智能型电力节能综合控制成套装置制造方法
【专利摘要】本发明智能型电力节能综合控制成套装置，由电源模块、参数采集模块、分析模块、控制模块、磁控电抗器成套装置模块、电容器成套装置模块、智能控制模块、通信模块和数据存储模块组成，电源模块提供直流电源；参数采集模块采集电网参数；分析模块提出整体电力节能方案；控制模块调节磁控电抗器和系统的参数，动态跟踪反馈；磁控电抗器和电容器成套装置模块连续调节磁控电抗器参数、连续调节电感量、连续调节阻抗；智能控制模块自动化智能化管理；通信模块实现计算机和无线网络通信；数据存储模块实现数据存储和数据资源共享。本发明有效提高电力节能效果，解决电力节能设备相互独立、元器件重复安装、设备精度低、节能效果差等问题。
【专利说明】智能型电力节能综合控制成套装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力节能的综合性自动控制和智能化管理的成套装置，具体是智能型电力节能综合控制成套装置，属于电网及用电设备节能【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，随着社会经济快速发展和科学技术的进步，现代工业、服务业和居民用电设备迅速增多，供电范围不断增大；特别是城市电网中使用了大量的电缆线路，使线路对地电容增大并且形成很大的容性电流，造成电网中线路末端电压升高、线路损耗增加、供用电效率降低；尤其是家用电器和办公设备如彩电、变频空调、计算机、通讯设备等，以及工业生产中各种自动化生产线、自动控制系统、变频调速设备、精密测量仪表设备等的广泛应用，这些设备内部都含有大量的整流逆变器件或装置，如开关电源、变频器以及荧光灯等，产生大量的谐波。加上电网和用电系统中其他非线性负荷、冲击性负荷、干扰性负荷日益增加，也不断地影响电能质量。这些负荷在运行中，不仅会产生大量的无功功率使功率因数降低造成用电效率低、产生大量的谐波给电网和设备造成危害，而且会产生电压升高以及三相不平衡，降低了用电设备的安全可靠性，造成安全事故的发生，严重威胁电力系统的安全运行，形成多种电能浪费问题。
[0003]目前，供用电系统中电能浪费的原因主要有:由于功率因数低造成用电效率降低、谐波多产生的电能损失和危害、电压升高形成的电能浪费以及三相负荷不平衡产生的电能损失等。解决的办法主要是针对某一个具体的电能浪费问题采取独立治理的方法。比如:针对功率因数低问题，采用静态或动态的无功功率补偿使功率因数提高并稳定；针对谐波问题，采用无源或有源滤波器滤除特征谐波；针对电压升高问题，采用稳压器或固定式电抗器实现电压稳定。也有将无功补偿支路设计成某一个特征谐波的低阻抗通道，使该支路在实现无功功率补偿的同时具有无源滤波功能。上述技术方法，存在着设备相互独立，功能单一，控制随机化，元器件重复安装(比如每套都需要测量、控制、保护系统等)，设备精度低(比如静态无功补偿和无源滤波)、容量小(比如稳压器、不间断电源和有源滤波器)、费用高(比如有源滤波器)等问题，整体节能效果差。
[0004]由于电能指标中各参数在物理或者数学上有着理论变换关系，在电网中相互影响或者相互转化，供用电系统要求具备整体性、综合性的全面的电能消耗控制。独立解决某一个或某一方面具体的电能浪费问题，具有片面性。所安装的设备或仪器因为其他电能浪费或电能质量问题的存在，其节能效果、设备的精度和可靠性受影响。
[0005]因此，针对电能浪费问题需要全面分析，采取综合性的整体电力节能措施。在功能上希望能够实现连续无级平滑调节、动态跟踪反馈、自动控制。在效果方面，希望能够达到提高并稳定功率因数以提高电能利用率，减少因功率因数低受到的经济处罚，避免无功用电(反转正计)，减少线路损耗；控制并稳定电压以避免由于电压升高造成的电力浪费；控制并稳定线路系统电流以避免由于无功电流、谐波电流和环流造成的电力浪费；消除并减少谐波电流以减少谐波造成的损耗和危害；改善系统三相负荷平衡状况以减少供电系统和变压器中性点电流，减少供电和用电损失。在费用方面，希望能够按照常规设备和成熟元器件配置，能够短期收回；希望能够结合智能电网和数字化综合变电站要求，实现综合性自动控制和保护，实现智能化管理。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的不足，提供一种智能型电力节能综合控制成套装置。
