CN101286654A - 电力系统负荷转移智能控制节能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统负荷转移智能控制节能装置，电力系统负荷转移智能控制节能装置，该装置由依次相连的电量信号采集电路、控制器系统、驱动放大电路和负荷转移开关阵列所组成；其中，电量信号采集电路，用以完成配电变压器输出的电压、电流等信号采集；控制器系统，根据采集的信号完成根据国家相关标准制订的控制策略的实现；驱动放大电路，用以完成控制信号的电气隔离和放大；负荷转移开关阵列对1－N组电力系统负荷进行负荷转移。本发明从根源上解决三相负荷不平衡问题及配电变压器的能耗问题，而且实现的成本低且控制简单。

Description

电力系统负荷转移智能控制节能装置

技术领域

本发明属于电力系统的自动化控制技术领域，涉及电力系统负荷转移控制器，尤其是一种能够实现在线监测和在线负荷智能转移平衡控制的节能装置。

背景技术

随着基于计算机系统的控制设备与电子装置的广泛应用，电力系统中用电负荷结构发生改变，即变频装置、电弧炉炼钢、电气化铁道等非线性、冲击性负荷造成对电能质量的污染与破坏，而电能作为商品，人们会对电能质量提出更高的要求，电能质量已逐渐成为全社会共同关注的问题，有关电能质量的问题已经成为电工领域的前沿性课题。

电压不平衡国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)适用于交流额定频率为50Hz电力系统，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2％，短时不得超过4％，每个用户不得超过1.3％。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自动装置的正确动作。

变压器是一种广泛使用的输变电设备，从发电、供电到用电需要经过3-5次变压过程。变压器运行会引起有功和无功损耗，电网中变压器引起的总的电能损耗约占总发电量的10％左右，这对全国来说，意味着全年变压器总的电能损耗为1000多亿kWh，相当于一个较大电厂的年发电量。变压器损耗约占电力系统线损的50％左右，在农电系统中变压器损耗占农电网损耗的60-70％。根据变电站的运行情况，对变压器的损耗及经济运行进行分析，适时调整变压器的运行容量，降低变压器的损耗，可以提高变电站的经济效益。变压器的损耗分为铁芯损耗(固定损耗)和绕组电阻损耗(可变损耗)两部分，由于变压器的各绕组所通过的电流不同，因此必须分别计算各绕组的损耗电量，然后相加才是变压器的总损耗。所以，变压器经济运行的实质就是变压器节电运行。

电压不平衡会导致数倍的电流不平衡，导致电动机中逆扭矩增加使温度上升，效率降低，损失增加，发生震动，输出节减等影响；各相之间电压不平衡的发生带来缩短机器寿命和增加了设备维持补修的费用；断路器容许电流的余量减少，负载变更时或负载交替时发生超载、短路；中性线中流入过大的不平衡电流所以中性线增粗。在上述系统下运行的低压动力负荷(如三相异步电动机负荷等)，会受到严重影响，一般情况下，一个单位的负序电压会产生两个单位的负序电流，也就是说，14％的负序电压，会引起28％的负序电流。

消减三相电压的不平衡度可对电动机取得较理想的节电效益：在三相电压幅值相等时，一般三相电压是平衡的，其各相电压矢量也相差120°，但在三相电压不平衡时，则产生负序电压和零序电压分量。它可使电动机产生附加的反方向旋转的制动力矩，如果要克服它并且按正方向保持原速度，就要额外增加相对于一倍负序分量的正序能量才能保持原速度，如果U2＝1.5％U1，则要增加2×1.5％的功率，对于零序分量就是由于电压的不平衡产生电压中心点偏移导致的零序电压或电流分量，它对电动机产生振动力矩和增大线圈漏磁通消耗。

低压配网的三相不平衡一直是困扰供电单位的主要问题之一，配网三相不平衡将增加变压器和配电线路的损耗，降低变压器的出力，影响供电质量，并对用电设备造成损害。

三相负荷不平衡可分为两种类型。一种是系统不对称，由于设备增加或其它原因，三相的平均负荷不相等。供电单位目前解决的办法是在监测的基础上通过停电重新调整单相负荷来实现三相负荷基本平衡，这样做无形中增加了停电操作次数，即保证不了供用电的安全性和可靠性，又增加了员工的工作量。第二种是随机性的不平衡，在例如楼宇及住宅小区等民用建筑的低压配网中，由于存在大量的不具备规律性单相负荷，且该类负荷无法事先预知，使原本通过调整单相负荷来实现三相负荷基本平衡在实际运行中已全无意义，导致了低压配网三相负荷阶段性的严重不平衡。为了有效地改善这种不平衡只能利用智能的控制装置把一部分负荷在线转移到另外的相上去，使三相负荷相对平衡，实现降损调荷的目的。

已有的相关技术说明如下：

题为“无功补偿用智能复合开关”，专利号：200320110716.4的中国专利。公开了一种无功补偿装置，尤其是指一种用于无功补偿装置的复合开关。该专利与电力系统负荷转移智能控制节能装置没有关系。

