智能型電能質量綜合控制成套裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明智能型電能質量綜合控制成套裝置，包括電源模塊、電能參數采集模塊、電能質量分析模塊、電能質量控制模塊、磁控電抗器成套裝置、電容器成套裝置、智能控制模塊、通信模塊和數據存儲模塊。電源模塊提供直流電源；電能參數采集模塊采集電網參數；電能質量分析模塊提出整體治理方案；電能質量控制模塊調節(jié)磁控電抗器和電容器的輸出；磁控電抗器和電容器成套裝置模塊連續(xù)調節(jié)感性無功使功率因數提高、連續(xù)調節(jié)電感量實現動態(tài)諧波治理；智能控制模塊自動化控制和智能化管理；通信模塊實現計算機和無線網絡通信；數據存儲模塊數據存儲和數據資源共享。有效解決目前電能質量控制裝置功能單一、設備相互獨立、元器件重復安裝、精度低效果差等問題。
【專利說明】智能型電能質量綜合控制成套裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電能質量的綜合性整體治理、自動控制和智能化管理的成套裝置，具體是智能型電能質量綜合控制成套裝置，屬于電網及用電設備電能質量控制領域。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著社會經濟快速發(fā)展和科學技術的進步，現代工業(yè)、服務業(yè)和居民用電設備，如計算機、互聯網和通訊設備、彩電和變頻空調的大量使用。尤其是現代工業(yè)生產中各種電子儀器或電子設備的應用，如各種自動化生產線、自動控制系統(tǒng)、變頻調速設備、精密測量儀表設備等的廣泛應用，對電能質量的要求越來越高。但是，這些自動化生產線或自動控制系統(tǒng)內部都含有大量的整流逆變器件或裝置，如開關電源、變頻器以及熒光燈等，產生大量的諧波。諧波電壓和諧波電流引起電源波形嚴重畸變，加上電網和用電系統(tǒng)中其他非線性負荷、沖擊性負荷、干擾性負荷日益增加，也不斷地惡化用電環(huán)境，使得電網和用電系統(tǒng)的非線性、非對稱性、波動性問題日益嚴重。這些負荷在運行中，不僅會產生大量的無功功率使功率因數降低造成用電效率低、產生大量的諧波給電網和設備造成危害，而且會產生電壓波動、電壓閃變以及三相不平衡等多種電能質量問題。這些電能質量問題，不僅給工業(yè)生產造成停工、損壞設備、產品質量下降、產品報廢等經濟損失，對其他產業(yè)如科研、教學、商業(yè)、醫(yī)療、樓宇、居民小區(qū)等城市供用電帶來危害，影響廣大居民的日常生活；降低了用電設備的安全可靠性，造成安全事故的發(fā)生；嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行，甚至會引起系統(tǒng)頻率波動，大量地浪費電能。
[0003]目前，解決無功、諧波、電壓波動和閃變以及三相不平衡等電能質量問題，主要是針對某一個具體的電能質量問題采取獨立治理的方法。比如:針對無功問題，采用靜態(tài)或動態(tài)的無功功率補償，使功率因數提高并穩(wěn)定；針對諧波問題，采用無源或有源濾波器，濾除特征諧波；針對電壓波動問題，采用穩(wěn)壓器或不間斷電源(UPS)實現電壓穩(wěn)定。也有將無功補償支路設計成某一個特征諧波的低阻抗通道，使該支路在實現無功功率補償的同時具有無源濾波功能。上述技術方法，存在著設備相互獨立，功能單一，控制隨機化，元器件重復安裝(比如每套都需要測量、控制、保護系統(tǒng)等)，精度低效果差(比如靜態(tài)無功補償和無源濾波)、容量小(比如穩(wěn)壓器、不間斷電源和有源濾波器)、費用高(比如有源濾波器)。