[0007]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:智能型电力节能综合控制成套装置，由电源模块、参数采集模块、电能质量分析模块、电能质量控制模块、磁控电抗器成套装置模块、电容器成套装置模块、智能控制模块、通信模块和数据存储模块组成。利用电源模块为各模块提供直流电源；利用参数采集模块全面采集电网参数；利用电能质量分析模块提出综合性整体节能方案；利用电能质量控制模块、调节磁控电抗器和系统的参数，动态跟踪反馈；利用磁控电抗器成套装置模块和电容器成套装置模块连续调节磁控电抗器使功率因数提高并稳定、连续调节阻抗使电压稳定、连续调节电感量实现动态谐波治理、连续调节阻抗使三相负荷平衡；利用智能控制模块实现综合自动化控制和智能化管理；利用通信模块实现计算机网略通讯和无线网略通信；利用数据存储模块实现超大容量数据存储和数据资源共享。有效提高电力节能效果，解决目前电力节能装置功能单一、设备相互独立、元器件重复安装、设备精度低、装置容量小费用高、整体节能效果差等问题。
[0008]电源模块通过A/D转换，为装置中各模块提供直流电源。
[0009]数据采集模块通过电压互感器、电流互感器和传感器，采集电网或用电设备的电压、电流、有功功率、无功功率、谐波电流、波峰耗电量、波谷耗电量、总的耗电量等用电参数，自动生成相关的图表，绘制成电压变化曲线、电流变化曲线、有功功率变化曲线、无功功率变化曲线、功率因数变化曲线、谐波电流频谱图、波峰耗电曲线、波谷耗电曲线、总耗电量曲线，表格列出各用电参数的最大值、最小值、平均值、5%概率和95%概率等，将所采集数据转换成脉冲同步信号输出。
[0010]电力节能分析模块接收数据采集模块给出的参数后，分析影响能耗的因素，包括:功率因数影响、电压影响、谐波电流影响、无功电流影响、环流影响。进行无功电费分析、三相平衡分析、能耗分析、总的电费分析。通过与电力节能目标的对比，综合分析判断出各项电能浪费问题，提出综合性的整体电力节能技术方案，包括:动态无功功率补偿方案、动态谐波治理方案、系统电压和设备电压控制方案、系统电流和设备电流控制方案、三相负荷平衡和零序电流补偿方案，以及成套装置整体控制和保护方案、系统或设备配置方案、系统或设备分布和布置要求、输出参数和通信要求等。
[0011]电力节能控制模块接收模块给出的综合性整体电力节能各项技术方案后，DSCCPU主机根据各项技术方案编制出不同的控制策略，设定各项控制目标的限制，实施综合控制。通过改变磁控电抗器晶闸管的导通角，连续平滑调节磁控电抗器的电感量和输出的感性无功功率；通过自动投切电容器组或者改变电容器组连接方式，调节电容器组的电容量和输出的容性无功功率。连续无级调节感性无功功率，提高并稳定系统和设备的功率因数以提高电能利用率，减少因功率因数低受到的经济处罚，避免无功用电(反转正计)，减少线路损耗；连续平滑调节线路阻抗，使系统或设备的电压稳定在额定范围内以避免由于电压升高造成的电力浪费；连续平滑调节磁控电抗器电感量使滤波支路阻抗接近于零实现动态谐波治理、消除或减少谐波电流以减少谐波造成的损耗和危害；控制并稳定系统电流以避免由于无功电流、谐波电流和环流造成的电力浪费；连续平滑调节线路阻抗使三相负荷和变压器三相输出电流平衡，减少供电系统和变压器中性点的电流，减少供电和用电损失。
[0012]磁控电抗器成套装置模块是由磁控电抗器本体、励磁控制阀组、开关、互感器、避雷器、熔断器、继电保护等部分组成。磁控电抗器是应用直流助励磁的原理，利用附加在磁控电抗器铁心上的直流电流磁化电抗器铁心，通过调节磁控电抗器铁心的磁饱和程度以改变铁心的磁导率，实现连续平滑调节磁控电抗器的电感量以及输出的感性无功功率。磁控电抗器本体由铁心、绕组、外壳和励磁绕组等部分组成。
[0013]电容器成套装置模块是由电容器组、开关、互感器、放电线圈、避雷器、熔断器、继电保护等部分组成。电容器组是按照动态无功功率补偿需要的电容器容量，或者是按照动态谐波治理以及三相平衡确定的电容器的电容量，对选择的电容器进行串联和并联，然后再分成一组或多组，每一组电容器形成一个支路，各个支路并联在同一个母线上。
