CN101388551A - 一种电能质量智能监控调谐装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能质量智能监控调谐装置，用于解决电网电能质量水平下降的问题，其包括电容器、电抗器和控制开关，控制开关的输入端与电网系统联接，输出端与所述电容器和所述电抗器串联，所述电抗器上并联有能量吸收器；三相组合过电压保护器与所述控制开关的输出端相串联后，其中性点接地；控制器通过其A/D数据采集模块的接口与电网系统联接，其出口的输出控制线与所述控制开关的电源盒连接。本发明可防止控制开关闪络和爆炸事故，自动选择补偿容量投入，实现动态补偿，稳定电压，节能降耗，提高电网的电能质量水平。

Description

一种电能质量智能监控调谐装置

技术领域

本发明涉及用于电网中的设备，具体涉及一种电能质量监控调谐装置。

背景技术

静止式电力电容器无功补偿技术，是目前市场上普遍使用的补偿技术，其主要特点是结构简单，安装及运行维护方便。但是，随着电网的供用电环境发生了变化，用户的负荷性质的多样性，使电网的电能质量水平逐渐下降，电网“污染”日趋严重，对广大电力用户的运行和产品质量都带来了较大影响。在这当中，静止式电容器的无功补偿装置也面临诸多的运行问题。一是在许多的用户中，所投入的补偿装置在设备安装后，无法正常投入运行，使该装置起不到应有的节能降耗作用；二是已投入运行的无功补偿装置，在运行中相继发生熔断器单个熔断，或全部熔断的“群爆”现象，或运行中电容器“鼓肚”现象，迫使该装置退出运行；三是装置在运行投切过程中，时常有开关发生闪络放电或开关短路爆炸，造成系统大面积的停电事故。传统无功补偿装置，主要是通过进线开关与电容器、电抗器串联接入系统起到对无功功率补偿作用，其中，开关采用的是三相一体化结构，在分合闸时三相联动，运行同时分合闸目的；电容器是无功功率补偿的主要元器件，担负着无功功率的主要任务；电抗器采用铁芯式，主要目的是安装方便、体积小、能对电容器合闸时的涌流有限制作用。

该装置在现有电网运行中存在明显不足：

由于开关投入时三相联动，同时合闸，使得开关在任何角度合闸时的冲击涌流较大，该涌流会在阻抗元件上产生涌流过电压，该过电压将会危及电容器和电抗器的绝缘，长期累积作用，必然损坏电容器或电抗器。

开关在投切过程中必然产生操作过电压，再加上电抗器的使用使磁场能量的增加，将使过电压水平更高，传统的避雷器难以满足要求。

由于电抗器在设计时参数固定，在运行中，因谐波的影响，必然发生电容器与系统阻抗在某频次下的并联谐振，使流过电容器回路的电抗大幅增加，而烧坏电容器和电抗器。

发明内容

针对上述问题，本发明研制一种用于解决电网电能质量水平下降的装置，该装置可防止开关闪络和爆炸事故，实现动态补偿，稳定电压，提高电网系统的电能质量水平。

本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：本发明包括控制开关、电容器、电抗器和控制开关，控制开关的输入端与电网系统联接，所述控制开关的输出端与所述电容器和所述电抗器串联，所述电抗器上并联有能量吸收器；三相组合过电压保护器与所述控制开关的输出端相串联后，其中性点接地；控制器通过其A/D数据采集模块的接口(A/D模/数转换的英文缩写)与电网系统联接，其出口的输出控制线与所述控制开关的电源盒连接。

所述控制开关与所述电容器之间串接熔断开关，在所述电容器和所述控制器上联接有放电装置。

所述控制开关为分相控制开关，采用单相独立安装，集中同步控制方式；所述电抗器为可调电抗器，分成上下二层空芯结构，上下二层之间用螺栓固定，螺栓上设有螺纹。

所述控制器包括：

用以对电网系统进线电流Is、母线电压Us和相位角φ进行采样和模/数转换的A/D数据采集模块；

用以数据处理、监控和下达指令的数字微处理器(以下简称为DSP)；

用以根据采集数据进行计算的电能质量算法模块；

用以采用重复学习最优控制策略自动计算补偿容量的动态补偿算法模块；

用以查找三相电压的零点并进行零点校验的人工过零监控模块；

用以执行DSP指令的输出执行模块；

所述A/D数据采集模块的输入端接口与电网系统联接，输出端与所述DSP联接；DSP还分别与所述电能质量算法模块、动态补偿算法模块、人工过零监控模块交互式联接，所述输出执行模块执行DSP的指令指挥同步开关单元投切。

