狀態，與閉合狀態磁保持繼電器相連接的一相電負責為L線的負荷供電。

圖1 終端換相開關系統結構

2.1 功能單元

1）繼電器驅動單元

繼電器驅動單元采用大功率驅動芯片ULN2803，不需外圍電路，并且芯片內部的反向二極管可以消除繼電器閉合時產生的感應電壓。

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合的濾波器[12]，這樣既具有較好的檢測精度，又有很好的動態響應性能。

3）電流和電壓過零檢測單元

電流和電壓過零檢測單元，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轉化為50Hz占空比為50%的方波信號，此方波信號的上升沿和下降沿就是電流或電壓信號的過零點，方便MCU中斷檢測過零點。兩個單元采集信號的位置如圖1所示，A、B、C三相上的PT1、PT2、PT3各表示一個電壓過零檢測單元，L線上CT表示一個電流過零檢測單元。

4）換相開關狀態反饋單元

換相開關狀態反饋單元，是為了準確反饋終端換相開關的狀態而著重設計的，信號處理流程如圖2所示，作用是當有交流電時就會輸出到50Hz高電平占空比低于20%的方波信號，當沒有交流電時只會輸出高電平，MCU借此判斷終端換相開關的狀態。本單元采集的是L線負荷上的電壓信號。

圖2 換相開關狀態反饋單元信號處理框圖

5）與主機通信單元

終端換相開關根據主機的發出的指令執行換相，與主機通信單元選用德州儀器的ZigBee CC2630組網通信[13]，速度快、傳輸距離遠、不受電網諧波的干擾。

6）微控制處理器（Microcontroller Unit，MCU）

微控制處理器選用意法半導體32位Cortex-M3內核的處理芯片STM32F103，最高72MHz工作頻率、可用外設資源豐富。

2.2 控制信號閉鎖

如圖1所示，MCU與繼電器驅動單元是通過74HC573鎖存器來傳遞控制信號的，當開始換相時，MCU關閉鎖存器的鎖存功能，使其處于透明傳輸的模式下傳輸信號，當換相結束后，MCU先發送低電平信號復位3個磁保持繼電器使其處于無電流的常態模式，然后開啟鎖存器的鎖存功能，防止非換相期間一切雜波對繼電器開關狀態的影響，有利于避免相間短路。

3 換相原則及目標

1）避免出現電弧。繼電器切除或切入的時刻如果不是在信號的過零點附近，同時濕度允許，很可能產生電弧，較大時會造成電路接觸不良，嚴重時燒毀設備及電線。為避免出現電弧，必須實現交流過零投切技術，即在負荷電流過零點切除原來的相序，電壓過零點切入新的相序。

2）換相時間很短。即要求負荷電壓斷開的持續時間足夠短，盡量不影響用戶設備的正常供電。不同類型的用電設備對電壓的敏感度是不同的，相關數據表明，電壓中斷不超過20ms的情況下，能夠確保用戶負荷的連續供電不受影響。

3）不能出現相間短路。換相時如果出現相間短路，不僅會影響用戶負荷的正常供電，還會導致上游保護動作，進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行換相的方法，換相時間長，無法保證負荷的連續供電不受影響，針對該弊端，本文提出了一種新的換相策略即時序邏輯控制策略，包含以下三個要點。

4.1 換相時序邏輯算法

為實現交流過零投切技術和縮短換相時間，換相過程中的時間節點選擇尤為重要。首先要考慮電網運行頻率的范圍，根據電力工業部施行的《供電營業規則》規定：在電力系統非正常狀況下，供電頻率允許偏差不應超過±1.0Hz，頻率范圍就是49～51Hz之間。當頻率為49或51Hz時，相比標準50Hz，一個周期的偏差最大為±0.4ms，半個周期的偏差最大是±0.2ms。

其次為方便分析，本文測量了一批不超過10ms動作斷開或閉合時間磁保持繼電器的3個特征參數，繼電器的動作斷開時間記為t1，經測量7.7ms＜t1＜8.6ms，取中間值t1=8.15ms，偏差不超過"±0.45ms" ；繼電器的動作閉合時間記為t2，經測量8.7ms＜t2＜9.5ms，取中間值t2=9.1ms，偏差不超過±0.4ms；觸發繼電器閉合的最短脈沖寬度記為t3，經測量t3＞8.5ms。終端換相開關的換相時序邏輯算法如圖3所示。

