一种基于磁保持继电器的低压配电网负荷换相方法

丁家峰，宫 飞，刘 静，李新梅，李志锋

（1.中南大学 物理与电子学院，长沙 410083；2.国网河南省电力公司濮阳供电公司，濮阳 457000）

0 引言

我国低压配电网主要采用三相四线制，理想情况下三相负荷为平衡配置，实际上由于大功率单相负载的接入、用户用电习惯差异等原因，往往容易造成配电网末端电压低于限值，加重了三相不平衡问题[1]，极大增加了电能损耗[2]。智能选相开关是国网运检部《关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知（运检三【2017】68号）》中首要推荐的治理三相不平衡的方法，从引起三相不平衡的根本原因——三相负荷不平衡出发，重新均匀分配每一相的负荷，使低压配电网三相趋于平衡。它由主机和终端换相开关两部分组成，主机负责逻辑调平[3]和组网通信，终端换相开关负责执行主机的换相指令。但是终端换相开关执行负荷换相的过程中，极易影响用户及其用电设备的正常用电，本文研究负荷换相的新方法就是为解决该问题。

目前常用的换相方式有三种：1）由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的换相开关[4]，速度快、功耗小，对用户连续供电影响小，但需设计复杂的驱动电路，耐过流和过压能力差，需要安装散热器，而且受静电干扰时易导致IGBT失效；2）由晶闸管构成的换相开关[5]，控制灵敏，晶闸管的导通和截止微秒级，但承受过流和过压的能力较差，而且易受干扰而误导通。由晶闸管和机械开关构成的复合换相开关[6,7]，承受过流和过压的能力有所增强，换相时间也短，但晶闸管在运用过程中会产生高次谐波，对电网干扰严重，同时会导致交流过零点投切不容易控制，可能会产生电弧；3）以继电器为主构成的换相开关[8]，驱动电路简单，承载过流和过压能力强，抗干扰能力强，但采用传统的控制方法，换相时间长，影响用电设备的连续供电。

本文在上述第三种换相方式的基础上，通过改进继电器的控制方法来缩短换相时间，提出了一种基于磁保持继电器的低压配电网负荷换相的新方法。文献[9]所述采用磁保持继电器作为智能换相开关，换相时间在19～29ms之间；文献[10]所述采用继电器和接触器组合作为智能换相开关，切换时间最长达20ms；本文采用新的换相策略，换相时间最长约15ms，并且过零投切偏差较小，确保负荷的连续供电不受影响。最后实验和现场运行证明该方法切实有效，不会影响普通用户的任何用电设备的正常运行，确保电网的安全与稳定。

1 磁保持继电器

磁保持继电器是一种自动开关，其开关状态的转换是靠一定宽度的连续脉冲电信号触发而完成的。磁保持继电器相比一般电磁继电器，具有性能稳定、动作速度快、带载能力大、寿命长等优点[11]。本方法选用的磁保持继电器必须满足在初始电平为零电平的情况下，输入高电平脉冲进行切除的动作断开时间（指处于闭合状态的继电器，从施加电压的瞬间起到继电器断开为止的时间）或切入的动作闭合时间（指处于断开状态的继电器，从施加电压的瞬间起到继电器闭合为止的时间）都不超过10ms的条件。

2 系统设计

终端换相开关的系统结构如图1所示，A、B、C三相电上的3个开关各表示一个磁保持继电器，配电网正常运行时，只有一个磁保持继电器处于闭合状态，剩余两个都处于断开状态，与闭合状态磁保持继电器相连接的一相电负责为L线的负荷供电。

图1 终端换相开关系统结构

2.1 功能单元

1）继电器驱动单元

继电器驱动单元采用大功率驱动芯片ULN2803，不需外围电路，并且芯片内部的反向二极管可以消除继电器闭合时产生的感应电压。

2）谐波滤除单元

谐波滤除单元采用Butterworth低通滤波器和平均值滤波器结合的滤波器[12]，这样既具有较好的检测精度，又有很好的动态响应性能。

3）电流和电压过零检测单元

电流和电压过零检测单元，主要由互感器和比较器组成，作用是把工频50Hz交流电流或电压信号转化为50Hz占空比为50%的方波信号，此方波信号的上升沿和下降沿就是电流或电压信号的过零点，方便MCU中断检测过零点。两个单元采集信号的位置如图1所示，A、B、C三相上的PT1、PT2、PT3各表示一个电压过零检测单元，L线上CT表示一个电流过零检测单元。

