利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统及其方法
【专利摘要】本发明涉及电网中利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统及其方法。谐波检测与抑制终端中的电压互感器和电流互感器，分别从用电设备中采集各相电压和电流的模拟信号，管理中心再将模拟信号处理计算转变成数字信号并进行分出电网中各次谐波分量数据，通过物联网信将电压、电流和谐波数据传输给物联网网关与服务器中心数据交互，同时管理中心根据分析结果控制谐波抑制模块对3～17次的奇次谐波进行抑制，同时智能型动态电容可以根据用电设备的无功功率变化自动进行无功补偿。在某个用电区域内，利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统，基于物联网实现工厂配电系统中对电网谐波检测与抑制以及无功功率补偿，会产生很高的经济效益和研究价值。
【专利说明】
利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及电网中利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统及其方法，是一种基于物联网的电网谐波检测与抑制系统，主要应用于电网中对用电设备本地的谐波抑制与无功补偿。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量使用，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成这些装置的误动与拒动，直接威胁电网安全运行。谐波污染电网，造成即使三相负荷基本平衡情况下，仍存在较大的中性线电流，使配电网的供电末端电能质量下降、用电设备发热增加、电网线损增加、用户变电站的变压器发热严重，缩短设备使用寿命。因此，针对三相平衡负载的用电质量，由于对称关系偶次谐波已被消除，只有奇次谐波存在，对非线性用电设备产生的3?17次的奇次谐波必须治理，故只抑制3?17次奇次谐波，使谐波分量不超过国家标准。
[0003]现阶段消除谐波的方法有:
1、增设整流变压器。2、变压器绕组采用Υ/Λ或Λ/Υ接线法。3、选用高功率因数的整流器。
[0004]这些方法都是集中消除电网中的谐波，设备比较笨重，维护不方便，并且对谐波产生地的消除作用不明显。没有从根源处解决谐波问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是从终端用电设备处解决电网谐波检测和抑制问题，为此提供了一种利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统及其方法。集谐波检测、谐波抑制为一体，并且通过物联网将采集的电压数据、电流信号以及谐波数据发送到互联网服务器上，可在服务器上进行数据分析，确定谐波高发的设备和产生时间以及当时的电网运行状况，并控制谐波检测与抑制终端进行3?17次的奇次谐波抑制，谐波检测与抑制终端也可以自动进行谐波抑制，抑制谐波的同时还在进行无功补偿。
[0006]智能型动态电容器能够根据用电设备的功率因数，自动线性调节单体电容容量实现自动无功补偿的技术。谐波抑制技术，根据谐波无功分量的大小自动调整电感器与智能型动态电容器的参数进行匹配，产生与谐波电流分量向量相反的电流，从而达到抑制该奇次谐波的目的。若有不同奇次的谐波同时产生，则对应安装等同量的智能型动态电容器，实现对3?17次的各奇次谐波抑制。对谐波的抑制采用分别或同时对不同阶次的3?17次的奇次谐波进行检测和抑制，依靠智能型动态电容器对无功功率进行无级差、平滑的补偿。
[0007]本发明为实现上述目的，采用以下技术方案是:利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统，其特征在于:包括谐波检测与抑制终端、物联网网关、服务器中心和客户终端，在电网中加入多台谐波检测与抑制终端，分别通过邻近的物联网网关与服务器中心联系，并使用物联网技术在互联网平台上采集电网大数据，计算系统的最佳谐波抑制参数，控制各个谐波抑制终端，客户端通过web浏览器与服务器中心进行交互，当终端设备报警时，服务器中心会把报警信息推送到客户端；
所述谐波检测与抑制终端包括:电压互感器、电流互感器、信号转换电路、管理中心、物联网信号输入输出模块、智能型动态电容和谐波抑制模块，所述管理中心分别与信号转换电路、物联网信号输入输出模块、智能型动态电容及谐波抑制模块连接，所述电压互感器、电流互感器分别与信号转换电路相连；
