一种多功能电力设备监控系统的制作方法

本发明属于电力技术领域，特别涉及一种多功能电力设备监控系统。

背景技术：

随着经济的快速发展，低压(交流不超过1000V或直流不超过1500V)配电系统占据着主导地位，它是电力系统与最终用户之间的最后连接，是与用户联系最密切、使用设备最多、线路最长、用电量最大的一个环节，在工厂、矿山、城市、农村等到处都离不开低压配电系统，所以，低压配电系统的合理、安全、高效与稳定运行，直接关系着广大用户的用电可靠性和用电质量，因而对低压配电系统配电线路、控制设备等进行保护具有重大意义。目前低压配电保护多选用塑壳断路器、熔断器或漏电断路器，实现速断、长延时保护，但很多塑壳断路器动作精度不够，且不具备信号实时监测显示、事件记录和通讯组网等功能；而采用的热继电器作为电动机过载保护和控制元件，受到元件质量、工艺限制，已无法满足日益发展工艺自动化要求。

加强电能质量和节能降耗的影响十分重要，这其中采取无功补偿方式提高功率因数降等都是行之有效的措施。在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路的电能损耗及供电的经济性，供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数补偿装置具有实际的社会，经济效益。而且在电力系统中，无功功率要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统瓦解。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义。

按电网无功功率补偿方式可分为串联补偿和并联补偿。并联补偿方式又可分为电容器组补偿，调电感补偿，调相机补偿的移相补偿等。本设计我们将采用并联电容器补偿，主要应用单片机技术，实现对低压电力系统的监控，完成功率因数的测量，并根据所得数据进行电容组的投切，以实现对电力系统的功率因数的补偿。

无功补偿控制器是无功补偿的核心,其性能直接影响补偿的效果。它是根据检测的功率因数或无功功率,按照一定的控制规则投入/切除电容器,实现对线路进行无功补偿。在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的无功功率，从而使功率因数下降，导致无功电源不足，系统电压降低，电能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。

此外，局部放电现象也是影响电力设备正常运作的一个主要原因。

因此，现在亟需一种多功能电力设备监控系统，能够实现电网的无功补偿，同时能够进行配电保护，在保证功率因数，减少电能损耗的同时，避免局放现象，保证设备平衡运行。

技术实现要素：

本发明提出一种多功能电力设备监控系统，解决了现有技术中电网因为局放现象和短路电流对电力设备造成的损坏，以及因为无功功率造成的电能耗损问题。

本发明的技术方案是这样实现的：多功能电力设备监控系统，包括电力设备，电力设备连接有局部放电监测装置、配电保护装置以及无功补偿装置，局部放电监测装置、配电保护装置以及无功补偿装置连接有中央控制器，中央控制器实现电力设置的电量监测、配电保护以及无功补偿。

作为一种优选的实施方式，配电保护装置，包括配电控制器，配电控制器连接有短路保护器，配电控制器根据电力设备的参数确定供电设备的预期短路电流，短路保护器实时监测电力设备的运行短路电流，当监测的运行短路电流达到预期短路电流，且短路时间超出第一预设阀值时，通过显示器进行显示，且短路保护器切断电力设备的供电电源。

作为一种优选的实施方式，短路保护器包括重合器和分段器，配电控制器利用分段器实现短路电流的关合，配电控制器利用重合器切除短路电流，重合器预先设定好重合次数，当开关的实际重合次数达到设定值并且开关牌分闸状态时，则闭锁自动合闸，隔离故障线路，重合器设置有间隔周期，间隔周期为重合器每次分合操作的时间间隔，分段器的分合操作决定于线路电压，开关的供电即分闸，来电后则合闸。

作为一种优选的实施方式，根据电力设备的最大短路电流，确定电力设备的速断一次值，其中速断一次值与最大短路电流呈线性关系，最大短路电流采用直接把最大变压器置于路线首端计算最大短路电流，供电设备的供电线路连接有接地保护系统，接地保护系统当发生供电设备碰壳接地故障时，接地电流通过供电设备的接地电阻和接地保护系统的接地电阻形成回路，并在两电阻上产生压降，降低供电设备外壳上所带电压。

作为一种优选的实施方式，利用电流速断保护，规定在最大运行方式下三相短路时，保护范围最大，为lmax，在最小运行方式下两相短路时，保护范围最小，为lmin，其中，在最小运行方式下，速断保护范围的相对值满足：