4）换相开关状态反馈单元

换相开关状态反馈单元，是为了准确反馈终端换相开关的状态而着重设计的，信号处理流程如图2所示，作用是当有交流电时就会输出到50Hz高电平占空比低于20%的方波信号，当没有交流电时只会输出高电平，MCU借此判断终端换相开关的状态。本单元采集的是L线负荷上的电压信号。

图2 换相开关状态反馈单元信号处理框图

5）与主机通信单元

终端换相开关根据主机的发出的指令执行换相，与主机通信单元选用德州仪器的ZigBee CC2630组网通信[13]，速度快、传输距离远、不受电网谐波的干扰。

6）微控制处理器（Microcontroller Unit，MCU）

微控制处理器选用意法半导体32位Cortex-M3内核的处理芯片STM32F103，最高72MHz工作频率、可用外设资源丰富。

2.2 控制信号闭锁

如图1所示，MCU与继电器驱动单元是通过74HC573锁存器来传递控制信号的，当开始换相时，MCU关闭锁存器的锁存功能，使其处于透明传输的模式下传输信号，当换相结束后，MCU先发送低电平信号复位3个磁保持继电器使其处于无电流的常态模式，然后开启锁存器的锁存功能，防止非换相期间一切杂波对继电器开关状态的影响，有利于避免相间短路。

3 换相原则及目标

1）避免出现电弧。继电器切除或切入的时刻如果不是在信号的过零点附近，同时湿度允许，很可能产生电弧，较大时会造成电路接触不良，严重时烧毁设备及电线。为避免出现电弧，必须实现交流过零投切技术，即在负荷电流过零点切除原来的相序，电压过零点切入新的相序。

2）换相时间很短。即要求负荷电压断开的持续时间足够短，尽量不影响用户设备的正常供电。不同类型的用电设备对电压的敏感度是不同的，相关数据表明，电压中断不超过20ms的情况下，能够确保用户负荷的连续供电不受影响。

3）不能出现相间短路。换相时如果出现相间短路，不仅会影响用户负荷的正常供电，还会导致上游保护动作，进而影响其他支路的供电可靠性。

4 换相策略

以往的控制继电器进行换相的方法，换相时间长，无法保证负荷的连续供电不受影响，针对该弊端，本文提出了一种新的换相策略即时序逻辑控制策略，包含以下三个要点。

4.1 换相时序逻辑算法

为实现交流过零投切技术和缩短换相时间，换相过程中的时间节点选择尤为重要。首先要考虑电网运行频率的范围，根据电力工业部施行的《供电营业规则》规定：在电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过±1.0Hz，频率范围就是49～51Hz之间。当频率为49或51Hz时，相比标准50Hz，一个周期的偏差最大为±0.4ms，半个周期的偏差最大是±0.2ms。

其次为方便分析，本文测量了一批不超过10ms动作断开或闭合时间磁保持继电器的3个特征参数，继电器的动作断开时间记为t1，经测量7.7ms＜t1＜8.6ms，取中间值t1=8.15ms，偏差不超过"±0.45ms" ；继电器的动作闭合时间记为t2，经测量8.7ms＜t2＜9.5ms，取中间值t2=9.1ms，偏差不超过±0.4ms；触发继电器闭合的最短脉冲宽度记为t3，经测量t3＞8.5ms。终端换相开关的换相时序逻辑算法如图3所示。

