CN203465364U - 一种海上电网配电末端能源监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种海上电网配电末端能源监测装置，其包括电流互感器调理电路，海上电网配电末端的回路三相电流和回路剩余电流经电流互感器调整电路处理后输入至计量分析模块内；海上电网配电末端的回路三相电压经电压调整电路处理后也输入至计量分析模块内；计量分析模块根据接收到的电流值及电压值计算出各相以及合相的所有电量参数，并将该电量参数经SPI接口读入到控制模块中，控制模块对接收到的所有电量参数进行控制，实现对海上电网配电末端能源的剩余电流、配电回路导体温度的监测以及剩余电流的趋势预测与分析。本实用新型的监测方法能实现对剩余电流及其趋势、以及配电回路导体温度的检测，可以在所有电网配电末端中应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及海上电网能源监测技术领域，特别是关于一种用于电力系统能源监测的海上电网配电末端能源监测装置。
背景技术
能源监测装置是在电力仪表的基础上实现电能耗的有效监测，是现在电力系统必不可少的测量工具，能源监测也是保障电力系统及其电力设备安全运行不可缺少的手段之一，它能反映出电力系统运行过程中回路的电力参数，电能耗状况，为整个系统做整体能耗分析提供数据支持。随着电力事业的不断发展及集成电路在测量仪表的运用，测量仪表的要求也越来越高，成为电力监测必不可少的工具。现在能源监测装置功能较单一，基本只能实现回路电参数及能耗监测，部分高端仪表增加电能质量参数监测，而不能满足电力系统对电能监测以及可靠性并存的要求。
尤其针对海上油田平台小电网系统，本身电网的稳定性就不比陆地大电网系统稳定性好，加之，海上平台生产连续的特点，电力系统中设备多为大功率设备，且变频器的输出端多采用PWM控制技术的功率开关器件（如IGBT、GTO），高速的开关动作使得逆变器输出通过线路或电磁波空间耦合形成电磁干扰或共模电压，对电机负载或整个电网可能造成过大尖波电压、振动、以电磁形式耦合至地线等问题，多引起电路高频干扰，对电网的稳定性和其他设备的正常运行影响较大。因此，海上平台的末端测量仪表除了需要满足电量监测的功能外，还需要对末端设备的安全实时监测，尤其是剩余电流、高频干扰信号、导体温度的监测、趋势分析尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种海上电网配电末端能源监测装置，实现了海上电网配电末端的电能、电能质量、高频干扰、导体温度等多种功能的同时在线监测。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种海上电网配电末端能源监测装置，其特征在于：它包括电流互感器调理电路、计量分析模块、电压调理电路和控制模块；海上电网配电末端的回路三相电流和回路剩余电流经所述电流互感器调整电路处理后输入至所述计量分析模块内；海上电网配电末端的回路三相电压经所述电压调整电路处理后也输入至所述计量分析模块内；所述计量分析模块根据接收到的电流值及电压值计算出各相以及合相的所有电量参数，并将该电量参数经SPI接口读入到所述控制模块中，所述控制模块对接收到的所有电量参数进行控制，实现对海上电网配电末端能源监测。
所述控制模块包括CPU、LCD指示灯、通讯接口、键盘输入模块、开关量输入模块、第一光电隔离电路、LED警告灯、第二光电隔离电路、开关量输出模块、外部温度传感器、时钟模块、铁电存储器、JTAG接口和蜂鸣器；所述CPU将接收到的所有电量参数处理后，由所述LCD指示灯显示结果，或通过所述通讯接口连接后台监控系统进行显示；所述键盘输入模块用于向所述CPU输入控制命令；所述开关量输入模块用于向所述第一光电隔离电路输入开关状态信号，所述第一光电隔离电路抑制开关状态信号中的干扰信号，并将处理后的开关状态信号输入至所述CPU内；同时通过所述LED警告灯对当前开关量状态进行显示；后台监控系统将控制指令通过所述通讯接口输入至所述CPU，由所述CPU经所述第二光电隔离电路向所述开关量输出模块输出开关量信号；所述外部温度传感器将采集到的配电回路导体温度输入至所述CPU内，对配电回路导体温度监测；所述时钟模块连接所述CPU，用于确保电流、电压数据采集的同时性；所述铁电存储器用于存储所述CPU中的各种数据以形成历史数据；所述CPU通过所述JTAG接口连接适配器；所述蜂鸣器连接所述CPU，用于在出现故障时输出报警信息。
所述电流互感器调整电路中的电流互感器采用高导磁材料。
