CN114825645A - 一种基于新型线缆的供配电网络控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于新型线缆的供配电网络控制系统，包括供电设备（1）、储能式补偿设备（2）、智能传输电缆（3）、用户端接口（4）、供电端接口（5）、用电设备监视模块（6）以及延时控制装置（7）；本发明的供配电网络控制系统，不仅能够实现配电的前瞻化、重点化、抗干扰化管理，本发明的系统还可以将重点用电设备的信息通过即时、抗干扰的方式传送至供电设备，保证供电网络的平稳运行。

Description

一种基于新型线缆的供配电网络控制系统
技术领域
本发明属于供配电系统领域，具体涉及一种基于新型线缆的供配电网络控制系统。
背景技术
传统意义的供配电系统一般由：高低压配电线路，变电站(包括配电站）和用电设备组成。高低压配电线路用于从降压变电站把电力送到配电变压器或将配电变电站的电力送到用电单位的线路。配电线路电压通常不低于4 kV，称高压配电线路。变电站用于对电力系统中的电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所。在发电厂内的变电站是升压变电站，其作用是将发电机发出的电能升压后馈送到高压电网中。变电站内的电气设备分为一次设备和二次设备。一次设备指直接生产、输送、分配和使用电能的设备，二次设备是指对一次设备和系统的运行工况进行测量、监视、控制和保护的设备。用电设备按用途可分为动力用电设备、工艺用电设备、电热用电设备、实验用电设备和照明用电设备等。
但是，随着人工智能的发展，传统的配电网络越来越难以适应新时代配电的要求，随着大型船舶供电系统、大型局域供电系统等需求的日益旺盛，智能化、适应性强的配电系统的要求日益强烈。
而且，随着新能源领域的发展，太阳能、水力发电等发电设备占比越来越高，而这些发电设备带来的问题是发电功率不稳定，发电功率控制不便，无法即时性地依据用电量进行供电量的增加和减少，导致供电网络的稳定性受到较大影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种新型配电系统，不仅能够实现配电管理的前瞻化、抗干扰化。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于新型线缆的供配电网络控制系统，包括：供电设备、储能式补偿设备、智能传输电缆、用户端接口、供电端接口、用电设备监视模块以及延时控制装置，所述供电设备与各个目标用电设备通过所述智能传输电缆进行电力和通信传输，所述用户端接口安装在目标用电设备一侧与所述智能传输电缆的一端对接，所述供电端接口安装在所述供电设备一侧与所述智能传输电缆的另一端对接，所述智能传输电缆包括电力传输缆和光纤传输线，每个所述用电设备配置一个所述用电设备监视模块，所述用电设备监视模块用于监测目标用电设备的弱电开关状态切换与强电设备状态切换之间的时间延迟，并且输送至所述延时控制装置，所述延时控制装置基于所述时间延迟是否超过预定阈值对所述目标用电设备的强电设备状态切换施加延迟，以使得所述目标用电设备的弱电开关切换与强电设备状态切换之间的时间延迟等于预定阈值或保持原值，并且所述延时控制装置控制用户端接口，使其在弱电开关状态切换之后达到所述预定阈值的时间之时，基于所述弱电开关状态切换的切换方式以第一波长或以第二波长向所述光纤传输线发出与当前强电设备的功率变化相关的入射光，所述供电端接口接收所述光纤传输线传送的光信号，储能式补偿设备基于所接收到的第一波长和第二波长的光信号的强度进行供电补偿。