图3 换相时序逻辑算法

收到换相命令后MCU先开启电流过零检测中断，当检测到电流过零点时，记该时刻为0ms时刻并开启定时器计时，在（10-t1）ms时刻发送切除连接相序的指令给继电器，走到10ms时刻预计刚好切除该相，过零切除时刻偏差不超过±0.65ms（源于继电器动作断开时间的偏差和运行频率的半周期偏差）。正常情况下，在切除之后才开始切入新相序，但换相时间很长，因此在切除之前，本文就开始计划如何切入新相序了。在5ms时刻，MCU开启要切入相序的电压过零检测中断，选择这一时刻是因为即使在这一时刻检测到电压过零点，最早切入新相序的时间点也刚好超过15ms时刻，距离切除的时间点10ms时刻至少有5ms，这是一个安全的间隔时间。从打开电压过零检测中断到检测到电压过零点为止的时间记为t0，t0是一个时间变量，每次换相时都可能变化，但0≤t0＜10ms。在（5+t0）ms时刻检测到电压过零点同时关闭电压过零检测中断，在（5+t0+10-t2）ms时刻发送切入新相序的指令给继电器，预计在（5+t0+10）ms时刻切入新相序，过零切入时刻偏差不超过±0.6ms（源于继电器动作闭合时间的偏差和运行频率的半周期偏差）。整个换相过程的掉电时间为（5+t0+10）-10=（5+t0）ms，也就是5ms到15ms之间。

实际中为了防止相间短路，需要借助换相开关状态反馈信号在合适的时刻判断相序是否切除或切入。根据换相开关状态反馈单元在有交流电时输出的方波信号中存在不超过2ms的高电平，没有交流电时只输出高电平的原理，选择在10ms（切除相序的时刻）+0.65ms（切除时刻的最大偏差）+2.1ms（大于2ms高电平时间）＜12.8ms时刻判断连接的相序是否切除，如果是低电平则切除失败，发送低电平复位所有继电器即可，如果这一时刻之前发送了切入新相序的指令，到这一时刻的持续脉冲宽度记为tw。

为了求最大持续脉冲宽度twmax，t2取最大值9.5ms，t0取最小值0ms，那么twmax=9.5-0-2.2=7.3ms。因为twmax＜t3min，即使在12.8ms时刻之前发送了切入新相序的指令，到这一时刻的连续脉冲宽度也不会导致新相序的切入，这也是选择5ms时刻开启电压过零检测的另外一个原因，如果之前没有发送切入新相序的指令，更不会有任何影响，最后重新开始换相，累计失败3次后给主机发送切除相序失败的信息；如果是高电平则切除成功，继续往下走。

为了判断新相序是否切入，只需在预计切入新相序的电压过零点往前走1/4周期时间到达电压峰值的时间点，也就是在（5+t0+10+5）ms时刻判断换相开关状态反馈单元的输出信号，当有交流电时这一时刻肯定输出低电平，没有交流电时输出高电平，因此MCU如果检测到高电平，则切入新相序失败，发送低电平复位所有继电器，然后给主机发送切入新相序失败的信息并结束换相；如果检测到低电平，则切入新相序成功，发送低电平复位所有继电器并保存换相后的相序连接信息到非易失性存储器Flash Memory（Flash），然后给主机发送换相成功的信息，到此换相成功结束。

4.2 切除瞬间产生杂波的处理

在实验中发现一个问题，选取的某一次切除相序的波形如图4所示，蓝色方波是要切入相序的电压过零检测方波，红色正弦波是要切除相序的电流波形，可以看出在电流正弦波过零点切除相序的同一时刻，电压过零检测方波的低电平半波周期段产生了一个向上的大概40us宽度的不规则脉冲杂波，而且每次宽度和幅度都会变化，幅度较大时就会触发MCU的中断检测（边沿触发中断），较小时就不会有影响。如果电压过零检测方波此刻处于高电平的半波周期段，有时也有一个向上的不规则脉冲杂波，但由于处于高电平阶段，电平不会发生改变，也就不会触发MCU的中断检测。因此只需考虑电压过零检测方波的低电平半波周期段出现此杂波的影响。

图4 某次切除瞬间产生的杂波

切除瞬间产生杂波的影响在于，如果电压过零检测方波此刻处于低电平半波周期段，而且要切入相序的电压过零点在切除时刻之后，杂波就可能被误判为电压过零点，导致提前切入新相序，如果不是在电压过零点附近切入，可能会产生电弧。

经分析研究，如果切除的负荷为感性负载时，就会产生感性负载的切除干扰问题，主要表现在切除瞬间感性负载上的自感（或谐振）电压迭加到中性线上，当感性负载较大时就会导致中性线上的电压变大，当此电压大于要切入相序的电压时，通过电压过零检测单元中的比较器后就会产生一个向上的脉冲杂波，经反复测试，杂波的宽度都低于200us，为了更可靠设定杂波最大宽度不超过300us。通过硬件滤波的方法很难根本去除，软件处理杂波的流程如图5所示。