[0014]智能控制模块是由自动跟踪定位系统、电能消耗自动诊断和报告系统、自动决策处理和控制系统以及管理系统，组成智能化管理平台。智能控制模块安装调试后即开启跟踪定位功能，实行动态跟踪、自动定位、统一标识；配备远程传输功能，智能化管理平台与计算机联网，将数据实时反馈到平台以随时掌控装置工作情况，实现远程传输实时监控。配备自动报告功能，自动修正相关的电能参数后，智能化管理平台向系统发出指令。通过计算机网络通讯实时对系统的电压、电流、功率、功率因数、耗电量等参数进行采集、分析、处理，自动生成图表，实现遥测功能；通过无线通信，实时对成套装置运行状态、保护动作报警等信息传送到智能化管理平台，实现遥信功能；通过无线通信，智能化管理平台向成套装置的控制系统发出调节参数值、调节设定值或调节整定值指令，实现遥控和遥调功能。电力节能综合控制装置智能化管理平台与智能电网和数字化综合变电站的智能化控制技术相一致。
[0015]通信模块是由计算机网络通讯系统和无线网络通信系统组成。电力节能综合控制装置内部的计算机通讯系统，按照KS232/485通信接口和modbus规约上传遥信和遥测数值。32路以上遥控量全文字显示菜单式人机交互，可实时显示各种运行状态及数据，信息详细直观，操作、调试方便，可灵活设置系统及可控电抗器等设备元器件参数。电力节能综合控制装置外部的无线网络通信系统，按照数字化和可视化要求，实现人机对话。
[0016]数据存储模块是由超大容量数据存储系统、数据资源共享系统和无线网络通信系统组成。电能质量综合控制装置实行统一登记编码、统一管理服务，建立具有唯一的身份识别功能，可追本朔源，全程跟踪，所有数据存储在数据存储系统中。装置中从电源模块到数据存储模块全过程发生的信息，包括采集的数据、数据分析结果、整体治理技术方案、遥调信号、报警信号、跳闸信号以及定期定时统计汇总的信息，全部存储在数据存储系统中，实现数据资源共享。数据存储模块的信息记录可保存不小于10000个最近发生的历史报告和10年以上的数据分析记录，能够掉电保持全部存储的数据。
[0017]本发明的有益效果是:
[0018]1、实现对由于功率因数低造成用电效率降低、谐波多产生的电能损失和危害、电压升高形成的过度用电以及三相负荷不平衡产生的电能损失等电能浪费问题的综合性整体电力节能，有效解决目前电力节能装置功能单一、设备相互独立、元器件重复安装、设备精度低、节能效果差、装置容量小费用高等问题。
[0019]2、实现连续平滑调节、动态跟踪反馈、自动控制的功能，达到提高电能利用率，减少因功率因数低受到的经济处罚，避免无功用电(反转正计)，减少线路损耗；避免由于电压升高造成的电力浪费；避免由于无功电流、谐波电流和环流造成的电力浪费；减少谐波造成的损耗和危害；减少供电系统和变压器中性点电流以减少损失。按照常规设备和成熟元器件配置，能够短期收回，费用低。
[0020]3、实现成套装置自动跟踪定位，电能浪费问题自动诊断和报告、自动决策处理和自动控制，实现电力节能综合自动化控制。
[0021]4、具备智能化管理平台的功能，通过计算机网略和无线通信网络，实现遥测、遥信、遥控和遥调等功能，实现智能化管理、高效节能。智能化管理平台与智能电网或数字化综合变电站的智能化控制技术相一致。
[0022]5、能够达到提高功率因数以增加电网输送能力，减少谐波含量改善电能质量，稳定电网电压提高电网可靠性，延长设备使用寿命。
[0023]6、成套装置具有系列化、标准化、模块化、集成化以及一机多能、一机多用、一机多变等形式，可以满足不同行业对电力节能的要求。
[0024]7、成套装置占地面积小、调节范围大、不产生电磁干扰、不污染环境，无人值守。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是成套装置系统原理流程图；
[0026]图2是成套装置中磁控电抗器原理图；
[0027]图3是成套装置中动态无功补偿原理图；