谐波检测与抑制终端主要负责电压信号和电流信号的采集并上传，由服务器完成瞬时无功功率电流分量计算进而分析出各次谐波，将采集的电压和电流数据以及分析的谐波数据传给物联网网关，根据分析结果自行进行3?17次的奇次谐波抑制，也可根据服务器中心发送的命令进行谐波抑制优化控制；
所述物联网网关包括:核心处理器、物联网信号输入输出模块和互联网接口，所述核心处理器分别与物联网信号输入输出模块、互联网接口连接；
物联网网关主要负责与谐波检测与抑制终端和服务器中心进行数据通讯，起到谐波检测与抑制终端和服务器中心数据交换的桥梁作用；
服务器中心包括:数据存储服务器、用户应用服务器、网络服务器和管理终端，数据存储服务器主要存储接收物联网网关所发送的电网数据和用户分析的数据结果以及用户设置，根据终端用电设备发送的电网数据进行分析并控制谐波分析与抑制重点对电网谐波进行抑制。
[0008]利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的方法，其特征在于:步骤如下，谐波检测与抑制终端中的电压互感器和电流互感器，分别从电网线路用电设备中采集与电能质量相关的，各相电压和电流信号的模拟信号，通过信号转换电路转换成管理中心可识别的模拟信号，管理中心再将接收到的电压信号和电流信号的模拟信号处理计算，将模拟信号转变成数字信号并进行分析，分析出电网中各次谐波分量数据，通过物联网信号输入输出模块将电压、电流和谐波数据传输给物联网网关，与服务器中心数据交互，同时管理中心根据分析结果控制谐波抑制模块对3?17次的奇次谐波进行抑制，还可根据管理中心发出的指令对奇次谐波进行谐波抑制，当谐波超出设备抑制范围，管理中心会向服务器发出报警信息以便相关人员检查，同时智能型动态电容可以根据用电设备的无功功率变化自动进行无功补偿；
服务器中心主要进行数据存储、数据分析，绘制表格、报警和产生各种数据报表，并通过分析谐波数据和电网运行状态，提出并下达优化的谐波抑制参数，给出区域电网运行的优化策略，从而有效地提升电网质量与运行能效，提高负载设备的安全性，并与用户进行交互，把用户查询的内容通过网络传给客户终端，客户终端是任意集成web浏览器的电子设备，主要是与服务器中心进行数据交互，包括查看信息，添加信息，删除信息，修改信息。
[0009]本发明与现有产品技术相比有以下优点:产品采用的谐波分析方法为先进的瞬时无功功率电流理论，无论电网中电压是否有畸变均能够准确的分析出电网的谐波。
[0010]谐波检测与抑制终端的核心元件是智能型动态电容器，它通过物联网网关连接到互联网上与服务器中心通讯，谐波检测与抑制终端能够灵活、智能的抑制来自电网侧或负荷侧产生的电压、电流畸变，对终端用电设备进行实时的、动态、智能的、平滑连续的无功补O
[0011]利用传感器采集电力网络的主要运行参数，系统计算采集的瞬态无功功率与谐波电流，对电网谐波进行数据分析，服务器中心给谐波检测与抑制终端下达指令，调整其工作参数进而优化系统的谐波抑制和无功补偿能力。服务器中心负责数据存储、显示、报警和分析功能，并通过分析谐波数据和电网运行状态，提出并下达优化的谐波抑制参数，给出区域电网运行的优化策略，从而有效地提升电网质量与运行能效，提高负载设备的安全性。
[0012]本发明的优点还在于采用用电设备终端测量的方法，更能够准确的测量出用电设备产生的谐波数据，从而更好地进行本地谐波抑制处理。并且终端产品体积小安装方便，便于维护。
[0013]本发明的优点还在于所有的谐波分析和补偿终端采用物联网的方式与物联网网关进行组网。这样大大增加了整个网络内终端节点的数量，单个终端的组网可做任意调整、变化。设备比较小巧可以随意并联安装到任意一个用电设备的电源输入端。
[0014]此外本发明的优点还在于服务器中心采用的是B/S框架结构，只要有web浏览器功能的电子产品均能与服务器中心进行交互，用户可以不通过专用设备就能够在任何时间、地点与服务器建立通信，进行数据查询、数据分析和控制终端设备的工作状态。
[0015]总之，若在某个用电区域内，利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统，基于物联网实现工厂配电系统中对电网谐波检测与抑制以及无功功率补偿，会产生很高的经济效益和研究价值。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的系统结构图；
图2为谐波检测与抑制终端的电路连接框图；
图3为物联网网关的电路连接框图；