图5 软件处理杂波流程图

先计算杂波出现的时间范围，杂波时间点记为tz，切除相序的时间点范围是（10-0.65）至（10+0.65）ms时刻，杂波的宽度范围为0至300us，则tzmin=[(10-0.65)+0]=9.35ms时刻，tzmax=[(10+0.65)+0.3]=10.95ms时刻，tz的时间范围就是9.35ms～10.95ms之间，为了更可靠扩大检测范围，让 tz∈（9.2ms，11ms）。

软件处理该杂波的方法是，如果在9.2ms时刻之前没有检测到电压过零点，则先保存9.2ms时刻电压过零检测方波信号的电平，再在tz所属时间范围内，对连续间隔时间检测到中断的次数、中断的边沿触发类型、电平变化等因素的综合分析来判断检测到的中断是否是电压过零点，包含以下四个方面。

1）连续间隔时间检测到3个中断的处理

不规则脉冲杂波如果附近没有其他边沿中断的影响，就会连续检测到两次边沿方向相反的中断，再加上一个电压过零检测中断，最多能检测到3个中断。连续间隔小于300us(杂波最大宽度)的时间检测到3个中断的情况如图6所示2种。

图6 连续间隔时间检测到3个中断

从图6看出，第一个和第三个中断之中必有一个是电压过零点，再判断第一个中断的触发类型，如果第一个中断是下降沿触发，则第一个中断是电压过零点（如图6(a)所示，后面只写编号），否则第三个中断是电压过零点(b)。3个中断总计花费不超过600us的时间，也不会影响执行切入相序指令的时间点错过。

2）连续间隔时间检测到2个中断的处理

连续间隔小于300us的时间检测到2个中断的情况如图7所示7种。

图7 连续间隔时间检测到2个中断

从图7看出，如果检测到的两个中断都是下降沿或上升沿，再判断中断的触发类型，如果是下降沿则第一个中断是电压过零点(d)，否则第二个中断是电压过零点(h)。如果检测到的第一个中断是下降沿，第二个中断是上升沿，再判断9.2ms时刻的电平类型，如果是高电平则第一个中断是电压过零点(c)，否则第二个中断是电压过零点(i)。如果检测到的第一个中断是上升沿，第二个中断是下降沿，先判断9.2ms时刻的电平类型，如果是高电平则第一个中断时间点减去150us（杂波最大宽度的一半）近似作为电压过零点(e)，这样距离真正电压过零点时刻的偏差不超过"±" 0.15ms，原来过零切入时刻的最大偏差是"±" 0.6ms，现在最大偏差为"±"（0.15ms+0.6ms）="±"0.75ms，否则判断第二个中断时间点延时300us后的电平类型，如果是高电平则第二个中断时间点加上150us近似作为电压过零点(g)，过零切入时刻的最大偏差也是"±" 0.75ms，否则这两个中断都不是电压过零点而是杂波(f)。

3）连续间隔时间检测到1个中断的处理

连续间隔小于300us的时间只检测到1个中断的情况如图8所示6种。

图8 连续间隔时间检测到1个中断

从图8看出，如果检测到的中断是下降沿，再判断9.2ms时刻的电平类型，如果是高电平则是电压过零点(j)或接近电压过零点(l)，为减小(l)的误差，将中断时间点减去150us作为电压过零点，过零切入时刻的最大偏差仍为“±”0.75ms，否则就是杂波(o)。如果检测到的中断是上升沿，判断中断时间点延时300us后电平类型，如果是高电平则是电压过零点(k)或接近电压过零点(m)，为减小(m)的误差，将中断时间点加上150us作为电压过零点，过零切入时刻的最大偏差仍是“±”0.75ms，否则就是杂波(n)。

