智能随动电能矫正装置及示功分析方法与流程

本发明属于电力系统智能电网技术领域，具体涉及一种基于电力电子技术的智能随动电能矫正装置，同时提供了基于该装置的示功分析方法。

背景技术：

在国际能源类商品价格低谷时期，全球能源生产输出企业都在进行优化变革，提升生产工艺、降低生产消耗，不断提高电网系统智能化管理水平。

然而，在目前配网业务、综合能源业务及电能质量治理节能业务过程中，针对电能质量进行监测优化所使用的无功补偿装置(如：TSC、SVG、APF及SVC等)，普遍存在使用上的不良反应，并且产品的生产成本较高。

就油田作业区而言，为提高电能质量和配电网经济运行性，现行油田作业区的抽油机、输油泵、风机等大多配合传统的投切类无功补偿装置进行使用，该类装置在结构上通过断路器、可控硅开关、接触器等开关设备实现分组逐级投切，但该类装置在使用过程中存在以下缺陷：

1、存在补偿功率死角，电压冲击波动、投切涌流、触头打火重燃、漏放电以及谐波放大等问题；

2、调节精度低，响应慢，级差较大，涌流对系统的冲击影响大，系统运行安全性较低，使用寿命较短；

3、装置结构复杂、维护成本较高，同时野外耐气候性能低，存在机械与电气开关触点打火烧毁从而引起的火灾和安全隐患。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决目前投切类无功补偿装置在使用过程中的普遍不良反应，本发明旨在提供一种针对周期性负荷、规律性负荷、流程性负荷(如电梯、抽油机、水泵、空调机、挤压机、码头航吊、机床、流水线等)的电能质量(频率、电压、电流、平衡度、力率、谐波)进行监测，并基于此建立模型、仿真矫正及执行矫正的智能化电气装置，并且提供基于该装置的示功分析方法，使其尤其适用于油田采油作业区高油气、重瓦斯浓度的室内外场所，矫正10KV以下配电网末端低电压、低力率、高线损、严重三相不平衡和谐波超标等电能质量问题，降低供电成本、实现输配变电经济运行和采油作业高效管理，避免机械与电气开关触点打火烧毁从而引起的火灾和安全隐患，同时也能够适用于提高其他配电网的经济运行性。

为实现上述技术目的，本发明所采取的技术方案是：

智能随动电能矫正装置，其特征在于，包括有：

PLC控制单元，以用于电源与负荷采样、模数转换及控制命令执行；

DSP处理单元，以用于负荷、仿真及补偿建模，同时进行校验、运算、存储及信息传输；

伺服系统，以用于精确控制伺服电机转向及转速；

设置于电网中的输出端变送器，以用于采样负荷侧的电能数据，监测负荷做功情况；

设置于电网中的输入端变送器，以用于采样电源侧的电能数据；

内部变送器，以用于将电流互感器、电压互感器的非电量信号转化为电信号；

设置于电网中的电流互感器，以用于采集电流模拟信号；

设置于电网中的电压互感器，以用于采集电压模拟信号；

电机，以用于驱动自耦调压器；

自耦调压器，以用于调节并改变输出电压；

以及密集智能电容器，以用于产生无功功率对电网进行功率因数补偿、电网系统电压提升、负荷侧电压跌落支持、三相不平衡调节及谐波抑制；

其中，所述PLC控制单元与输出端变送器、输入端变送器、内部变送器、DSP处理单元以及伺服系统同时连接，所述内部变送器连接有电流互感器、电压互感器，所述伺服系统的输出端连接至电机的输入端，所述电机连接并驱动自耦调压器，所述自耦调压器连接至密集智能电容器。

进一步地，优选的是，所述PLC控制单元为西门子s7200PLC工业级的微处理器控制器。

进一步地，优选的是，所述内部变送器包括有电流变送器与电压变送器，其中电流变送器为NKB‐20D系列导轨式交流电流变送器,电压变送器为NKB‐21D系列导轨式交流电压变送器。

进一步地，优选的是，还包括有同DSP处理单元同时连接的通信单元及存储单元，所述通讯单元可配置为无线通讯模块，并实现在设备集群情况下所述通讯单元相互之间能进行自组网通信。