图4为服务器中心管理软件的框架图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实例对本专利进一步说明。
[0018]如图1所示，利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统，包括谐波检测与抑制终端、物联网网关、服务器中心和客户终端，在电网中加入多台谐波检测与抑制终端，分别通过邻近的物联网网关与服务器中心联系，并使用物联网技术在互联网平台上采集电网大数据，计算系统的最佳谐波抑制参数，控制各个谐波抑制终端，客户端通过web浏览器与服务器中心进行交互，当终端设备报警时，服务器中心会把报警信息推送到客户端。
[0019]用户可以在任意一个电器进线端安装谐波检测与抑制终端，并且在组网中使用多个物联网网关，运用物联网技术进行分组组网连接，物联网网关通过互联网把数据传输到服务器中心。
[0020]谐波检测与抑制终端采用的是分布式布置，每台谐波检测与抑制终端只负责对应的用电设备，随时跟踪设备的用电质量。
[0021]如图2所示，谐波检测与抑制终端包括:电压互感器、电流互感器、信号转换电路、管理中心、物联网信号输入输出模块、智能型动态电容和谐波抑制模块。
[0022]管理中心分别与信号转换电路、物联网信号输入输出模块、智能型动态电容及谐波抑制模块连接，所述电压互感器、电流互感器分别与信号转换电路相连。
[0023]谐波检测与抑制终端主要把从用电设备中采集到的与电能质量相关的模拟信号通过信号转换电路转换成管理中心可识别的模拟信号，管理中心再将接收到的模拟信号转变成数字信号进行分析，分析出电网各次谐波分量后，进行回送。同时控制谐波抑制模块对3?17次的奇次谐波进行抑制，还可根据管理中心发出的指令对奇次谐波进行谐波抑制。当谐波超出设备抑制范围，管理中心会向服务器发出报警信息以便相关人员检查，同时智能型动态电容可以根据用电设备的无功功率变化自动进行无功补偿。
[0024]如图3所示，物联网网关包括:核心处理器、物联网信号输入输出模块和互联网接
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[0025]核心处理器分别与物联网信号输入输出模块、互联网接口连接。
[0026]核心处理器负责处理物联网网关数据，物联网信号输入输出模块负责与谐波检测与抑制终端通信，互联网接口通过互联网与服务器中心通信，互联网接口包括wifi和RJ45网络接口两种通信方式。
[0027]物联网网关主要负责与谐波检测与抑制终端和服务器中心进行数据通讯，起到谐波检测与抑制终端和服务器中心数据交换的桥梁作用。
[0028]服务器中心包括数据存储服务器、用户应用服务器、网络服务器和管理终端。
[0029]数据存储服务器主要存储接收物联网网关所发送的电网数据和用户分析的数据结果以及用户设置，根据终端用电设备发送的电网数据进行分析并控制谐波分析与抑制重点对电网谐波进行抑制。
[0030]如图4所示，服务器中心管理软件框图包括:表现层15、业务逻辑层16、数据连接层17和数据库18等。
[0031]表现层15主要功能是与用户交互，发布查询请求和显示查询结果，其具体细化可分为3部分:用户操作、界面显示和后台管理。根据业务逻辑层16返回的结果，进行各项曲线的绘制，如饼状图、柱状图绘制以及各种数据报表的生成。并根据谐波分析与抑制终端发送的报警信息做出相应报警显示。
[0032]业务逻辑层16主要功能是处理用户请求向数据连接层请求数据，向表现层返回查询数据。
[0033]数据连接层17主要是根据业务逻辑层的请求，根据条件查找数据库，向业务逻辑层返回查询数据。
[0034]数据库18主要是存储电网数据、用户分析结果以及用户设置。
[0035]利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的方法，步骤如下:
在每个用电设备的电源输入端，并联安装智能型动态电容器和谐波检测与抑制终端，实时检测分析电网中的谐波，对用电设备实时进行自动无功补偿和谐波抑制。
[0036]谐波检测与抑制终端中的电压互感器和电流互感器，分别从电网线路用电设备中采集到的与电能质量相关的各相电压和电流信号的模拟信号，通过信号转换电路转换成管理中心可识别的模拟信号，管理中心再将接收到的电压信号和电流信号的模拟信号处理计算，将模拟信号转变成数字信号并进行分析，分析出电网中各次谐波分量数据，通过物联网信号输入输出模块将电压、电流和谐波数据传输给物联网网关，与服务器中心的数据交互，同时管理中心根据分析结果控制谐波抑制模块对3?17次的奇次谐波进行抑制，还可根据管理中心发出的指令对次谐波进行谐波抑制，当谐波超出设备抑制范围，管理中心会向服务器发出报警信息以便相关人员检查，同时智能型动态电容器可以根据用电设备的无功功率变化自动进行无功补偿。
