一种低压电力负荷智能分配系统及分配方法
【专利摘要】一种低压电力负荷智能分配系统及其分配方法，所述系统由一台低压电力负荷智能分配主机和若干台电力负荷智能分配终端所组成。所述低压电力负荷智能分配主机由电流互感器、电压互感器、CPU（U6）、液晶、三相通信模块组成。所述电力负荷智能分配终端由大电流互感器、电压互感器、大功率磁保持继电器、大电流复合开关、三相开关互锁电路、通信模块、相位鉴别电路、CPU（U12）组成。本发明通过在配电变压器和负荷分配终端分别安装低压电力负荷智能分配主机和分机，采用低压电力负荷智能分配方法，对部分不平衡负荷实时进行自动切换相位，保证了配电变压器低压电力负荷正常运行。本发明适用于电力系统配电变压器电力负荷智能分配。
【专利说明】—种低压电力负荷智能分配系统及分配方法
[0001]
【技术领域】
本发明涉及一种低压电力负荷智能分配系统及分配方法，属电力系统配电节电技
术领域。
[0002]【背景技术】
低压电力负荷，通常是指交流380V系统所带的负荷，占我国电力负荷用量的绝大部分。交流380V系统通常由三相四线组成，即A相、B相、C相、N相(零线)，其接带的负荷几乎包括了现代家电的所有种类和工厂用电、农业灌溉。
[0003]对于三相电机负荷而言，正常运行时，三相是处于平衡状态的。对居民用电来说，其负荷几乎都是单相的。由于居民负荷通常是用电缆从变压器引出，安装工人安装时，很难知道进入居民用户的相别，更不知道哪一家负荷的性质和大小。或者说，即使是知道某家负荷的大小，但由于用电的季节性和时段性，都会造成某相的负荷大小不可预测，也即非常容易造成三相负荷不平衡。可以说低压电力系统三相负荷绝对平衡是理想状态，不平衡是常态。
[0004]三相负荷不平衡，给电力系统带来的危害是十分严重的。第一大危害是三相负荷不平衡造成线路损耗增大，线损增大的数值与电流成平方成正比。在平衡状态，线路损耗」P=I2R,且」Pa=」Pb=」Pc,三相总线损Σ」P=3 I2R ;当系统处于不平衡状态时，假设A相负荷为零，B、C两相平均分担了 A相的电流，则」Pa=O,」Pb= (1.5I)2R=2.251?,」Pc= (1.5I)2R=2.251? Σ」Ρ=4.5 I2R,线损增加了 50%。不难算出，若三相的负荷由一相接带，此时的Σ」P= (3I)2R=9I2R,线损是平衡状态时线损的3倍。
[0005]三相负荷不平衡，给电力系统带来的第二大危害是变压器产生附加铁损。Y/Yo接线的配网变压器多采用三铁心柱结构，当发生三相负荷不平衡或者出现接地故障时，其一次侧无零序电流存在，二次侧有零序电流存在，因此二次侧的零序电流完全是励磁电流，产生的零序磁通不能在铁心中闭合，需通过油箱壁闭合，从而在铁箱等附件中发热产生铁损。
[0006]三相负荷不平衡，给电力系统带来的第三大危害是产生附加铜损，附加铜损增加会导致变压器发热，降低变压器的运行效率。
[0007]三相负荷不平衡，给电力系统带来的第四大危害是产生电压偏移。
[0008]因此，发明一种电力负荷智能分配方法和系统非常有必要，它将实时监视系统三相负荷状态，采集本系统下属的各电力负荷智能分配终端(分机)的负荷，决策下一步应如何重新分配负荷，使三相负荷在任何时候都基本上保持在平衡状态。
[0009]
【发明内容】
本发明的目的是，为了解决低压电力负荷存在的不平衡问题，能实现动态调整各相负荷的大小，使系统始终保持在基本平衡状态，提高变压器运行效率，降低线路损耗，本发明提出并公开一种低压电力负荷智能分配系统及分配方法。
[0010]实现本发明目的的技术方案是，本发明采用一种用于实时监视配电变压器各相总用电量，实时采集各电力负荷终端用电量信息，决策如何重新分配负荷的低压电力负荷智能分配主机；还采用若干用于采集各用户用电量并上传到主机、执行主机下发命令切换负荷的电力负荷智能分配终端，即分机；然后根据电力负荷智能分配方法，实现对终端电力负荷的调节和分配。
[0011]低压电力负荷智能分配系统由一台低压电力负荷智能分配主机和若干台电力负荷智能分配终端(分机)所组成。
[0012]所述低压电力负荷智能分配主机由三个电流互感器(CT)、三个电压互感器(PT)、CPU、液晶、三相通信模块组成；低压电力负荷智能分配主机用于实时监视配变各相总用电量，通过三相通信模块，实时采集各电力负荷智能分配终端(分机)用电量信息，通过CPU对采集的终端用电信息进行处理，决策出如何重新分配负荷，使负荷不平衡度始终保持在合格范围内，并向电力负荷智能分配终端发出切换指令，将较重负荷一相的部分负荷切换至较轻负荷的另一相。