[0004]由于電能質量指標中各參數在物理或者數學上有理論變換關系，在電網中相互影響或者相互轉化。供電網安全運行和用戶安全用電要求具備系統(tǒng)性、整體性、綜合性的全面的電能質量控制，任何一個電能質量問題，都會影響或危害供用電安全，造成損失和浪費。獨立解決某一個或某一方面具體的電能質量問題，具有片面性。所安裝的設備或儀器因為其他電能質量問題的存在，其精度和可靠性受影響。
[0005]因此，針對電能質量問題，需要全面分析、綜合治理、整體解決。在功能上希望能夠實現連續(xù)無級平滑調節(jié)、動態(tài)跟蹤反饋、自動控制；在效果方面，希望能夠達到連續(xù)平滑的動態(tài)無功功率補償、有源濾波或混合有源濾波效果、穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓水平、實現三相負荷或電流平衡；在費用方面，希望能夠按照常規(guī)設備和成熟元器件配置，能夠短期收回；希望能夠結合智能電網和數字化綜合變電站要求，實現綜合性自動控制和保護，實現智能化管理。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供智能型電能質量綜合控制成套裝置，其結構是由電源模塊、電能參數采集模塊、電能質量分析模塊、電能質量控制模塊、磁控電抗器成套裝置模塊、電容器成套裝置模塊、智能控制模塊、通信模塊和數據存儲模塊組成。利用電源模塊為各模塊提供直流電源；利用電能參數采集模塊全面采集電網的參數；利用電能質量分析模塊綜合分析各項電能質量，提出綜合性整體治理方案；利用電能質量控制自動調節(jié)磁控電抗器的輸出和動態(tài)跟蹤反饋；利用磁控電抗器成套裝置和電容器成套裝置，連續(xù)無級調節(jié)感性無功功率使系統(tǒng)的功率因數提高并穩(wěn)定、連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗使系統(tǒng)或設備的電壓穩(wěn)定以避免電壓波動與閃變連、續(xù)平滑調節(jié)磁控電抗器電感量使濾波支路阻抗接近于零實現動態(tài)諧波治理、連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗使三相負荷和變壓器三相輸出電流平衡；利用智能控制模塊實現綜合自動化控制和智能化管理；利用通信模塊實現計算機網絡通訊和無線網絡通信；利用數據存儲模塊實現超大容量的數據存儲和數據資源共享。有效解決目前電能質量控制裝置功能單一、設備相互獨立、元器件重復安裝、精度低效果差、容量小費用高等問題。
[0007]電源模塊通過A/D轉換，為裝置中各模塊提供直流電源。
[0008]電能質量數據采集模塊通過電壓互感器、電流互感器和傳感器，采集電網或用電設備的電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波電壓、諧波電流和耗電量等電能參數，自動生成相關的圖表，繪制出電壓變化曲線、電流變化曲線、有功功率變化曲線、無功功率變化曲線、功率因數變化曲線、諧波電壓變化曲線和諧波電流頻譜圖，表格列出各電能參數的最大值、最小值、平均值、5%概率和95%概率等，將所采集數據轉換成脈沖同步信號輸出。
[0009]電能質量分析模塊接收采集模塊給出的參數，計算出平均功率因數、電壓波動范圍、諧波電流含量、諧波電壓畸變量，統(tǒng)計電壓暫跌和暫升狀況、系統(tǒng)三相負荷和變壓器三相輸出電流平衡狀況，繪制功率因數變化曲線、三相負荷不平衡曲線。通過與標準參數要求或設定目標限值的對比，綜合分析判斷出各項電能質量存在的問題，提出綜合性整體治理技術方案，包括:動態(tài)無功功率補償方案、動態(tài)諧波治理方案、系統(tǒng)電壓和設備電壓調整方案、三相負荷平衡和零序電流補償方案，以及整體控制和保護方案、系統(tǒng)或設備配置方案、系統(tǒng)或設備分布和布置要求、輸出參數和通信要求等。
