智能变电站的制作方法

[0001]
本发明涉及变电站领域，具体是一种智能变电站。


背景技术：

[0002]
变电站是电力系统中不可或缺的一部分，变电站可以是升压电站也可以是降压电站，靠近用户端的是降压电站，其将电网中的高压电转换成用户端所要使用的低压电，220v、380v等。
[0003]
用户端上常常会有一些电感负载，也称感性负载，常见的感性负载例如电动机，有线圈存在的电路基本都或多或少存在电感阻力，这些感性负载需要电能去驱动，虽然纯电感的负载，通过其的电流并不会被消耗，其电流在电路中称为无功电流，在电网中所占用的功率称为无功功率，无功功率不产生消耗，但是从电网总量上看，无功电流一来会由于需要通过电缆输送从而产生热量损耗，二来，无功功率占有电网后，电网就不能把这部分功率分配给其他地方使用了，整体上看实际时降低了电网的使用效率的，所以，大部分的用电端都需要将其自身的功率因数尽可能地提高，以便占用电网中较小的资源。
[0004]
无功补偿是应对无功功率占用的有效手段，但是无功补偿需要首先获知原始电路上的功率因数以便进行补偿控制，电网负载的纷繁复杂造成了功率因数计算困难的现状，如何实时的检测功率因数并进行相应补偿使得总功率因数趋向1是一大难题。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种智能变电站，以解决现有技术中的问题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能变电站，包括变压器，变压器包括一次端和二次端，一次端连接市电端，二次端端部连接用户端，智能变电站还包括电容器组，电容器组设置在二次端上，电容器组与用户端为并联关系。
[0007]
用户端连接周围用电负载或短距离输送后送往村落、楼宇中，市电端连接城市电网上的高压电，城市电网的电压分若干级，常用的有10kv，选配适合降压比的变压器作为变电中介构成变电站的核心。用户端上常常会有很多的感性负载，本发明的电容器组就可以根据用户端上的感性负载的数量而接入二次端合适容量的容性负载，从而在二次端总路上中和，只有电阻性的电流最终到达变压器并从市电端上获取有功功率，对于外界（市电端侧）来说，变电站后的用电部件是一个功率因数接近1的负载，有利于电网进行电力调配，以便服务更多的用电场合。
[0008]
进一步的，智能变电站还包括功率因数测量模块，电容器组包括若干相互独立且并联连接的电容，功率因数测量模块从二次端上获取电信号并控制电容接入二次端的数量。用户端上的负载并不是一直保持不变的，当感性负载接入地较多时，就需要接入更多的相匹配容量的电容，而用户端上感性负载停机后，也需要及时将用于与之相抵消的电容断开，否则总路成为容性电路，仍然造成功率因数的低下；虽然从统计学上可以大致分析在每
天中分时间段的用户端负载状况以及大致需要的电容配比量，但是，这种手法前期需要较多的数据作分析以及后期调配也不够准确，虽然比起没有任何功率因数调配的变电站来说已经是大大提高了，但是还是有进一步的提升空间的，本发明通过在二次端总电路上设置功率因数测量模块，实时检测总电路上的功率因数，当变低时，通过增加并联进电路的电容数量来重新提高功率因数（当功率因数接近1而未达到时，再一次并入电容可能使得总路上的功率因数越过1后又一次降低，此时应减少并入电容的数量，此种状况后文会有分析）。
[0009]
