CN102435869B - 一种三相不平衡负荷自动调补的实验装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相不平衡负荷自动调补的实验装置及其控制方法，该装置包括自动调补装置部分、负载模拟部分和检测、显示与控制部分。自动调补装置部分包括电力电容器和智能编组负荷开关；检测、显示与控制部分包括电流互感器、塑壳断路器、三相数显电流表、三相电力监测仪表、协议转换模块、485总线、以太网网线和上位机；负载模拟部分包括按三相四线制星形连接的组分和电路连接完全相同的A相、B相、C相，开关电源，模拟量输出模块和继电器输出模块。通过实时采集补偿接入点和负荷端的三相相电压和三相线电流，执行参数计算子流程；选择需要模拟的实际负荷类型，执行负载模拟控制流程，完成负载模拟。本发明能在实验室环境模拟实际工业的生产用负荷。

Description

一种三相不平衡负荷自动调补的实验装置及其控制方法

技术领域：

本发明属于输配电技术领域，特别涉及一种三相不平衡负荷自动调补的实验装置及其控制方法。

背景技术：

三相负荷不平衡对电力系统有诸多不利影响，目前，对于输配电系统三相不平衡负荷补偿的研究有很多，主要集中在对于无功补偿装置本体设计、无功补偿装置控制策略和方法，由于诸多限制条件，许多先进算法和控制策略还是停留在理论推导和计算机仿真阶段，少数的能够进行实地试验，都需要进行大量的准备工作，成本较高。因此，通用的三相不平衡负荷自动调补实验平台成为进行各种不平衡补偿策略试验合适的选择，实验平台必须要有负载装置才能够实现其功能。无功补偿主要针对工业中的电弧炉，电焊机，电气化铁路等负载，这些负载能在短时间内对系统造成无功冲击，造成系统严重三相不平衡，在实验平台上模拟此类负载，需要快速、准确的控制负荷的变化。同时，电力系统中大量存在的单相用电设备，随机性和不确定性强，因此一种能将感性、容性和电阻负载以多种拓扑结构、快速准确的投切于系统的负载模拟实验装置具有重大的现实意义。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于三相不平衡负荷自动调补的实验装置及其控制方法，以便在实验室环境下对各种实际工业和民用负载进行模拟，并且能够很好的评估自动调补装置的调补效果，模拟真实性强，成本较低，易于实现。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明的三相不平衡负荷自动调补的实验装置包括自动调补装置部分，负载模拟部分和检测、显示与控制部分。所述自动调补装置部分包括电力电容器和智能编组负荷开关；所述负载模拟部分包括组分相同的A相、B相、C相，开关电源，模拟量输出模块和继电器输出模块，ABC三相中每相包括阻抗固定的单相非线性电抗器、单相阻抗可调的磁控电抗器、单相电容器、单相电阻、单相交流接触器、反并联晶闸管和中间继电器，上述A相、B相、C相模拟负载通过塑壳断路器接入电网；所述检测、显示与控制部分包括电流互感器、塑壳断路器、三相数显电流表、三相电力监测仪表、协议转换模块(485转以太网模块)、485总线、以太网网线和上位机。上位机通过运行负载模拟算法来控制负载模拟部分各相模拟负载的投切来评估自动调补装置部分的调补效果。

电路连接：

所述负载模拟部分与电网连接，自动调补装置部分与电网连接，且与负载模拟部分并联，且位于负载模拟部分前面，检测、显示与控制部分的三相数显电流表与负载模拟侧电网电流互感器连接，检测、显示与控制部分的三相电力监测仪表与自动调补装置部分接入点电网连接。