一种基于上述智能随动电能矫正装置的示功分析方法，其根据智能负荷周期曲线，自动跟踪电网感性无功功率的变化，主动预测投入多少随动当量值的容性无功功率可满足特定控制物理量，自动生成控制仿真曲线，依据仿真数据控制有载自耦调压器，调节补偿电容器的端电压，从而得到与负荷周期曲线吻合的智能补偿功率曲线。

基于上述原理，该方法包括有如下步骤：

步骤一、采集特定时间内电力系统中的电力负荷数据及电能质量，其中所述电能质量至少包括时间、频率、电压、电流、平衡度、功率及谐波参数；

步骤二、建立标准数据模型，并结合步骤一中采集的数据得到建模负荷曲线；

步骤三、基于步骤二中的建模负荷曲线建立原理，采集时实数据，生成实际负荷曲线，并将生成的实际负荷曲线精细颗粒度，通过时实高速运算，调整到与建模负荷曲线一致的精细颗粒度；

步骤四、基于步骤二中的数据模型，步骤三中的校准时实数据，仿真出需要矫正补偿的曲线数据，得到仿真补偿曲线；

步骤五、基于步骤四生成的仿真补偿曲线，切换到实际的生产中，进行采集、运算，执行动作补偿，若矫正后的实际负荷曲线达到仿真补偿曲线则锁定控制物理量，否则返回至步骤四；

步骤六、进行负荷运行示功分析。

进一步地，优选的是，所述步骤二中，因用电负荷的做功均可用示功曲线描绘出工作关系，根据功率公式：基于二维坐标图，其中横轴S为视在功率，纵轴P为有功功率，即可表示出在单一周期内负荷功率点运动轨迹的关系；设定L1、L2、L3、L4及Ln为功率特性节点，Σ_m为精细颗粒度(时间、位置坐标)，f为函数(增量、减量、线性)，则所述标准数据模型的建立方法具体如下：

首先，生成功率特征性节点，L1为起点，L2＝L1·∑_mt·f，L3＝L2·∑_mt·f，L4＝L3·∑_mt·f，Ln＝LN‐1·Σ_mt·f，其中t为物理时间；

其次，在二维坐标图中按照功率趋势把L1至Ln各功率特性节点用线条依次连接，即可得到一个特定负荷的示功标准数据模型；

所述建模负荷曲线的生成方法具体为：在二维坐标图中，以横轴T为做功时间，纵轴P为做功功率，代入L1至Ln各个功率特性节点数据和各节点之间函数关系数据，即可建立特定负荷曲线。

进一步地，优选的是，所述步骤三中将生成的实际负荷曲线精细颗粒度，通过时实高速运算，调整到与建模负荷曲线一致的精细颗粒度，其校准表现为：Σ_ma≠Σ_mb，Σ_ma＝∑_mb·γ，其中∑_ma为模型负荷曲线精细颗粒度，Σ_mb为实际负荷曲线精细颗粒度，γ为系数。

进一步地，优选的是，所述步骤四中仿真补偿曲线的生成方法具体为：提取模型负荷曲线和实时负荷曲线中对应功率特性节点坐标数据值，通过计算出对应功率特性节点数据相互之间的关系，再设定相应门限值，即可得到仿真补偿曲线。

进一步地，优选的是，在所述步骤二建立标准数据模型时，可根据出现的负荷故障类型建立对应的故障模型，当实际负荷与标准数据模型有偏差但达不到故障模型时，仅进行电能的矫正优化；当实际负荷满足故障模型的条件时，进行示警及其它应对措施。

通过以上技术方案，本发明的有益效果如下：

1、突破了用断路器、真空接触器对电容器进行分组投切的传统无功补偿方式，解决了投切过程中的涌流和重燃过电压等问题；

2、通过改变调压器的输出电压，来改变补偿电容器的端电压，进而改变装置输出的无功功率；无级调节精度高，更加精细地自动跟踪补偿无功功率与三相平衡。

3、整个装置在运行的过程中，调压器通过改变磁通调压，电压不失真，不产生涌流，因此减少了对系统的冲击，保证了系统的安全运行，提高了设备的使用寿命；

4、利用有载调压器连续时实调节装置，装置内电气部件不断电，大大延长了使用寿命，并避免了操作过电压和涌流的产生；

5、装置自动化程度高，具有完备的通信和数据存储功能，可方便地实现数据传输及远程监控,为生产运行管理提供了大数据支撑。

6、电容器并接在调压器的输出端，调压器可充当电容器的放电线圈，不需另加放电线圈，且放电速度快；

7、性价比高，在同等容量下，其造价仅为静止无功补偿器(SVG)的30～40％；此外配置一定比率的滤波电抗器,同等电流下,其造价仅为有源滤波器(APF)的40～50％；