进一步的，功率因数测量模块包括电压互感器、电流互感器、第一运放y1、第二运放y2、三极管s、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5；电压互感器设置在二次端电路中获取输出给用户端的电平信号u0，电流互感器设置在二次端电路中获取二次端上的总电流信号并通过一电阻转换成电平信号ux，电平信号u0、ux均为模拟量信号；第一运放y1的负输入端分别连接第一电阻r1、第三电阻r3、第四电阻r4的一端，第一电阻r1的另一端与第二电阻r2的一端相连接作为公共端并接入信号ux，第三电阻r3的另一端与第一运放y1的输出端相连接，第四电阻r4的另一端接地，三极管s为npn型，第二电阻r2的另一端与三极管s的集电极连接后共同连接在第一运放y1的正输入端上，三极管s的基极与第二运放y2的输出端相连接，三极管s的发射极接地，第五电阻r5一端与第二运放y2的输出端相连接、另一端接地，第二运放y2的两个输入端其中一个接入信号u0、另一个接地，第一运放y1的输出端输出信号uf，信号uf传递给电容器组用于控制接入二次端的电容的数量。
[0010]
先不考虑电容对于电路的功率因数补偿作用，二次端电压u0作为原始驱动电压，其电流波动曲线作为参考线，交流电是正弦变化的，通过电流互感器所检测到的总路电流是若干负载的电流叠加，电流被电流互感器获取后通过电阻转换为一个等比例的电平信号ux，其基本的变化曲线也是一条正弦曲线，其在相位上滞后u0的度数为θ角，θ的余弦即为此负载下电路中的功率因数，u0和ux分别进入功率因数测量模块的处理器中，u0作为参考信号加载在第二运放y2上，第二运放y2是一反向放大器，u0为高电平时，第二运放y2输出端为低电平，三极管s截止，第一运放y1的负向输入端通过r4接地，第一运放y1作为正向放大器使用，uf与ux同向，当u0为低电平时，第二运放y2输出端为高电平，三极管s导通，第一运放y1的正向输入端优先接地，第一运放y1作为反向放大器使用， uf与ux反向，在具体值上：设ux的有效电平为ux，有效电平ux通过现有技术的电表即可测出，则：其中：a1为y1作为正向放大器时的放大系数，a1=r3/r4+1；a2为y1作为反向放大器时的放大系数，a2=r3/r1；作为优化，也为了后续计算方便与统一，第三电阻r3与第一电阻r1的比值等于第三电阻r3与第四电阻r4的比值加一；调配r1、r3、r4的阻值完全可以使得a1=a2，统一为放大系数a；
将uf傅里叶分解展开并整理，可得：从上述结果可以看出，uf包含直流量和若干上下震荡的交流变化量，ux和u0相位差角θ的余弦为功率因数，而uf的平均值中就包含着功率因数cosθ，故可用uf的平均值经过一次运算后来作为二次端总路上的功率因数，功率因数获得后，根据偏离1的大小以及，调配电容器组的容量，使得功率因数cosθ重新为1。运行时可以是，时刻通过uf均值监视总路上功率因数的变化，当cosθ降低一定程度后，接入新的电容，当电容器组的接入容量没有发生变化但通过uf获得的功率因数cosθ出现先非常接近1然后又变小的状况时，即说明电路中有感性负载被撤除了，电路成为了容性电路，应当减小电容的接入数量，如果是直接突变式的功率因数变化，则说明被撤除的感性负载是一个且较大或者是接入了新的感性负载，并不清楚目前是容性电路还是感性电路，则可以通过先行增加一个较小的电容来观察，如果加入较小的电容后功率因数是提高了的，那么电路仍然为感性电路，而如果加入较小电容后，功率因数反而进一步降低了，那么说明此时的电路已经成为了容性电路，应当撤除一部分电容。
[0011]
作为优化，功率因数测量模块还包括第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8，信号u0通过第六电阻r6接在第二运放y2的负输入端，第二运放y2的正输入端接地，第七电阻r7一端连接第二运放y2的负输入端、另一端连接第二运放y2输出端，第八电阻r8一端连接第二运放y2的输出端，第八电阻r8的另一端连接三极管s基极与第五电阻r5的公共端节点。
[0012]
如果第二运放y2直接以开环形式连接并且输出端直连三极管s的话，则由于开环放大系数非常大，第二运放y2输出波形变形严重，三极管s基极受到的电平变化范围特别大，可能损伤三极管s，所以将第二运放y2构建为闭环负反馈形式，并在输出端与三极管s基极之间增设第八电阻r8，这样传递到三极管s基极的电平信号才能正弦变化均匀（实际为带有r7/r6放大系数的u0反向波形并以r8和r5的比值进行分压）。