[0028]图4是成套装置中动态谐波治理原理图。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0030]如图1所示为智能型电力节能综合控制成套装置的系统原理流程图，其中电源模块I通过A/D转换，为成套装置中其他各模块提供直流电源。
[0031]数据采集模块2通过电压互感器、电流互感器和传感器，采集用电设备的电压、电流、有功功率、无功功率、谐波电流、波峰耗电量、波谷耗电量、总的耗电量等用电参数，自动生成相关的图表，绘制成电压变化曲线、电流变化曲线、有功功率变化曲线、无功功率变化曲线、功率因数变化曲线、谐波电流频谱图、波峰耗电曲线、波谷耗电曲线、总耗电量曲线，表格列出各用电参数的最大值、最小值、平均值、5%概率和95%概率等，将所采集数据转换成脉冲同步信号输出。
[0032]电力节能分析模块3接收了数据采集模块2给出的参数以后，分析影响能耗的因素，包括:功率因数影响、电压影响、谐波电流影响、无功电流影响、环流影响。进行无功电费分析、三相平衡分析、能耗分析、总的电费分析。通过与节能目标的对比，综合分析发现该企业存在下述电能浪费的问题:1)平均功率因数COSO <0.7，每月受到的经济处罚平均10.3万元；2)设备平均电压升高AU> 12%UN，最高达到22%，每月由于电压升高造成的电力浪费占总电费的16% ；3)特征谐波电流含量13 = 26.7% I, 15 = 13.5% 1,4)设备电流中无功电流、谐波电流和环流含量占总电流的> 36%，5)变压器三相输出电流不平衡ΔΙ > 18% IN。根据上述电能浪费问题采取综合性的整体电力节能技术方案，包括:动态无功功率补偿方案、动态谐波治理方案、系统电压和设备电压控制方案、系统电流和设备电流控制方案、三相负荷平衡和零序电流补偿方案，以及成套装置整体控制和保护方案、系统或设备配置方案、系统和设备分布布置要求等，将上述方案输出至电能质量控制模块4。电力节能控制模块4接收电力节能分析模块3给出的各项技术方案后，其中DSCCPU主机编制不同的控制策略，设定平均功率因数等控制目标限制，实施综合控制。
[0033]如图2所示为智能型电力节能综合控制成套装置中磁控电抗器原理图，通过改变磁控电抗器晶闸管的导通角，平滑调节磁控电抗器电感量和输出的感性无功功率。
[0034]如图3所示为智能型电力节能综合控制成套装置中动态无功功率补偿原理图，设计了三个电容器补偿支路，通过自动投切，调节电容器成套装置输出的容性无功功率，补偿后系统的功率因数实测值:COSO >0.98。连续平滑调节线路阻抗，实测设备电压稳定在AU < ±3% UN。
[0035]如图4所示为智能型电力节能综合控制成套装置的动态谐波治理原理图，设计了三个动态谐波治理支路，通过连续平滑调节磁控电抗器的电感量，谐波治理支路的阻抗接近于零，滤波后实测特征谐波电流含量13 = 1.6% I，15 = 0.5% I。连续平滑调节线路阻抗，三相负荷和变压器三相输出电流趋于平衡，实测ΛΙ < 3.3% IN。
[0036]通过采取上述动态无功功率补偿、动态谐波治理、系统和设备电压控制、系统和设备电流控制、三相负荷平衡和零序电流补偿等综合性的整体电力节能技术方案，以及采取合理的整体控制和保护、设备配置、设备分布，该企业实现整体电力节能达到总用电量的16.6%，经济效益非常可观。而且，在电力节能的同时，提高了该企业变压器和用电网30%的输送能力，改善了电能质量，提高了电网可靠性，延长了设备使用寿命。
[0037]磁控电抗器成套装置模块5由磁控电抗器本体、励磁控制阀组、开关、互感器、避雷器、熔断器、继电保护等部分组成，磁控电抗器本体由铁心、绕组、外壳和励磁绕组等部分组成。电容器成套装置模块6由电容器组、开关、互感器、放电线圈、避雷器、熔断器、继电保护等部分组成，电容器经过串联和并联后分成三组，每一组电容器形成一个支路，三个支路并联在同一个母线上。
