三相平衡供电系统及方法及设有该系统的模块化配电柜

技术领域

本发明涉及供电设备技术领域，尤其涉及一种三相平衡供电系统及方法及 设有该系统的模块化配电柜。

背景技术

配电柜内设有电器及其线路，用来分配电力能源，统称为动力配电中心。 它们集中安装在用电集中区的变电站，把电能分配给不同地点的下级配电设备。 通常配电柜包括机柜，该机柜内设有总电源。

随着技术的快速发展以及深层次的应用,对供电的可靠性要求越来越高；随 着设备的不断增加，其配电系统的三相平衡问题也越来越引起管理层的重视。 过度的三相负载不平衡，会导致电源及UPS即不间断电源出现故障的几率大增， 严重威胁设备的正常运行。

三相不平衡的危害包括：增加了线路的电能损耗；增加了配电变压器的电 能损耗；配变出力减少；配变产生零序电流；影响用电设备的安全运行等。由 于绝对的三相平衡是不存在的，实际的三相系统总是存在不同程度的不平衡现 象。当配变产生零序电流，零线即有电流通过时，不但相线有损耗，而且零线 也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。

针对配电柜的三相不平衡问题，目前采用的措施多为扩容。但是现有的配 电柜采用定制生产形势，一旦规格确定后无法进行扩容或变更，后期扩容只能 更换配电柜，更换配电柜需要停电更换，给后期的扩容带来极大地困难。针对 三相不平衡的问题，还可以采用人工操作调整相位的方式来达到三相平衡，但 是现有的配电柜不便于人工操作。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种三相平衡供电系统，该供电系统能够自动 监控三相平衡，并能够根据实时的负载运行情况进行三相平衡自动调整，使供 电系统始终保持三相平衡的运行状态，从而提高了运行的安全系数，降低了电 网线路的损耗，具有节能的作用。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种三相平衡供电系统包与 市电电连接的市电断路器，还包括：ATS切换开关，所述ATS切换开关的输入端 电连接所述市电断路器，所述ATS切换开关的输出端电连接有若干用于调节三 相负载平衡的调节单元；所述调节单元，每个所述调节单元均包括：分别与三 相电源连接的A相切换器、B相切换器和C相切换器，各相所述切换器均包括一 个切换继电器和一个用于检测所述切换继电器状态的开关状态传感器；输出断 路器，所述输出断路器的输入端同时电连接三个所述切换继电器，所述输出断 路器的输出端电连接负载；所述输出断路器还电连接有一用于检测其状态的输 出开关状态传感器；输出电压传感器和输出电流传感器，分别用于检测该所述 调节单元的输出电压和输出电流；单元处理器，所述单元处理器用于采集所述 输出电压传感器、所述输出电流传感器和各所述开关状态传感器的数据，并将 采集到的数据传输给中央处理器；还根据所述中央处理器发出的调节指令控制 所述输出断路器和各所述切换继电器通断；零线电流传感器，用于检测所述供 电系统的总电源零序电流，所述零线电流传感器与所述中央处理器电连接；中 央处理器，用于根据所述零线电流传感器采集到的所述零序电流值及所述单元 处理器传输过来的数据计算三相负载是否平衡，并根据计算的结果向所述单元 处理器发出所述调节指令；触摸屏，用于实现人机对话。