所述自动调补装置部分包括电力电容器和智能编组负荷开关，电力电容器的两端分别和智能编组负荷开关连接，智能编组负荷开关和电网连接。

所述负载模拟部分包括组分相同的A相、B相、C相，开关电源，模拟量输出模块和继电器输出模块，ABC三相中每相包括阻抗固定的单相非线性电抗器、单相阻抗可调的磁控电抗器、单相电容器、单相电阻、单相交流接触器、反并联晶闸管和中间继电器。所述A相、B相和C相模拟负载采用三相四线制星形连接，且每相由四个支路并联组成，电路连接为：C相：单相阻抗可调的磁控电抗器一端和单相交流接触器连接，单相交流接触器的另一端连接反并联晶闸管的一端，反并联晶闸管的另一端连接中间继电器触点一端；阻抗固定的单相非线性电抗器一端连接到单相交流接触器一端，单相交流接触器另一端和中间继电器触点一端连接；单相电容器一端连接到单相交流接触器一端，单相交流接触器的另一端和中间继电器触点一端连接；单相电阻一端连接到单相交流接触器一端，单相交流接触器的另一端和中间继电器触点一端连接；单相阻抗可调的磁控电抗器的另一端和阻抗固定的单相非线性电抗器的另一端，单相电容器的另一端以及单相电阻的另一端连接在一起；中间继电器触点的另一端连接在一起且和中性线连接。所述A相、B相电路连接和C相完全相同。最后A相、B相和C相组成星形连接通过塑壳断路器接至电网。

所述检测、显示与控制部分包括电流互感器、塑壳断路器、三相数显电流表、三相电力监测仪表、协议转换模块(485转以太网模块)、485总线、以太网网线和上位机。上位机采用以太网通讯方式由以太网网线连接至协议转换模块(485转以太网模块)的以太网接口，协议转换模块(485转以太网模块)再通过485总线分别连接到三相电力监测仪表、三相数显电流表和负载模拟部分的模拟量输出模块、继电器输出模块的485通讯接线端子。三相电力监测仪表的输入端和塑壳断路器以及电流互感器的输出端连接，塑壳断路器以及电流互感器的输入端连接到电网；三相数显电流表的输入端和电流互感器的输出端连接，电流互感器的输入端和电网连接；负载模拟部分的模拟量输出模块的输出端连接到A相、B相和C相的反并联晶闸管的控制端，负载模拟部分的继电器输出模块连接到A相、B相和C相的各个支路的中间继电器的线圈上；负载模拟部分的开关电源的输入端由微型断路器接到电网，其输出端连接到模拟量输出模块和继电器输出模块的电源接线端。

本发明的控制部分主要完成两部分的工作，控制模拟负载的投切和检测电气量进行参数计算。

本发明的负载模拟与效果控制检测方法包括以下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：检查通讯是否正常，正常则执行步骤3，否则继续等待；

步骤3：通过三相电力监测仪表和三相数显电流表实时采集补偿接入点和和负荷端的三相相电压和三相线电流；

步骤4：将采集到的三相相电压和三相线电流参数通过485转以太网模块传送到上位机；

步骤5：在上位机执行“参数计算子流程”，此处参数计算指利用已测三相相电压和三相线电流瞬时值，计算出三相相电压有效值，各相有功功率，无功功率，视在功率，功率因数，总有功功率，总无功功率，总视在功率，总功率因数，三相电压不平衡度，谐波失真度；

步骤6：将数据存入数据库，此处数据包括步骤5所计算的各参数，还有一定时间段内各相电压、电流瞬时值，用于谐波分析和效能评估。

步骤7：通过上位机选择需要模拟的实际负荷类型；

步骤8：根据步骤7的选择结果执行“负载模拟控制流程”，运行负载模拟算法；

步骤9：判断上位机是否有新的模拟负荷选择输入，若有，则跳转到步骤8，否则执行步骤10；

步骤10：结束。

在步骤5“参数计算子流程”中，采用瞬时无功功率理论计算各相的有功功率，无功功率，视在功率，功率因数和三相总有功功率，总无功功率，总视在功率，总功率因数。

瞬时无功功率理论是建立在瞬时值的基础上的，它不仅适用于正弦稳态，而且适用于非正弦暂态的情况。传统功率理论是建立在平均值的基础上的，只适用于正弦稳态的情况，本发明装置采用瞬时无功功率理论，可根据三相瞬时电压和电流计算出上述参数。

设采样到三相相电压和三相线电流分别为u_a、u_b、u_c、i_a、i_b、i_c，经过A、B、C三相到α-β两相的变换后，得到u_α、u_β和i_α、i_β。

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α\β}}\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{\α\β}}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中， $C_{\mathrm{\α\β}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right].$

在α-β平面上将矢量

和

分别合成为(旋转)电压矢量

和电流矢量

式中u、i分别为矢量的模，分别为矢量

的相角。

将电流矢量

向电压矢量

及其法线上投影，得到i_p和i_q，分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流

式中

u与i_p的乘积为三相电路瞬时有功功率，u与i_q的乘积为三相电路瞬时无功功率。

p＝ui_p，q＝ui_q                                         (4)