8、适用范围广，能够适用于周期性负荷、规律性负荷、流程性负荷及台区变压器侧电能质量优化，同时也适用于电梯、抽油机、水泵、空调机、挤压机、码头航吊、机床、流水线等负荷源用电能效节能补偿；

9、能够分析负荷运行的故障类型，为生产运营提供故障解决的指导和数据支撑。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

附图标记说明：1、PLC控制单元；2、DSP处理单元；3、伺服系统；4、输出端变送器；5、输入端变送器；6、电流互感器；7、电压互感器；8、内部变送器；9、自耦调压器；10、伺服电机；11、通信单元；12、存储单元；13、智能密集电容器。

图2为本发明方法生成的标准数据模型；

图3为本发明方法生成的故障数据模型。

具体实施方式

为使本发明的技术特征、实现原理及有益效果易于理解，现结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述，但不应视为对本发明的限定。

如图1所示，本发明所提供的智能随动电能矫正装置，在结构上包括有用于电源与负荷采样、模数转换及控制命令执行的PLC控制单元1；用于负荷、仿真及补偿建模，同时进行校验、运算、存储及信息传输的DSP处理单元2；用于精确控制电机转向及转速的伺服系统3；设置于电网中的输出端变送器4、输入端变送器5；设置于电网中分别用于采集电流、电压模拟量信号的电流互感器6、电压互感器7；用于将电流互感器6、电压互感器7的非电量信号转化为电信号的内部变送器8；用于调节并改变输出电压自耦调压器9；用于驱动自耦调压器9的伺服电机10；用于远程通讯及数据传输的通信单元11；用于数据存储的存储单元12；以及用于产生无功功率对电网进行功率因数补偿、电网系统电压提升、负荷侧电压跌落支持、三相不平衡调节及谐波抑制的智能密集电容器13；

其中，PLC控制单元1与输出端变送器4、输入端变送器5、内部变送器8、DSP处理单元2以及伺服系统3同时连接，内部变送器8连接有电流互感器6、电压互感器7，伺服系统3的输出端连接至伺服电机10的输入端，伺服电机10连接并驱动自耦调压器9，自耦调压器9连接至智能密集电容器13，DSP处理单元2连接有通信单元11及存储单元12。

作为本发明的优选实施例，上述PLC控制单元1为西门子s7200PLC工业级的微处理器控制器，内部变送器8由NKB‐21D系列导轨式交流电压变送器及NKB‐20D系列导轨式交流电流变送器共同组成。

本发明的工作原理为：依据智能电容器组的输出无功功率与电容器组的端电压平方成正比，即Q＝2πFCU²，根据智能负荷周期曲线，自动跟踪电网感性无功功率的变化，主动预测投入多少随动当量值的容性无功功率可满足特定控制物理量，自动生成控制仿真曲线，依据仿真数据控制有载自耦调压器，调节补偿电容器的端电压，从而得到与智能负荷周期曲线吻合的补偿补偿功率曲线。

工作时，设置于电网中的输出端变送器4、输入端变送器5分别采样负荷侧及电源侧的电能数据，并传输至PLC控制单元1；PLC控制单元1基于此发出脉冲调节指令给伺服系统3，伺服系统3接受脉冲，并校验放大驱动伺服电机10，伺服电机10连接的自耦调压器9的动触头随之上下移动而改变电压的大小，智能密集电容器13上的电压随着变化，这样便可进行动态的补偿和平衡调节。