优选方式为，每一个所述调节单元都设有一个所述单元处理器。

优选方式为，四个所述调节单元共用一个所述单元处理器。

优选方式为，每个所述调节单元还包括一个温度传感器，所述温度传感器 与所述单元处理器电连接。

优选方式为，所述市电断路器与所述ATS切换开关之间连接有避雷器。

优选方式为，所述中央处理器与每个所述单元处理器均通过RS485或者CAN 总线通讯协议进行通信。

优选方式为，所述ATS切换开关的输入端还通过一UPS断路器连接有备用 电源。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：由于本发明的三相平衡供电 系统包括中央处理器，用于检测总电源零序电流的零线电流传感器，该零线电 流传感器与中央处理器电连接；若干调节单元，每个调节单元均包括分别与三 相电源连接的A相切换器、B相切换器和C相切换器，各相切换器均包括一个切 换继电器和一个用于检测切换继电器状态的开关状态传感器；用于检测各切换 继电器通断状态及调节单元电压和电流数据并将检测到的数据上传给中央处理 器的单元处理器。本发明的中央处理器根据接收到的零序电流、各路负载的电 压、电流等参数进行运算，并判断三相负载是否平衡，若三相不平衡时，根据 运算结果匹配出最优的负载切换方案，并将上述切换方案显示在触摸屏上，由 用户确认后将确定的择切指令传送给单元处理器，由单元处理器控制需要切换 的调节单元的切换继电器通断，从而完成负载的相间切换，最后达到三相平衡。 因此本发明的三相平衡供电系统能够保持系统始终在三相平衡状态下运行，从 而提高了系统运行的安全系数，降低了电网线路的损耗。

由于四个所述调节单元共同一个所述单元处理器，该结构在保证原有功能 的同时节省了成本。

本发明的第二目的在于提供一种三相平衡供电系统的三相平衡的调节方 法，该方法根据实时的供电系统的数据来监控三相平衡，并能够自动计算出最 佳的三相平衡调整方案。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种三相平衡供电系统的三 相平衡的方法，包括以下步骤：

S10：采集每个所述调节单元的数据：每个所述单元处理器采集各所述开关 状态传感器的数据，所述输出电压传感器和所述输出电流传感器的数据；并将 采集的数值传输给所述中央处理器；

S20：运算处理：所述中央处理器根据各个所述单元处理器传输过来的电流 数据计算出三相平均负载电流值PI，PI＝(IA+IB+IC)/3；

S30：判断比较：将平均负载电流值PI分别与三相负载电流值IA、IB和IC 进行比较；并计算出各相差值：PI-IA＝PA、PI-IB＝PB、PI-IC＝PC；如果PA、PB 或PC是为正值，则说明该相负载偏大；如果PA、PB或PC为负值，则说明该相 负载偏小；

S40：计算匹配：为PA、PB或PC中的负值项计算所有能够等于正值的可能 组合,采用轮询检测匹配；首先匹配与负值项相差在3％以内的单个负载项，如果 没有再计算两个负载项相加后与负值项相差在3％以内的可能组合，接着计算三 个负载项相加后与负值项相差在3％以内的可能组合，在所有组合匹配完成后， 轮询计算正值减每个组合相，将结果最小的5个组合留存，其余的删除；

S50：显示处理结果：中央处理器将剩余的5个组合显示在触摸屏上，由用 户选择并进行手动确认；

S60：执行切换：根据用户确认的组合模式，首先需要调整的所述调节单元 的正值项负载的继电器断开，然后将该所述调节单元的负值项的继电器接通， 完成负载的相间切换；

S70：检测零线电流：执行切换完成后，中央处理器采集零线电流传感器的 数值，若采集到的零线电流的数值不小于1，重复步骤S10和S20，判断PA、PB 和PC的数值是否小于3％，若小于3％则退出调节程序；若仍大于3％，则重复步 骤S10至S70。

本发明的第三目的在于提供一种模块化配电柜，该配电柜设有上述三相平 衡供电系统，使本发明具有保持三相平衡的功能；同时本发明模块化配置，使 用户能够根据实际需要定制模块，便于扩容，也节省了成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种模块化配电柜，包括标 准化的机柜，所述机柜内设有上述的三相平衡供电系统，所述三相平衡供电系 统中的若干所述调节单元组成一个集成模组；所述机柜内设有若干个所述集成 模组。

优选方式为，四个所述调节单元组成一个所述集成模组，每个所述集成模 组均设有一个用于自动脱离所述机柜的故障脱扣器，所述故障脱扣器与所述单 元处理器电连接。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：由于本发明的模块化三相平 衡配电柜包括机柜，因机柜内设有若干模块化配置的集成模组，使本发明的配 电柜能够根据用户的实际需要进行定制模块，从而节省了成本，也使本发明容 易扩容。同时本配电柜的集成模组包括三相平衡供电系统，使配电柜具有三相 自动平衡的功能，其运行时电网的损耗低，运行安全系数高，节能效果显著。 因此本发明同时具备模块化配置、三项自动平衡，输出端预端接，可以不停电 扩容及维护等功能。