[0013]所述电力负荷智能分配终端(分机)由大电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、大功率磁保持继电器、大电流复合开关、三相开关互锁电路、通信模块、相位鉴别电路、CPU组成。所述电力负荷智能分配终端通过通信模块将采集各用户用电信息上传到主机，通过相位鉴别电路对负荷进行相位鉴定，并执行主机下发命令，通过大电流复合开关和可控硅电路实现负荷自动切换，通过三相开关互锁电路始终保证在任何情况下，只有一路电源与用户接通，不可能产生短路。
[0014]系统能实时跟踪负荷变化，随时调整各相负荷大小，使电流不平衡度始终保持在合格范围内，从而提高变压器运行效率与寿命，降低线路损耗。
[0015]所述低压电力负荷智能分配方法为:
(I)给配电变压器建立一台主机，给各电力负荷终端分别建立分机；主机用于实时监视配变各相总用电量，实时采集各电力负荷智能分配终端(分机)用电量信息，决策出如何重新分配负荷，使负荷不平衡度始终保持在合格范围内；所述分机用于采集各用户用电量并上传到主机、执行主机下发命令，实现负荷自动切换。
[0016](2)通过3相通信模块，使主机与分机保持通信，实时采集各分机的电流；通过按相发送数据采集命令的方法，使分机能准确定位各相相序，并与主机严格保持一致；
(3)当使用容量超过某个定值时,按公式Iun=[Zl Imax( I Ia-1avg I，I Ib-1avg I，I Ib-1avg I ,)/ Iavg] X 100%计算不平衡度；当不平衡度超过某个定值时，认为系统出现不平衡，并做出负荷调整策略；其中，Iavg为3相总电流的平均值；Iun为实时算出的电流不平衡度；
(4)本终端在开机后，立即检测各开关的状态，使大功率磁保持继电器JA、JB、JC中仅有一个开关合上，同时继电器JZ要在合上位置。
[0017](5)启动数据采集程序，不断检测本终端所带负荷的大小和性质，并按一定的规约存储在终端CPU中，等到主机来读取。
[0018](6)当主机通过某相线路的通信模块发来“要数据”或“切换电源”命令时，此命令通过某一相UA、U0线、通信模块、SIGIN引脚，到达终端CPU ;终端CPU (U12)立即执行主机命令:若是“要数据”，则按约定的数据格式，通过SIGOUT引脚、通信模块、UA、U0把数据发给主机；若是要“切换电源”，则按下述程序进行:合上可控硅一断开JZ—断开可控硅一断开当前已经合上的开关一合上主机要求合上的开关一合上可控硅一合JZ—断开可控硅。[0019]上述过程每一步都进行确认，方执行下一步。然后将切换结果报告主机。
[0020]本发明的有益效果是，本发明通过在配电变压器和负荷分配终端分别安装低压电力负荷智能分配主机和分机，采用低压电力负荷智能分配方法，能根据电力负荷的不平衡状况，对部分不平衡负荷实时进行自动切换相位，保证了配电变压器低压电力负荷在规定的不平衡度范围内运行。本发明解决了由于低压电力负荷不平衡而造成电力浪费的问题，大大提高了变压器的运行效率和使用寿命。本发明低压电力负荷智能分配系统的低压电力负荷智能分配主机和低压电力负荷智能分配分机全部采用CMOS元件，整机功耗极低，正常运行仅需1W，使用成本极低。 [0021]本发明适用于电力系统配电变压器电力负荷智能分配。
[0022]【专利附图】
【附图说明】
图1为电力负荷智能分配系统拓扑图；
其中，I是配电变压器；11是配电变压器高压侧；12是是配电变压器低压侧(380V/220V)；2是低压电力负荷智能分配主机；31是低压电力负荷分配终端(分机1);32是低压电力负荷分配终端(分机2);3N是低压电力负荷分配终端(分机N);41是用户I ;42是用户2 ；4N是用户N;
图2为低压电力负荷智能分配主机前端变换及切换电路图；
图3为低压电力负荷智能分配主机CPU电路和RS-485接口电路图；
图4为低压电力负荷智能分配主机三相通信模块电路；
图5为低压电力负荷智能分配终端三相开关互锁电路图；
图6为低压电力负荷智能分配终端复合开关可控硅控制电路图；