[0038]智能控制模块7配制自动跟踪定位系统、电能消耗自动诊断和报告系统、自动决策处理和控制系统以及管理系统，组成智能化管理平台。模块7安装调试后开启跟踪定位功能，实行动态跟踪、自动定位、统一标识；配备远程传输功能，智能化管理平台与计算机联网，将数据实时反馈到平台以随时掌控装置工作情况，实现远程传输实时监控。配备自动报告功能，自动修正相关的电能参数后智能化管理平台向系统发出指令。通过计算机网络通讯实时对系统的电压、电流、功率、功率因数、耗电量等参数进行采集、分析、处理，自动生成图表，实现了遥测功能；通过无线通信，实时对成套装置运行状态、保护动作报警等信息传送到智能化管理平台，实现了遥信功能；通过无线通信，智能化管理平台向成套装置的控制系统发出调节参数值、调节设定值或调节整定值指令，实现了遥控和遥调功能。电力节能综合控制装置智能化管理平台与智能电网和数字化综合变电站的智能化控制技术一致。
[0039]通信模块8按照KS232/485通信接口和modbus规约上传遥信和遥测数值。配置32路遥控量全文字显示，实时显示运行状态及数据，按照数字化和可视化要求，实现菜单式人机交互和人机对话。
[0040]数据存储模块9中从电源模块I到数据存储9全过程发生的信息，包括采集的数据、数据分析结果、整体控制技术方案、遥调信号、报警信号、跳闸信号以及定期定时统计汇总的信息，全部存储在数据存储模块中，实现数据资源共享。数据存储模块的信息记录能够保存10000个最近发生的历史报告和10年以上的数据分析记录，能够掉电保持全部存储的数据。
[0041 ] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于，其由电源模块(I)、参数采集模块(2)、分析模块(3)、控制模块(4)、磁控电抗器成套装置模块(5)、电容器成套装置模块(6)、智能控制模块(7)、通信模块(8)和数据存储模块(9)组成。
2.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:利用电源模块(I)为各模块提供直流电源；利用参数采集模块(2)全面采集电网的参数；利用分析模块(3)提出综合性整体电力节能方案。
3.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:利用控制模块(4)调节磁控电抗器和系统的参数，动态跟踪反馈；利用磁控电抗器成套装置模块(5)和电容器成套装置模块(6)连续调节磁控电抗器参数使功率因数提高并稳定、连续调节阻抗使电压稳定、连续调节电感量实现动态谐波治理、连续调节阻抗使三相负荷平衡。
4.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:利用智能控制模块(7)实现综合自动化控制和智能化管理；利用通信模块(8)实现计算机网络通讯和无线网络通信；利用数据存储模块(9)实现超大容量的数据存储和数据资源共享。
5.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:针对在用电效率、电压升高、谐波影响、三相不平衡等方面存在的电力节能问题进行综合性整体治理，即:连续无级平滑调节、动态跟踪反馈、自动控制，达到功率因数提高并稳定、动态谐波治理、稳定电压、三相负荷平衡的效果，并且按照常规设备和成熟的元器件进行配置和布置。
6.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:成套装置自动跟踪定位、电力节能问题自动诊断和报告、自动决策处理和自动控制。
7.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:具备智能化管理平台的功能，通过计算机网络和无线通信网络实现遥测、遥信、遥控和遥调等功能，实现智能化管理。该平台与智能电网以及数字化综合变电站的智能化控制技术相一致。
8.根据权利要求1所述的智能型电力节能综合控制成套装置，其特征在于:成套装置具有系列化、标准化、模块化、集成化以及一机多能、一机多用、一机多变等形式，可以满足不同行业对电力节能的要求。
【文档编号】H02J3/00GK104242457SQ201410502883
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】王学才, 吴洪山, 吴丹, 王珊 申请人:山东金美亚电力科技有限公司