由于每四个所述调节单元组成一个所述集成模组，每个所述集成模组均设 有一个用于自动脱离所述机柜的故障脱扣器，所述故障脱扣器与所述单元处理 器电连接，该结构避免了大量的压接工作量，后期可以非常简单的进行调整和 更换，大大降低了人为出现风险的可能性；该结构还能使调节单元发生故障而 导致温度过高时，通过温度传感器反应给中央处理器，从而提高了安全系数； 同时结构使某个调节单元出现故障时，能够自动脱离机柜，从而避免了故障的 继续扩大化。

综上所述，本发明三相平衡供电系统及方法及设有该系统的模块化配电柜 解决了现有技术中供电系统三相不平衡及难以扩容等技术问题，本发明够保持 系统始终在三相平衡状态下运行，从而提高了系统运行的安全系数，降低了电 网线路的损耗；同时具备模块化配置、三项自动平衡，输出端预端接，可以不 停电扩容及维护等功能。

附图说明

图1是本发明的设有三相平衡供电系统的模块化配电柜的结构示意图；

图2是实施例一的三相平衡供电系统的原理框图；

图3是实施例二的三相平衡供电系统的原理框图；

图4是本发明的三相平衡供电系统的调节单元的原理框图；

图5是本发明的三相平衡供电系统的三相平衡方法的流程图；

图中：1—机柜、2—触摸屏、3—集成模组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

如图2所示，一种三相平衡供电系统，包括与市电电连接的断路器，ATS 切换开关、零线电流传感器、中央处理器、触摸屏2和调节单元；其中ATS切 换开关的输入端与断路器连接，ATS切换开关的输入端还通过一UPS断路器连接 有备用电源。

如图2和图4共同所示，ATS切换开关的输出端电连接有多个用于调节三相 负载平衡的调节单元，每个调节单元均包括：

设在三相电源A相上的A相切换器、设在三相电源B相上的B相切换器和 设在三相电源C相上的C相切换器。

其中A相切换器包括A相继电器和A相开关状态传感器，A相继电器与单元 处理器电连接，即被单元处理器控制通断；A相开关状态传感器与单元处理器电 连接，即被单元处理器采集对应着A相继电器通断的状态值。

其中B相切换器包括B相继电器和B相开关状态传感器，B相继电器与单元 处理器电连接，即被单元处理器控制通断；B相开关状态传感器与单元处理器电 连接，即被单元处理器采集对应着B相继电器通断的状态值。

其中C相切换器包括C相继电器和C相开关状态传感器，C相继电器与单元 处理器电连接，即被单元处理器控制通断；C相开关状态传感器与单元处理器电 连接，即被单元处理器采集对应着C相继电器通断的状态值.

上述A相切换器、B相切换器和C相切换器共同与输出电压传感器、输出电 流传感器和输出断路器连接；其中输出电压传感器和输出电流传感器均与单元 处理器电连接，即将检测到的本调节单元的输出电压和输出电流上传给单元处 理器；其中输出断路器还设有一个输出开关状态传感器，该输出断路器和输出 开关状态传感器均与单元处理器电连接。

本实施例的每个调节单元均设有一个单元处理器，并且单元处理器均选用 单片机处理器。

如图2和图4共同所示，本实施的零线电流传感器设在总电源的零线上采 集零序电流，并将零序电流传输给与其电连接的中央处理器电连接。

如图2和图4共同所示，本实施例的中央处理器与每个调节单元的单元处 理器电连接，并且中央处理器和调节单元通过RS485或者CAN总线等通讯协议 进行通信。该中央处理器根据零线电流传感器采集到的零序电流值、单元处理 器传输过来的数据计算三相负载是否平衡。若三相负载不平衡，中央处理器运 算匹配出最优的负载切换方案，并将负载切换方案显示在与中央处理器电连接 的触摸屏2上，由用户确认负载切换方案。该触摸屏2用于实现人机对话，该 可以通过短信、电话、网络等形式通知用户。

如图4所示，本实施例的三相供电系统的每个调节单元还包括一个温度传 感器，该温度传感器与单元处理器电连接。该温度传感器与单元处理器电连接； 该温度传感器用于检测该调节单元的温度，来避免一些危险。

