CN107645167A - 一种安全免维护集成电力电容补偿模块及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了额一种安全免维护集成电力电容补偿模块及控制方法，所述电力电容补偿模块设有箱型外壳，其顶部设有壳体盖板，其特征在于：所述箱型外壳的壳腔内安装有线路板，并设有电容仓体，所述电容仓体位于线路板的下方，通过隔离绝缘层与线路板分隔，所述线路板包括控制模块、无线模块、投切开关、供电模块、数据采集模块等。本发明电力电容补偿模块简单免维护且安全可靠，通过本发明控制方法可以保障同系统内无功补偿控制器和电力电容补偿模块在无线通信中的正确识别，以降低配电网络安装调试、运行维护所需的人工工时和运行成本。

Description

一种安全免维护集成电力电容补偿模块及控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体为一种安全免维护集成电力电容补偿模块及控制方法。

背景技术

电力电容器是电力系统无功补偿必须使用的电路元件，在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。因此，为减少电力输送中的损耗，提高电力输送的容量和质量，必须进行无功功率的补偿。而现有的电力电容器安装接线一般都比较复杂，后期维护不方便，对电容内部运行情况无法监测。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种安全免维护集成电力电容补偿模块，可以改善现有技术的不足。

本发明公开的技术方案为：

一种安全免维护集成电力电容补偿模块，设有箱型外壳，其顶部设有壳体盖板，其特征在于：

所述箱型外壳的壳腔内安装有线路板，并设有电容仓体，所述电容仓体位于线路板的下方，通过隔离绝缘层与线路板分隔；

所述线路板包括：

a、控制模块，包括主控芯片和投切开关驱动电路；

b、无线模块，与主控芯片连接，用于主控芯片与外部设备的通信；

c、投切开关，其进线端与内部熔丝的一端连接，出线端与电容仓体内的电容芯体连接，所述内部熔丝的另一端通过导线与所述电源接线端子连接；

d、供电模块，与所述内部熔丝连接，向线路板上的用电元器件供电；

e、数据采集模块，与所述控制模块的主控芯片连接，向主控芯片发送传感器采集的信号，所述传感器包括监测投切开关的电压、电流传感器以及监测电容仓体温、湿度的传感器；

所述壳体盖板上设置有电源接线端子、指示接口和天线，所述电源接线端子与电源线连接，所述指示接口的信号输入端与所述控制模块连接，信号输出端与信息指示设备连接，所述天线与无线模块连接。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述隔离绝缘层优选采用环氧树脂或黑胶材料等固体填充剂制成。

针对投切开关设有电压过零检测电路和电流过零检测电路，所述投切开关具有过零投切功能。

所述电压过零检测电路设有光耦开关电路Q、第一限流电阻、二极管J与上拉电阻，光耦开关电路Q的正输入端、负输入端分别与投切开关的两端连接，光耦开关电路Q正输出端与主控芯片的信号输入端连接，负输出端连接于参考地；所述第一限流电阻串接在光耦开关电路Q正输入端与投切开关的连接电路上；所述二极管J并接在投切开关与光耦开关电路Q之间，其负极一端接在第一限流电阻与光耦开关电路Q正输入端的连接电路上，其正极一端接在光耦开关电路Q负输入端与投切开关的连接电路上；所述上拉电阻的一端与光耦开关电路Q的正输入端连接，另一端接正电压电源端VCC。

所述电流过零检测电路包括电压比较器和测量投切开关上电流信号的电流互感器，所述电流互感器的正输出端连接电压比较器的同相输入端，电流互感器的负输出端和电压比较器的反相输入端均连接参考地；所述电压比较器的输出端通过升压电路与所述主控芯片的信号输入端连接，所述升压电路用于将电压比较器输出的电压信号转变为正电压信号后传输给不能接收负电压信号的主控芯片。

所述升压电路设有升压电阻和第二限流电阻，所述第二限流电阻串接在电压比较器输入端与主控芯片信号输入端之间，所述升压电阻的一端与电源端VCC连接，另一端接在第二限流电阻与主控芯片信号输入端之间。