所述DSP还与装置综合自动化保护模块交互联接；所述输出执行模块的输出端还分别联接报警器和显示器。

所述电能质量算法模块包括下述计算流程步骤：

1)数据采集(采集经模/数转换的电压Us、电流Is、相位角φ的离散数字信号)；

2)采用快速傅里叶变换DFT算法进行各频次的频谱和幅值计算；

3)计算出电网系统有功功率P、无功功率Q、功率因素COSφ值；

4)计算电压畸变率UTHD、电流畸变率ITHD值；

5)计算结果进入缓存；

所述人工过零监控模块包括下述监控流程步骤：

1)采集已转换为数字信号的电网系统的电压Us；

2)通过比较器查找三相电压的零点；

3)对同步开关时间进行准确性校验

4)对总体控制时间进行零点校验

5)发出校验参数给DSP；

6)DSP给输出回路发信号执行同步操作。

所述动态补偿模块包括下述流程步骤：

1)设置动态补偿各组的参数及补偿容量；

2)设置目标功率因素COSφ；

3)采集经模数转换的Us、Is、

数字信号；

4)DSP计算出实际运行COSφ、P、Q值；

5)重复学习最优控制策略自动计算需补偿容量；

6)将需补偿容量与设置参数进行比较，选择最接近容量的组别；

7)DSP发出执行命令，使相对应组别的同步开关动作。

所述装置综合自动化保护模块包括下述步骤；

1)设定：过电压整定值Ug、低电压整定值Ud、零序电压整定值△U′；、中性线不平衡电流整定值Iph′、过流整定值I₁、速断整定值I₂；

2)对Us进行采样；

3)对装置输出电流Ic、零序电压△U、中性线不平衡电流Iph进行采样；

4)对Us进行判断：Us>Ug，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；Us<Ud，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

5)对Ic进行判断：Ic>I₂，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

Ic<I1，延时0.5S再判，仍大于，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

6)对Ic进行判断：△U>△U′，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

7)对Iph进行判断：Iph>Iph′，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警。

本发明工作原理：当本发明投入运行时，控制器通过检测电网系统电压的零点，然后分别控制三相开关在电压的零点合闸，以最低的涌流冲击将电容器和电抗器接入电网系统工作。当运行中发现运行电流不正常时，可停电对可调电抗器的电感参数进行手动调节到设定目标，然后投入运行。既可消除并联谐振，又可以对单次谐波有较大的滤波作用，提高系统电能质量水平。当在退出运行时，开关断开后，由三相组合过电压保护器和能量吸收装置分别工作，限制操作过电压幅值，防止开关闪络和爆炸事故，同时，放电装置工作将电容器残余电荷放净。当分组补偿时，控制器“采用重复学习最优控制”技术，自动选择补偿容量投入，从而实现动态补偿，稳定电压，节能降耗目的。当需要监测电网系统的的实际电能质量水平时，可通过控制器实时显示当时的各项电能质量指标，以便于进行工作时的指导。

本发明有益效果：可防止控制开关闪络和爆炸事故，自动选择补偿容量投入，实现动态补偿，稳定电压，节能降耗，提高电网系统的电能质量水平。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明电路结构示意图；