$l_b=\frac{l_{\min }}{l_{AB}}\×100\%\≥(15-20)\%$

$I_{set.1}^1=k_{rel}^1{I}_{2K3.\max }$

$l_{\min }=\frac{1}{x_1}(\frac{\sqrt{3}}{2}\×\frac{E_s}{I_{op.k}}-X_{S.max})$

式中：K1rel--可靠系数；I2k3.max--最大运行方式下线路末端三相短路稳态电流；I opk--保护装置一次动作电流；Es--系统基准电压；XS.Max--系统最大运行方式下的最小等值阻抗，电流速断保护范围包括下条线路或者电力设备的末端，保护整定的动作电流应躲过线路的过负荷电流，当供电线路三相电压不平衡率大于设定目标，且超出不平衡延时时间后，控制器控制启动电压不平衡保护，确定三相压电不平衡率，采用设置电容器装置实现，将若干组电容器装置进行星形接线方式连接，不平衡电压保护的电压取电容器装置组的开口三角电压。

作为一种优选的实施方式，无功补偿装置，包括电流互感器和电压互感器，其特征在于，电流互感器和电压互感器连接有相位检测装置，相位检测装置连接有补偿控制器，补偿控制器计算电流互感器和电压互感器的相位差数值，确定该相的功率因数，补偿控制器连接有功率因数显示单元和投切控制电路，投切控制电路连接有投切电容组，电压互感器和电流互感器分别包括A相互感器、B相互感器和C相互感器，投切电容组包括A相电容、B相电容和C相电容。

作为一种优选的实施方式，相位检测装置包括与电压互感器连接的电压比较器以及与电流互感器连接的I/V转换器，I/V转换器连接电压互感器，电压互感器连接有鉴相电路，鉴相电路计数器，投切控制电路包括一零电压检测器，零电压检测器一端通过与门连接投入命令，与门连接有多谐振荡器，零电压检测器连接有光电耦合器，光电耦合器的另一端通过电阻连接有晶闸管，晶闸管连接有脉冲隔离放大器，功率因数显示单元包括LED显示单元。

作为一种优选的实施方式，补偿控制器连接有电源电路，电源电路包括三端稳压器，三端稳压器的输入端和接地端之间连接有第一电容，三端稳压器的输出端和接地端之间连接有第二电容，三端稳压器的输入端通过整流电路和变压器连接电源,补偿控制器预设有第一阀值功率因数，当补偿控制器根据相位检测装置的采集数据确定该相功率因数大于该第一阀值功率因数时，不进行补偿；当补偿控制器得到根据相位检测装置的采集数据确定该相功率因数小于该第一阀值功率因数时，进行补偿。

作为一种优选的实施方式补偿控制器根据相位检测装置的采集数据确定该相功率因数，包括同时对系统中三相电压、三相电流进行采集得到实时网络信号，经过隔离模块的隔离处理后，再进行N点等时间间隔得到电压及电流序列，得到关于时间的复数离散序列，再进行傅立叶变化，再进行离散傅立叶变化，根据其共轭改正得到电压、电流向量与谐波间的关系，在不考虑直流分量时，导出该相位谐波电压和谐波电流的有效值，从而确定有功功率，得到该相位的功率因数，补偿控制器根据实时的电压、电流，计算出无功功率，确定需要补偿的无功，从而根据预设的投切策略，控制投切电容组中的部分投切电容进行无功补偿。

作为一种优选的实施方式，局部放电监测装置包括局放控制器，局放控制器连接有放大采样电路，放大采样电路连接有A/D转换电路，A/D转换电路连接有超声波传感器和脉冲发生器，局放控制器及A/D转换电路连接有存储器，局放控制器连接有显示器。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：通过无功补偿装置，改善功率因数:尽量避免发电机降低功率因数运行,防止向远方负载输送无功引起电压和功率损耗,应在用户处实行低功率因数限制,即采取就地无功补偿措施；改善电压调节:负载对无功需求的变化,会引起供电点电压的变化,对这种变化若从电源端(发电厂)进行调节,会引起一些问题,而补偿设备就起着维持供电电压在规定范围内的重要作用；调节负载的平衡性:当正常运行中出现三相不对称运行时,会出现负序、零序分量,将产生附加损耗,使整流器波纹系数增加,引起变压器饱和等,经补偿设备就可使不平衡负载变成平衡负载；另外，通过估算预期短路电流，和速断电流值，在即将达到预期短路电流实现了自动断路保护；同时，还设置有电压不平衡保护，通过三相压电的不平衡率确定三相电压不平衡率的设定目标；本发明能够实现配电保护，保证电力设备的平衡运行；通过超声波传感器和脉冲发生器实时检测电力设备的局部放电信号，并且通过一系列处理，使局部放电波形在显示器上进行显示，可以有效地得知电力设备的局部放电情况，从而方便维护人员进行电力设备的维护，避免电力设备出现难以挽回的故障，甚至是造成安全事故。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方框示意图；