优选地，若目标用电设备的弱电开关状态切换引起所述强电设备的功率增加，则所述延时控制装置控制所述用户端接口以第一波长向所述光纤传输线发射激光，若目标用电设备的弱电开关状态切换引起所述强电设备的功率降低，则所述延时控制装置控制所述用户端接口以第二波长向所述光纤传输线发射激光，所述激光的强度与所述目标用电设备的功率变化幅度成正比。
优选地，所述第一波长为625~740nm，所述第二波长为492～577nm。
优选地，每个目标区域的大型供电设备通过各自的智能传输电缆汇总到一根总智能传输电缆与所述供电设备对接，对接点处设置光纤耦合器，所述光纤耦合器将来自各个大型供电设备的智能传输电缆的光纤传输线的入射光耦合至总智能传输电缆的光纤传输线。
优选地，所述用户端接口包括用户供电连接端子、用户光纤通信端子，所述用户光纤通信端子包括第一光源、第二光源、第一光纤耦合器，所述第一光源和所述第二光源的发光频率至少间隔100nm。
优选地，所述供电端接口包括供电端电连接端子、供电端光纤通信端子、第二光纤耦合器、分光器、第一光电转换模块、第二光电转换模块以及模数转换器，所述分光器设置于所述第二光纤耦合器的前端，所述第二光纤耦合器用于连接所述智能传输电缆的光纤并将所述光纤的输出光经由所述第二光纤耦合器输出至所述分光器，所述分光器将所述第二光纤耦合器输出的第一波长光和第二波长光分别引导至所述第一光电转换模块和所述第二光电转换模块，所述模数转换器用于将所述第一光电转换模块和所述第二光电转换模块输出的模拟信号转换成对应的光强信号并对第一光电转换模块和第二光电转换模块的光强信号进行差分，所述储能式补偿设备基于所述光强信号的差分结果进行供电补偿。
优选地，所述储能式补偿设备中预设光强补偿比例系数，所述储能式补偿设备基于第一光电转换模块和第二光电转换模块的光强信号与对应补偿比例系数的结合进行供电补偿。
技术效果
本发明的配电系统，不仅能够实现配电管理的前瞻化、抗干扰化，本发明的系统可以将重点目标用电设备的信息通过即时、抗干扰的方式传送至供电设备，保证供电网络的平稳运行。
附图说明
图1为本发明实施例的配电系统的结构示意图。
图2为本发明实施例的配电系统的示意性框图。
图3为本发明实施例的配电系统中使用的智能电缆进行电力和通信的结构示意图。
图4为本发明实施例中的配电系统中的智能线缆的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，本实施例的配电系统包括：供电设备1、储能式补偿设备2、智能传输电缆3、用户端接口4、供电端接口5、用电设备监视模块6、延时控制装置7。配电系统用于给多个目标用电设备8供电。
供电设备1，其并不限定是火力或水利等直接发电设备，也可以是上一级的变电站等配电设备，或者可以为蓄电设备。储能式补偿设备2并联在供电设备1的供电回路中，其由用户端接口4来控制。若储能式补偿设备2为直流储能设备并且供电回路为交流供电回路，则储能式补偿设备2与供电设备1之间可以设置逆变器9。若储能式补偿设备2与供电设备1均为直流供电设备，比如船用电源等，则省去逆变器9，供电设备与补偿设备直接并联接入电路。
供电设备1与各个目标用电设备8通过智能传输电缆3进行电力和通信传输，用户端接口4安装在目标用电设备一侧与智能传输电缆3的一端对接，供电端接口5安装在供电设备1一侧与智能传输电缆3的另一端对接，智能传输电缆3包括电力传输缆和光纤传输线，每个目标用电设备配置一个用电设备监视模块6，设置在目标用电设备的弱电开关与强电电路之间。用电设备监视模块6用于监测目标用电设备的弱电开关状态切换与强电设备状态切换之间的时间延迟，并且输送至延时控制装置7。在一种实现方式中，用电设备监视模块6包括设置于弱电控制电路中的第一电流传感器和设置于强电回路中的第二电流传感器，用电设备监视模块6基于第一电流传感器和第二电流传感器之间的时间差确定弱电开关状态切换与强电设备状态切换之间的时间延迟。