图7为低压电力负荷智能分配终端CPU及三相通信模块电路图。
【具体实施方式】
[0023]本发明低压电力负荷智能分配方法的【具体实施方式】如图1所示。
[0024]按图1所示，在配电变压器和负荷分配终端分别安装低压电力负荷智能分配主机和分机。
[0025]( I)通过主机3相通信模块，使主机与分机保持通信，实时采集各分机的电流；在主机上，实时采集本配变各相电流(总电流)、电压的大小，并按下式计算出当前使用的总容量Zl S:
Z S=IaXUa+IbXUb+IcXUc
其中，la、lb、Ic为配电变压器输出的各相总电流，Ua、Ub、Uc为配电变压器各相输出的端电压；
(2)当前使用的总容量」S≥变压器的容量StlX20%时，按下式计算不平衡度Iun: Iun=[ Zl Imax ( I Ia-1avg I , I Ib-1avg I , I Ic-1avg I )/ Iavg]X100%。
[0026]其中，S。为变压器的容量；Iavg为3相总电流的平均值，Iavg= (Ia+Ib+Ic)/3 ；Iun为实时算出的电流不平衡度，取3相电流中与3相电流平均值差值的最大值的绝对值除以电流平均值；
(3)设当电流不平衡度Iun^ 15%，即认为系统处在不平衡状态，应对负荷进行调整；
(4)主机按相发出数据采集命令，逐个采集各分机当前的负荷数据(ia、ib、ic)并存储，直到把本系统所有分机数据采集完毕；
(5)若主机按公式I Ia-1avg I，I Ib-1avg I，I Ic-1avg I 算出 I Ia-1avg I 电流差值最大，I Ic-1avg I最小,这就意味着应减小A相负荷，增加C相负荷才能使系统电流平衡。主机先试切第一台在A相运行的分机到C相，求出切换负荷后新的Ia ' =Ia-1a,新的 Ic'=Ic+ ia,新的平均值 Iavg ' = (la " +Ib+ Ic')/3,新的不平衡度 Iun'=[ Zl ImaX " ( I Ia " -1avg I , I Ib-1avg I , I Ic " -1avg " I，)/ Iavg " ]X100% ；
(6)当Iuny ( 15%时，主机从A相向第一台分机发出“A相切换到C相”的命令；
(7)当Iun'≥15%时,取出第二台在A相运行的分机电流,按(5)步方法算出Iun '。
[0027]若Iun’ ≤15%，主机从A相向第二台分机发出“A相切换到C相”的命令。
[0028]若Iun z15%，则取出第三台在A相运行的分机电流，按(5)步方法算出Iun '，并以此类推，直到切换负荷后达到Iun ' ( 15%。
[0029](8)若经过上述计算后，不能找到“切换某相负荷后，Iun ' ( 15%”这个结果，证明系统安装的分机数量太少，不进行负荷切换，同时在液晶屏上显示某个特殊的符号，以示提醒。
[0030]产生不平衡的原因可能还有I Ia-1avg I大，I Ib-1avg I小；I Ib-1avg I大，
I Ia-1avg I 小,或 I Ib-1avg I 大，I Ic-1avg I 小；I Ic-1avg I 大，I Ia-1avg I 小，
或I Ic-1avg I大，I Ib-1avg I小等几种情况,其处理方法同上所述原理。
[0031]本发明低压电力负荷智能分配系统的【具体实施方式】如图2~图7所示。
[0032]图2为低压电力负荷智能分配主机前端变换及切换电路图，图3为低压电力负荷智能分配主机CPU电路和RS-485接口电路图，图4为低压电力负荷智能分配主机三相通信模块电路；图5低压电力负荷智能分配终端三相开关互锁电路图，图6为低压电力负荷智能分配终端复合开关可控硅控制电路图，图7为低压电力负荷智能分配终端CPU及三相通信模块电路图。
[0033]本发明实施例低压电力负荷智能分配系统由低压电力负荷智能分配主机和低压电力负荷智能分配终端所组成。低压电力负荷智能分配主机接配电变压器低压端，低压电力负荷智能分配终端接负荷终端。
[0034]本发明实施例低压电力负荷智能分配主机，由三个电流互感器(CT1-CT3)、三个电压互感器(PT1-PT3)、CPU(U6)、液晶模块(U4)、三相通信模块组成；其电路如图2、图3和图4所示。