如图2、图4和图5所示，本实施例的三相平衡供电系统在使用时，初始状 态下，模块默认工作在A相、B相和C相三项中的指定相，具体为：第一调节单 元的A相继电器闭合状态，A相为默认相；第二调节单元的B相继电器闭合状态， B相为默认相；第三调节单元的C相继电器闭合状态，C相为默认相；第四调节 单元的A相继电器闭合状态，即A相为默认相。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：

如图3和图4所示，本实施例的三相平衡供电系统的四个调节单元共用一 个单元处理器。

例如：第一调节单元的A相继电器和A相开关状态传感器、B相继电器和B 相开关状态传感器、C相继电器和C相开关状态传感器以及输出断路器和输出开 关状态传感器；第二调节单元的A相继电器和A相开关状态传感器、B相继电器 和B相开关状态传感器、C相继电器和C相开关状态传感器以及输出断路器和输 出开关状态传感器；第三调节单元的A相继电器和A相开关状态传感器、B相继 电器和B相开关状态传感器、C相继电器和C相开关状态传感器以及输出断路器 和输出开关状态传感器；第四调节单元的A相继电器和A相开关状态传感器、B 相继电器和B相开关状态传感器、C相继电器和C相开关状态传感器以及输出断 路器和输出开关状态传感器均与一个单元处理器电连接。因本实施例的四个调 节单元共用一个单元处理器，从而节省了成本。

上述实施例的三相平衡供电系统进行三相平衡的调节方法，如图5所示， 包括以下步骤：

S10：采集每个调节单元的数据：每个单元处理器均采集A相开关状态传感 器、B相开关状态传感器和C相开关状态传感器、输出开关状态传感器的数据， 也采集输出电压传感器和输出电流传感器的数据；并将采集的数值传输给中央 处理器；本发明的的每个调节单元将其采集的各个数值与其对应的调节单元编 码，一起传给中央处理器；中央处理器接收到数值后，根据不同的调节单元编 码记忆或处理数据。

S20：运算处理：中央处理器根据各个单元处理器传输过来的电流数据计算 出三相平均负载电流值PI，PI＝(IA+IB+IC)/3。

S30：判断比较：将平均负载电流值PI分别与三相负载电流值IA、IB和IC 进行比较；并计算出各相差值：PI-IA＝PA、PI-IB＝PB、PI-IC＝PC；如果PA、PB 或PC是为正值，则说明该相负载偏大；如果PA、PB或PC为负值，则说明该相 负载偏小；具体为：即PA>0，该A相需要减少负载；PB>0，该B相需要减少负载； PC>0，该C相需要减少负载；如果为负值表明为调加相：即PA<0，该A相需要 增加负载；PB<0，该B相需要增加负载；PC<0，该C相需要增加负载。

S40：计算匹配：为PA、PB或PC中的负值项计算所有能够等于正值的可能 组合,采用轮询检测匹配；首先匹配与负值项相差在3％以内的单个负载项，如果 没有再计算两个负载项相加后与负值项相差在3％以内的可能组合，接着计算三 个负载项相加后与负值项相差在3％以内的可能组合，在所有组合匹配完成后， 轮询计算正值减每个组合相，将结果最小的5个组合留存，其余的删除。

S50：显示处理结果：中央处理器将剩余的5个组合显示在触摸屏上，由用 户选择并进行手动确认；本实施例的用户选择调整方式为：将某个调节单元的A 相的负载切换到C相，即PA>0，该A相需要减少负载；PC<0，该C相需要增加 负载。

