CN104655990A - 一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，它包括输入进线柜，输入进线柜与升压变压器导线连接，升压变压器与高压计量表导线连接，高压计量表与第一线缆模拟装置导线连接，第一线缆模拟装置与降压变压器导线连接，降压变压器与第二线缆模拟装置导线连接，第二线缆模拟装置与低压出线柜导线连接，低压出线柜与电子负载导线连接，电子负载与隔离变压器导线连接；解决了现有技术中没有专门的节能降损能效实时监测系统，在电气设备试验中，负载往往采用RLC阻抗负载箱进行能耗放电的方式进行，测试精度低，电能浪费严重、负载难以满足不同工况连续调节能力、功率较小易造成器件老化和烧毁、热稳定性差、负载形式单一等问题。

Description

一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统

技术领域

本发明属于电子电力及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统。

背景技术

目前，对中低压配电网节能降损技术实验室的建设尚处于摸索阶段，尚未建立节能降损能效实时监测平台，无法对电气设备进行实时能效评测，即分析各种因素对电气设备耗能或节能设备节能效果的影响；同时，由于节能降损方面没有专门的技术支撑，无法为线损、无功优化、电能质量、三相不平衡、变压器经济运行、新能源接入等有关电网节能降损领域提供技术研究平台和能效评测平台，从而就无法为节能降损规范编制、入网节能设备评估检测、工程节能效果验证、节能咨询和诊断服务等工作开展提供理论和数据支撑；电气设备能效评测的关键在于监测设备在各种负荷或运行工况下的耗能效果，而通常的电气设备试验中，负载往往采用RLC阻抗负载箱进行能耗放电的方式进行，这种方法不仅测试精度低，且造成了电能的巨大浪费，并存在如下缺点：

一、负载采用有级调节，当需要阻抗值连续变化或负载形式灵活变化时，难以满足电气设备对不同工况连续调节的要求；二、功率较小，在长时间大电流试验环境下容易造成器件的老化和烧损；三、热稳定性差，当环境温度改变时，负载大小也会变化；四、负载形式单一，不能满足电气设备试验中对负荷容量、功率因数、三相不平衡度、及谐波等动态连续调节的要求；五、试验电能消耗在电阻上，造成巨大的能源浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，以解决现有技术中没有专门的节能降损能效实时监测系统，在电气设备试验中，负载往往采用RLC阻抗负载箱进行能耗放电的方式进行，这种方法不仅测试精度低，电能浪费严重、负载采用有级调节难以满足不同工况连续调节能力、功率较小易造成器件老化和烧毁、热稳定性差、负载形式单一等技术问题。

本发明技术方案：

一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，它包括输入进线柜，输入进线柜与升压变压器导线连接，升压变压器与高压计量表导线连接，高压计量表与第一线缆模拟装置导线连接，第一线缆模拟装置与降压变压器导线连接，降压变压器与第二线缆模拟装置导线连接，第二线缆模拟装置与低压出线柜导线连接，低压出线柜与电子负载导线连接，电子负载与隔离变压器导线连接。

输入进线柜包括总开关，总开关进线端连接电网进线，出线端与输入接触器的进线端连接，输入接触器的出线端与感应调压器一次绕组连接，感应调压器的二次绕组与输出接触器进线端连接。

第一线缆模拟装置包括二个以上的阻抗器串联组成，每个阻抗器的两端并联有一个阻抗接触器。

第二线缆模拟装置包括二个以上的阻抗器串联组成，每个阻抗器的两端并联有一个阻抗接触器。

所述电子负载为单相电子负载，每个单相电子负载包括负载侧换流器和能馈侧换流器，负载侧换流器和能馈侧换流器均采用拓补结构相同的单相全桥PWM电路组成，并以直流母线支撑电容为连接元件，单相电子负载的桥臂上设置有引出线。