其中，PLC控制单元1采用工业级微处理控制器西门子s7200，其采集开关信号、模拟量过程量，并可进行逻辑运算；装置通过电流互感器6、电压互感器7采集控制系统的电压、电流信号，通过内部变送器8转换成标准信号送入到PLC控制单元1的模拟量输入端口，根据输入的参数，以及相关的常量参数、电量的参数，建立一个智能负载的变化情况的负荷曲线模型；通过采集、多点取样，把取样的数据保存在内部的DSP寄存器中，并可选择通过连接高分辨率的彩色触摸屏，将结果显示在一张图标中，横向是时间轴，纵向是负荷变化值，直观清晰的分析负荷变化。然后通过分析采集的实际的负荷曲线，建立数据模型，进行校准，补偿生成与其相近的的仿真曲线，仿真曲线能反映实际的补偿后曲线接近实际的负荷曲线，随后便可以切换到实际的生产中，采集、运算、执行动作补偿。

此外，在具体电压优化实施时，本实施例可设置“手动/自动”旋钮，并且通过自动挡一路连接电压采样电路，电压采样电路连接电压互感器7及PLC控制单元1，同时通过手动挡一路连接开关电路，开关电路连接至自耦调压器9，并将系统配置为：当选择在“自动”档工作时，装置通过电压采样电路对变压器输出电压进行实时检测，通过控制开关电路使输出电压稳定在规定值范围内；当“手动/自动”旋钮选择在“手动”档工作时，装置接收到手动“升压”或“降压”指令时，通过开关电路使自耦调压器9的初级线圈有效匝数减少或者增加，达到升压或者降压的目的，实际用途中主要保障绝对的电压合格。

本实施例还提供了一种基于上述装置的示功分析方法，具体包括有如下步骤：

步骤一、采集特定时间内电力系统中的电力负荷数据及电能质量，其中所述电能质量至少包括时间、频率、电压、电流、平衡度、功率及谐波参数；

步骤二、建立标准数据模型，并结合步骤一中采集的数据得到建模负荷曲线；

参考图2，因用电负荷的做功均可用示功曲线描绘出工作关系，根据功率公式：其中横轴S为视在功率，纵轴P为有功功率，即可表示出在单一周期内负荷功率点运动轨迹的关系；

设定L1、L2、L3、L4及Ln为功率特性节点，Σ_m为精细颗粒度(时间、位置坐标)，f为函数(增量、减量、线性)，则标准数据模型的建立方法具体如下：

首先，生成功率特征性节点，L1为起点，L2＝L1·∑_mt·f，L3＝L2·∑_mt·f，L4＝L3·Σ_mt·f，Ln＝LN‐1·Σ_mt·f，其中t为物理时间；

其次，在在二维坐标图中按照功率趋势把L1至Ln各功率特性节点用线条依次连接，即可得到一个特定负荷的示功标准数据模型；

建模负荷曲线的生成方法具体为：在二维坐标图中，以横轴T为做功时间，纵轴P为做功功率，代入L1至Ln各个功率特性节点数据和各节点之间函数关系数据，即可建立特定负荷曲线；

结合图3，在建立标准数据模型的过程中，还可根据出现的负荷故障类型建立对应的故障模型，当实际负荷与标准数据模型有偏差但达不到故障模型时，仅进行电能的矫正优化；当实际负荷满足故障模型的条件时，进行示警及其它应对措施；

步骤三、基于步骤二中的建模负荷曲线建立原理，采集时实数据，生成实际负荷曲线，并将生成的实际负荷曲线精细颗粒度，通过时实高速运算，调整到与建模负荷曲线一致的精细颗粒度，其校准表现为：Σ_ma≠Σ_mb，Σ_ma＝∑_mb·γ，其中∑_ma为模型负荷曲线精细颗粒度，∑_mb为实际负荷曲线精细颗粒度，γ为系数；

步骤四、基于步骤二中的标准数据模型，步骤三中的校准时实数据，分别提取模型负荷曲线和实时负荷曲线中对应功率特性节点坐标数据值，通过计算出对应功率特性节点数据相互之间的关系，再设定相应门限值，即可得到仿真补偿曲线；

步骤五、基于步骤四生成的仿真补偿曲线，切换到实际的生产中，进行采集、运算，执行动作补偿，若矫正后的实际负荷曲线达到仿真补偿曲线则锁定控制物理量，否则返回至步骤四；

步骤六、进行负荷运行示功分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。