4）没有检测到任何中断的处理

如果在tz所属时间范围内没有检测到中断，则继续电压过零检测。

杂波处理完后，按照图3时序逻辑算法继续前进。

4.3 软件防止相间短路

本文的防短路机制由硬件+软件双重闭锁组成，硬件闭锁主要是控制信号闭锁，在系统设计章节已介绍，软件闭锁包含以下三点。

1）Flash存储每次换相结束后的各相序连接状态信息，防止掉电重启后信息丢失，导致下次换相时切除了错误的相序而造成相间短路。

2）选择在合适的时刻通过反馈信号的电平来判断换相开关的状态，如果不是预计的状态，采取相应的制止措施来防止相间短路，对切除瞬间杂波的准确处理也有助于防止相间短路。

3）切除和切入相序的时间间隔超过5ms。

5 实验与现场运行分析

为了测试实际运行效果，在国网河南省电力公司濮阳供电公司的帮助下，选取了一些用电设备及用电情况尽量有所差异的家庭用户进行试点，本文从所有测试的情况中随机选取了线性和非线性这两种类型负载的换相波形来进行分析。

图9 某次线性负载换相过程波形

某次线性负载的换相过程波形如图9所示，图9中(a)是当前相切换到滞后相波形图，图9中(b)是当前相切换到超前相波形图，3号绿线是负载电流波形。1号蓝线是负载电压波形，由两个相序的电压波形组成，切除之前的电压正弦波是原来相序的电压波形，切除之后波形是新相序的电压波形。4号紫线是要切入新相序的电压过零检测方波，可以看出在要切入新相序电压正弦波的过零点刚好是负载电压过零检测方波的上升沿或下降沿。2号红线是执行切入新相序时发送的脉冲控制信号，可以看到在此脉冲信号上升沿之前约1～2ms时间点处有一个电压过零检测方波的下降沿或上升沿，这就是检测到的要切入新相序的电压过零点，然后延时（10-t2）ms后执行切入新相序的指令，即产生了该脉冲信号来驱动继电器进行动作闭合。

从图9可以看出，负载的电流相位与电压相位同相，这是一个线性负载。然后看到，在负载电流正弦波的过零点刚好切除原来的相序变成一条零电平的直线，接着在要切入新相序的电压正弦波的过零点刚好切入新相序，又由一条零电平的直线变成电压正弦波，并且切除和切入相序时刻的过零点偏差较小，肉眼分辨不出来，最后计数波形图上的小格子可以得出换相过程的掉电时间，当前相切换到滞后相大概是7ms左右，当前相切换到超前相大概是13.5ms左右。

图10 某次非线性负载换相过程波形

某次非线性负载的换相过程波形如图10所示，图10中(a)是当前相切换到滞后相波形图，图10中(b)是当前相切换到超前相波形，1号蓝线是负载电流波形，2号红线是负载电压波形，可以看出负载的电压相位和电流相位有偏差，这是一个非线性负载。然后看到在负载电流过零点刚好切除原来的相序，在要切入新相序的电压过零点刚好切入新相序，同时过零点投切的偏差依然较小，数格子计算换相时间，当前相切换到滞后相大概是9.5ms左右,当前相切换到超前相大概是15ms左右。上述实验过程中，没有试点用户的用电设备连续供电受到影响，都运行正常。

为分析换相时间范围和过零点投切偏差，采用不同的磁保持继电器对各种类型负载进行各个相序的切换，总共实验100次，换相时间及过零点投切偏差测试统计如表1所示。

表1 换相时间及过零点投切偏差测试统计

从表1中看出1 0 0次测试的最大换相时间为15.52ms，符合本文分析的最长15ms左右的换相时间。平均过零点投切偏差也较小，不超过±0.75ms的投切偏差占比97%，基本符合本文分析的最大±0.75ms左右的过零点投切偏差，剩下3%占比来自同一个磁保持继电器的3次过零点投切偏差，是因为该继电器动作闭合时间偏差远超本文所述的正常偏差导致的。

6 结束语

本文提出了一种基于磁保持继电器的低压配电网负荷换相的新方法，仅以磁保持继电器作为换相开关，采用新的时序逻辑控制策略，能够在换相过程中真正实现交流过零投切技术，同时消除切除瞬间产生杂波的影响，并且过零投切偏差小，最大±0.75ms左右，实现了无电弧换相，整个换相过程的掉电时间最长仅15ms左右，不会影响用户负荷的连续供电。现场运行效果和实验波形证明了本方法的正确性和有效性，对于替代人工改线调节三相不平衡和解决自动调整负荷相序的方法来调平时极易影响用户正常用电的问题，提供了很实用的方法。本文所提方法不足之处在于兼容的磁保持继电器类型较少，下一步继续研究改进换相算法来兼容更多类型的磁保持继电器。