圖3 換相時序邏輯算法

收到換相命令后MCU先開啟電流過零檢測中斷，當檢測到電流過零點時，記該時刻為0ms時刻并開啟定時器計時，在（10-t1）ms時刻發送切除連接相序的指令給繼電器，走到10ms時刻預計剛好切除該相，過零切除時刻偏差不超過±0.65ms（源于繼電器動作斷開時間的偏差和運行頻率的半周期偏差）。正常情況下，在切除之后才開始切入新相序，但換相時間很長，因此在切除之前，本文就開始計劃如何切入新相序了。在5ms時刻，MCU開啟要切入相序的電壓過零檢測中斷，選擇這一時刻是因為即使在這一時刻檢測到電壓過零點，最早切入新相序的時間點也剛好超過15ms時刻，距離切除的時間點10ms時刻至少有5ms，這是一個安全的間隔時間。從打開電壓過零檢測中斷到檢測到電壓過零點為止的時間記為t0，t0是一個時間變量，每次換相時都可能變化，但0≤t0＜10ms。在（5+t0）ms時刻檢測到電壓過零點同時關閉電壓過零檢測中斷，在（5+t0+10-t2）ms時刻發送切入新相序的指令給繼電器，預計在（5+t0+10）ms時刻切入新相序，過零切入時刻偏差不超過±0.6ms（源于繼電器動作閉合時間的偏差和運行頻率的半周期偏差）。整個換相過程的掉電時間為（5+t0+10）-10=（5+t0）ms，也就是5ms到15ms之間。

實際中為了防止相間短路，需要借助換相開關狀態反饋信號在合適的時刻判斷相序是否切除或切入。根據換相開關狀態反饋單元在有交流電時輸出的方波信號中存在不超過2ms的高電平，沒有交流電時只輸出高電平的原理，選擇在10ms（切除相序的時刻）+0.65ms（切除時刻的最大偏差）+2.1ms（大于2ms高電平時間）＜12.8ms時刻判斷連接的相序是否切除，如果是低電平則切除失敗，發送低電平復位所有繼電器即可，如果這一時刻之前發送了切入新相序的指令，到這一時刻的持續脈沖寬度記為tw。

為了求最大持續脈沖寬度twmax，t2取最大值9.5ms，t0取最小值0ms，那么twmax=9.5-0-2.2=7.3ms。因為twmax＜t3min，即使在12.8ms時刻之前發送了切入新相序的指令，到這一時刻的連續脈沖寬度也不會導致新相序的切入，這也是選擇5ms時刻開啟電壓過零檢測的另外一個原因，如果之前沒有發送切入新相序的指令，更不會有任何影響，最后重新開始換相，累計失敗3次后給主機發送切除相序失敗的信息；如果是高電平則切除成功，繼續往下走。

為了判斷新相序是否切入，只需在預計切入新相序的電壓過零點往前走1/4周期時間到達電壓峰值的時間點，也就是在（5+t0+10+5）ms時刻判斷換相開關狀態反饋單元的輸出信號，當有交流電時這一時刻肯定輸出低電平，沒有交流電時輸出高電平，因此MCU如果檢測到高電平，則切入新相序失敗，發送低電平復位所有繼電器，然后給主機發送切入新相序失敗的信息并結束換相；如果檢測到低電平，則切入新相序成功，發送低電平復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器Flash Memory（Flash），然后給主機發送換相成功的信息，到此換相成功結束。

4.2 切除瞬間產生雜波的處理

在實驗中發現一個問題，選取的某一次切除相序的波形如圖4所示，藍色方波是要切入相序的電壓過零檢測方波，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零點切除相序的同一時刻，電壓過零檢測方波的低電平半波周期段產生了一個向上的大概40us寬度的不規則脈沖雜波，而且每次寬度和幅度都會變化，幅度較大時就會觸發MCU的中斷檢測（邊沿觸發中斷），較小時就不會有影響。如果電壓過零檢測方波此刻處于高電平的半波周期段，有時也有一個向上的不規則脈沖雜波，但由于處于高電平階段，電平不會發生改變，也就不會觸發MCU的中斷檢測。因此只需考慮電壓過零檢測方波的低電平半波周期段出現此雜波的影響。

圖4 某次切除瞬間產生的雜波

切除瞬間產生雜波的影響在于，如果電壓過零檢測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零點在切除時刻之后，雜波就可能被誤判為電壓過零點，導致提前切入新相序，如果不是在電壓過零點附近切入，可能會產生電弧。