低压出线柜包括低压计量表、电能质量检测终端和出线开关。

它还包括系统控制主站，系统控制主站分别与高压计量表、低压计量表、电能质量检测终端、第一线缆模拟装置、第二线缆模拟装置和电子负载连接。

它还包括调压器控制器，调压器控制器与感应调压器和输入接触器导线连接。

系统控制主站与电能质量检测终端通过以太网连接，系统控制主站与高压计量表通过USB/光纤转换板连接，系统控制主站与低压计量表、第一线缆模拟装置、第二线缆模拟装置和电子负载通过RS485/232转换卡连接。

它还包括电流互感器，在输入接触器进线端连接有电网电流互感器，在输出接触器进线端连接有输入电流互感器，在升压变压器进线端连接有第一能馈侧电流互感器，在低压出线柜出线端的每相输出端连接有负载侧电流互感器，在电子负载出线端连接有能馈侧电流互感器。

本发明的有益效果：

本发明建立的基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，可以模拟中低压配电网不同线路长度下的线路阻抗以及中低压电网电压波动情况，使用能馈型的电子负载模拟低压配电网中不同的负载类型，建立了配电网一次设备能效测试分析平台，可分析不同负载条件、谐波环境、三相不平衡度等对配电网一次设备能效的影响，获取各种电气设备的耗能曲线，建立电气设备试验数据库，对于新型低耗能配电设备的开发具有较好的指导和实用价值；同时本发明可用以评测各种实际应用或新型配电设备、用电设备及测量设备的能耗参数，为制定配电设备、用电设备、测量设备的准入标准，建立淘汰高耗能产品的规划、管理制度和管理办法等提供理论依据及试验数据，具有十分重要的指导意义和推广价值，本发明解决了现有技术中没有专门的节能降损能效实时监测系统，在电气设备试验中，负载往往采用RLC阻抗负载箱进行能耗放电的方式进行，这种方法不仅测试精度低，电能浪费严重、负载采用有级调节难以满足不同工况连续调节能力、功率较小易造成器件老化和烧毁、热稳定性差、负载形式单一等技术问题。

附图说明：

图1为本发明结构系统构成示意图；

图2为本发明通讯方式结构示意图；

图3为本发明第一线缆模拟装置结构示意图；

图4为本发明第二线缆模拟装置结构示意图；

图5为本发明电子负载结构示意图；

图6为本发明三相四线制电子负载结构示意图。

具体实施方式：

一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，它包括（见图1）输入进线柜，输入进线柜与升压变压器导线连接，升压变压器与高压计量表导线连接，高压计量表与第一线缆模拟装置导线连接，第一线缆模拟装置与降压变压器导线连接，降压变压器与第二线缆模拟装置导线连接，第二线缆模拟装置与低压出线柜导线连接，低压出线柜与电子负载导线连接，电子负载与隔离变压器导线连接。

输入进线柜包括总开关，总开关进线端连接电网进线，出线端与输入接触器的进线端连接，输入接触器的出线端与感应调压器一次绕组连接，感应调压器的二次绕组与输出接触器进线端连接。

输出接触器的出线端连接升压变压器的一次绕组，升压变压器的二次绕组连接高压计量表的进线端，高压计量表的出线端连接第一线缆模拟装置的进线端，第一线缆模拟装置的出线端连接降压变压器的一次绕组，降压变压器的二次绕组连接第二线缆模拟装置的进线端，第二线缆模拟装置的出线端连接低压出线柜的进线端，低压出线柜内设有低压计量表、用于实时检测线路中的电气参数的电能质量检测终端，低压出线柜的出线端由出线开关分为A相、B相、C相输出，并各自连接其中一台单相电子负载的进线端，三台单相电子负载的出线端各自连接其中一台单相隔离变压器的一次绕组，三台单相隔离变压器的二次绕组一并连接到输出接触器的出线端。