一种配电网络无功补偿控制方法，所述配电网络设有多个无功补偿系统，所述无功补偿系统包含一无功补偿控制器和若干如上所述的低压电力电容补偿模块，所述控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对各无功补偿系统的无功补偿控制器分别设置唯一识别码，使无功补偿控制器发出的侦测报文、广播报文、查询报文均包含与其对应的唯一识别码；

启动设定的无功补偿控制器，通过其无线模块向外发出包含其唯一识别码的侦测报文；

设置电力电容补偿模块获取侦测报文后，分析并记录该侦测报文的信号强度，使信号强度强的报文覆盖信号强度弱的报文，从而筛选得到该电力电容补偿模块获取的最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码；

所述设定的无功补偿控制器向外发出获取电力电容补偿模块地址码的广播报文；

设置电力电容补偿模块获取广播报文后，分析该广播报文包含的唯一识别码是否与最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码一致，一致就响应该广播报文，通过无线模块向外发出包含其地址码和该唯一识别码的报文；不一致，则不响应；

当无功补偿控制器接收到电力电容补偿模块包含地址码的报文后，分析该报文中的唯一识别码与其唯一识别码是否一致，一致就向该地址码对应的电力电容补偿模块发送查询报文，获取该电力电容补偿模块的运行情况或对该电力电容补偿模块发送投退控制命令；不一致，则不响应；

设置电力电容补偿模块获取查询报文后，分析该查询报文包含的唯一识别码是否与最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码一致，一致就响应该查询报文；不一致，则不响应。

有益效果：

1）本发明电力电容补偿模块，将电容芯体、投切开关以及控制电路有效的集成在一起，现场只需接入电源线，无需其它任何操作，安装简单免维护，可减少故障率；

2）本发明电力电容补偿模块通过对温湿度和电流等情况的实时监控，并结合设置了熔丝的内部结构设计，可保障在异常情况发生时能及时断开电源，避免事故的产生，安全性能高；所述电压/电流过零检测电路具有良好的准确性，为投切控制提供可靠控制依据；

3）本发明电力电容补偿模块通过无线通信的方式与外部设备通信连接，完成投退控制，使配电柜内部结构更加整洁，可降低配电网络安装调试、运行维护的人工工时和运行成本，且本发明控制方法可以保障同系统内无功补偿控制器和电力电容补偿模块在无线通信中的正确识别。

附图说明

图1为本发明电力电容补偿模块的结构示意图；

图2为电压过零检测电路的结构示意图；

图3为电压过零检测电路输入端、输出端的电压波形示意图；

图4为电流过零检测电路的结构示意图；

图5为电流过零检测电路输入端、输出端的电流波形示意图；

图6为配电网络无功补偿系统的示意图；

图7为无功补偿控制器的工作流程图；

图8为电力电容补偿模块线路板的结构示意图；

图9为电力电容补偿模块的工作流程图。

具体实施方式

为了清楚的说明本发明的技术方案和技术原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的解释。

如图1所示的一种安全免维护集成电力电容补偿模块，设有箱型外壳16，其顶部设有壳体盖板1，所述壳体盖板1上安装有电源接线端子2、指示接口3和天线4，所述电源接线端子2与交流电源的三相线UA、UB、UC连接，所述指示接口3的信号输入端与线路板的控制模块连接，信号输出端与外部的信息指示设备连接，如电源指示灯、投切状态指示灯等。

所述线路板12安装在所述箱型外壳16的壳腔内，所述箱体外壳16的下部设有电容仓体14，电容仓体内安装有电容芯体组。所述电容仓体14设置在线路板12的下方，二者通过隔离绝缘层13分隔，保障线路板的可靠运行，所述隔离绝缘层13可由环氧树脂或黑胶等固体填充剂制成。

所述线路板12由控制模块8、无线模块11、投切开关10、供电模块9、数据采集模块7、内部熔丝6等组成。

所述控制模块8，包括主控芯片和投切开关驱动电路。控制模块8可根据电网负荷情况以及电容器的运行情况给投切开关10提供分合闸信号，确保补偿的精准以及电容器的安全运行。