[0035]电流互感器(CT1-CT3)将大(配变输出总电流)电流转换成小信号的元件，其输出电流信号接CPU (U6);电压互感器(PT1-PT3)将高电压(配变输出端电压)转换成小信号的元件，其一次绕组接配电变压器低压端，二次绕组输出的电压信号接CPU。
[0036]液晶(U4)显示各种信息的元件，接CPU。
[0037]CPU(U6)采集并进行各种计算、存储、与分机通信、发布命令的元件，它接受电压互感器和电流互感器输入的各相小信号电流和电压；接受三相通信模块发来的信号；发出指令并通过通信模块将信号发送到终端分机。
[0038]三相通信模块，可以按相与各电力负荷智能分配终端(分机)通信的模块。
[0039]Ul、U2和U3是双4选I多路开关，U5是RS-485接口芯片。
[0040]从配变输出的三相总电流分别流经DCTA、DCTB、DCTC，在副边产生0-5A的电流，该电流经CZ1、CZ2、CZ3进入主机的CTl CT2 CT3进行二次变换，分别在R4、R5、R6上变成某个适合CPU (U6)采集的电压。
[0041]从配变输出的三相电压经CZ4、CZ5、CZ6、CZ7经电阻Rl、R2、R3限流后进入主机，主机的PT 1、PT2、PT3变换成某个适合CPU (U6)采集的电压。
[0042]在CPU (U6)的控制下，PXX1、PXX2引脚产生3种“O”与“I”的组合，分时接通CT1、CT2、CT3的输出信号到多路开关Ul，并从多路开关Ul的13、3脚引入到CPU (U6)的IIP、IlN0同时，分时接通PT1、PT2、PT3的输出信号到多路开关U2，并从多路开关U2的13、3脚引入至Ij CPU (U6)的 UP、UN。
[0043]CPU (U6)通过分时接通3相电压、电流到UP、UN, IIP、I1N，按上述原理实时计算本配变输出总电流的大小和不平衡度，并在液晶屏U4上显示。
[0044]当三相电流的不平衡度超过合格范围时，CPU (U6)立即启动采集下属各电力负荷智能分配终端(分机)中电流的程序。CPU (U6)按一定的通信规约打包需要发送的数据，并置输出引脚PXX3、PXX4为某个值。如要向A相发送数据，CPU (U6)通过置输出引脚PXX3、PXX4为某个值，使SIGA与SIGOUT接通，即:使多路开关U3的12、13接通，发送的数据经CPU(U6)的19脚一U3的12-13脚一三相通信模块的SIGA — A相电压线。所有接在A相的电力负荷智能分配终端(分机)都能接收到命令，但只有地址与当前命令相符的终端(分机)才会返回数据。
[0045]本发明实施例低压电力负荷智能分配系统终端(分机)，由大电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、大功率磁保持继电器、大电流复合开关、三相开关互锁电路、通信模块、相位鉴别电路、CPU组成，其电路如图5、图6和图7所示。
[0046]本实施例低压电力负荷智能分配系统终端采用大功率磁保持继电器，是用于把系统电源接入用户的负荷开关，它具有通流大、静态功耗为零的特点；
大电流复合开关，是由大功率可控硅与大功率磁保持继电器并联的、用于负荷换相自动切换的复合模块，可提高大功率磁保持继电器寿命。本发明低压电力负荷智能分配系统终端采用大电流复合开关，提高了本系统低压电力负荷智能分配终端的电气通断寿命。
[0047]本实施例低压电力负荷智能分配系统终端的三相开关互锁电路，是用于保证本发明的终端在任何时候(包括驱动元件失效时)仅有一路系统电压接入用户，防止相间短路的电路。
[0048]本实施例低压电力负荷智能分配系统终端的通信模块，是用于本发明的终端与主机通信的模块；所述的CPU (U12)，是本发明的终端用于进行各种计算、存储、与主机通信、执行主机命令的元件。
[0049]本实施例低压电力负荷智能分配系统终端的相位鉴别电路，是用于确定本发明的终端A、B、C三相电压进线保持与主机的A、B、C三相电压对应的电路。
[0050]本实施例低压电力负荷智能分配系统终端在开机后，立即检测各开关的状态，使JA、JB、JC中仅有一个开关合上，同时JZ要在合上位置。
[0051]本实施例低压电力负荷智能分配终端工作时，首先启动数据采集程序，不断检测本终端所带负荷的大小和性质，并按一定的规约存储在CPU (U12)中，等到主机来读取。