所述计量分析模块包括低通滤波电路、ADC和数字信号处理器；所述电流互感器调理电路和电压调理电路将电流、电压信号经所述低通滤波电路滤除高频干扰信号后，经所述ADC输入至所述DSP中处理，得到海上电网配电末端回路电量参数。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于海上平台电网系统不同于陆地大电网系统，具有自己的特性，不能应用陆地电网标准。本实用新型能实现海上平台配用电回路共模电压、剩余电流、配电回路导体温度等实时监测，实时保护配电回路安全，减缓设备劣化速度，同时本实用新型还可以为海上平台电能数据的分析、制定行业标准提供有利的数据依据。不仅对海上电网配电末端能源进行在线监测，而且对剩余电流做趋势分析，做事前提醒，从而大大提高设备的使用寿命。2、本实用新型由于在CPU内设置有四个剩余电流预测模型，进而可以实现剩余电流趋势预报及预警功能，减少了故障事故的发生，提高了设备使用寿命。3、本实用新型适用于所有电网配电末端，尤其适用于海上平台电网，因为海上平台对电网的安全、设备的健康状态要求更高，且海上平台电网受非线性负责干扰的影响大、平台空间非常有限，因此，本装置非常适合海上平台电网配电末端，不但实现了一个装置多种功能，包括了满足海上平台监测需求的电能各参数及其质量状况的监测、高频干扰监测、导体温度监测以及还可以提供剩余电流趋势提前预报，减少设备故障事故的发生，提高设备使用寿命，且大大减少了多个监测装置在平台上安装的困难问题，提高海上平台电网的用电可靠性、经济性。
附图说明
图1是本实用新型的原理结构示意图；
图2是本实用新型的计量分析模块内部结构示意图；
图3是本实用新型的剩余电流检测流程示意图；
图4是本实用新型的剩余电流趋势预测流程示意图；
图5是本实用新型的温度检测流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。
如图1所示，海上电网配电末端能源监测装置包括电流互感器调理电路1、计量分析模块2、电压调理电路3和控制模块4。
海上电网配电末端的回路三相电流和回路剩余电流经电流互感器调整电路1处理后输入至计量分析模块2内；海上电网配电末端的回路三相电压经电压调整电路3处理后也输入至计量分析模块2内。计量分析模块2根据接收到的电流值及电压值计算出各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功电度以及无功电度，以及各相电流、电压的有效值、功率因数和频率等电量参数，并将该电量参数经SPI接口读入到控制模块4中，控制模块4对接收到的所有电量参数进行控制，实现对海上电网配电末端能源的剩余电流、配电回路导体温度的监测以及剩余电流的趋势预测与分析。
上述实施例中，如图2所示，计量分析模块2内设置有低通滤波电路21、模数转换器（ADC）22和数字信号处理器（DSP）23。电流互感器调理电路1和电压调理电路3将电流、电压信号经低通滤波电路21滤除高频干扰信号后，输入至ADC22内将模拟信号转换成数字信号，输入至DSP23中处理，得到各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功电度以及无功电度，以及各相电流、电压的有效值、功率因数和频率等电量参数。其中，高频干扰信号主要来源于线路突然断路或雷电瞬变过压引起的冲击，以及由于闪电、接地故障或切换电感性设备而引起的信号参数产生的瞬时扰动。
上述各实施例中，电流互感器调整电路1中的电流互感器是采用性能良好的高导磁材料，且在绕组外安装有磁屏蔽罩，可减少外界电磁干扰。
如图1所示，本实用新型的控制模块4包括CPU5、LCD指示灯6、通讯接口7、键盘输入模块8、开关量输入模块9、第一光电隔离电路10、LED警告灯11、第二光电隔离电路12、开关量输出模块13、外部温度传感器14、时钟模块15、铁电存储器16、JTAG接口17和蜂鸣器18。
CPU5将接收到的所有电量参数处理后，由LCD指示灯6将结果显示出来，也可以通过通讯接口7连接后台监控系统进行显示。
键盘输入模块8用于向CPU5输入控制命令，以实现CPU5内部参数设定、查看等功能选项。
开关量输入模块9用于向第一光电隔离电路10输入开关状态信号，第一光电隔离电路10抑制开关状态信号中的干扰信号，使得电位发生转变，然后将处理后的开关状态信号输入至CPU5内进行数模信号转换。转换后的信号由CPU5通过通讯接口7在后台监控系统上显示出开关量的状态；同时通过LED警告灯11对当前开关量状态进行显示。开关量输入可以接普通遥信（主回路断路器状态监视）、消防联动、烟雾消防等。
后台监控系统将控制指令通过通讯接口7输入至CPU5，由CPU5经第二光电隔离电路12向开关量输出模块13输出开关量信号，进而控制外界设备继电器的吸合或者断开，同时开关量输出状态在LCD指示灯6上显示。以其中1路开关量输出为例，当发出驱动信号时，继电器触点吸合，同时LCD指示灯6上显示为闭合状态；当关闭驱动信号时，继电器触点断开，同时LCD指示灯6上显示为断开状态。其开关量输出可以通过CPU5内的程序设定为剩余电流保护、报警输出、跳闸信号、无功补偿控制等。