把式(3)代入式(4)中得：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}& -u_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{\mathrm{pq}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中， $C_{\mathrm{pq}}=\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}& -u_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]$

把式(1)代入式(5)中得：

p＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c， $q=\frac{1}{\sqrt{3}}[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c]---\left(6\right)$

三相瞬时功率电流在α、β轴上的投影为α、β相的瞬时功率电流即：

其中，i_αp、i_βp为α、β相的瞬时有功电流，i_αq、i_βq为α、β相的瞬时无功电流。

α、β相的瞬时功率为该相的瞬时电压和瞬时电流的乘积：

$p_{\mathrm{\α}}=u_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\αp}}=\frac{u_{\mathrm{\α}}^2}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}p,$ $p_{\mathrm{\β}}=u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\βp}}=\frac{u_{\mathrm{\β}}^2}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}p,$

${q_{\mathrm{\α}}=u}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\αq}}=\frac{u_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}q,$ $q_{\mathrm{\β}}=u_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\βq}}=-\frac{u_{\mathrm{\α}}{u}_{\mathrm{\β}}}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}q---\left(8\right)$

通过进行αβ两相向abc三相的变换可以由两相功率电流得到三相电路各相的功率电流。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ap}}\\ i_{\mathrm{bp}}\\ i_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]=C_{23}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\αp}}\\ i_{\mathrm{\βp}}\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{aq}}\\ i_{\mathrm{bq}}\\ i_{\mathrm{cq}}\end{array}\right]=C_{23}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\αq}}\\ i_{\mathrm{\βq}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

其中， $C_{23}=C_{\mathrm{\α\β}}^T$

将式(7)代入式(9)得：

$i_{\mathrm{ap}}=3u_a\frac{p}{A},$ $i_{\mathrm{bp}}=3u_b\frac{p}{A},$ $i_{\mathrm{cp}}=3u_c\frac{p}{A},$

$i_{\mathrm{aq}}=(u_b-u_c)\frac{q}{A},$ $i_{\mathrm{bq}}=(u_c-u_a)\frac{q}{A},$ $i_{\mathrm{cq}}=(u_a-u_b)\frac{q}{A}---\left(10\right)$

式中A＝(u_a-u_b)²+(u_b-u_c)²+(u_c-u_a)²

A、B、C各相的瞬时有功和无功功率为：

$p_a=u_a{i}_{\mathrm{ap}}=3u_a^2\frac{p}{A},$ $p_b=u_b{i}_{\mathrm{bp}}=3u_b^2\frac{p}{A},$ $p_c=u_c{i}_{\mathrm{cp}}=3u_c^2\frac{p}{A}---\left(11\right)$

$q_a=u_a{i}_{\mathrm{aq}}=u_a(u_b-u_c)\frac{q}{A},$ $q_b=u_b{i}_{\mathrm{bq}}=u_b(u_c-u_a)\frac{q}{A},$ $q_c=u_c{i}_{\mathrm{cq}}=u_c(u_a-u_b)\frac{q}{A}---\left(12\right)$

三相电参量的不平衡度定义为三相相量的负序分量与正序分量的百分比，用符号ε表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{A_2}{A_1}\×100\%---\left(13\right)$

式中A₁、A₂分别为三相相量正序分量和负序分量的均方根值。

任何一组不对称的三相相量(如电压、电流等)都可以分解为三组对称的相量，即正序、负序和零序分量：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{A}}_1\\ {\stackrel{\·}{A}}_2\\ {\stackrel{\·}{A}}_0\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{A}\\ \stackrel{\·}{B}\\ \stackrel{\·}{C}\end{array}\right]---\left(14\right)$

一种较简便的方法是，知道

的模A、C和它们之间的夹角β，由下式便可以计算出正序、负序分量的有效值：

在本发明装置中，要计算三相基波电压的不平衡度，其中A、C相的基波电压幅值U_A1、U_C1和相角可以由谐波分析的过程中得到，由式(13)(14)，可得三相基波电压不平衡度的表达式：

综上，参数计算子流程是按以下步骤执行：

步骤1：开始；

步骤2：采集三相相电压和三相线电流的瞬时值，计算电压有效值；

步骤3：计算三相总瞬时有功功率p、总瞬时无功功率q、总瞬时视在功率s和总瞬时功率因数cosθ：

p＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c                                               (17)

$q=\frac{1}{\sqrt{3}}[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c]---\left(18\right)$