所述无线模块11与主控芯片、所述天线4分别连接，用于主控芯片与无功补偿控制器的通信。

所述内部熔丝6通过导线与所述电源接线端子2连接，当电容芯体发生极端不可恢复异常时，及时熔断，切出电源，防止发生二次事故。

所述投切开关10的进线端与内部熔丝6连接，出线端与电容仓体14内的电容芯体连接，其触发接点与所述投切开关驱动电路连接。

所述供电模块9的输入端与所述内部熔丝6连接，将交流电源转换为直流电源，给投切开关10的驱动线圈以及线路板上的其它用电元器件提供工作电源，

所述数据采集模块7与主控芯片连接，向主控芯片发送传感器采集的信号，为控制模块8提供控制所需的电网负荷运行情况。所述传感器包括监测投切开关电压和电流的传感器、串接在连接内部熔丝6导线上的电流传感器、监测电容仓体14温、湿度的传感器15。

所述投切开关可以为复合开关或磁保持继电器，所述投切开关具有过零投切功能，在投切开关两端电压过零点处投入，在流过投切开关的电流过零点处切除，过零投切功能的关键在于电压过零检测电路与电流过零检测电路的准确性。

本实施例中，针对接入投切开关的三相交流电的A、B、C相线，设有三个投切开关、三个电流互感器、三路相同的电压过零检测电路和电流过零检测电路。

如图2所示，以其中一路电压过零检测电路为例：

K1A、K1B分别为连接投切开关进线端、出线端的连接点，K1A连接于第一限流电阻R1的一端，第一限流电阻R1的另一端分别连接与二极管J1的负端、光耦开关电路Q1的正输入端连接。二极管J1的正端与光耦开关电路Q1的负输入端均连接于K1B。光耦开关电路Q1的正输出端连接上拉电阻R4的一端，同时也连接于主控芯片的输入口线MC1。上拉电阻R4的另一端连接于正电压电源端VCC，光耦开关电路Q1的负输出端则连接于参考地VSS。

上拉电阻R4为电压过零检测电路提供检测参考电压信号，第一限流电阻R1限制流过二极管J1和光耦开关电路Q1的电流的大小，从而保护二极管J1和光耦开关电路Q1。当K1A端的电压大于K1B的电压时，电流从光耦开关电路Q1流过，光耦导通MC1产生低电平。当K1A端的电压不大于K1B的电压时，电流从二极管J1流过，光耦截止MC1产生高电平。MC1的上升沿或下降沿即为两端电压的过零点，MC1侧输出波形随K1A、K1B的变化如图3所示。

如图4所示，以其中一路过零检测电路为例：

Iain为与电流互感器正端连接的连接点，同时Iain连接于电压比较器U1A的正输入端，参考地VSS连接于电流互感器的负端，同时连接于电压比较器U1A的负输入端。电压比较器U1A的正电压电源端为VCC，负电压电源端为-5V，此时电压比较器U1A输出端输出的波形为-5V到5V的方波信号，但由于主控芯片不能输入负信号，就需要将电压抬升。第二限流电阻R7串接在电压比较器U1A的负输出端与升压电路输出端IAQ之间，升压电阻R8一端连接在第二限流电阻R7与IAQ的接线上，另一端连接于电源端VCC。所述IAQ连接于主控芯片的输入口线，用于检测电流过零信号。

经过升压电阻R8的作用，电压比较器U1A的输出端的电压被抬升到0-10V，同时由于限流电阻R7与升压电阻R8的串联分压的作用，此处选择第二限流电阻R7与升压电阻R8的电阻值相等，IAQ的波形被转换成适合主控芯片采集的0到5V的方波信号。IAQ波形的上升沿或下降沿即为电流的过零点，IAQ的输出波形随Iain的变化如5所示。

所述无线模块11可以采用CC1101芯片，根据接收到指令的信号强度来识别是否在本机的有效范围之内，信号强度在设定的范围内就相互进行数据交换，实现智能式电力电容补偿模块之间的自组网或与无功补偿控制器之间的连接，从而构建无功补偿系统。常规通信采用RS485通信，电容器之间采用有线的连接方式，接线比较繁琐，连接对可靠性要求高，容易出现接触不良、预留接线长度不足等情况。采用无线通信方式可使配电柜更加整洁，用户安装调试、运行维护上减少人工工时。如图6所示，无线通信的难点在于同一个配电网络中可能存在多个无功补偿系统，一般使用不同的无线频段来实现不同的系统，这就要建立在现场可以设定不同频道的前提下才能实现，此时就需要包括显示模块和输入模块的人机交互装置，此必带来成本的上升，并需要专业人员的维护。