图2为本发明控制器结构原理框图；

图3为电能质量算法模块的流程框图；

图4为人工过零监控模块的流程框图；

图5为动态补偿模块的流程框图；

图6为装置自动化保护模块流程框图。

具体实施方式

参见图1—6。

实施例1

本发明包括控制开关1、电容器2、电抗器3和控制开关1等部件。控制开关1为分相控制开关，采用单相独立安装，集中同步控制方式。电抗器3为可调电抗器，分成上下二层空芯结构，上下二层之间用螺栓固定，螺栓上设有螺纹。控制开关1的输入端与电网系统9联接，控制开关1的输出端与电容器2和电抗器3串联，电抗器3上并联有能量吸收器4；三相组合过电压保护器5与控制开关1的输出端相串联后，其中性点接地；控制器6通过其A/D数据采集模块61的接口与电网系统9联接，其出口的输出控制线与控制开关1的电源盒连接。在控制开关1与电容器3之间可串接熔断开关8，在电容器3和控制器6上联接有放电装置7。一台控制器至少可控制一个分相控制开关，通常一台控制器要控制多个分相控制开关，视实际情况需要而定。

实施例2

控制器6包括：

用以对电网系统进线电流Is、母线电压Us和相位角φ进行采样并模数转换的A/D数据采集模块61；

用以数据处理、监控和下达指令的DSP63；

用以根据采集数据进行计算的电能质量算法模块62；

用以采用重复学习最优控制策略自动计算补偿容量的动态补偿算法模块64；

用以查找三相电压的零点并进行零点校验的人工过零监控模块65；

用以下达DSP指令的输出执行模块66；

A/D数据采集模块61的输入端与电网系统9联接，输出端与DSP63联接；DSP63还分别与电能质量算法模块62、动态补偿算法模块64、人工过零监控模块65交互式联接，输出执行模块66执行DSP63的指令指挥同步开关单元1投切。DSP63还与装置自动化保护模块67交互联接；输出执行模块66的输出端还分别联接报警器10和显示器11。

实施例3

电能质量算法模块62对A/D数据采集模块61采自电网系统9并经模/数转换的电压Us、电流Is、相位角φ的离散数字信号执行下述计算步骤：

此流程开始于步骤620；在步骤621中进行数据采集，采集经模/数转换的电压Us、电流Is、相位角φ的离散数字信号；在步骤622中，采用快速傅里叶变换DFT算法进行各频次的频谱和幅值计算；在步骤623中，计算出电网系统有功功率P、无功功率Q、功率因素COSφ值；在步骤624中，计算电压畸变率UTHD、电流畸变率ITHD值；在步骤625中，使计算结果进入缓存并回到步骤621。

实施例4

人工过零监控模块65对A/D数据采集模块61采自电网系统9并经模数???转换为数字信号的电压Us执行下述监控步骤：

此流程开始于步骤650；在步骤651中，采集已转换为数字信号的电网系统电压Us；在步骤652中，三相电压零点查找，通过比较器查找三相电压的零点；在步骤653中，同步控制时间校验，对同步开关时间进行准确性校验；在步骤654中，对总体控制时间进行零点校验；在步骤655中，发出校验参数给DSP；在步骤656中，DSP给输出执行模块66输出回路信号，执行同步操作；在步骤657中，同步开关单元执行同步开关操作。

实施例5

动态补偿模块执行下述步骤：此流程开始于步骤640；在步骤641中，设置动态补偿各组的参数及补偿容量；在步骤642中，设置目标功率因素COSφ；在步骤643中，A/D采样Us、Is、

经DSP计算出实际运行COSφ、P、Q值；在步骤644中，采用重复学习最优控制策略自动计算需补偿容量，将需补偿容量与设置参数进行比较，选择最接近容量的组别并把参数发给DSP；在步骤645中，DSP发出执行命令；在步骤645中，相对应组别的同步开关动作。

实施例6

装置综合自动化保护模块执行下述步骤；此流程开始于步骤670；在步骤671中，设定：过电压整定值Ug、低电压整定值Ud、零序电压整定值△U′；、中性线不平衡电流整定值Iph′、过流整定值I₁、速断整定值I₂；

在步骤672中，对Us进行采样；在步骤673中，对本装置输出电流Ic、零序电压△U、中性线不平衡电流Iph进行采样；在步骤674中，对Us进行判断：如Us>Ug，进入步骤678和679，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警，否则回到步骤672；如Us<Ud，也进入步骤678和679起动输出执行模块跳装置进线开关并报警，否则回到步骤672；在步骤675中，对Ic进行判断：如Ic>I₂，进入步骤678和679，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警，否则回到步骤673采样Ic；如Ic<I₁，延时0.5S再判，仍大于，进入步骤678和679，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警，否则回到步骤673采样Ic；在步骤676中，对Ic进行判断：如△U>△U′，进入步骤678和679，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警，否则回到步骤673采样△U；在步骤677中，对Iph进行判断：如Iph>Iph′，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警，否则回到步骤673采样Iph。

