專利名稱：基于現場總線的電能質量優化方法
技術領域：
本發明涉及一種電能優化系統。
背景技術：
電能是現代經濟發展的基礎和社會重要的制約因素，它關系到經濟安全和國家安 全。當前電能大部分來源于不可再生燃料，基于該因素，電能還關系到節能、減排和環境保 護等問題。因此，改善電能質量，節約電能是目前社會重點關注的問題。隨著電力電子裝置日益廣泛地應用，電網負載也日趨復雜。電網負載的非線性、沖 擊性和不平衡的用電特性，使電網中的諧波污染日趨嚴重，同時，也給電網帶來了額外的無 功負擔，功率因數嚴重下降。從而，使用電設備及線路損耗增加，電壓產生劇烈波動，供電質 量嚴重降低，諧波損耗還有可能影響設備正常工作，造成振動、熱、噪聲，自動裝置誤動作， 對通信系統產生干擾等。目前存在很多改善電能質量的方法，例如，固定電容器組、自動功率因數控制器 等，但這些方案對于固定的負荷補償性能良好，但對于動態負荷補償性能較差，但是其控制 器件如FC、APFC的響應速度較慢。為解決響應速度慢的問題，使用基于晶閘管的靜態無功 補償器。但是，TSC/TCR中的電容器和電抗器組的容量是預先設定的，可能產生無功補償的 欠補償或過補償，諧波作用不是很好。另外，由于設備中的電容器組和開關設備經常通斷， 補償特性呈階梯形，且在補償過程中產生諧波，同時補償特性與負載有關，還可能發生故障 及降低使用壽命。目前絕大多數用電設備沒有無功補償和諧波抑制裝置，即使采用了簡單的補償和 抑制裝置，效果也不理想。沒有對用電設備的電量參數進行實時檢測，沒有及時評估電能狀 態。因此，無法實時針對電網狀態進行負荷分配、進行合理用電，無法及時對無功進行補償 和諧波抑制。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的缺陷，旨在提供一種基于現場總線的電能質量優 化方法，該方法可對用電網絡的狀態進行實時監測，達到合理用電的目的，并可對電網的無 功進行實時補償，并可抑制諧波，達到對電網質量的優化作用。為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現一種基于現場總線的電能質量優化方法，該方法通過電量檢測裝置對用電系統的 電量進行實時檢測，通過工業局域網將電量參數傳輸到電能質量優化控制器，通過電能質 量優化控制器作出控制決策，再通過工業局域網實現電能質量優化控制器對用電控制器進 行控制，用電控制器對對應的用電系統進行用電優化控制；電能質量優化控制器還通過工 業局域網連接有無功和諧波治理系統，該系統具有低壓靜止型動態無功補償和低壓諧波治 理功能，通過低壓動態無功補償及諧波抑制裝置來實現。
3
電量檢測裝置、電能質量優化控制器、用電控制器均具有Profibus-DP和Modbus 現場總線功能，通過工業局域網相互通訊。電能質量優化控制器還接有GPRS無線通訊系統，可將電能質量優化控制器的信 息以無線方式傳送到遠距離監控系統。電量檢測裝置包括控制單元、測量芯片、看門狗電路、時鐘電路、測溫元件、IXD屏， 控制單元分別與測量芯片、看門狗電路、時鐘電路、測溫元件、LCD屏相連接。控制單元還連 接有按鍵和蜂鳴器，按鍵具有輸入功能；蜂鳴器具有報警功能。用電控制器包括微處理器CPU1、微處理器CPU2、復位電路、晶振電路、繼電器、 SPC3芯片、電源模塊，微處理器CPU1分別與復位電路、無觸點繼電器輸出相連接，微處理器 CPU1還連接20MHz晶振電路；微處理器CPU2分別與20MHz晶振電路、SPC3芯片、高速光耦 相連接；微處理器CPU1與微處理器CPU2均連接有總線驅動模塊。低壓動態無功補償及諧波抑制裝置包括檢測電路、控制電路、諧波抑制及無功補 償電路，通過檢測電路實時檢測非線性負載產生的諧波電流和無功功率，信號送入控制電 路進行處理，并以脈寬調制PWM形式向諧波抑制及無功補償電路發出驅動信號，驅動IGBT 功率模塊，產生與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流并注入電網系統。諧波抑制及無功補償電路為全控型或半控型開關器件組成的變流器，為非四象限 兩電平結構或四象限兩電平結構結構。與現有技術相比，本發明的有益效果是該方法可對用電網絡的狀態進行實時監 測，達到合理用電的目的，并可對電網的無功進行實時補償，并可抑制諧波，達到對電網質 量的優化作用。