外部温度传感器14将采集到的配电回路导体温度输入至CPU5内，用于对配电回路导体温度监测，CPU5将计算出的温度值经LCD指示灯6显示，也可以通过通讯接口7上传到后台监控系统进行显示。
时钟模块15连接所述CPU5，用于实现时间对标，确保电流、电压数据采集的同时性。
铁电存储器16用于存储CPU5中的各种数据，进而形成历史数据，以保证数据在掉电情况下十年内不丢失。
CPU5通过JTAG接口17连接适配器，实现对CPU5内程序进行编译调试及升级。
蜂鸣器18是由CPU5通过内部程序设定，当出现各种故障时通过蜂鸣器18报警输出。开关量输入模块9的监视、开关量输出模块13的监控、外部温度传感器14的监视、蜂鸣器18的报警输出及各种运行状态（运行、通讯）都通过LED警告灯11指示。
上述实施例中，为了实现对剩余电流做长期趋势，本实用新型采用在CPU5内预置有四个剩余电流预测模型，分别为线性模型Ip=a+bt，幂函数模型Ip=atb+c，对数模型Ip=a+blnt+c和二次函数模型Ip=at2+bt+c。其中，Ip为剩余电流预测值，t为时间，a、b、c均为常数。
基于本实用新型的海上电网配电末端能源监测装置，对于海上电网配电末端能源监测方法包括剩余电流监测方法、剩余电流的趋势预测方法以及配电回路导体温度检测方法，其中，剩余电流监测方法包括以下步骤（如图3所示）：
1）由电流互感器调理电路1实时获得供电回路中的剩余电流值。
2）将步骤1）获得的剩余电流信号输入至计量分析模块2，经低通滤波电路21处理后输入ADC22内进行模数转换，得到数字量剩余电流信号。
3）数字量剩余电流信号经DSP23处理后得到的剩余电流信号值输入至CPU5中，该剩余电流信号值即为剩余电流的实际值Ir。
4）判断剩余电流实际值Ir与剩余电流标准限定值Ie的大小，即判断表达式Ir>Ie是否成立。当表达式Ir>Ie为真时，执行步骤5），否则进入步骤6）；
其中，剩余电流标准限定值Ie的大小可以根据国家规范中不同线路及设备具体标准进行设定，根据IEC4791关于交流电流（50HZ）流过人体时，对人体造成的触点危害，即使它集中在物体的一个部位，根据经验和火灾案例证明，也不一定会引起事故。可能引起事故的危害剩余电流的数值，我国规定为300～500mA，当在负荷设备上以使人致命为整定限定值的话则以30mA为界限。
5）输出切断供电回路的信号，LCD指示灯6显示切断供电回路，LED警告灯11对应闪烁，提示监控人员及早采取措施，排除故障，保障供电的连续性。
6）判断剩余电流实际值Ir与0.5倍剩余电流标准限定值Ie的大小，即判断式Ir>0.5Ie是否成立。若表达式Ir>0.5Ie为真，发出预告警信号，由LCD指示灯6显示状态信息，LED警告灯11闪烁，蜂鸣器18报警，提示监控人员及早采取措施，排除故障，保障供电的连续性；否则，返回步骤1），继续进行剩余电流的监测。
如图4所示，本实用新型剩余电流的趋势预测方法包括以下步骤：
1）从铁电存储器16中存储的剩余电流历史数据（t，Ir）中选取连续平滑的3～5组数据，将选好的数据输入至线性模型中得到Ip=a1+b1t，a1、b1为常数；通过得到的线性模型预测未来剩余电流数据，并将预测的剩余电流数据与实际获得的数据进行比较，得到线性模型的平均误差△E1，保存该平均误差及其对应的函数模型。其中线性模型的平均误差△E1为：
△E1=|Ip-Iｒ|，
其中，选取的3～5组数据形成的函数曲线要基本平滑，不能跳跃太大，跳跃太大的数据不可用，直接舍弃。
2）按照与步骤1）相同的方法在历史数据（t，Ir）中选取连续平滑的几组数据，代入幂函数模型中得到Ip=a2tb2+c2和幂函数模型的平均误差△E2；将幂函数模型的平均误差△E2与步骤1）中获得的线性模型的平均误差△E1比较，保存较小的平均误差及其对应的函数模型；
3）按照与步骤1）相同的方法，获得对数模型Ip=a3+b3lnt+c3和对数模型的平均误差△E3；并将对数模型的平均误差△E3与步骤2）保存的平均误差进行比较，保留较小的平均误差及其对应的函数模型；
4）按照与步骤1）相同的方法获得二次函数模型Ip=a4t2+b4t+c4和二次函数模型的平均误差△E4；与步骤3）中保存的平均误差进行比较，保存较小的平均误差及其对应的函数模型；
5）输出步骤4）中保存的平均误差及其对应的函数模型，并将该平均误差作为标准误差△E，标准误差△E所对应的函数模型作为选定的函数模型；