經分析研究，如果切除的負荷為感性負載時，就會產生感性負載的切除干擾問題，主要表現在切除瞬間感性負載上的自感（或諧振）電壓迭加到中性線上，當感性負載較大時就會導致中性線上的電壓變大，當此電壓大于要切入相序的電壓時，通過電壓過零檢測單元中的比較器后就會產生一個向上的脈沖雜波，經反復測試，雜波的寬度都低于200us，為了更可靠設定雜波最大寬度不超過300us。通過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

先計算雜波出現的時間范圍，雜波時間點記為tz，切除相序的時間點范圍是（10-0.65）至（10+0.65）ms時刻，雜波的寬度范圍為0至300us，則tzmin=[(10-0.65)+0]=9.35ms時刻，tzmax=[(10+0.65)+0.3]=10.95ms時刻，tz的時間范圍就是9.35ms～10.95ms之間，為了更可靠擴大檢測范圍，讓 tz∈（9.2ms，11ms）。

軟件處理該雜波的方法是，如果在9.2ms時刻之前沒有檢測到電壓過零點，則先保存9.2ms時刻電壓過零檢測方波信號的電平，再在tz所屬時間范圍內，對連續間隔時間檢測到中斷的次數、中斷的邊沿觸發類型、電平變化等因素的綜合分析來判斷檢測到的中斷是否是電壓過零點，包含以下四個方面。

1）連續間隔時間檢測到3個中斷的處理

不規則脈沖雜波如果附近沒有其他邊沿中斷的影響，就會連續檢測到兩次邊沿方向相反的中斷，再加上一個電壓過零檢測中斷，最多能檢測到3個中斷。連續間隔小于300us(雜波最大寬度)的時間檢測到3個中斷的情況如圖6所示2種。

圖6 連續間隔時間檢測到3個中斷

從圖6看出，第一個和第三個中斷之中必有一個是電壓過零點，再判斷第一個中斷的觸發類型，如果第一個中斷是下降沿觸發，則第一個中斷是電壓過零點（如圖6(a)所示，后面只寫編號），否則第三個中斷是電壓過零點(b)。3個中斷總計花費不超過600us的時間，也不會影響執行切入相序指令的時間點錯過。

2）連續間隔時間檢測到2個中斷的處理

連續間隔小于300us的時間檢測到2個中斷的情況如圖7所示7種。

圖7 連續間隔時間檢測到2個中斷

從圖7看出，如果檢測到的兩個中斷都是下降沿或上升沿，再判斷中斷的觸發類型，如果是下降沿則第一個中斷是電壓過零點(d)，否則第二個中斷是電壓過零點(h)。如果檢測到的第一個中斷是下降沿，第二個中斷是上升沿，再判斷9.2ms時刻的電平類型，如果是高電平則第一個中斷是電壓過零點(c)，否則第二個中斷是電壓過零點(i)。如果檢測到的第一個中斷是上升沿，第二個中斷是下降沿，先判斷9.2ms時刻的電平類型，如果是高電平則第一個中斷時間點減去150us（雜波最大寬度的一半）近似作為電壓過零點(e)，這樣距離真正電壓過零點時刻的偏差不超過"±" 0.15ms，原來過零切入時刻的最大偏差是"±" 0.6ms，現在最大偏差為"±"（0.15ms+0.6ms）="±"0.75ms，否則判斷第二個中斷時間點延時300us后的電平類型，如果是高電平則第二個中斷時間點加上150us近似作為電壓過零點(g)，過零切入時刻的最大偏差也是"±" 0.75ms，否則這兩個中斷都不是電壓過零點而是雜波(f)。

3）連續間隔時間檢測到1個中斷的處理

連續間隔小于300us的時間只檢測到1個中斷的情況如圖8所示6種。

圖8 連續間隔時間檢測到1個中斷

從圖8看出，如果檢測到的中斷是下降沿，再判斷9.2ms時刻的電平類型，如果是高電平則是電壓過零點(j)或接近電壓過零點(l)，為減小(l)的誤差，將中斷時間點減去150us作為電壓過零點，過零切入時刻的最大偏差仍為“±”0.75ms，否則就是雜波(o)。如果檢測到的中斷是上升沿，判斷中斷時間點延時300us后電平類型，如果是高電平則是電壓過零點(k)或接近電壓過零點(m)，為減小(m)的誤差，將中斷時間點加上150us作為電壓過零點，過零切入時刻的最大偏差仍是“±”0.75ms，否則就是雜波(n)。