S60：执行切换：根据用户确认的组合模式，首先需要调整的调节单元的正 值项负载的继电器断开，然后将该调节单元的负值项的继电器接通，完成负载 的相间切换。例如：第一调节单元的A相继电器处于闭合状态(B相继电器和C 相继器状态均处于断开状态)，即三相电源A相给负载供电。第二调节单元的B 相继电器处于闭合状态(A相继电器和C相继器状态均处于断开状态)，即三相 电源B相给负载供电。第三调节单元的C相继电器处于闭合状态(A相继电器和 B相继器状态均处于断开状态)，即三相电源C相给负载供电。第四调节单元的 A相继电器处于闭合状态(B相继电器和C相继器状态均处于断开状态)，即三 相电源A相给负载供电……中央处理器将用户从触摸屏确认的负载切换方案— 第一调节单元的三相电源的A相的负载切到C相—转换成指令，并传给单元处 理器。单元处理器根据指令执行。具体为：给第一调节单元A相继电器断开的 电信号，然后检测A相开关状态传感器的状态值，当检测到A相继电器断开对 应的状态值后；单元处理器再给第一调节单元的C相继电器闭合的电信号，然 后再检测C相开关状态传感器的状态值，当检测到对应着C相继电器闭合的状 态值后，得知第一调节单元完成了负载的相间切换，整个切换时间在10ms之内， 因此不会影响供电系统负载正常运行。

S70：检测零线电流：执行切换完成后，中央处理器采集零线电流传感器的 数值，若采集到的零线电流的数值不小于1，重复步骤S10和S20，判断PA、PB 和PC的数值是否小于3％，若小于3％则退出调节程序；若仍大于3％，则重复步 骤S10至S70。

由上述可知，本发明与现有技术相比具有以下优点：

①、能够自动平衡三相负载平衡，因此本发明能够减少因三相不平衡而引起 的线路电能损耗和配电变压器的电能损耗，进而达到节电的目的。

②、能够降低，因三相负载不平衡引起的线路负载过大，造成的配变发热等 情况，从而提高了配电系统的安全性。

③、能够提高电动机的效率，提升了电动机的经济性和安全性。

④、能够净化电网，提高电网的安全性，节省电力，达到节能的目的。

实施例三：

如图1所示，一种设有三相平衡供电系统的模块化配电柜，包括标准化的 机柜1，该机柜1内设有三相平衡供电系统中的四个调节单元组成一个集成模组 3；该机柜1内设有多个集成模组3。

本实施例的一个集成模组3由四个调节单元制成。同时每个调节单元均设 有一个用于自动脱离机柜1的故障脱扣器，该故障脱扣器与单元处理器电连接。

本实施例每相负载输出端均通过插接式电源连接器与负载电连接，其中插 接式电源连接器选用航空式对接插头。

如图1所示，本实施的每个调节单元包括6路或9路负载输出，四个调节 单元组成一个集成模组3，该集成模组3为模块化配置，因此每个集成模组3独 立于其他集成模组3运行。当一个集成模组3出现故障或损坏时，不影响其他 集成模组3的正常运行。因此本实施的配电柜可以方便的进行扩容和维修更换。 本实施例的故障脱扣器使每个集成模组3均具有自动弹出功能，当集成模组3 出现故障时，故障脱扣器从单元处理器获得信号后，将集成模组3从机柜1自 动弹出，使其自动脱离机柜1，从而避免了故障继续扩大，因此本发明的配电柜 能够安全可靠的运行。

当本发明的配电柜的某个集成模组3的温度过高时，单元处理器采集到该 温度值后，可控制集成模组3的故障脱扣器动作，使其弹出机柜1；或者使本集 成模组3的与市电电连接的断路器动作，从而提高了本发明的安全系数。

另外本实施例的三相平衡供电系统也能够按照如图5所示的流程进行三相 平衡调整，因此本发明的配电柜能够减少因三相不平衡而引起的线路电能损耗 和配电变压器的电能损耗，进而达到节电的目的。本发明的配电柜能够降低， 因三相负载不平衡引起的线路负载过大，造成的配变发热等情况，从而提高了 配电系统的安全性。本发明的配电柜能够提高电动机的效率，提升了电动机的 经济性和安全性。本发明的配电柜能够净化电网，提高电网的安全性，节省电 力，达到节能的目的。

本发明的配电柜能够配备隔离变压器模块、UPS模块、计量收费模块、精密 空调模块等附属功能模块，为配电系统更为安全的保护。

由四个调节单元组成一个集成模组3为本发明的优选实施方式，实际应用 中技术人员可以根据配电柜的结构及供电需要进行随意组合。

以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、等同一种模块化三相平衡配电柜结构的改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。