Claims (9)

1、一种电能质量智能监控调谐装置，包括电容器、电抗器和控制开关，控制开关的输入端与电网系统联接，其特征在于所述控制开关的输出端与所述电容器和所述电抗器串联，所述电抗器上并联有能量吸收器；三相组合过电压保护器与所述控制开关的输出端相串联，其中性点接地；控制器通过其A/D数据采集模块的接口与电网系统联接，其出口的输出控制线与所述控制开关的电源盒连接。

2、根据权利要求1所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述控制开关与所述电容器之间串接熔断开关，在所述电容器和所述控制器上联接有放电装置。

3、根据权利要求1或2所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述控制开关为分相控制开关，采用单相独立安装，集中同步控制方式；所述电抗器为可调电抗器，分成上下二层空芯结构，上下二层之间用螺栓固定，螺栓上设有螺纹。

4、根据权利要求3所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述控制器包括：

用以对电网系统进线电流Is、母线电压Us和相位角φ进行采样和模/数转换的A/D数据采集模块；

用以数据处理、监控和下达指令的数字微处理器；

用以根据采集数据进行计算的电能质量算法模块；

用以采用重复学习最优控制策略自动计算补偿容量的动态补偿算法模块；

用以查找三相电压的零点并进行零点校验的人工过零监控模块；

用以执行数字微处理器指令的输出执行模块；

A/D数据采集模块的输入端接口与电网系统联接，其输出端与数字微处理器联接；数字微处理器还分别与电能质量算法模块、动态补偿算法模块、人工过零监控模块交互式联接，输出执行模块执行数字微处理器的指令指挥同步开关单元投切。

5、根据权利要求4所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述数字微处理器还与装置综合自动化保护模块交互联接；所述输出执行模块的输出端还分别联接报警器和显示器。

6、根据权利要4所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述电能质量算法模块包括下述计算步骤：

1)数据采集；

2)采用快速傅里叶变换DFT算法进行各频次的频谱和幅值计算；

3)计算出电网系统有功功率P、无功功率Q、功率因素COS φ值；

4)计算电压畸变率UTHD、电流畸变率ITHD值；

5)计算结果进入缓存；。

7、根据权利要求4所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述人工过零监控模块包括下述监控步骤：

1)采集已转换为数字信号的电网系统的电压Us；

2)通过比较器查找三相电压的零点；

3)对同步开关时间进行准确性校验

4)对总体控制时间进行零点校验

5)发出校验参数给数字微处理器；

6)数字微处理器给输出回路发信号执行同步操作。

8、根据权利要求4所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述动态补偿模块包括下述步骤：

1)设置动态补偿各组的参数及补偿容量；

2)设置目标功率因素COS φ；

3)采集经模数转换的Us、Is、数字信号；

4)数字微处理器计算出实际运行COS φ、P、Q值；

5)重复学习最优控制策略自动计算需补偿容量；

6)将需补偿容量与设置参数进行比较，选择最接近容量的组别；

7)数字微处理器发出执行命令，使相对应组别的同步开关动作。

9、根据权利要求5所述的电能质量智能监控调谐装置，其特征在于所述装置综合自动化保护模块包括下述步骤；

1)设定：过电压整定值Ug、低电压整定值Ud、零序电压整定值△U′；、中性线不平衡电流整定值Iph′、过流整定值I₁、速断整定值I₂；

2)对Us进行采样；

3)对装置输出电流Ic、零序电压△U、中性线不平衡电流Iph进行采样；

4)对Us进行判断：Us>Ug，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

          Us<Ud，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

5)对Ic进行判断：Ic>I₂，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

           Ic<I₁，延时0.5S再判，仍大于，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

6)对Ic进行判断：△U>△U′，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警；

7)对Iph进行判断：Iph>Iph′，起动输出执行模块跳装置进线开关并报警。

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