4）沒有檢測到任何中斷的處理

如果在tz所屬時間范圍內沒有檢測到中斷，則繼續電壓過零檢測。

雜波處理完后，按照圖3時序邏輯算法繼續前進。

4.3 軟件防止相間短路

本文的防短路機制由硬件+軟件雙重閉鎖組成，硬件閉鎖主要是控制信號閉鎖，在系統設計章節已介紹，軟件閉鎖包含以下三點。

1）Flash存儲每次換相結束后的各相序連接狀態信息，防止掉電重啟后信息丟失，導致下次換相時切除了錯誤的相序而造成相間短路。

2）選擇在合適的時刻通過反饋信號的電平來判斷換相開關的狀態，如果不是預計的狀態，采取相應的制止措施來防止相間短路，對切除瞬間雜波的準確處理也有助于防止相間短路。

3）切除和切入相序的時間間隔超過5ms。

5 實驗與現場運行分析

為了測試實際運行效果，在國網河南省電力公司濮陽供電公司的幫助下，選取了一些用電設備及用電情況盡量有所差異的家庭用戶進行試點，本文從所有測試的情況中隨機選取了線性和非線性這兩種類型負載的換相波形來進行分析。

圖9 某次線性負載換相過程波形

某次線性負載的換相過程波形如圖9所示，圖9中(a)是當前相切換到滯后相波形圖，圖9中(b)是當前相切換到超前相波形圖，3號綠線是負載電流波形。1號藍線是負載電壓波形，由兩個相序的電壓波形組成，切除之前的電壓正弦波是原來相序的電壓波形，切除之后波形是新相序的電壓波形。4號紫線是要切入新相序的電壓過零檢測方波，可以看出在要切入新相序電壓正弦波的過零點剛好是負載電壓過零檢測方波的上升沿或下降沿。2號紅線是執行切入新相序時發送的脈沖控制信號，可以看到在此脈沖信號上升沿之前約1～2ms時間點處有一個電壓過零檢測方波的下降沿或上升沿，這就是檢測到的要切入新相序的電壓過零點，然后延時（10-t2）ms后執行切入新相序的指令，即產生了該脈沖信號來驅動繼電器進行動作閉合。

從圖9可以看出，負載的電流相位與電壓相位同相，這是一個線性負載。然后看到，在負載電流正弦波的過零點剛好切除原來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零點剛好切入新相序，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刻的過零點偏差較小，肉眼分辨不出來，最后計數波形圖上的小格子可以得出換相過程的掉電時間，當前相切換到滯后相大概是7ms左右，當前相切換到超前相大概是13.5ms左右。

圖10 某次非線性負載換相過程波形

某次非線性負載的換相過程波形如圖10所示，圖10中(a)是當前相切換到滯后相波形圖，圖10中(b)是當前相切換到超前相波形，1號藍線是負載電流波形，2號紅線是負載電壓波形，可以看出負載的電壓相位和電流相位有偏差，這是一個非線性負載。然后看到在負載電流過零點剛好切除原來的相序，在要切入新相序的電壓過零點剛好切入新相序，同時過零點投切的偏差依然較小，數格子計算換相時間，當前相切換到滯后相大概是9.5ms左右,當前相切換到超前相大概是15ms左右。上述實驗過程中，沒有試點用戶的用電設備連續供電受到影響，都運行正常。

為分析換相時間范圍和過零點投切偏差，采用不同的磁保持繼電器對各種類型負載進行各個相序的切換，總共實驗100次，換相時間及過零點投切偏差測試統計如表1所示。

表1 換相時間及過零點投切偏差測試統計

從表1中看出1 0 0次測試的最大換相時間為15.52ms，符合本文分析的最長15ms左右的換相時間。平均過零點投切偏差也較小，不超過±0.75ms的投切偏差占比97%，基本符合本文分析的最大±0.75ms左右的過零點投切偏差，剩下3%占比來自同一個磁保持繼電器的3次過零點投切偏差，是因為該繼電器動作閉合時間偏差遠超本文所述的正常偏差導致的。

6 結束語

本文提出了一種基于磁保持繼電器的低壓配電網負荷換相的新方法，僅以磁保持繼電器作為換相開關，采用新的時序邏輯控制策略，能夠在換相過程中真正實現交流過零投切技術，同時消除切除瞬間產生雜波的影響，并且過零投切偏差小，最大±0.75ms左右，實現了無電弧換相，整個換相過程的掉電時間最長僅15ms左右，不會影響用戶負荷的連續供電。現場運行效果和實驗波形證明了本方法的正確性和有效性，對于替代人工改線調節三相不平衡和解決自動調整負荷相序的方法來調平時極易影響用戶正常用電的問題，提供了很實用的方法。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，下一步繼續研究改進換相算法來兼容更多類型的磁保持繼電器。