[0010]電能質量控制模塊接收電能質量分析模塊給出的綜合性整體治理各項技術方案后，DSCCPU主機根據各項技術方案編制出不同的控制策略，設定各項控制目標的限制，實施綜合控制。通過改變磁控電抗器晶閘管的導通角，連續(xù)平滑調節(jié)磁控電抗器的電感量和輸出的感性無功功率；通過自動投切電容器組或者改變電容器組連接方式，調節(jié)電容器組的電容量和輸出的容性無功功率。連續(xù)無級調節(jié)感性無功功率，使系統(tǒng)的功率因數提高并穩(wěn)定、連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗，使系統(tǒng)或設備的電壓穩(wěn)定以避免電壓波動與閃變、連續(xù)平滑調節(jié)磁控電抗器電感量使濾波支路阻抗接近于零實現動態(tài)諧波治理、連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗使三相負荷和變壓器三相輸出電流平衡。
[0011]磁控電抗器成套裝置模塊是由磁控電抗器本體、勵磁控制閥組、開關、互感器、避雷器、熔斷器、繼電保護等部分組成。磁控電抗器是應用直流助勵磁的原理，利用附加在磁控電抗器鐵心上的直流電流磁化電抗器鐵心，通過調節(jié)磁控電抗器鐵心的磁飽和程度以改變鐵心的磁導率，實現連續(xù)平滑調節(jié)磁控電抗器的電感量以及輸出的感性無功功率。磁控電抗器本體由鐵心、繞組、外殼和勵磁繞組等部分組成。
[0012]電容器成套裝置模塊是由電容器組、開關、互感器、放電線圈、避雷器、熔斷器、繼電保護等部分組成。電容器組是按照動態(tài)無功功率補償需要的電容器容量，或者是按照動態(tài)諧波治理以及三相平衡確定的電容器的電容量，對選擇的電容器進行串聯和并聯，然后再分成一組或多組，每一組電容器形成一個支路，各個支路并聯在同一個母線上。
[0013]智能控制模塊是由自動跟蹤定位系統(tǒng)、電能質量自動診斷和報告系統(tǒng)、電能質量問題決策處理和自動控制系統(tǒng)、電能質量管理系統(tǒng)，組成智能化管理平臺。模塊安裝調試后即開啟跟蹤定位功能，實行動態(tài)跟蹤、自動定位、統(tǒng)一標識；配備遠程傳輸功能，智能化管理平臺與計算機聯網，將數據實時反饋到平臺以隨時掌控裝置工作情況，實現遠程傳輸實時監(jiān)控。配備自動報告功能，自動修正相關的電能參數后智能化管理平臺向系統(tǒng)發(fā)出指令。通過計算機網絡通訊實時對系統(tǒng)的電壓、電流、功率、功率因數、耗電量等參數進行采集、分析、處理，自動生成圖表，實現遙測功能；通過無線通信，實時對成套裝置運行狀態(tài)、保護動作報警等信息傳送到智能化管理平臺，實現遙信功能；通過無線通信，智能化管理平臺向成套裝置的控制系統(tǒng)發(fā)出調節(jié)參數值、調節(jié)設定值或調節(jié)整定值指令，實現遙控和遙調功能。電能質量綜合控制裝置智能化管理平臺與智能電網和數字化綜合變電站的智能化控制技術相一致。
[0014]通信模塊是由計算機網絡通訊系統(tǒng)和無線網絡通信系統(tǒng)組成。電能質量綜合控制裝置內部的計算機通訊系統(tǒng)，按照KS232/485通信接口和modbus規(guī)約上傳遙信和遙測數值。32路以上遙控量全文字顯示菜單式人機交互，可實時顯示各種運行狀態(tài)及數據，信息詳細直觀，操作、調試方便，可靈活設置系統(tǒng)及可控電抗器等設備元器件參數。電能質量綜合控制裝置外部的無線網絡通信系統(tǒng)，按照數字化和可視化要求，實現人機對話。