[0013]
作为优化，功率因数测量模块还包括低通滤波器l，低通滤波器l设置在第一运放y1的输出端后，低通滤波器l的截止频率为工频。从第一运放y1上直接输出的y1包含有若干交流量：，频率都为工频的整数倍，在后续信号传递过程中并不需要这一量，所以传递给后方只会增大后续的处理量，所以，在第一运放y1后方加入低通滤波器l，低通滤波器l可以滤去这些高频量，使得功率因数测量模块的输出信号uf只包含直流量。
[0014]
作为优化，智能变电站还包括若干辅助联络端，辅助联络端为二次端在变压器中的若干平行克隆结构，辅助联络端的输出端分别与二次端的输出端并联，辅助联络端分别设置独立的开关用于连接至二次端上。
[0015]
辅助联络端可以帮助调配变压器的容量，用户端上的负载不多时，总电流转化得
到的ux有效电平ux不高时，说明用户端用电不多，此时可以缩减变压器的容量，即只有少部分的辅助联络端甚至没有辅助联络端并联上二次端，只需要一个二次端去进行变压送电，每个辅助联络端和二次端都是等同的部分，使用时交替运行。使用本结构的目的在于在小负载时缩减变压器容量，防止出现“大牛拉小车”的情况，变压器在负载率较低的状态下运行不仅变电效率低，而且变压器由于是线圈结构，也存在无功功率，由于位于本发明无功补偿器件的前序，所以并不好去补偿，提供变压器的负载率能帮助变压器自身保持一个较高的功率因数。
[0016]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明从变电站处入手，通过功率因数测量模块实时检测二次端上的功率因数，通过在电路中并入电容从而抵消掉用户端上的一些感性负载，使得二次端总的功率因数趋近1，降低对于市电端外电网的功率占用；调节时通过若干电容的独立并联与断开进行操作，当电容较多且单个值较小时，可以降低功率因数调配的阶梯性，在一定的精度范围内达成无级调节的效果；功率因数测量模块简单实用且易于制造；变压器不仅有多个辅助联络端，方便根据用户端的负载量调配变压器负载率使其高效运行。
附图说明
[0017]
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0018]
图1为本发明的强电部分的电路原理图；图2为本发明基础版功率因数测量模块的原理图；图3为本发明完善版功率因数测量模块的原理图；图4为本发明信号u0、ux、uf的波形图一；图5为本发明信号u0、ux、uf的波形图二。
[0019]
图中：1-变压器、2-二次端、3-辅助联络端、4-电压互感器、5-电流互感器、6-电容器组、61-电容、100-市电端、200-用户端。
具体实施方式
[0020]
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。
[0021]
如图1所示，一种智能变电站，包括变压器1，变压器1包括一次端和二次端2，一次端连接市电端100，二次端2端部连接用户端200，智能变电站还包括电容器组6，电容器组6设置在二次端2上，电容器组6与用户端200为并联关系。
[0022]
用户端200连接周围用电负载或短距离输送后送往村落、楼宇中，市电端100连接城市电网上的高压电，城市电网的电压分若干级，常用的有10kv，选配适合降压比的变压器1作为变电中介构成变电站的核心。用户端200上常常会有很多的感性负载，本发明的电容器组6就可以根据用户端200上的感性负载的数量而接入二次端2合适容量的容性负载，从而在二次端总路上中和，只有电阻性的电流最终到达变压器1并从市电端100上获取有功功
率，对于外界（市电端100侧）来说，变电站后的用电部件是一个功率因数接近1的负载，有利于电网进行电力调配，以便服务更多的用电场合。