6）分时段地对选定的函数模型进行自校验，即将函数模型预测的剩余电流值与实际的剩余电流值进行对比，判定校验过程中的误差是否超出了标准误差△E,若超出了标准误差△E则返回步骤1），重新进行函数模型的筛选；否则进入步骤7）；
7）步骤5）中得到的函数模型通过自校验，继续利用此函数模型对剩余电流进行预测。
如图5所示，本实用新型的配电回路导体温度检测方法包括以下步骤：
1）CPU5实时获得配电回路中外部温度传感器14采集到的配电回路导体温度信号；
2）CPU5将获得的配电回路导体温度信号进行模数转换，得到数字量的配电回路导体温度，即实际温度值Tr；
3）比较实际温度值Tr与预先设定的温度标准限定值Te（温度标准限定值Te可以根据国家规范中不同线路及设备具体标准进行设定），若Tr>Te为假,则表明配电回路导体温度未越限，返回步骤1）继续对配电回路导体温度进行检测；若Tr>Te为真，则表明配电回路导体温度越限，开始累计记录配电回路导体温度的越限时间并发出报警信号，此时LCD指示灯6显示判断输出和报警信息，LED警告灯11闪烁，蜂鸣器18报警。同时，工作人员可以根据累积越限时间预测导体到彻底老化的剩余时间。
综上所述，本实用新型可以动态地监测配电回路的用电情况，以及剩余电流、导体温度情况，根据监测回路的负载特性以及地域环境特性，在各级自由设置剩余电流门限值以及温度门限值，完成配电回路能源监测及剩余电流报警、预警功能，实现配电回路实时效率监测、安全监测双重保障。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种海上电网配电末端能源监测装置，其特征在于：它包括电流互感器调理电路、计量分析模块、电压调理电路和控制模块；海上电网配电末端的回路三相电流和回路剩余电流经所述电流互感器调整电路处理后输入至所述计量分析模块内；海上电网配电末端的回路三相电压经所述电压调整电路处理后也输入至所述计量分析模块内；所述计量分析模块根据接收到的电流值及电压值计算出各相以及合相的所有电量参数，并将该电量参数经SPI接口读入到所述控制模块中，所述控制模块对接收到的所有电量参数进行控制，实现对海上电网配电末端能源监测。
2.如权利要求1所述的一种海上电网配电末端能源监测装置，其特征在于：所述控制模块包括CPU、LCD指示灯、通讯接口、键盘输入模块、开关量输入模块、第一光电隔离电路、LED警告灯、第二光电隔离电路、开关量输出模块、外部温度传感器、时钟模块、铁电存储器、JTAG接口和蜂鸣器；
所述CPU将接收到的所有电量参数处理后，由所述LCD指示灯显示结果，或通过所述通讯接口连接后台监控系统进行显示；
所述键盘输入模块用于向所述CPU输入控制命令；
所述开关量输入模块用于向所述第一光电隔离电路输入开关状态信号，所述第一光电隔离电路抑制开关状态信号中的干扰信号，并将处理后的开关状态信号输入至所述CPU内；同时通过所述LED警告灯对当前开关量状态进行显示；
后台监控系统将控制指令通过所述通讯接口输入至所述CPU，由所述CPU经所述第二光电隔离电路向所述开关量输出模块输出开关量信号；
所述外部温度传感器将采集到的配电回路导体温度输入至所述CPU内，对配电回路导体温度监测；
所述时钟模块连接所述CPU，用于确保电流、电压数据采集的同时性；
所述铁电存储器用于存储所述CPU中的各种数据以形成历史数据；
所述CPU通过所述JTAG接口连接适配器；
所述蜂鸣器连接所述CPU，用于在出现故障时输出报警信息。
3.如权利要求1所述的一种海上电网配电末端能源监测装置，其特征在于：所述电流互感器调整电路中的电流互感器采用高导磁材料。
4.如权利要求2所述的一种海上电网配电末端能源监测装置，其特征在于：所述电流互感器调整电路中的电流互感器采用高导磁材料。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种海上电网配电末端能源监测装置，其特征在于：所述计量分析模块包括低通滤波电路、ADC和数字信号处理器；所述电流互感器调理电路和电压调理电路将电流、电压信号经所述低通滤波电路滤除高频干扰信号后，经所述ADC输入至所述DSP中处理，得到海上电网配电末端回路电量参数。
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| US11955782B1 (en) | 2022-11-01 | 2024-04-09 | Typhon Technology Solutions (U.S.), Llc | System and method for fracturing of underground formations using electric grid power |
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