[0015]數據存儲模塊是由超大容量數據存儲系統(tǒng)、數據資源共享系統(tǒng)和無線網絡通信系統(tǒng)組成。電能質量綜合控制裝置實行統(tǒng)一登記編碼、統(tǒng)一管理服務，建立具有唯一的身份識別功能，可追本朔源，全程跟蹤，所有數據存儲在數據存儲系統(tǒng)中。裝置中從電源模塊到數據存儲全過程發(fā)生的信息，包括采集的數據、數據分析結果、整體治理技術方案、遙調信號、報警信號、跳閘信號以及定期定時統(tǒng)計匯總的信息，全部存儲在數據存儲系統(tǒng)中，實現數據資源共享。數據存儲模塊的信息記錄可保存不小于10000個最近發(fā)生的歷史報告和10年以上的數據分析記錄，能夠掉電保持全部存儲的數據。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
[0017]1、實現對無功、電壓、諧波、三相不平衡等方面電能質量問題的綜合性整體治理，有效解決目前電能質量控制裝置功能單一、設備相互獨立、元器件重復安裝、精度低效果差、容量小費用高等問題。
[0018]2、實現連續(xù)平滑調節(jié)、動態(tài)跟蹤反饋、自動控制的功能，達到連續(xù)平滑的動態(tài)無功補償、動態(tài)諧波治理、穩(wěn)定電壓、三相負荷平衡的效果，按照常規(guī)設備和成熟元器件配置，能夠短期收回，費用低。
[0019]3、實現成套裝置自動跟蹤定位，電能質量問題自動診斷和報告、自動決策處理和自動控制，實現電能質量綜合自動化控制。
[0020]4、具備智能化管理平臺的功能，通過計算機網略和無線通信網絡，實現遙測、遙信、遙控和遙調等功能，實現智能化管理、高效節(jié)能。智能化管理平臺與智能電網或數字化綜合變電站的智能化控制技術相一致。
[0021]5、提高功率因數以提高用電效率、增加電網輸送能力降低線路損耗，減少諧波含量改善電能質量，穩(wěn)定電網電壓提高電網可靠性，延長設備使用壽命。
[0022]6、成套裝置具有系列化、功能化、標準化、模塊化、集成化以及一機多能、一機多用、一機多變等形式，可以滿足不同行業(yè)對改善電能質量的要求。
[0023]7、成套裝置占地面積小、調節(jié)范圍大、不產生電磁干擾、不污染環(huán)境、過載能力強，無人值守。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是成套裝置系統(tǒng)原理流程圖；
[0025]圖2是成套裝置中磁控電抗器原理圖；
[0026]圖3是成套裝置中動態(tài)無功補償原理圖；
[0027]圖4是成套裝置中動態(tài)諧波治理原理圖。

【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0029]如圖1所示為智能型電能質量綜合控制成套裝置的系統(tǒng)原理流程圖，其中電源模塊I通過A/D轉換，為成套裝置中其他各模塊提供直流電源。電能質量數據采集模塊2從電壓、電流互感器上采集用電設備的電壓、電流、有功功率、無功功率、諧波電壓、諧波電流和耗電量等電能參數，將數據處理成脈沖同步信號輸出后，模塊2自動生成電壓電流變化曲線、有功功率無功功率變化曲線、諧波電壓變化曲線和諧波電流頻譜圖，表格列出各電能參數的最大值、最小值、平均值、5%概率和95%概率，將上述圖形和表格輸出至電能質量分析模塊3。模塊3接收采集模塊2給出的參數以后，計算平均功率因數、電壓波動范圍、諧波電流含量、諧波電壓畸變量，統(tǒng)計電壓暫跌和暫升狀況、系統(tǒng)三相負荷和變壓器三相輸出電流平衡狀況，繪制功率因數變化曲線、三相負荷不平衡曲線。通過與設定目標限值的對比和綜合分析，發(fā)現該企業(yè)存在下述電能質量問題:1)平均功率因數COSO < 0.7,2)電壓波動AU > ±20%UN，3)特征諧波電流含量13 = 32.6% I, 15 = 14.2% 1,4)諧波電壓畸變THDu >6.5% ,5)電壓暫跌和暫升頻繁，6)變壓器三相輸出電流不平衡Λ I > 20% IN。根據上述電能質量問題采取動態(tài)無功功率補償、動態(tài)諧波治理、調整設備電壓、平衡三相負荷和補償零序電流等綜合性整體治理技術方案，同時制定整體控制和保護方案，編制設備和元器件配置清單和分布布置要求，將上述方案輸出至電能質量控制模塊4。模塊4接收模塊3給出的各項技術方案后，其中DSCCPU主機編制不同的控制策略，設定平均功率因數等控制目標限制，實施綜合控制。