图2为配电保护装置的方框示意图；

图3为无功补偿装置的方框示意图；

图4为电源电路的示意图；

图5为切控制电路的示意图；

图6为相位检测装置的示意图。

图7为局部放电监测装置的示意图。

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作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。

如图1-7所示，本多功能电力设备监控系统，包括电力设备，电力设备连接有局部放电监测装置、配电保护装置以及无功补偿装置，局部放电监测装置、配电保护装置以及无功补偿装置连接有中央控制器，中央控制器实现电力设置的电量监测、配电保护以及无功补偿。

配电保护装置，包括配电控制器，配电控制器连接有短路保护器，配电控制器根据电力设备的参数确定供电设备的预期短路电流，短路保护器实时监测电力设备的运行短路电流，当监测的运行短路电流达到预期短路电流，且短路时间超出第一预设阀值时，通过显示器进行显示，且短路保护器切断电力设备的供电电源。

短路保护器包括重合器和分段器，配电控制器利用分段器实现短路电流的关合，配电控制器利用重合器切除短路电流，重合器预先设定好重合次数，当开关的实际重合次数达到设定值并且开关牌分闸状态时，则闭锁自动合闸，隔离故障线路，重合器设置有间隔周期，间隔周期为重合器每次分合操作的时间间隔，分段器的分合操作决定于线路电压，开关的供电即分闸，来电后则合闸。

根据电力设备的最大短路电流，确定电力设备的速断一次值，其中速断一次值与最大短路电流呈线性关系，最大短路电流采用直接把最大变压器置于路线首端计算最大短路电流，供电设备的供电线路连接有接地保护系统，接地保护系统当发生供电设备碰壳接地故障时，接地电流通过供电设备的接地电阻和接地保护系统的接地电阻形成回路，并在两电阻上产生压降，降低供电设备外壳上所带电压。

利用电流速断保护，规定在最大运行方式下三相短路时，保护范围最大，为lmax，在最小运行方式下两相短路时，保护范围最小，为l mi n，其中，在最小运行方式下，速断保护范围的相对值满足：

$l_b=\frac{l_{\min }}{l_{AB}}\×100\%\≥(15-20)\%$

$I_{set.1}^1=k_{rel}^1{I}_{2K3.\max }$

$l_{\min }=\frac{1}{x_1}(\frac{\sqrt{3}}{2}\×\frac{E_s}{I_{op.k}}-X_{S.max})$

式中：K1rel--可靠系数；I2k3.max--最大运行方式下线路末端三相短路稳态电流；I opk--保护装置一次动作电流；Es--系统基准电压；XS.Max--系统最大运行方式下的最小等值阻抗，电流速断保护范围包括下条线路或者电力设备的末端，保护整定的动作电流应躲过线路的过负荷电流，当供电线路三相电压不平衡率大于设定目标，且超出不平衡延时时间后，控制器控制启动电压不平衡保护，确定三相压电不平衡率，采用设置电容器装置实现，将若干组电容器装置进行星形接线方式连接，不平衡电压保护的电压取电容器装置组的开口三角电压。

无功补偿装置，包括电流互感器和电压互感器，其特征在于，电流互感器和电压互感器连接有相位检测装置，相位检测装置连接有补偿控制器，补偿控制器计算电流互感器和电压互感器的相位差数值，确定该相的功率因数，补偿控制器连接有功率因数显示单元和投切控制电路，投切控制电路连接有投切电容组，电压互感器和电流互感器分别包括A相互感器、B相互感器和C相互感器，投切电容组包括A相电容、B相电容和C相电容。

相位检测装置包括与电压互感器连接的电压比较器以及与电流互感器连接的I/V转换器，I/V转换器连接电压互感器，电压互感器连接有鉴相电路，鉴相电路计数器，投切控制电路包括一零电压检测器，零电压检测器一端通过与门连接投入命令，与门连接有多谐振荡器，零电压检测器连接有光电耦合器，光电耦合器的另一端通过电阻连接有晶闸管，晶闸管连接有脉冲隔离放大器，功率因数显示单元包括LED显示单元。