它还包括系统控制主站，系统控制主站分别与高压计量表、低压计量表、电能质量检测终端、第一线缆模拟装置、第二线缆模拟装置和电子负载连接；系统控制主站接收检测数据以进行可靠性分析和能效测试，系统控制主站与电能质量检测终端通过以太网连接，系统控制主站与高压计量表通过USB/光纤转换板连接，系统控制主站与低压计量表、第一线缆模拟装置、第二线缆模拟装置和电子负载通过RS485/232转换卡连接（见图2），系统控制主站是系统控制平台，主要工作包括：（1）通过主站实现对系统地控制，监测；（2）接收系统中设备传输来的系统电气参数以进行可靠性以及系统能耗分析获取运行曲线，能耗曲线等数据，显示系统工作参数，工作状态；（3）下发系统控运行制参数；（4）设定系统工作参数，保护动作参数。

它还包括调压器控制器，调压器控制器与感应调压器和输入接触器导线连接。

它还包括电流互感器，在输入接触器进线端连接有电网电流互感器，在输出接触器进线端连接有输入电流互感器，在升压变压器进线端连接有第一能馈侧电流互感器，在低压出线柜出线端的每相输出端连接有负载侧电流互感器，在电子负载出线端连接有能馈侧电流互感器。

第一线缆模拟装置和第二线缆模拟装置由两个以上的等效阻抗不同的阻抗器依次串接而成，在每个阻抗器的两端并联连接一个阻抗接触器，通过阻抗接触器闭合断开，选择性控制将不同阻抗器接入线路中，不同的阻抗值代表不同线路长度以实现对不同线路长度的模拟。

单相电子负载采用AC-DC-AC结构，其工作结构主要包括负载侧换流器、能馈侧换流器和直流母线支撑电容，负载侧换流器主要实现将电网侧交流电整流为直流电（AC-DC）, 负载侧换流器和能馈侧换流器采用拓扑结构相同的单向全桥PWM电路，能馈侧换流器主要实现将负载侧换流器整流来的直流电逆变回馈到电网，负载侧换流器和能馈侧换流器采用背靠背结构，两个换流器之间以直流母线支撑电容为连接元件，其中，连接低压出线柜的单相全桥PWM整流电路为单相电子负载的负载侧换流器，连接单相隔离变压器的单相全桥PWM整流电路为单相电子负载的能量回馈侧换流器。

单相电子负载的桥臂上设有引出线，该引出线用于使三台单相电子负载与被测的电气设备实现单相两线制连接、三相三线制连接或三相四线制连接。

在工作时，总开关闭合，通过系统控制主站设置第一线缆模拟装置和第二线缆模拟装置所要模拟的中低压配电网的线缆长度，然后使用调压器控制器控制感应调压器的输出达到一定电压值，即可完成对中低压配电网的模拟；对于中低压配电网的电压波动情况，可以通过使用调压器控制器控制感应调压器的输出来实现。

通过系统控制主站控制能馈型的电子负载（单相电子负载）的工作方式，可以实现电子负载对恒电流、恒功率、恒阻抗三种负载的模拟，在模拟恒电流负载时，本实施例可以对电流在小于等于280A，280A为设备最大工作电流，额定电流为145A，通常设定的过流保护电流为160A的范围、功率因数在0至1的范围实现连续可调；在模拟恒功率负载时，可以实现对负载有功功率和无功功率的单独设置、模拟，并实现单相0~64kVA范围的负载模拟；在模拟恒阻抗负载时，可以实现对电阻阻值、感性阻抗、容性阻抗的单独设置、模拟。任意工况下，本发明的基于能量反馈的中低压配电网模拟系统的馈网功率因数均在0.98以上；馈网电流谐波总畸变率(THD)小于5%；模拟额定功率纯阻负荷时，效率大于92%。

本发明对电气设备进行测试时，只需在工作前将被测的电气设备与低压出线柜的出线开关连接，然后通过系统控制主站设置系统工作参数即可对该电气设备进行测试，测试完毕后，系统控制主站即可完成对待测设备的可靠性分析以及能效测试，并且可靠性分析和能效测试准确，精度高。