[0030]如圖2所示為智能型電能質量綜合控制成套裝置中磁控電抗器原理圖，通過改變磁控電抗器晶閘管的導通角，平滑調節(jié)磁控電抗器電感量和輸出的感性無功功率。
[0031]如圖3所示為智能型電能質量綜合控制成套裝置中動態(tài)無功功率補償原理圖，設計了三個電容器補償支路，通過自動投切，調節(jié)電容器成套裝置輸出的容性無功功率，補償后系統(tǒng)的功率因數實測值:α^Φ >0.98。連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗，實測設備電壓穩(wěn)定在AU < ±3% UN，避免了電壓波動與閃變。
[0032]如圖4所示為智能型電能質量綜合控制成套裝置的動態(tài)諧波治理原理圖，設計了三個動態(tài)諧波治理支路，通過連續(xù)平滑調節(jié)磁控電抗器的電感量，諧波治理支路的阻抗接近于零，濾波后實測特征諧波電流含量13 = 1.4% I, 15 = 0.3% I,實測諧波電壓畸變THDu < 0.3%。連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗，三相負荷和變壓器三相輸出電流趨于平衡，實測Δ I < 3% IN。
[0033]通過采取上述動態(tài)無功功率補償、動態(tài)諧波治理、系統(tǒng)和設備電壓穩(wěn)定、控制諧波電壓畸變、避免電壓暫跌和暫升、三相負荷平衡和零序電流補償等電能質量綜合性的整體控制技術方案，以及采取合理的保護和設備配置分布，該企業(yè)的電能質量實現了整體提高，完全滿足國家標準和企業(yè)用地按要求，同時，電力節(jié)能達到總用電量的8.2%，經濟效益非?？捎^。而且，在電力節(jié)能的同時，提高了該企業(yè)變壓器和用電網30%以上的輸送能力，提高了電網可靠性，延長了設備使用壽命。
[0034]磁控電抗器成套裝置模塊5由磁控電抗器本體、勵磁控制閥組、開關、互感器、避雷器、熔斷器、繼電保護等部分組成，磁控電抗器本體由鐵心、繞組、外殼和勵磁繞組等部分組成。電容器成套裝置模塊6由電容器組、開關、互感器、放電線圈、避雷器、熔斷器、繼電保護等部分組成，電容器經過串聯和并聯后分成三組，每一組電容器形成一個支路，三個支路并聯在同一個母線上。
[0035]智能控制模塊7配置自動跟蹤定位系統(tǒng)、電能質量自動診斷和報告系統(tǒng)、電能質量問題決策處理和自動控制系統(tǒng)、電能質量管理系統(tǒng)，組成智能化管理平臺。模塊7安裝調試后開啟跟蹤定位，實行動態(tài)跟蹤、自動定位、統(tǒng)一標識；配備遠程傳輸功能，智能化管理平臺與計算機聯網，將數據實時反饋到平臺隨時掌控裝置工作情況，實現遠程傳輸實時監(jiān)控。配備自動報告功能，自動修正相關的電能參數后智能化管理平臺向系統(tǒng)發(fā)出指令。通過計算機網絡通訊實時對系統(tǒng)的電壓、電流、功率、功率因數、耗電量等參數進行采集、分析、處理，自動生成圖表，實現遙測功能；通過無線通信，實時對成套裝置運行狀態(tài)、保護動作報警等信息傳送到智能化管理平臺，實現遙信功能；通過無線通信，智能化管理平臺向成套裝置的控制系統(tǒng)發(fā)出調節(jié)參數值、調節(jié)設定值或調節(jié)整定值指令，實現遙控和遙調功能。
[0036]通信模塊8按照KS232/485通信接口和modbus規(guī)約上傳遙信和遙測數值。配置32路遙控量全文字顯示，實時顯示運行狀態(tài)及數據，按照數字化和可視化要求，實現菜單式人機交互和人機對話。