本实施例中，所述电力电容补偿模块没有设置人机交互模块，这时就需要解决在同一无线频段中如何实现不同系统的电力电容补偿模块与无功补偿控制器的相互识别，一旦不同系统的电力电容补偿模块识别出错，可能会引起配电系统的无功容量的过补或欠补情况，出现无功电量超标罚款。因此，在同一无线频段中，电力电容补偿模块与对应系统的无功补偿控制器的相互正确识别至关重要。

为解决相同无线频段不同系统的无线组网问题，本发明提出的方案如下。

一种配电网络无功补偿控制方法，所述配电网络设有多个无功补偿系统，所述无功补偿系统包含一无功补偿控制器和若干如上所述的电力电容补偿模块，所述控制方法，包括以下步骤：

对各无功补偿系统的无功补偿控制器分别设置唯一识别码，使无功补偿控制器发出的侦测报文、广播报文、查询报文均包含与其对应的唯一识别码；

启动设定的无功补偿控制器，通过无线模块向外发出包含其唯一识别码的侦测报文；

设置电力电容补偿模块获取侦测报文后，分析并记录该侦测报文的信号强度，使信号强度强的报文覆盖信号强度弱的报文，从而筛选得到该电力电容补偿模块获取的最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码；

所述设定的无功补偿控制器向外发出获取电力电容补偿模块地址码的广播报文；

设置电力电容补偿模块获取广播报文后，分析该广播报文包含的唯一识别码是否与最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码一致，一致就响应该广播报文，通过无线模块向外发出包含其地址码和该唯一识别码的报文；不一致，则不响应；

当所述设定的无功补偿控制器接收到电力电容补偿模块包含地址码的报文后，分析该报文中的唯一识别码与其唯一识别码是否一致，一致就向该地址码对应的电力电容补偿模块发送查询报文，获取该电力电容补偿模块的运行情况或对该电力电容补偿模块发送投退控制命令；不一致，则不响应；

设置电力电容补偿模块获取查询报文后，分析该查询报文包含的唯一识别码是否与最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码一致，一致就响应该查询报文；不一致，则不响应。

上述控制方法中，无功补偿控制器及电力电容补偿模块的运行流程图如7、图8所示。无功补偿控制器内部包含唯一的识别码，发送报文包括侦测报文、广播报文以及查询报文三种，每种报文协议中均包含无功补偿控制器的唯一识别码，电力电容补偿模块的响应报文中也包含有此唯一的识别码。广播报文用来获取不同电力电容补偿模块中的地址码，查询报文是根据每一个广播报文获取的电力电容补偿模块的地址码来获取不同电容器的工作运行情况以及实现对该台电力电容补偿模块的投退控制。电力电容补偿模块开机启动后就进入等待接收无线报文状态，由于处于一个系统内的电力电容补偿模块与无功控制器相对于其它系统均处于相对近的位置，无线信号会随着传输距离的长度变长信号会变弱，因此，通过识别接收信号强度RSSI，电力电容补偿模块可以确定所在系统无功控制器的位置。由于广播报文与查询报文等具有实际的作用会引起系统的混乱，因此需要增加一帧只带有无功控制器唯一识别码并且电力电容补偿模块无需响应的侦测报文。电力电容补偿模块接收到侦测报文后，只需将获取的信号强度RSSI与以往记录的信号强度做比较，如果信号更强，就记录下此时的无功控制器的唯一识别码。当接收到广播报文、查询报文时，先判断所获取的报文中的无功控制器的唯一识别码与本台电力电容补偿模块记录的信号强度最强的无功控制器唯一识别码是否一致，一致就响应包含此无功控制器唯一识别码的报文，如果不相同，就不做任何处理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种安全免维护集成电力电容补偿模块，设有箱型外壳（16），其顶部设有壳体盖板（1），其特征在于：

所述箱型外壳（16）的壳腔内安装有线路板（12），并设有电容仓体（14），所述电容仓体（14）位于线路板（12）的下方，通过隔离绝缘层（13）与线路板（12）分隔；