本发明在运行过程中涉及单相电子负载、高压计量表、低压计量表、电能质量检测终端、第一线缆模拟装置和第二线缆模拟装置与系统控制主站之间的数据通信，本发明采用大规模并行通信处理技术，确保了数据采集的时效性、准确性以及控制命令的精确执行。具体地，本发明中同时采用多协议（包括Modbus、645、376等通讯协议）、多通讯方式融合技术（包括232、485和TCP/IP等通讯方式），并系统有效地对多协议、多通讯方式进行了整合，在互不干扰的情况下能够准确、稳定的采集和保存测试数据，其中系统控制主站采用以太网卡与电能质量检测终端进行数据通信，使用RS232扩展板连接RS485/232转化卡分别与单相电子负载、低压计量表、第一线缆模拟装置和第二线缆模拟装置进行数据通信，使用光纤/USB与高压计量表进行通信。

本发明的硬件电路可以由人机交互界面、DSP控制器、系统控制主站、显示通信电路和主电路等部分组成，主电路直接承担电能的变换；DSP控制器以TMS320F28335为控制核心，主要包括：CPU及其外围电路、信号采样与调理电路、驱动电路和保护电路；其中，信号采样与调理单元主要完成强弱电隔离，电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足DSP控制器对各路信号电平范围和信号质量的要求。人机交互界面可采用嵌入式一体化触摸屏。

在本实施例中，第一线缆模拟装置（见图3）共有0.5km、1.5km、3km、5km四种不同类型的等效阻抗，并通过各个阻抗接触器（KM1-KM5）在不同的闭合和断开状态下，组合而成16种工作方式，从而可以模拟不同长度的10kV线缆；设计时，模拟线缆选择为10kV的50mm²铝芯三芯交联聚乙烯绝缘电力电缆，其单位公里电阻为0.641Ω，单位公里电抗为0.1196Ω。

本实施例中（见图4），第二线缆模拟装置每回线路有50m、100m、100m三段等效阻抗，通过选择每段上的阻抗接触器(KM10-KM70)的工作状态，形成不同的等效阻抗组合方式，与第一线缆模拟装置类似，可以模拟不同长度的400V线缆；设计时，模拟线缆选择为400V的120mm²铜线，其正负序电阻为0.008Ω/50m、正负序电抗为0.0035Ω/50m、零序电阻为0.01Ω/50m、零序电抗为0.005Ω/50m。

参见图5，对于单相电子负载，采用单相全桥PWM（Voltage Source Rectifer，简称VSR）作为单相电子负载的电力负载侧的模拟换流器与并网换流器，通过直流母线支撑电容连接单相电子负载的能量回馈侧，形成背靠背式的主电路拓扑结构，其单相电子负载的电路如图5,图中，                                                为电子负载侧换流器的主开关器件，作为电子负载侧的输入电感；作为能量回馈侧的换流器的主开关器件，作为能量回馈侧换流器的输出电感；为直流母线支撑电容。在电子负载侧工作时，直流母线电压恒定，输入、输出功率在此进行交换并达到平衡。能量回馈侧设置了换流器隔离变压器IT1，确保电子负载侧与电网电气隔离，一方面为3台单相电子负载构成的三相四线制接线模式在一次侧提供回路通道，另一方面也可避免因为被试电源为非隔离电源可能造成的电气短路情况。

参见图6，本发明采用单相全桥结构作为电子负载的电路拓扑的原因在于，将电子负载的换流器进行适当变换和联接同样可以适用于配电网电气设备的单相、三相对称及不对称负载的测试，且不受被试电源连线类型的影响，可以适用于单相两线、三相三线制或三相四线制等多种应用场合，三相相互独立，方便进行三相不平衡实验，具体连线图如图6所示，对应三相三线制接线模式，一台单相电子负载为一相，一相一个点，三台设备连成三相，三相中性点连在一起构成，负载平衡，只需将单相电子负载一个桥臂上的引出线短接即可；而对应三相四线制系统，需要将电子负载侧换流器桥臂的引出线上的n点与被试电源中线相连，若用以模拟不平衡负荷，隔离变压器IT(1-3)的短接接头N点必须与电网中线相连，三相系统解藕成单相系统，独立控制。因此系统可以灵活进行各种平衡或不平衡负荷考核实验。本实施例为了既可以模拟三相平衡测试和三相不平衡测试，而采用三相四线制接线方式；若系统容量不足，也可以采用并联方式接于被试电源的输出端，通过系统控制主站灵活进行系统满载实验或各种动态实验。