[0037]數據存儲模塊9中從電源模塊I到數據存儲9全過程發(fā)生的信息，包括采集的數據、數據分析結果、整體控制技術方案、遙調信號、報警信號、跳閘信號以及定期定時統(tǒng)計匯總的信息，全部存儲在數據存儲系統(tǒng)中，實現數據資源共享。數據存儲模塊的信息記錄能夠保存10000個最近發(fā)生的歷史報告和10年以上的數據分析記錄，能夠掉電保持全部存儲的數據。
[0038]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于，是由電源模塊(1)、電能參數采集模塊(2)、電能質量分析模塊(3)、電能質量控制模塊(4)、磁控電抗器成套裝置模塊(5)、電容器成套裝置模塊￠)、智能控制模塊(7)、通信模塊(8)和數據存儲模塊(9)組成。
2.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:利用電源模塊(1)為各模塊提供直流電源；利用電能參數采集模塊(2)全面采集電網的參數；利用電能質量分析模塊(3)綜合分析判斷出各項電能質量的結果，提出整體治理和配置方案。
3.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:利用電能質量控制模塊(4)自動調節(jié)磁控電抗器的輸出和動態(tài)跟蹤反饋；利用磁控電抗器成套裝置模塊(5)和電容器成套裝置模塊(6)，連續(xù)無級調節(jié)感性無功功率使系統(tǒng)的功率因數提高并穩(wěn)定，連續(xù)平滑調節(jié)線路阻抗使系統(tǒng)或設備的電壓穩(wěn)定以避免電壓波動與閃變，連續(xù)平滑調節(jié)磁控電抗器電感量使濾波支路阻抗接近于零實現動態(tài)諧波治理，連續(xù)平滑調節(jié)設備阻抗使三相負荷和變壓器三相輸出電流平衡。
4.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:利用智能控制模塊(7)實現綜合自動化控制和智能化管理；利用通信模塊(8)實現計算機網絡通訊和無線網絡通信；利用數據存儲模塊(9)實現超大容量的數據存儲和數據資源共享。
5.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:針對無功、電壓、諧波、三相平衡等方面存在的電能質量問題進行綜合性整體治理，即:連續(xù)無級平滑調節(jié)、動態(tài)跟蹤反饋、自動控制，達到動態(tài)連續(xù)無級的無功功率補償、動態(tài)諧波治理、穩(wěn)定電壓、三相負荷平衡的效果，并且按照常規(guī)設備和成熟的元器件進行配置和布置。
6.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:成套裝置自動跟蹤定位、電能質量問題自動診斷和報告、自動決策處理和自動控制。
7.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:具備智能化管理平臺的功能，通過計算機網絡和無線通信網絡實現遙測、遙信、遙控和遙調等功能，實現智能化管理。該平臺與智能電網以及數字化綜合變電站的智能化控制技術相一致。
8.根據權利要求1所述的智能型電能質量綜合控制成套裝置，其特征在于:成套裝置具有系列化、功能化、標準化、模塊化、集成化以及一機多能、一機多用、一機多變等形式，可以滿足不同行業(yè)對改善電能質量的要求。
【文檔編號】H02J13/00GK104242458SQ201410502885
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】王學才, 吳洪山, 吳丹, 王珊 申請人:山東金美亞電力科技有限公司