每个用电设备监视模块6安装在每个大型的目标用电设备一侧，其设置在目标用电设备的启动控制开关与目标用电设备的用电单元之间。初始时，基于目标用电设备的控制开关类型，进行控制延时测定，考虑到电场传输速度远高于机械开关的动作速度，这里将其传输时间忽略。对于大型设备而言，基本都是采用弱电回路控制强电回路来进行的设备控制，因此，在弱电回路进行开关触发与强电回路的设备运行之间存在一个延时，这个延时很短，但是却可以人为控制。本发明就是充分利用该延时来有效地进行供电网路的补偿控制。
为了保障设备的稳定性，考虑到各种设备的动作延时存在差异，需要对各设备的延时情况进行测定。比如，对于任意一个开关，可以在开关弱电回路接收第一触发信号，在设备的强电回路引出第二触发信号，基于强弱电信号之间的时间差来确定设备启动延时。对于每一个接入网络的超过用电阈值的大型设备，测量其驱动开关到设备导通的延迟时间∆1，并且将该延迟时间存储在每个供电设备对应的延时控制装置7中。
延时控制装置7基于接入网络的各个设备的延迟时间情况，确定总体延迟时间∆2，使得总体延迟时间大于等于所有大型的目标用电设备，或者大于等于80-90%的大型设备用电量对应的设备。优选地，若各个目标用电设备对于功率变化的响应速度要求不高或者各个目标用电设备的总体延迟时间大体相当，则可以将总体延迟时间∆2设置为大于等于具有最大延迟时间的大型设备的延迟时间∆1。对于设备导通的延迟时间∆1小于等于总体延迟时间∆2的目标用电设备，则对其弱电回路进行少许改造，通过延时控制装置7在弱电回路中增加延时组件，比如在弱电回路的控制电路中增加延时器，使得弱电回路延迟导通，即使得弱电回路的控制按钮摁下之后的预定延时之后，弱电回路再行导通，使得弱电-强电的导通整体延时等于总体延迟时间∆2。
具体而言，延时控制装置7基于时间延迟是否超过第一预定阈值（总体延迟时间∆2）对目标用电设备的强电设备状态切换施加延迟，以使得目标用电设备的弱电开关切换与强电设备状态切换之间的时间延迟等于一个相对统一的值——总体延迟时间∆2（可以为阈值或者若其自身延迟最大，则为其本身），这里称为第一预定阈值（这样做的目的是为了保证各个目标用电设备之间从弱电切换到强电切换之间的延迟基本相同，以便对供电设备的补偿进行综合控制），比如，0.2-0.3s。
但是，由于对弱电电路的检测几乎是即时性的，而从用户端接口4发出信号到供电设备的补偿执行是具有一个时间差的。因此，延时控制装置7控制用户端接口4，使其在弱电开关状态切换之后达到第二预定阈值的时间之时，基于弱电开关状态切换的切换方式以第一波长或以第二波长（第一波段或第二波段）向光纤传输线发出与当前强电设备的功率变化相关的入射光，供电端接口5接收光纤传输线传送的光信号，储能式补偿设备2基于所接收到的第一波长和第二波长的光信号的强度进行供电补偿。若目标用电设备的弱电开关状态切换引起强电设备的功率增加，则延时控制装置7控制用户端接口4以第一波长向光纤传输线发射入射光，储能式补偿设备2增加并入供电网络的大容量补偿电容/电源的数量，若目标用电设备的弱电开关状态切换引起强电设备的功率降低，则延时控制装置7控制用户端接口4以第二波长向光纤传输线发射入射光，激光的强度与目标用电设备的功率变化幅度成正比，储能式补偿设备2减少并入供电网络的大容量补偿电容/电源的数量。
根据控制逻辑，第一预定阈值-第二预定阈值=补偿响应延时。其中，补偿响应延时指的是从用户端接口4发出光信号到补偿电路能够实现补偿二者之间的响应时间。若补偿响应延时较大，则可以适当增加第一预定阈值，即增加设备的共有相应延迟。对于需要急停或者开启时间延迟会带来作业危险的大型设备，则排除在延迟补偿控制的范围之外，以免带来作业危险。