题为“智能型无触点复合开关”，专利号：200320116892.9的中国专利。公开了一种电容投切开关，具体涉及专用于低压无功能补偿装置中电容器投切控制的智能型无操作过电压、无投切涌流、无功耗、不发热的智能型无触点复合开关。该专利与电力系统负荷转移智能控制节能装置没有关系。

题为“补偿动态三相不平衡负荷的方法及补偿装置”，专利号：02103873.2的中国专利。公开了一种涉及电力系统不平衡负荷补偿技术，用晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器进行补偿。该专利所述的装置对不平衡负荷进行补偿，补偿装置控制复杂，补偿费用昂贵，没有节能功能，与电力系统负荷转移智能控制节能装置没有关系。

题为“三相不平衡调节及无功补偿装置”，专利号：200620075902.2的中国专利。公开了应用于配电系统进行无功补偿和三相不平衡调节的装置，由控制器控制复合开关实现电容器投切，是一种能有效地实现负荷平衡调节的无功补偿装置，补偿装置控制复杂，补偿费用昂贵，没有节能功能，与电力系统负荷转移智能控制节能装置没有关系。

上述内容总体是利用复合开关技术实现电网中的电容投切，即向电力系统节点内注入不同的无功功率的办法来提高插入点的电压，通过补偿电容来实现三相电压的平衡，补偿装置控制复杂，补偿费用昂贵，没有节能功能，与电力系统负荷转移智能控制节能装置没有关系。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电力系统负荷转移智能控制节能装置，采用直接转移三相所带负荷的办法来对三相的电压直接进行平衡，从根源上解决三相负荷不平衡问题及配电变压器的能耗问题，而且实现的成本低且控制简单。

本发明的电力系统负荷转移智能控制节能装置由依次相连的电量信号采集电路、控制器系统、驱动放大电路和负荷转移开关陈列所组成；其中，电量信号采集电路，用以完成配电变压器输出的电压、电流等信号采集；控制器系统，根据采集的信号完成根据国家相关标准制订的控制策略的实现，判断是否需要对各电力系统负荷进行负荷转移控制；若需要进行负荷转移控制，则将控制信号传给驱动放大电路；驱动放大电路，用以完成控制信号的电气隔离和放大，并送给负荷转移开关阵列；负荷转移开关阵列，按照控制信号的要求对1-N组电力系统负荷进行负荷转移，使配电变压器的输出电压A相、B相和C相之间达到平衡，其中N为正整数。

所述电量信号采集电路可由3只电压互感器PT、3只电流互感器CT组成。

本发明的工作原理用三只电流互感器和三只电压互感器为测量部件来说明：当配电变压器运行不平衡度超过整定值时启动负荷转移控制策略，这时所用的三只单相电压互感器就有电压最低相别出现(比如是C相，这也是配电变压器三相负荷中最高的一相)，测量部件把线路最低电压相别反馈给控制器，控制器启动负荷转移器的执行部件即无触点复合开关，驱动它把负荷转移器所带的负荷投切到电压最高相上(比如是A相，这个相别的负荷正是配电变压器三相负荷中最低的一相)。负荷转移器及时把占整个配电变压器负荷10％的负荷投切到了电压最高相上，做到了及时补充和调整，使其变压器总配电负荷三相电流基本平衡。动作完毕后，测量部件及控制器自动恢复到原始状态，等待下一次调荷。

本发明的主要技术特点及效果：

本装置检测电力系统的电压、电流量并判断电力系统的不平衡度，根据相关国家标准设计负荷转移控制策略，利用无触点复合开关技术，在配电侧对三相不平衡负荷中的一部分进行转移，达到使三相负荷平衡的目的，减少了配电变压器及线路等的损耗，同时实现节能控制。

本发明能在配电变压器低压三相负荷超过有关国家标准规定不平衡度要求时，对负荷进行选择性投切，达到调整三相负荷相对平衡的目的。从而保证了用电客户的电压质量，降低了低压线损，同时减少了人工调负荷操作的工作量，减少了停电次数，提高了供电可靠性，为下一步实现配网自动化奠定了基础。

附图说明

图1为本发明电力系统负荷转移智能控制节能装置的结构框图。

图2为本发明装置的控制器系统框图；

图3为本发明装置的负荷转移开关阵列框图；

图4为本发明装置的负荷转移开关单元框图；

图5为本发明装置的工作原理框图。

具体实施方式

本发明提出的电力系统负荷转移智能控制节能装置结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的电力系统负荷转移智能控制节能装置的总体结构如图1所示，图1中虚线框里部分是本发明的装置。由依次相连的电量信号采集电路、控制器系统、驱动放大电路和负荷转移开关陈列所组成；其中，电量信号采集电路由3只电压互感器PT、3只电流互感器CT组成，完成配电变压器输出的电压、电流等信号采集；控制器系统，根据采集的信号完成根据国家相关标准制订的控制策略的实现，判断是否需要对各电力系统负荷进行负荷转移(三相电力负荷转移)控制；若需要进行负荷转移控制，控制器系统将控制信号传给驱动放大电路；驱动放大电路(实施例采用ULN2003)完成控制信号的电气隔离和放大后送给负荷转移开关阵列；负荷转移开关阵列根据控制器系统的控制策略，按照控制信号的要求对1-N个电力系统负荷进行负荷转移，使配电变压器的输出电压A相、B相和C相之间达到平衡，其中N为正整数。