$s=\sqrt{p^2+q^2}---\left(19\right)$

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{p}{c}---\left(20\right)$

步骤4：计算A、B、C各相瞬时有功功率p_a、p_b、p_c，瞬时无功功率q_a、q_b、q_c，瞬时视在功率s_a、s_b、s_c和瞬时功率因数cosθ_a、cosθ_b、cosθ_c；

A相：

$p_a=u_a{i}_{\mathrm{ap}}=3u_a^2\frac{p}{A}---\left(21\right)$

$q_a=u_a{i}_{\mathrm{aq}}=u_a(u_b-u_c)\frac{q}{A}---\left(22\right)$

$s_a=\sqrt{p_a^2+q_a^2}---\left(23\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_a=\frac{p_a}{s_a}---\left(24\right)$

B相：

$p_b=u_b{i}_{\mathrm{bp}}=3u_b^2\frac{p}{A}---\left(25\right)$

$q_b=u_b{i}_{\mathrm{bq}}=u_b(u_c-u_a)\frac{q}{A}---\left(26\right)$

$s_b=\sqrt{p_b^2+q_b^2}---\left(27\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_b=\frac{p_b}{s_b}---\left(28\right)$

C相：

$p_c=u_c{i}_{\mathrm{cp}}=3u_c^2\frac{p}{A}---\left(29\right)$

$q_c=u_c{i}_{\mathrm{cq}}=u_c(u_a-u_b)\frac{q}{A}---\left(30\right)$

$s_c=\sqrt{p_c^2+q_c^2}---\left(31\right)$

$\cos {\mathrm{\θ}}_c=\frac{p_c}{s_c}---\left(32\right)$

式中A＝(u_a-u_b)²+(_ub-u_c)²+(u_c-u_a)²

步骤5：计算各次谐波电压的幅值U_m和相位

电压谐波含量HRU_m，电压谐波失真度THD_U；

$U_m=\sqrt{a_m^2+b_m^2}---\left(33\right)$

${\mathrm{HRU}}_m=\frac{U_m}{U_1}\×100\%---\left(35\right)$

${\mathrm{THD}}_U=\frac{\sqrt{\underset{m=2}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{U}_m^2}}{U_1}\×100\%---\left(36\right)$

步骤6：计算电压三相不平衡度ε；

步骤7：参数计算子流程结束。

本发明负载模拟控制流程主要完成负载的模拟，并测量实验平台自动补偿装置的响应时间、补偿效果等。本发明负载模拟控制流程执行步骤如下：

步骤1：开始；

步骤2：检查实验平台是否已经投入补偿，若是，则执行步骤3，否则继续等待；

步骤3：执行“负载模拟子流程”，投入相应负载，并记录此时时刻t0；

步骤4：同时，通过三相电力监测仪表和三相数显电流表实时采集补偿接入点和负载端的三相相电压和三相线电流，并传到上位机；

步骤5：执行“参数计算子程序”，并将所得参数存入数据库；

步骤6：判断上位机是否有新的模拟负荷选择输入，若是，则跳转到步骤3执行，否则执行步骤7；

步骤7：判断三相电压电流是否已经达到稳定状态，若是，则执行步骤8，否则跳转到步骤4执行；

步骤8：计算稳态时的电压不平衡度，并记录此时时刻t1；

步骤9：将数据存入数据库，包括无功补偿调整时间、电压不平衡度；

步骤10：结束。

本发明负载模拟子流程，其功能是通过上位机发送命令，控制继电器和反并联晶闸管来投切模拟负荷。执行步骤如下：

步骤1：开始；

步骤2：上位机根据其选择的模拟负荷类型，向协议转换模块发送信息；

步骤3：协议转换模块(485转以太网模块)通过485总线向模拟量输出模块和继电器输出模块发送控制命令；

步骤4：继电器输出模块向相应的继电器发出动作命令，模拟量输出模块向相应的反并联晶闸管发送移相触发角命令，使继电器和反并联晶闸管动作投入相应模拟负荷；

步骤5：结束。

本发明的有益效果：模拟负载装置结构简单，易于实现，模拟真实性强，易于编程控制，能够在实验室环境下模拟像电焊设备、轧机、提升机、绞车、起重机、电弧炉、大型变流设备、变频调速装置、电气化铁道电力机车等实际工业生产用负荷。