用户端接口4包括用户供电连接端子4.1、用户光纤通信端子4.2，用户光纤通信端子4.2包括第一光源4.3、第二光源4.4、光纤耦合器4.5，第一光源和第二光源的发光频率至少间隔100nm，在一种实现方式中，第一光源为红光光源、第二光源为蓝光光源。第一光源和第二光源发出的光送入光纤耦合器4.5中用于向供电设备端进行传输。优选地，第一波长为625~740nm，第二波长为492～577nm。考虑到需要对多个设备进行监测和供电补偿，每个目标区域的大型供电设备通过各自的智能传输电缆3汇总到一根总智能传输电缆与供电设备1对接，对接点处设置光纤耦合器，光纤耦合器将来自各个大型供电设备的智能传输电缆3的光纤传输线的入射光耦合至总智能传输电缆的光纤传输线。各个光纤汇总的同波段能量会叠加，这种方式避免了以编码信号传输方式带来的干扰引起的信号传输错误问题，以光能量来表示补偿幅度。考虑到不同设备与供电设备的距离不同，可以基于光程不同以及衰减系数的不同进行光强调节。
在一种实现方式中，第一波长的发光强度可以表示为：
Figure 383282DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 362739DEST_PATH_IMAGE002
表示接入到供电设备的功率增加的N个设备 中的第i个大型的目标用电设备，
Figure 204793DEST_PATH_IMAGE003
表示设备i状态切换后的预期功率（根据功率调节幅 度——换挡幅度确定），
Figure 600003DEST_PATH_IMAGE004
表示设备i状态切换前的消耗功率，
Figure 476692DEST_PATH_IMAGE005
表示设备i所使用的光纤 单位长度的传输衰减系数（通常各个设备所使用的复合缆的衰减系数是相同的，但是若随 着使用年限的增加，衰减系数增加则需定期进行系数校验），
Figure DEST_PATH_IMAGE006
设备i所使用的光纤耦合器 的耦合衰减系数，Li表示设备i所使用达到供电设备接口的复合缆的长度，和L标为衰减系数 测定的标准长度。
类似地，第二波长的光强为：
Figure 860006DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示接入到供电设备的功率降低的M个设备 中的第j个大型的目标用电设备，
Figure 189356DEST_PATH_IMAGE009
表示设备j状态切换后的预期功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示设备j状态 切换前的消耗功率，
Figure 450573DEST_PATH_IMAGE011
表示设备j所使用的光纤单位长度的传输衰减系数（通常各个设备 所使用的复合缆的衰减系数是相同的，但是若随着使用年限的增加，衰减系数增加则需定 期进行系数校验），
Figure 181769DEST_PATH_IMAGE012
设备j所使用的光纤耦合器的耦合衰减系数，Lj表示设备j所使用的达 到供电设备接口的复合缆的长度，和L标为衰减系数测定的标准长度。每次发送功率变化时， 以该光强发射一个单位标准时间的光脉冲，标准时间的长度可以基于激光类型确定，比如， 可以为几微秒。接收端则基于预定时间内的光强积分反向确定功率变化情况。优选地，不同 目标用电设备处的同一波段光源之间所发出的光不相干，即，彼此频率存在一定差异，以避 免出现干涉情况。
供电端接口包括供电端电连接端子5.1、供电端光纤通信端子5.2、光纤耦合器5.3、分光器5.4、第一光电转换模块5.5、第二光电转换模块5.6以及模数转换器。第一光电转换模块5.5和第二光电转换模块5.6的输出信号经模数转换器转换成数字信号后送入补偿控制电路，模数转换器将第一光电转换模块5.5和第二光电转换模块5.6的输出信号分别转换成数字信号，然后将第一光电转换模块5.5的输出信号减去第二光电转换模块5.6的输出信号作为补偿信号，反馈给补偿控制电路基于补偿信号控制储能式补偿设备2接入主网的补偿单元数量。在一种实现方式中，储能式补偿设备2为多个并联或者串并联组合的电容式储能网络。每个补偿单元由一个或多个大容量电容串联组合而成。若涉及到交并联转换，则储能式补偿设备2的前端设置逆变器。