本发明的电力系统负荷转移智能控制节能装置的控制器系统组成结构如图2中虚线框中的部分所示，由控制器及分别与其相连的信号调理电路、信号隔离电路、标准通讯接口和状态显示器。其中，信号调理电路采用TL084组成的运算放大器，完成电量信号采集电路的信号的调理，送给控制器；控制器的实施例采用单片机C8051F045，控制器根据控制策略发出负荷转移控制命令；信号隔离电路的实施例由TLP521和继电器组成，完成控制命令的电气隔离并送给驱动放大电路。标准通讯接口是控制器的串行接口RS-232和局域网总线接口CAN；状态显示器采用数码管或液晶屏来完成电力系统负荷转移智能控制节能装置的自检、工作状态和通讯状态等。

本发明的电力系统负荷转移智能控制节能装置的负荷转移开关阵列结构如图3所示，由6×N组开关组成的阵列，完成N组电力系统负荷的转移控制，每一组电力系统负荷有6个负荷转移开关开关，该开关的一端和配电变压器输出端相连，另一端与相对应的一组电力系统负荷相连。如#1电力系统负荷有K11、K12、K13、K14、K15、K16共6个开关，控制K11、K12可将#1电力系统负荷转移到配电变压器的A相；控制K13、K14可将#1电力系统负荷转移到配电变压器的B相；控制K15、K16可将#1电力系统负荷转移到配电变压器的C相。

本发明装置的每个负荷转移开关结构实施例如图5所示，每个是由机械开关的接触器主触点KC和双向电力电子开关T组成的复合开关，复合开关的一端A和配电变压器输出端相连，另一端K与一组电力系统负荷相连。负荷转移开关阵列根据控制策略，完成对#1电力系统负荷、#2电力系统负荷……和#N电力系统负荷的负荷转移到配电变压器的A相、B相或C相，实现“配电变压器”三相负荷平衡的目的，减少配电变压器及线路等的损耗，实现节能控制。

本发明装置的工作原理如图5所示：电力系统网络通过配电变压器对电力系统负荷供电，本发明的电力系统负荷转移智能控制节能装置处于配电变压器和电力系统负荷之间，检测电力系统的电压、电流等电气量，判断电力系统的不平衡度，根据负荷转移策略，利用复合开关技术，在配电侧对三相不平衡负荷中的一部分进行转移，达到使三相负荷平衡的目的，减少了配电变压器及线路等的损耗，实现节能控制。

Claims (5)

1、一种电力系统负荷转移智能控制节能装置，其特征在于，该装置由依次相连的电量信号采集电路、控制器系统、驱动放大电路和负荷转移开关陈列所组成；其中，电量信号采集电路，用以完成配电变压器输出的电压、电流等信号采集；控制器系统，根据采集的信号完成根据国家相关标准制订的控制策略的实现，判断是否需要对各电力系统负荷进行负荷转移控制；若需要进行负荷转移控制，则将控制信号传给驱动放大电路；驱动放大电路，用以完成控制信号的电气隔离和放大，并送给负荷转移开关阵列；负荷转移开关阵列，按照控制信号的要求对1-N组电力系统负荷进行负荷转移，使配电变压器的输出电压A相、B相和C相之间达到平衡，其中N为正整数。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电量信号采集电路由3只电压互感器PT、3只电流互感器CT组成。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器系统由控制器及分别与其相连的信号调理电路、信号隔离电路、标准通讯接口和状态显示器；其中，信号调理电路，完成电量信号采集电路的信号的调理，并送给控制器；控制器根据控制策略发出负荷转移控制命令；信号隔离电路，完成控制命令的电气隔离并送给驱动放大电路；标准通讯接口是控制器的串行接口RS-232和局域网总线接口CAN；状态显示器完成电力系统负荷转移智能控制节能装置的自检、工作状态和通讯状态。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负荷转移开关阵列由6×N组开关组成的阵列，完成N组电力系统负荷的转移控制，每一组电力系统负荷有6个负荷转移开关开关，该开关的一端和配电变压器输出端相连，另一端与相对应的一组电力系统负荷相连。

5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述每个负荷转移开关是由机械开关的接触器主触点KC和双向电力电子开关T组成的复合开关，复合开关的一端A和配电变压器输出端相连，另一端K与一组电力系统负荷相连。

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