[0023]
智能变电站还包括功率因数测量模块，电容器组6包括若干相互独立且并联连接的电容61，功率因数测量模块从二次端2上获取电信号并控制电容61接入二次端2的数量。用户端200上的负载并不是一直保持不变的，当感性负载接入地较多时，就需要接入更多的相匹配容量的电容61，而用户端200上感性负载停机后，也需要及时将用于与之相抵消的电容61断开，否则总路成为容性电路，仍然造成功率因数的低下；虽然从统计学上可以大致分析在每天中分时间段的用户端200负载状况以及大致需要的电容61配比量，但是，这种手法前期需要较多的数据作分析以及后期调配也不够准确，虽然比起没有任何功率因数调配的变电站来说已经是大大提高了，但是还是有进一步的提升空间的，本发明通过在二次端2总电路上设置功率因数测量模块，实时检测总电路上的功率因数，当变低时，通过增加并联进电路的电容61数量来重新提高功率因数（当功率因数接近1而未达到时，再一次并入电容可能使得总路上的功率因数越过1后又一次降低，此时应减少并入电容61的数量，此种状况后文会有分析）。
[0024]
如图2所示，功率因数测量模块包括电压互感器4、电流互感器5、第一运放y1、第二运放y2、三极管s、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5；电压互感器4设置在二次端2电路中获取输出给用户端200的电平信号u0，电流互感器5设置在二次端2电路中获取二次端2上的总电流信号并通过一电阻转换成电平信号ux，电平信号u0、ux均为模拟量信号；第一运放y1的负输入端分别连接第一电阻r1、第三电阻r3、第四电阻r4的一端，第一电阻r1的另一端与第二电阻r2的一端相连接作为公共端并接入信号ux，第三电阻r3的另一端与第一运放y1的输出端相连接，第四电阻r4的另一端接地，三极管s为npn型，第二电阻r2的另一端与三极管s的集电极连接后共同连接在第一运放y1的正输入端上，三极管s的基极与第二运放y2的输出端相连接，三极管s的发射极接地，第五电阻r5一端与第二运放y2的输出端相连接、另一端接地，第二运放y2的两个输入端其中一个接入信号u0、另一个接地，第一运放y1的输出端输出信号uf，信号uf传递给电容器组6用于控制接入二次端2的电容61的数量。
[0025]
先不考虑电容61对于电路的功率因数补偿作用，图2中，二次端2电压u0作为原始驱动电压，其电流波动曲线作为参考线，如图4所示，交流电是正弦变化的，通过电流互感器5所检测到的总路电流是若干负载的电流叠加，电流被电流互感器5获取后通过电阻转换为一个等比例的电平信号，其基本的变化曲线也是一条正弦曲线，如图4所示的ux，其在相位上滞后u0的度数为θ角，θ的余弦即为此负载下电路中的功率因数，u0和ux分别进入功率因数测量模块的处理器中，u0作为参考信号加载在第二运放y2上，第二运放y2是一反向放大器，u0为高电平时，第二运放y2输出端为低电平，三极管s截止，第一运放y1的负向输入端通过r4接地，第一运放y1作为正向放大器使用，uf与ux同向，当u0为低电平时，第二运放y2输出端为高电平，三极管s导通，第一运放y1的正向输入端优先接地，第一运放y1作为反向放大器使用， uf与ux反向，u0、ux、uf的代表性波形图，在具体值上：设ux的有效电平为ux，有效电平ux通过现有技术的电表即可测出，则：