补偿控制器连接有电源电路，电源电路包括三端稳压器，三端稳压器的输入端和接地端之间连接有第一电容，三端稳压器的输出端和接地端之间连接有第二电容，三端稳压器的输入端通过整流电路和变压器连接电源,补偿控制器预设有第一阀值功率因数，当补偿控制器根据相位检测装置的采集数据确定该相功率因数大于该第一阀值功率因数时，不进行补偿；当补偿控制器得到根据相位检测装置的采集数据确定该相功率因数小于该第一阀值功率因数时，进行补偿。

补偿控制器根据相位检测装置的采集数据确定该相功率因数，包括同时对系统中三相电压、三相电流进行采集得到实时网络信号，经过隔离模块的隔离处理后，再进行N点等时间间隔得到电压及电流序列，得到关于时间的复数离散序列，再进行傅立叶变化，再进行离散傅立叶变化，根据其共轭改正得到电压、电流向量与谐波间的关系，在不考虑直流分量时，导出该相位谐波电压和谐波电流的有效值，从而确定有功功率，得到该相位的功率因数，补偿控制器根据实时的电压、电流，计算出无功功率，确定需要补偿的无功，从而根据预设的投切策略，控制投切电容组中的部分投切电容进行无功补偿。

局部放电监测装置包括局放控制器，局放控制器连接有放大采样电路，放大采样电路连接有A/D转换电路，A/D转换电路连接有超声波传感器和脉冲发生器，局放控制器及A/D转换电路连接有存储器，局放控制器连接有显示器。脉冲发生器在待检测设备两端产生瞬时电压变化，该瞬时电压变化在回路中产生脉冲电流，将该脉冲电路经检测阻抗产生脉冲电压，采样放大后通过显示器进行显示。瞬间电压变化经耦合电容耦合到检测阻抗，回路中产生脉冲电流，脉冲电流经检测阻抗产生脉冲电压。超声波传感器与A/D转换电路之间设置有前端处理电路，前端处理电路将超声波传感器接收的信号进行光电隔离，然后经放大采样电路进行放大采样处理，当采样结果超出预设阀值时，提示存在局部放电现象。超声波传感器包括壳体以及设置于壳体内的阻尼块，阻尼块底部设置有压电晶片，压电晶片底部设置有保护膜，阻尼块上方设置有接线柱，接线柱连接有导电螺杆，导电螺杆部分贯穿壳体。局放控制器将待检测设备的局部放大参数传输至服务器，服务器统计待检测设备的最小放电周期和最大放电量，局放控制器连接有报警单元，每个最小放电周期，局放控制器控制报警单元进行报警指示。建立超声波信号与放电量的对应线性关系，根据对应关系和超声波信号幅值确定放电量最大值。确定放电量最大值先，首先根据超声波传感器的反馈，局放控制器由超声波信号的幅值、频率及放电周期确定放电波形。显示器虚拟示波显示放电波形。放大采样电路通过信号通道接收信号输入，将局部放电信号放大为电平信号，放大采样电路通过信号通过参考信号接收参考信号，经频谱迁移后输出。

本发明通过无功补偿装置，改善功率因数:尽量避免发电机降低功率因数运行,防止向远方负载输送无功引起电压和功率损耗,应在用户处实行低功率因数限制,即采取就地无功补偿措施；改善电压调节:负载对无功需求的变化,会引起供电点电压的变化,对这种变化若从电源端(发电厂)进行调节,会引起一些问题,而补偿设备就起着维持供电电压在规定范围内的重要作用；调节负载的平衡性:当正常运行中出现三相不对称运行时,会出现负序、零序分量,将产生附加损耗,使整流器波纹系数增加,引起变压器饱和等,经补偿设备就可使不平衡负载变成平衡负载；另外，通过估算预期短路电流，和速断电流值，在即将达到预期短路电流实现了自动断路保护；同时，还设置有电压不平衡保护，通过三相压电的不平衡率确定三相电压不平衡率的设定目标；本发明能够实现配电保护，保证电力设备的平衡运行；通过超声波传感器和脉冲发生器实时检测电力设备的局部放电信号，并且通过一系列处理，使局部放电波形在显示器上进行显示，可以有效地得知电力设备的局部放电情况，从而方便维护人员进行电力设备的维护，避免电力设备出现难以挽回的故障，甚至是造成安全事故。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。