分光器5.4设置于光纤耦合器的前端，光纤耦合器用于连接智能传输电缆3的光纤并将光纤的输出光经由光纤耦合器输出至分光器5.4，分光器5.4将光纤耦合器输出端第一波长光和第二波长光分别输出至第一光电转换模块5.5和第二光电转换模块5.6，模数转换器用于将第一光电转换模块5.5和第二光电转换模块5.6输出的模拟信号转换成对应的光强信号并对第一光电转换模块5.5和第二光电转换模块5.6的光强信号进行差分，储能式补偿设备2基于光强信号的差分结果进行供电补偿。
若目标用电设备的弱电开关状态切换引起强电设备的功率增加，则延时控制装置7控制用户端接口4以第一波长向光纤传输线发射激光，若目标用电设备的弱电开关状态切换引起强电设备的功率降低，则延时控制装置7控制用户端接口4以第二波长向光纤传输线发射激光，激光的强度与目标用电设备的功率变化幅度成正比。
优选地，储能式补偿设备2中预设光强补偿比例系数，储能式补偿设备2基于第一光电转换模块5.5和第二光电转换模块5.6的光强信号与对应补偿比例系数的结合进行供电补偿。优选地，设置补偿阈值，仅当所有目标用电设备的功率变化幅度超过补偿阈值时，补偿设备才启动。
智能传输电缆包括光纤信号传输线101、传输电缆103、绝缘层104、铠装层105、外包层106。更优选地，还可以设置填充层、外屏蔽层、防水层等。
本发明的智能传输电缆可以单芯或多芯，优选采用多芯电缆。本实施例中，以三芯电缆、单芯光纤为例进行描述。
传输电缆103采用三芯电缆，三芯电缆由三根缆芯组成，每根缆芯由多根铜芯压紧在一起形成，比如，每根缆芯由20-50根铜芯组成，每根缆芯外表面设置PVC材质的静电包覆膜，包覆膜外设绝缘层。单芯光纤外设内屏蔽层，可以在各个缆芯之间设置缆芯骨架结构，分别预留用于容纳各个缆芯的空间。在第一光纤信号传输线101、传输电缆103三者的外部设置防水层（图中未画出）、铠装层105和外包层106。可以在每根缆芯之外单独设置防水层，并且在多跟缆芯构成的整体外侧进一步设置外部防水层。在每根缆芯和外防水层之间填装固型条或设置缆芯骨架结构。固型条为采用环氧树脂制造的形状与芯管和外层保护套相匹配的密封条。
在一种实现方式中，储能式补偿设备2包括大容量直流蓄电设备和逆变器，逆变器接在蓄电设备前端，用于将直流电转换成与供电设备同频率的交流电。大容量直流蓄电设备包括若干并联连接的储能单元，各个储能单元独立控制。
优选地，本发明的配电系统可以应用于大型船舶等中使用的直流供电系统。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。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，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于新型线缆的供配电网络控制系统，其特征在于，包括：供电设备（1）、储能式补偿设备（2）、智能传输电缆（3）、用户端接口（4）、供电端接口（5）、用电设备监视模块（6）以及延时控制装置（7），所述供电设备（1）与各个目标用电设备通过所述智能传输电缆（3）进行电力和通信传输，所述用户端接口（4）安装在所述目标用电设备一侧并与所述智能传输电缆（3）的一端对接，所述供电端接口（5）安装在所述供电设备（1）一侧与所述智能传输电缆（3）的另一端对接，所述智能传输电缆（3）包