圖1是基于現場總線的電能質量優化方法的整體結構圖；圖2是電量檢測裝置的結構框圖；圖3是用電控制器的結構框圖；圖4是低壓動態無功補償及諧波抑制裝置的結構框圖；圖5是變流器為非四象限兩電平結構的電路圖；圖6是變流器為四象限兩電平結構的電路圖。
具體實施例方式見圖1，一種基于現場總線的電能質量優化方法，該方法通過電量檢測裝置對用電 系統的電量進行實時檢測，通過工業局域網將電量參數傳輸到電能質量優化控制器，通過 電能質量優化控制器作出控制決策，再通過工業局域網實現電能質量優化控制器對用電控 制器進行控制，用電控制器對對應的用電系統進行用電優化控制。電量檢測裝置、電能質量優化控制器、用電控制器均具有Profibus-DP和Modbus 現場總線功能，通過工業局域網相互通訊。用電系統為若干個，可為用電設備，如電機、電爐、加熱器；還可為用電機群、用電 車間；或一個用電部門、一個用電單位。電能質量優化控制器內設有DSP組成的硬件系統、電能質量優化軟件和組態軟
4件，具有電能質量優化決策功能和驅動顯示器功能，顯示器顯示狀態畫面、電能參數及事故
報警等信息。電量檢測裝置可實時檢測用電系統的電量參數，為電能質量控制器提供依據；多 個用電系統在電能質量控制器的控制下，進行合理用電。電能質量優化控制器還接有GPRS無線通訊系統，可將電能質量優化控制器的信 息以無線方式傳送到遠距離監控系統。見圖1，電能質量優化控制器還通過工業局域網連接有無功和諧波治理系統，該系 統具有低壓靜止型動態無功補償和低壓諧波治理功能，通過低壓動態無功補償及諧波抑制 裝置來實現。見圖2，電量檢測裝置包括控制單元、測量芯片、看門狗電路、時鐘電路、測溫元件、 LCD屏，控制單元分別與測量芯片、看門狗電路、時鐘電路、測溫元件、LCD屏相連接。控制單 元還連接有按鍵和蜂鳴器，按鍵具有輸入功能；蜂鳴器具有報警功能。見圖3，用電控制器包括微處理器CPU 1、微處理器CPU2、復位電路、晶振電路、繼電 器、SPC3芯片、電源模塊，微處理器CPU1分別與復位電路、無觸點繼電器輸出相連接，微處 理器CPU1還連接20MHz晶振電路；微處理器CPU2分別與20MHz晶振電路、SPC3芯片、高速 光耦相連接；微處理器CPU1與微處理器CPU2均連接有總線驅動模塊。見圖4，低壓動態無功補償及諧波抑制裝置，包括檢測電路、控制電路、諧波抑制及 無功補償電路，通過檢測電路實時檢測非線性負載產生的諧波電流和無功功率，信號送入 控制電路進行處理，并以脈寬調制(PWM)形式向諧波抑制及無功補償電路發出驅動信號， 驅動IGBT功率模塊，產生與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流并注入電網系統，達 到抑制諧波，補償無功功率的目的。諧波抑制及無功補償電路為全控型或半控型開關器件組成的變流器，為非四象限 兩電平結構或四象限兩電平結構結構。見圖5，變流器為非四象限兩電平結構，整流側為二極管Dl-1、D2-1、D3_l、D4_l、 D5-1、D6-1組成的非四象限結構，電容C1-1組成直流濾波電路，逆變側為全控型功率半導 體開關器件Vl-1、V2-1、V3-1、V4-1、V5-1、V6-1組成的兩電平輸出結構。見圖6，變流器為四象限兩電平結構，整流側為全控型功率半導體開關器件V1-2、 V2-2、V3-2、V4-2、V5-2、V6-2組成的四象限結構，電容C1-2組成直流濾波電路、逆變側為全 控型功率半導體開關器件^7-2^8-2^9-2^10-2^11-2^12-2組成的兩電平輸出結構。