所述线路板（12）包括：

a、控制模块（8），包括主控芯片和投切开关驱动电路；

b、无线模块（11），与主控芯片连接，用于主控芯片与外部设备的通信；

c、投切开关（10），其进线端与内部熔丝（6）的一端连接，出线端与电容仓体（14）内的电容芯体连接，所述内部熔丝（6）的另一端通过导线与所述电源接线端子（2）连接；

d、供电模块（9），与所述内部熔丝（6）连接，向线路板上的用电元器件供电；

e、数据采集模块（7），与所述主控芯片连接，向主控芯片发送传感器采集的信号，所述传感器包括监测投切开关电压、电流的传感器以及监测电容仓体（14）温、湿度的传感器；

所述壳体盖板（1）上设置有电源接线端子（2）、指示接口（3）和天线（4），所述电源接线端子（2）与电源线连接，所述指示接口（3）的信号输入端与所述控制模块连接，信号输出端与信息指示设备连接，所述天线（4）与无线模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种安全免维护集成电力电容补偿模块，其特征在于：

所述隔离绝缘层（13）由环氧树脂或黑胶材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种安全免维护集成电力电容补偿模块，其特征在于，针对投切开关设有电压过零检测电路和电流过零检测电路，所述投切开关具有过零投切功能；

所述电压过零检测电路设有光耦开关电路Q、第一限流电阻、二极管J与上拉电阻，光耦开关电路Q的正输入端、负输入端分别与投切开关的两端连接，光耦开关电路的正输出端与主控芯片的信号输入端连接，其负输出端连接于参考地；所述第一限流电阻串接在光耦开关电路Q正输入端与投切开关的连接电路上；所述二极管J并接在投切开关与光耦开关电路Q之间，其负极一端接在第一限流电阻与光耦开关电路Q正输入端的连接电路上，其正极一端接在光耦开关电路Q负输入端与投切开关的连接电路上；所述上拉电阻的一端与光耦开关电路Q的正输入端连接，另一端接正电压电源端VCC。

4.根据权利要求3所述的一种安全免维护集成电力电容补偿模块，其特征在于：

所述电流过零检测电路包括电压比较器和测量投切开关上电流信号的电流互感器，所述电流互感器的正输出端连接电压比较器的同相输入端，电流互感器的负输出端和电压比较器的反相输入端均连接参考地；所述电压比较器的输出端通过升压电路与所述主控芯片的信号输入端连接，所述升压电路用于将电压比较器输出的电压信号转变为正电压信号后传输给不能接收负电压信号的主控芯片；

所述升压电路包括升压电阻和第二限流电阻，所述第二限流电阻串接在电压比较器输入端与主控芯片信号输入端之间，所述升压电阻的一端与电源端VCC连接，另一端接在第二限流电阻与主控芯片信号输入端之间。

5.一种配电网络无功补偿控制方法，所述配电网络设有多个无功补偿系统，所述无功补偿系统包含一无功补偿控制器和若干如权1-4中任一项所述电力电容补偿模块，所述控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对各无功补偿系统的无功补偿控制器分别设置唯一识别码，使无功补偿控制器发出的侦测报文、广播报文、查询报文均包含与其对应的唯一识别码；

启动设定的无功补偿控制器，通过无线模块向外发出包含其唯一识别码的侦测报文；

设置电力电容补偿模块获取侦测报文后，分析并记录该侦测报文的信号强度，使信号强度强的报文覆盖信号强度弱的报文，从而筛选得到该电力电容补偿模块获取的最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码；

所述设定的无功补偿控制器向外发出获取电力电容补偿模块地址码的广播报文；

设置电力电容补偿模块获取广播报文后，分析该广播报文包含的唯一识别码是否与最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码一致，一致就响应该广播报文，通过无线模块向外发出包含其地址码和该唯一识别码的报文；不一致，则不响应；

当所述设定的无功补偿控制器接收到电力电容补偿模块包含地址码的报文后，分析该报文中的唯一识别码与其唯一识别码是否一致，一致就向该地址码对应的电力电容补偿模块发送查询报文，获取该地址电力电容补偿模块的运行情况或对该电力电容补偿模块发送投退控制命令；不一致，则不响应。

设置电力电容补偿模块获取查询报文后，分析该查询报文包含的唯一识别码是否与最强信号来源的无功补偿控制器的唯一识别码一致，一致就响应该查询报文；不一致，则不响应。