系统控制主站第一能完成对系统通讯模块设置、显示面板配置、实时监测、数据处理、系统管理、系统设置等操作,运行时，系统控制主站接受来自高压计量表、低压计量表、电能质量检测终端以及系统CPU的数据，即系统不同部位的电气参数，如电压，电流，相位，功率等，从而实时显示系统工作状态信息，同时可以向系统CPU发送系统控制指令，控制系统的工作状态。同时，系统控制主站为配电网一次设备能效测试分析平台，分析在不同负载条件、谐波环境、三相不平衡度对配电网一次设备能效的影响，获取各种用电设备的耗能曲线，建立设备试验数据库。

本发明提供了通过设置第一线缆模拟装置和第二线缆模拟装置，可以模拟中低压配电网不同线路长度下的线路阻抗，使用调压器控制器控制感应调压器的输出，还可以模拟中低压电网电压波动情况，并使用能馈型的电子负载模拟低压配电网中不同的负载类型，建立了配电网一次设备能效测试分析平台，可分析不同负载条件、谐波环境、三相不平衡度等对配电网一次设备能效的影响，获取各种电气设备的耗能曲线，建立电气设备试验数据库，对于新型低耗能配电设备的开发具有较好的指导和实用价值。

Claims (10)

1.一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，它包括输入进线柜，其特征在于：输入进线柜与升压变压器导线连接，升压变压器与高压计量表导线连接，高压计量表与第一线缆模拟装置导线连接，第一线缆模拟装置与降压变压器导线连接，降压变压器与第二线缆模拟装置导线连接，第二线缆模拟装置与低压出线柜导线连接，低压出线柜与电子负载导线连接，电子负载与隔离变压器导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：输入进线柜包括总开关，总开关进线端连接电网进线，出线端与输入接触器的进线端连接，输入接触器的出线端与感应调压器一次绕组连接，感应调压器的二次绕组与输出接触器进线端连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：第一线缆模拟装置包括二个以上的阻抗器串联组成，每个阻抗器的两端并联有一个阻抗接触器。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：第二线缆模拟装置包括二个以上的阻抗器串联组成，每个阻抗器的两端并联有一个阻抗接触器。

5.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：所述电子负载为单相电子负载，每个单相电子负载包括负载侧换流器和能馈侧换流器，负载侧换流器和能馈侧换流器均采用拓补结构相同的单相全桥PWM电路组成，并以直流母线支撑电容为连接元件，单相电子负载的桥臂上设置有引出线。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：低压出线柜包括低压计量表、电能质量检测终端和出线开关。

7.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：它还包括系统控制主站，系统控制主站分别与高压计量表、低压计量表、电能质量检测终端、第一线缆模拟装置、第二线缆模拟装置和电子负载连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：它还包括调压器控制器，调压器控制器与感应调压器和输入接触器导线连接。

9.根据权利要求7所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：系统控制主站与电能质量检测终端通过以太网连接，系统控制主站与高压计量表通过USB/光纤转换板连接，系统控制主站与低压计量表、第一线缆模拟装置、第二线缆模拟装置和电子负载通过RS485/232转换卡连接。

10.根据权利要求1所述的一种基于能量反馈的中低压配电网模拟系统，其特征在于：它还包括电流互感器，在输入接触器进线端连接有电网电流互感器，在输出接触器进线端连接有输入电流互感器，在升压变压器进线端连接有第一能馈侧电流互感器，在低压出线柜出线端的每相输出端连接有负载侧电流互感器，在电子负载出线端连接有能馈侧电流互感器。