附图说明：

图1本发明三相不平衡负荷自动调补实验装置总体结构图；

图2本发明模拟负载原理图；

图3本发明自动调补装置部分结构连接图；

图4本发明通讯网络线连接图；

图5本发明计算机控制系统执行流程图；

图6本发明参数计算子流程流程图；

图7本发明负载模拟控制流程图；

图8本发明负载模拟子流程图；

其中，1——检测、显示与控制部分；2——自动调补装置部分；3——模拟负载部分；4——塑壳断路器；5——电流互感器；6——协议转换模块(485转以太网模块)；7位机；8——以太网网线；9——三相数显电流表；10——三相电力监测仪表；11485总线；12——开关电源；13——模拟量输出模块；14——继电器输出模块；15——单相阻抗可调的磁控电抗器；16——阻抗固定的单相非线性电抗器；17——单相电容器；18——单相电阻；19——单相交流接触器；20——反并联晶闸管；21——中间继电器；22——微型断路器；23——塑壳断路器；24——智能编组负荷开关；25——电力电容器。

具体实施方式：

下面结合附图实施例对本发明三相不平衡负荷自动调补的实验装置的详细结构、工作原理及其控制方法加以说明：

本发明实施例以实验室220V三相不平衡负荷自动调补实验平台为例，该自动调补装置由智能编组负荷开关和电力电容器构成，能够针对三相不平衡负荷进行负荷有功平衡和无功补偿。

如图1、图2所示，本发明一种三相不平衡负荷自动调补的实验装置，包括自动调补装置部分2、负载模拟部分3和检测、显示与控制部分1。所述负载模拟部分3包括组分相同的A相、B相、C相，开关电源12，模拟量输出模块13和继电器输出模块14，ABC三相，每相包括阻抗固定的单相非线性电抗器16、单相阻抗可调的磁控电抗器15、单相电容器17、单相电阻18、单相交流接触器19、反并联晶闸管20和中间继电器21，上述A相、B相、C相模拟负载通过塑壳断路器23接入电网；所述检测、显示与控制部分1包括电流互感器5、塑壳断路器4、三相数显电流表9、三相电力监测仪表10、协议转换模块(485转以太网模块)6、485总线11、以太网网线8和上位机7。上位机7通过运行负载模拟算法来控制负载模拟部分各相模拟负载的投切来评估自动调补装置部分的调补效果。

如图1所示，所述负载模拟部分3与电网连接，自动调补装置部分2与电网连接，且与负载模拟部分3并联，且位于负载模拟部分3前面，检测、显示与控制部分1的三相数显电流表9与负载模拟侧电网电流互感器连接，检测、显示与控制部分1的三相电力监测仪表10与自动调补装置部分2接入点电网连接。

如图3所示，所述自动调补装置部分2包括电力电容器25和智能编组负荷开关24，电力电容器25的两端分别和智能编组负荷开关24连接，智能编组负荷开关24和电网连接。

如图2所示，所述负载模拟部分3包括组分相同的A相、B相、C相，开关电源12，模拟量输出模块13和继电器输出模块14，ABC三相中每相包括阻抗固定的单相非线性电抗器16、单相阻抗可调的磁控电抗器15、单相电容器17、单相电阻18、单相交流接触器19、反并联晶闸管20和中间继电器21。所述A相、B相和C相模拟负载采用三相四线制星形连接，且每相由四个支路并联组成，电路连接为：C相：单相阻抗可调的磁控电抗器15一端和单相交流接触器19(附图图2中的1KM1)连接，单相交流接触器19(附图图2中的1KM1)的另一端连接反并联晶闸管20的一端，反并联晶闸管20的另一端连接中间继电器21(附图图2中的1KA1)触点一端；阻抗固定的单相非线性电抗器16一端连接到单相交流接触器19(附图图2中的1KM2)一端，单相交流接触器19(附图图2中的1KM2)另一端和中间继电器21(附图图2中的1KA2)触点一端连接；单相电容器17一端连接到单相交流接触器19(附图图2中的1KM3)一端，单相交流接触器19(附图图2中的1KM3)的另一端和中间继电器21(附图图2中的1KA3)触点一端连接；单相电阻18一端连接到单相交流接触器19(附图图2中的1KM4)一端，单相交流接触器19(附图图2中的1KM4)的另一端和中间继电器21(附图图2中的1KA4)触点一端连接；单相阻抗可调的磁控电抗器15的另一端和阻抗固定的单相非线性电抗器16的另一端，单相电容器17的另一端以及单相电阻18的另一端连接在一起；中间继电器21(附图图2中的1KA1、1KA2、1KA3、1KA4)触点的另一端连接在一起且和中性线连接。所述A相、B相电路连接和C相完全相同。最后A相、B相和C相组成星形连接通过塑壳断路器23接至电网。