權利要求
一種基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，該方法通過電量檢測裝置對用電系統的電量進行實時檢測，通過工業局域網將電量參數傳輸到電能質量優化控制器，通過電能質量優化控制器作出控制決策，再通過工業局域網實現電能質量優化控制器對用電控制器進行控制，用電控制器對對應的用電系統進行用電優化控制；電能質量優化控制器還通過工業局域網連接有無功和諧波治理系統，該系統具有低壓靜止型動態無功補償和低壓諧波治理功能，通過低壓動態無功補償及諧波抑制裝置來實現。
2.根據權利要求1所述的基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，電量檢測 裝置、電能質量優化控制器、用電控制器均具有Profibus-DP和Modbus現場總線功能，通過 工業局域網相互通訊。
3.根據權利要求1所述的基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，電能質量 優化控制器還接有GPRS無線通訊系統，可將電能質量優化控制器的信息以無線方式傳送 到遠距離監控系統。
4.根據權利要求1所述的基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，電量檢測 裝置包括控制單元、測量芯片、看門狗電路、時鐘電路、測溫元件、LCD屏，控制單元分別與測 量芯片、看門狗電路、時鐘電路、測溫元件、IXD屏相連接。控制單元還連接有按鍵和蜂鳴器， 按鍵具有輸入功能；蜂鳴器具有報警功能。
5.根據權利要求1所述的基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，用電控制 器包括微處理器CPU1、微處理器CPU2、復位電路、晶振電路、繼電器、SPC3芯片、電源模塊， 微處理器CPUl分別與復位電路、無觸點繼電器輸出相連接，微處理器CPUl還連接20MHz晶 振電路；微處理器CPU2分別與20MHz晶振電路、SPC3芯片、高速光耦相連接；微處理器CPUl 與微處理器CPU2均連接有總線驅動模塊。
6.根據權利要求1所述的基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，低壓動態 無功補償及諧波抑制裝置包括檢測電路、控制電路、諧波抑制及無功補償電路，通過檢測電 路實時檢測非線性負載產生的諧波電流和無功功率，信號送入控制電路進行處理，并以脈 寬調制PWM形式向諧波抑制及無功補償電路發出驅動信號，驅動IGBT功率模塊，產生與諧 波電流大小相等、方向相反的補償電流并注入電網系統。
7.根據權利要求6所述的基于現場總線的電能質量優化方法，其特征在于，諧波抑制 及無功補償電路為全控型或半控型開關器件組成的變流器，為非四象限兩電平結構或四象 限兩電平結構結構。
全文摘要
本發明涉及一種基于現場總線的電能質量優化方法，該方法通過電量檢測裝置對用電系統的電量進行實時檢測，通過工業局域網將電量參數傳輸到電能質量優化控制器，通過電能質量優化控制器作出控制決策，再通過工業局域網實現電能質量優化控制器對用電控制器進行控制，用電控制器對對應的用電系統進行用電優化控制。與現有技術相比，本發明的有益效果是該方法可對用電網絡的狀態進行實時監測，達到合理用電的目的，并可對電網的無功進行實時補償，并可抑制諧波，達到對電網質量的優化作用。
文檔編號H02J3/01GK101814734SQ201010158938
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月29日 優先權日2010年4月29日
發明者何平, 莊小奕, 王忠良, 王春巖, 薛恩林, 雷雪 申請人:鞍山市宏源自動化工程有限公司