其中：a1为y1作为正向放大器时的放大系数，a1=r3/r4+1；a2为y1作为反向放大器时的放大系数，a2=r3/r1；第三电阻r3与第一电阻r1的比值等于第三电阻r3与第四电阻r4的比值加一；为了后续计算方便与统一，调配r1、r3、r4的阻值完全可以使得a1=a2，统一为放大系数a；将uf傅里叶分解展开并整理，可得：从上述结果可以看出，uf包含直流量和若干上下震荡的交流变化量，ux和u0相位差角θ的余弦为功率因数，而uf的平均值中就包含着功率因数cosθ，故可用uf的平均值经过一次运算后来作为二次端2总路上的功率因数，功率因数获得后，根据偏离1的大小以及，调配电容器组6的容量，使得功率因数cosθ重新为1。运行时可以是，时刻通过uf均值监视总路上功率因数的变化，当cosθ降低一定程度后，接入新的电容61，当电容器组6的接入容量没有发生变化但通过uf获得的功率因数cosθ出现先非常接近1然后又变小的状况时，即说明电路中有感性负载被撤除了，电路成为了容性电路，应当减小电容的接入数量，如果是直接突变式的功率因数变化，则说明被撤除的感性负载是一个且较大或者是接入了新的感性负载，并不清楚目前是容性电路还是感性电路，则可以通过先行增加一个较小的电容61来观察，如果加入较小的电容61后功率因数是提高了的，那么电路仍然为感性电路，而如果加入较小电容61后，功率因数反而进一步降低了，那么说明此时的电路已经成为了容性电路，应当撤除一部分电容61。
[0026]
图5显示了电阻性负载在ux上产生的信号波形ur与电感性负载产生的信号波形ul，ur的相位与u0一致，而ul的相位滞后90
°
，ufr的均值为=，而ufl的均值为=0，这也从侧面说明了，本功率因数测量模块可以在uf中区别出电阻性负载和电感（容）性负载。
[0027]
如图3所示，功率因数测量模块还包括第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8，信号u0通过第六电阻r6接在第二运放y2的负输入端，第二运放y2的正输入端接地，第七电阻r7一端连接第二运放y2的负输入端、另一端连接第二运放y2输出端，第八电阻r8一端连接第
二运放y2的输出端，第八电阻r8的另一端连接三极管s基极与第五电阻r5的公共端节点。
[0028]
如果第二运放y2直接以开环形式连接并且输出端直连三极管s的话，则由于开环放大系数非常大，第二运放y2输出波形变形严重，三极管s基极受到的电平变化范围特别大，可能损伤三极管s，所以将第二运放y2构建为图3中的闭环负反馈形式，并在输出端与三极管s基极之间增设第八电阻r8，这样传递到三极管s基极的电平信号才能像图4中u0那样正弦变化均匀（实际为带有r7/r6放大系数的反向波形并以r8和r5的比值进行分压）。
[0029]
如图3所示，功率因数测量模块还包括低通滤波器l，低通滤波器l设置在第一运放y1的输出端后，低通滤波器l的截止频率为工频。从第一运放y1上直接输出的y1包含有若干交流量：，频率都为工频的整数倍，在后续信号传递过程中并不需要这一量，所以传递给后方只会增大后续的处理量，所以，在第一运放y1后方加入低通滤波器l，低通滤波器l可以滤去这些高频量，使得功率因数测量模块的输出信号uf只包含直流量。
[0030]
如图1所示，智能变电站还包括若干辅助联络端3，辅助联络端3为二次端2在变压器1中的若干平行克隆结构，辅助联络端3的输出端分别与二次端的输出端并联，辅助联络端3分别设置独立的开关用于连接至二次端2上。
[0031]
辅助联络端3可以帮助调配变压器1的容量，用户端200上的负载不多时，总电流转化得到的ux有效电平ux不高时，说明用户端200用电不多，此时可以缩减变压器1的容量，即只有少部分的辅助联络端3甚至没有辅助联络端3并联上二次端2，只需要一个二次端2去进行变压送电，每个辅助联络端3和二次端2都是等同的部分，使用时交替运行。使用本结构的目的在于在小负载时缩减变压器1容量，防止出现“大牛拉小车”的情况，变压器1在负载率较低的状态下运行不仅变电效率低，而且变压器由于是线圈结构，也存在无功功率，由于位于本发明无功补偿器件的前序，所以并不好去补偿，提供变压器1的负载率能帮助变压器自身保持一个较高的功率因数。
[0032]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。