如图1、图2、图4所示，所述检测、显示与控制部分1包括电流互感器5、塑壳断路器4、三相数显电流表9、三相电力监测仪表10、协议转换模块(485转以太网模块)6、485总线11、以太网网线8和上位机7。上位机7采用以太网通讯方式由以太网网线连接至协议转换模块(485转以太网模块)6的以太网接口，协议转换模块(485转以太网模块)6再通过485总线11分别连接到三相电力监测仪表10、三相数显电流表9和负载模拟部分3的模拟量输出模块13、继电器输出模块14的485通讯接线端子。三相电力监测仪表10的输入端和塑壳断路器4以及电流互感器5的输出端连接，塑壳断路器4以及电流互感器5的输入端连接到电网；三相数显电流表9的输入端和电流互感器5的输出端连接，电流互感器5的输入端和电网连接；负载模拟部分3的模拟量输出模块13的输出端连接到A相、B相和C相的反并联晶闸管20的控制端，负载模拟部分3的继电器输出模块14连接到A相、B相和C相的各个支路的中间继电器21的线圈上；负载模拟部分3的开关电源12的输入端由微型断路器22接到电网，其输出端连接到模拟量输出模块13和继电器输出模块14的电源接线端。

如图5至图8所示，本发明电路工作过程为：系统上电，开始运行，首先通过程序进行通讯连接，检查系统通讯情况是否正常，在系统通讯正常的情况下，上位机程序通过以太网和485网络读取补偿接入点三相电力监测仪表和负荷端三相数显电流表采集到的三相相电压和三相线电流瞬时值，然后上位机运行参数计算子程序，根据采集到的数据计算如下参数：三相相电压有效值、各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、总有功功率、总无功功率、总视在功率、总功率因数、三相电压不平衡度、谐波失真度，并且将采集到的数据和计算得到的参数存储到数据库中，以便在补偿后进行效能对比。实验工作者通过上位机选择需要模拟的实际负荷类型后，上位机自动运行负载模拟控制流程程序，在自动调补装置投入补偿后，计算机执行负载模拟子流程，通过向模拟量输出模块和继电器输出模块发送命令，控制各相投入相应模拟负载，并记录下该时刻t0，同时上位机程序通过以太网和485网络读取补偿接入点三相电力监测仪表和负荷端三相数显电流表采集到的三相相电压和三相线电流瞬时值，再执行参数计算子程序，并进行数据库数据存数。由于可能会有新的模拟负荷投入，所以此时要检测上位机是否有新的模拟负荷选择输入，若有，则重新执行负载模拟子流程，投入新的模拟负载，否则继续执行，检查三相电压电流是否已经达到稳定状态，即补偿是否达到稳定，若未达到稳定，则继续采集数据进行参数计算和存储，若补偿已经稳定，则计算稳态时的电压不平衡度和电流不平衡度，同时记录此刻t1，并将这些数据存储，直到有新的模拟负荷选择输入，否则运行结束。在上位机上，计算机能够动态显示采集得到的三相相电压、三相线电流和计算得到的三相相电压有效值、各相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、总有功功率、总无功功率、总视在功率、总功率因数、三相电压不平衡度、谐波失真度等参数。