[0052]当低压电力负荷智能分配主机通过某相线路的通信模块发来“要数据”或“切换电源”命令时，此命令通过UA、UO线、通信模块、SIGIN引脚，到达U12 (CPU)。本终端CPU(U12)立即执行主机命令。若是“要数据”，则按约定的数据格式，通过SIGOUT引脚、通信模块、UA、U0把数据发给主机。若是要“切换电源”，则按下述程序进行:合可控硅一断开JZ—断开可控硅一断开当前已经合上的开关一合上主机要求合上的开关一合可控硅一合JZ-断开可控硅。上述过程每一步都进行确认，方执行下一步。然后把切换结果报告主机。
【权利要求】
1.一种低压电力负荷智能分配系统，其特征在于，所述系统由一台低压电力负荷智能分配主机和若干台电力负荷智能分配终端所组成； 所述低压电力负荷智能分配主机由三个电流互感器、三个电压互感器、CPU (U6)、液晶、三相通信模块组成；所述低压电力负荷智能分配主机用于实时监视配变各相总用电量，通过三相通信模块，实时采集各电力负荷智能分配终端用电量信息，通过CPU对采集的终端用电信息进行处理，决策出如何重新分配负荷，使负荷不平衡度始终保持在合格范围内，并向电力负荷智能分配终端发出切换指令，将较重负荷一相的部分负荷切换至较轻负荷的另一相; 所述电力负荷智能分配终端由大电流互感器、电压互感器、大功率磁保持继电器、大电流复合开关、三相开关互锁电路、通信模块、相位鉴别电路、CPU(U12)组成；所述电力负荷智能分配终端通过通信模块将采集各用户用电信息上传到主机，通过相位鉴别电路对负荷进行相位鉴定，并执行主机下发命令，通过大电流复合开关和可控硅电路实现负荷自动切换，通过三相开关互锁电路始终保证在任何情况下，只有一路电源与用户接通。
2.根据权利要求1所述的一种低压电力负荷智能分配系统，其特征在于，所述系统实时跟踪负荷变化，随时调整各相负荷大小，使电流不平衡度始终保持在合格范围内，从而提高变压器运行效率与寿命，降低线路损耗。
3.根据权利要求1所述的一种低压电力负荷智能分配系统，其特征在于，所述系统的电力负荷智能分配终端采用了大功率磁保持继电器作为负荷开关，不仅通流大，更有在静态时功耗为零的节能特点。
4.根据权利要求1所述的一种低压电力负荷智能分配系统，其特征在于，所述系统采用了大电流复合开关，提高了本系统低压电力负荷智能分配终端的电气通断寿命。
5.一种低压电力负荷智能分配方法，其特征在于，所述方法为: (1)给配电变压器建立一台主机，给各电力负荷终端分别建立分机；主机用于实时监视配变各相总用电量，实时采集各电力负荷智能分配终端用电量信息，决策出如何重新分配负荷，使负荷不平衡度始终保持在合格范围内；所述分机用于采集各用户用电量并上传到主机、执行主机下发命令，实现负荷相位鉴别和自动切换； (2)通过3相通信模块，使主机与分机保持通信，实时采集各分机的电流；通过按相发送数据采集命令的方法，使分机能准确定位各相相序，并与主机严格保持一致； (3)当使用容量超过某个定值时,按公式Iun=[Zl Imax( I Ia-1avg I，I Ib-1avg I，I Ib-1avg I ,)/ Iavg] X 100%计算不平衡度；当不平衡度超过某个定值时，认为系统出现不平衡，并做出负荷调整策略；其中，Iavg为3相总电流的平均值；Iun为实时算出的电流不平衡度； (4)本终端在开机后，立即检测各开关的状态，使大功率磁保持继电器JA、JB、JC中仅有一个开关合上，同时继电器JZ要在合上位置； (5)启动数据采集程序，不断检测本终端所带负荷的大小和性质,并按一定的规约存储在终端CPU (U12)中，等到主机来读取； (6)当主机通过某相线路的通信模块发来“要数据”或“切换电源”命令时，终端CPU(U12)立即执行主机命令:若是“要数据”，则按约定的数据格式，把数据发给主机；若是要“切换电源”，则按下述程序进行:合可控硅一断开JZ—断开可控硅一断开当前已经合上的开关一合上主机要求合上的开关一合可控硅一合JZ—断开可控硅；上述过程每一步都进行确认，方 执行下一步；然后将切换结果报告主机。
【文档编号】H02J3/26GK103545826SQ201210234514
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月9日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】刘望舒 申请人:江西龙跃电子科技有限公司