括电力传输缆和光纤传输线，每个所述目标用电设备配置一个所述用电设备监视模块（6），所述用电设备监视模块（6）用于监测所述目标用电设备的弱电开关状态切换与强电设备状态切换之间的时间延迟，并且输送至所述延时控制装置（7），所述延时控制装置（7）基于所述时间延迟是否超过预定阈值对所述目标用电设备的强电设备状态切换施加延迟，以使得所述目标用电设备的弱电开关切换与强电设备状态切换之间的时间延迟等于第一预定阈值，并且所述延时控制装置（7）控制所述用户端接口（4），使其在弱电开关状态切换之后达到第二预定阈值的时间之时，基于所述弱电开关状态切换的切换方式以第一波长或以第二波长向所述光纤传输线发出与当前强电设备的功率变化成正比的入射光，其中，所述第二预定阈值小于所述第一预定阈值，所述供电端接口（5）接收所述光纤传输线传送的光信号，所述储能式补偿设备（2）基于所接收到的第一波长和第二波长的光信号的强度进行供电补偿。
2.根据权利要求1所述的供配电网络控制系统，其特征在于，若所述目标用电设备的弱电开关状态切换引起所述强电设备的功率增加，则所述延时控制装置（7）控制所述用户端接口（4）以第一波长向所述光纤传输线发射信号光，若所述目标用电设备的弱电开关状态切换引起所述强电设备的功率降低，则所述延时控制装置（7）控制所述用户端接口（4）以第二波长向所述光纤传输线发射信号光，第一波长和第二波长信号光的强度均与所述目标用电设备的功率变化幅度成正比，所述储能式补偿设备（2）基于所接收到的第一波长和第二波长的光信号的强度之差进行供电补偿。
3.根据权利要求1所述的供配电网络控制系统，其特征在于，所述第一波长为625～740nm，所述第二波长为492～577nm。
4.根据权利要求1所述的供配电网络控制系统，其特征在于，每个目标区域的大型供电设备通过各自的智能传输电缆（3）汇总到一根智能传输总缆与所述供电设备（1）对接，对接点处设置光纤耦合器，所述光纤耦合器将来自各个大型供电设备的智能传输电缆（3）的光纤传输线的入射光耦合至智能传输总缆的光纤传输线。
5.根据权利要求2所述的供配电网络控制系统，其特征在于，所述用户端接口（4）包括用户供电连接端子（4.1）、用户光纤通信端子（4.2），所述用户光纤通信端子（4.2）包括第一光源（4.3）、第二光源（4.4）、第一光纤耦合器（4.5），所述第一光源和所述第二光源的发光频率至少间隔100nm。
6.根据权利要求5所述的供配电网络控制系统，其特征在于，所述供电端接口（5）包括供电端电连接端子（5.1）、供电端光纤通信端子（5.2）、第二光纤耦合器（5.3）、分光器（5.4）、第一光电转换模块（5.5）、第二光电转换模块（5.6）以及模数转换器，所述分光器（5.4）设置于所述第二光纤耦合器的前端，所述第二光纤耦合器用于连接所述智能传输电缆（3）的光纤并将所述光纤的输出光经由所述第二光纤耦合器输出至所述分光器（5.4），所述分光器（5.4）将所述第二光纤耦合器输出的第一波长光和第二波长光分别引导至所述第一光电转换模块（5.5）和所述第二光电转换模块（5.6），所述模数转换器用于将所述第一光电转换模块（5.5）和所述第二光电转换模块（5.6）输出的模拟信号转换成对应的光强信号并对第一光电转换模块（5.5）和第二光电转换模块（5.6）的光强信号进行差分，所述储能式补偿设备（2）基于所述光强信号的差分结果进行供电补偿。
7.根据权利要求6所述的供配电网络控制系统，其特征在于，所述储能式补偿设备（2）中预设光强补偿比例系数，所述储能式补偿设备（2）基于所述第一光电转换模块（5.5）和所述第二光电转换模块（5.6）的光强信号与对应补偿比例系数的结合进行供电补偿。
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