本实施例给出一组计算机动态显示的采集到的数据：

本发明给出以下典型的模拟负荷类型：

负荷类型1：三相不平衡冲击型负荷

典型代表：电焊设备、轧机、提升机、绞车、起重机、电弧炉等。

步骤1：开始；

步骤2：使继电器1KA1、1KA4、2KA1、2KA4，接触器1KM1、1KM4、2KM1、2KM4接通，其他关断；

步骤3：延时t₁，达到稳定后将所有继电器和接触器关断；

步骤4：结束。

负荷类型2：三相不平衡非线性负荷

典型代表：大型变流设备、变频调速装置、家用电器、轧钢机等。

步骤1：开始；

步骤2：使继电器1KA2、1KA4、3KA2、3KA4，接触器1KM2、1KM4、3KM2、3KM4接通，其他关断；

步骤3：延时t₂，稳定后将所有继电器和接触器关断；

步骤4：结束。

负荷类型3：单相随机负载造成的三相不平衡负荷

典型代表：电气化铁道电力机车、计算机打印机等办公设备等。

步骤1：开始；

步骤2：使继电器1KA2、1KA4，接触器1KM2、1KM4闭合，其他断开；

步骤3：延时t₃，稳定后将所有继电器和接触器关断；

步骤4：结束。

本发明实施例中，电流互感器型号为：BH-0.66 75/5，塑壳断路器型号为：DNM1-100M/3300-80A，微型断路器型号为：DNB-63 2P C6A，单相交流接触器型号为：DNLC1-D25 AC220V，中间继电器型号为：MY2NJ DC24V，开关电源型号为：AC220V/DV24V5A，模拟量输出模块型号为：I-7024D DV24V，继电器输出模块为：I-7067DDV24V，三相数显电流表型号为：PA1941-9K4，三相电力监测仪表型号为：PA2000-3，协议转换模块型号为：SK6000B，反并联晶闸管：CRS20KW，单相电阻：RXLG-5KW，单相电容器：BSNG-8/0.525，单相阻抗可调的磁控电抗器：KTSG-20kvar/0.4，阻抗固定的单相非线性电抗器：BKSG-10kvar/0.38，自动调补装置：LHRC-TB。

Claims (4)

1.一种三相不平衡负荷自动调补的实验装置，其特征在于，包括自动调补装置部分、负载模拟部分和检测、显示与控制部分，所述自动调补装置部分包括电力电容器和智能编组负荷开关；所述负载模拟部分包括组分相同的A相、B相、C相，开关电源，模拟量输出模块和继电器输出模块，ABC三相中，每相包括阻抗固定的单相非线性电抗器、单相阻抗可调的磁控电抗器、单相电容器、单相电阻、单相交流接触器、反并联晶闸管和中间继电器，上述A相、B相、C相模拟负载通过第一塑壳断路器接入电网；所述检测、显示与控制部分包括第一电流互感器、第二塑壳断路器、三相数显电流表、三相电力监测仪表、协议转换模块、485总线、以太网网线和上位机； 

电路连接为：所述负载模拟部分与电网连接，自动调补装置部分与电网连接，且与负载模拟部分并联，且位于负载模拟部分前面，检测、显示与控制部分的三相数显电流表与负载模拟侧电网的第二电流互感器连接，检测、显示与控制部分的三相电力监测仪表与自动调补装置部分接入点电网连接； 

所述A相、B相和C相模拟负载采用三相四线制星形连接，且每相由四个支路并联组成，电路连接为：C相：单相阻抗可调的磁控电抗器一端和单相交流接触器1KM1连接，单相交流接触器1KM1的另一端连接反并联晶闸管的一端，反并联晶闸管的另一端连接中间继电器1KA1触点一端；阻抗固定的单相非线性电抗器一端连接到单相交流接触器1KM2一端，单相交流接触器1KM2另一端和中间继电器1KA2触点一端连接；单相电容器一端连接到单相交流接触器1KM3一端，单相交流接触器1KM3的另一端和中间继电器1KA3触点一端连接；单相电阻一端连接到单相交流接触器1KM4一端，单相交流接触器1KM4的另一端和中间继电器1KA4触点一端连接；单相阻抗可调的磁控电抗器的另一端和阻抗固定的单相非线性电抗器的另一端，单相电容器的另一端以及单相电阻的另一端连接在一起；中间继电器1KA1、1KA2、1KA3、1KA4触点的另一端连接在一起且和中性线连接；所述A相、B相电路连接和C相完全相同，最后A相、B相和C相组成星形连接通过第一塑壳断路器接至电网； 

所述检测、显示与控制部分，上位机采用以太网通讯方式由以太网网线连接至协议转换模块的以太网接口，协议转换模块再通过485总线分别连接到三相电力监测仪表、三相数显电流表和负载模拟部分的模拟量输出模块、继电器输出模块的485通讯接线端子；三相电力监测仪表的输入端和第二塑壳断路器以及第二电流互感器的输出端连接，第二塑壳断路器以及第二电流互感器的输入端连接到电网；三相数显电流表的输入端和第二电流互感器的输出端连接，第二电流互感器的输入端和电网连接；负载模拟部分的模拟量输出模块的输出端连接到A相、B相和C相的反并联晶闸管的控制端，负载模拟部分的继电器输出模块连接到A 相、B相和C相的各个支路的中间继电器的线圈上；负载模拟部分的开关电源的输入端由微型断路器接到电网，其输出端连接到模拟量输出模块和继电器输出模块的电源接线端。 