[0037]服务器中心主要进行数据存储、数据分析，绘制表格、报警和产生各种数据报表，并通过分析谐波数据和电网运行状态，提出并下达优化的谐波抑制参数，给出区域电网运行的优化策略，从而有效地提升电网质量与运行能效，提高负载设备的安全性，并与用户进行交互，把用户查询的内容通过网络传给客户终端，客户终端是任意集成web浏览器的电子设备，主要是与服务器中心进行数据交互，包括查看信息，添加信息，删除信息，修改信息。
[0038]用户可以利用服务器做数据分析生成数据报表，通过对终端数据的分析，用户可以了解用电终端和谐波产生原因等相关信息。可以找出那些设备终端在什么工作状态下产生什么样的谐波干扰，可以根据分析的结果准确进行谐波抑制。根据终端的报警信息有针对性的对用电设备进行处理。免去了人员定期检查的麻烦，填补了智能电网对本地局域网用电质量检测的空白，针对设备性质复杂的区域提供终端设备实时的数据检测。
【主权项】
1.利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的系统，其特征在于:包括谐波检测与抑制终端、物联网网关、服务器中心和客户终端，在电网中加入多台谐波检测与抑制终端，分别通过邻近的物联网网关与服务器中心联系，并使用物联网技术在互联网平台上采集电网大数据，计算系统的最佳谐波抑制参数，控制各个谐波抑制终端，客户端通过web浏览器与服务器中心进行交互，当终端设备报警时，服务器中心会把报警信息推送到客户端； 所述谐波检测与抑制终端包括:电压互感器、电流互感器、信号转换电路、管理中心、物联网信号输入输出模块、智能型动态电容和谐波抑制模块，所述管理中心分别与信号转换电路、物联网信号输入输出模块、智能型动态电容及谐波抑制模块连接，所述电压互感器、电流互感器分别与信号转换电路相连； 谐波检测与抑制终端主要负责电压信号和电流信号的采集并上传，由服务器完成瞬时无功功率电流分量计算进而分析出各次谐波，将采集的电压和电流数据以及分析的谐波数据传给物联网网关，根据分析结果自行进行3?17次的奇次谐波抑制，也可根据服务器中心发送的命令进行谐波抑制优化控制； 所述物联网网关包括:核心处理器、物联网信号输入输出模块和互联网接口，所述核心处理器分别与物联网信号输入输出模块、互联网接口连接； 物联网网关主要负责与谐波检测与抑制终端和服务器中心进行数据通讯，起到谐波检测与抑制终端和服务器中心数据交换的桥梁作用； 服务器中心包括:数据存储服务器、用户应用服务器、网络服务器和管理终端，数据存储服务器主要存储接收物联网网关所发送的电网数据和用户分析的数据结果以及用户设置，根据终端用电设备发送的电网数据进行分析并控制谐波分析与抑制重点对电网谐波进行抑制。2.采用权利要求1所述的利用动态电容实现终端补偿和谐波抑制的方法，其特征在于:步骤如下，谐波检测与抑制终端中的电压互感器和电流互感器，分别从电网线路用电设备中采集与电能质量相关的，各相电压和电流信号的模拟信号，通过信号转换电路转换成管理中心可识别的模拟信号，管理中心再将接收到的电压信号和电流信号的模拟信号处理计算，将模拟信号转变成数字信号并进行分析，分析出电网中各次谐波分量数据，通过物联网信号输入输出模块将电压、电流和谐波数据传输给物联网网关，与服务器中心数据交互，同时管理中心根据分析结果控制谐波抑制模块对3?17次的奇次谐波进行抑制，还可根据管理中心发出的指令对奇次谐波进行谐波抑制，当谐波超出设备抑制范围，管理中心会向服务器发出报警信息以便相关人员检查，同时智能型动态电容可以根据用电设备的无功功率变化自动进行无功补偿； 服务器中心主要进行数据存储、数据分析，绘制表格、报警和产生各种数据报表，并通过分析谐波数据和电网运行状态，提出并下达优化的谐波抑制参数，给出区域电网运行的优化策略，从而有效地提升电网质量与运行能效，提高负载设备的安全性，并与用户进行交互，把用户查询的内容通过网络传给客户终端，客户终端是任意集成web浏览器的电子设备，主要是与服务器中心进行数据交互，包括查看信息，添加信息，删除信息，修改信息。
【文档编号】H02J3/18GK106026095SQ201610310641
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】毛书凡, 王勇, 滕明
【申请人】毛书凡, 王勇, 滕明