2.如权利要求1所述的三相不平衡负荷自动调补的实验装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤1：开始； 

步骤2：检查通讯是否正常，正常则执行步骤3，否则继续等待； 

步骤3：通过三相电力监测仪表和三相数显电流表实时采集补偿接入点和和负载端的三相相电压和三相线电流； 

步骤4：将采集到的三相相电压和三相线电流参数通过协议转换模块传送到上位机； 

步骤5：在上位机执行“参数计算子流程”，此处参数计算指利用已测三相相电压和三相线电流瞬时值，计算出三相相电压有效值，各相有功功率，无功功率，视在功率，功率因数，总有功功率，总无功功率，总视在功率，总功率因数，三相电压不平衡度，谐波失真度； 

步骤6：将数据存入数据库，此处数据包括步骤5所计算的各参数，还有一定时间段内各相电压、电流瞬时值，用于谐波分析和效能评估； 

步骤7：通过上位机选择需要模拟的实际负载类型； 

步骤8：根据步骤7的选择结果执行“负载模拟控制流程”，运行负载模拟算法； 

负载模拟控制流程执行步骤为： 

步骤8.1：开始； 

步骤8.2：检查实验平台是否已经投入补偿，若是，则执行步骤8.3，否则继续等待； 

步骤8.3：执行“负载模拟子流程”，投入相应负载，并记录此时时刻t0； 

步骤8.4：同时，通过三相电力监测仪表和三相数显电流表实时采集补偿接入点和负载端的三相相电压和三相线电流，并传到上位机； 

步骤8.5：执行“参数计算子程序”，并将所得参数存入数据库； 

步骤8.6：判断上位机是否有新的模拟负载选择输入，若是，则跳转到步骤8.3执行，否则执行步骤8.7； 

步骤8.7：判断三相电压电流是否已经达到稳定状态，若是，则执行步骤8.8，否则跳转到步骤8.4执行； 

步骤8.8：计算稳态时的电压不平衡度和电流不平衡度，并记录此时时刻t1； 

步骤8.9：将数据存入数据库，包括无功补偿调整时间、电压不平衡度； 

步骤8.10：结束； 

步骤9：判断上位机是否有新的模拟负载选择输入，若有，则跳转到步骤8，否则执行步 骤10； 

步骤10：结束。 

3.如权利要求2所述的三相不平衡负荷自动调补的实验装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤5中，参数计算子流程的执行步骤为： 

步骤1：开始； 

步骤2：采集三相相电压和三相线电流的瞬时值，计算电压有效值； 

步骤3：计算三相总瞬时有功功率p、总瞬时无功功率q、总瞬时视在功率s和总瞬时功率因数cosθ: 

p=u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c         (1) 

其中，u_a、u_b、u_c分别为三相相电压，i_a、i_b、i_c分别为三相相电流； 

步骤4：计算A、B、C各相瞬时有功功率p_a、p_b、p_c，瞬时无功功率q_a、q_b、q_c，瞬时视在功率s_a、s_b、s_c和瞬时功率因数cosθ_a、cosθ_b、cosθ_c； 

A相： 

B相： 

C相： 

式中A=(u_a-u_b)²+(u_b-u_c)²+(u_c-u_a)²

步骤5：计算各次谐波电压的幅值U_m和相位

电压谐波含量HRU_m，电压谐波失真度THD_U； 

步骤6：计算电压三相不平衡度ε； 

其中，U_A1为A相的基波电压幅值，U_C1为C相的基波电压幅值，

为A相的相角，为C相的相角； 

步骤7：参数计算子流程结束。 

4.如权利要求2所述的三相不平衡负荷自动调补的实验装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤8.3中，负载模拟子流程执行步骤为： 

步骤1：开始； 

步骤2：上位机根据其选择的模拟负载类型，向协议转换模块发送信息； 

步骤3：协议转换模块通过485总线向模拟量输出模块和继电器输出模块发送控制命令； 

步骤4：继电器输出模块向相应的继电器发出动作命令，模拟量输出模块向相应的反并联晶闸管发送移相触发角命令，使继电器和反并联晶闸管动作投入相应模拟负载； 

步骤5：结束。 

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