一種低壓電力負荷智能分配系統及分配方法

一種低壓電力負荷智能分配系統及分配方法
【專利摘要】一種低壓電力負荷智能分配系統及其分配方法，所述系統由一臺低壓電力負荷智能分配主機和若干臺電力負荷智能分配終端所組成。所述低壓電力負荷智能分配主機由電流互感器、電壓互感器、CPU（U6）、液晶、三相通信模塊組成。所述電力負荷智能分配終端由大電流互感器、電壓互感器、大功率磁保持繼電器、大電流復合開關、三相開關互鎖電路、通信模塊、相位鑒別電路、CPU（U12）組成。本發明通過在配電變壓器和負荷分配終端分別安裝低壓電力負荷智能分配主機和分機，采用低壓電力負荷智能分配方法，對部分不平衡負荷實時進行自動切換相位，保證了配電變壓器低壓電力負荷正常運行。本發明適用于電力系統配電變壓器電力負荷智能分配。
【專利說明】—種低壓電力負荷智能分配系統及分配方法
[0001]
【技術領域】
本發明涉及一種低壓電力負荷智能分配系統及分配方法，屬電力系統配電節電技
術領域。
[0002]【背景技術】
低壓電力負荷，通常是指交流380V系統所帶的負荷，占我國電力負荷用量的絕大部分。交流380V系統通常由三相四線組成，即A相、B相、C相、N相(零線)，其接帶的負荷幾乎包括了現代家電的所有種類和工廠用電、農業灌溉。
[0003]對于三相電機負荷而言，正常運行時，三相是處于平衡狀態的。對居民用電來說，其負荷幾乎都是單相的。由于居民負荷通常是用電纜從變壓器引出，安裝工人安裝時，很難知道進入居民用戶的相別，更不知道哪一家負荷的性質和大小。或者說，即使是知道某家負荷的大小，但由于用電的季節性和時段性，都會造成某相的負荷大小不可預測，也即非常容易造成三相負荷不平衡。可以說低壓電力系統三相負荷絕對平衡是理想狀態，不平衡是常態。
[0004]三相負荷不平衡，給電力系統帶來的危害是十分嚴重的。第一大危害是三相負荷不平衡造成線路損耗增大，線損增大的數值與電流成平方成正比。在平衡狀態，線路損耗」P=I2R,且」Pa=」Pb=」Pc,三相總線損Σ」P=3 I2R ;當系統處于不平衡狀態時，假設A相負荷為零，B、C兩相平均分擔了 A相的電流，則」Pa=O,」Pb= (1.5I)2R=2.251?,」Pc= (1.5I)2R=2.251? Σ」Ρ=4.5 I2R,線損增加了 50%。不難算出，若三相的負荷由一相接帶，此時的Σ」P= (3I)2R=9I2R,線損是平衡狀態時線損的3倍。
[0005]三相負荷不平衡，給電力系統帶來的第二大危害是變壓器產生附加鐵損。Y/Yo接線的配網變壓器多采用三鐵心柱結構，當發生三相負荷不平衡或者出現接地故障時，其一次側無零序電流存在，二次側有零序電流存在，因此二次側的零序電流完全是勵磁電流，產生的零序磁通不能在鐵心中閉合，需通過油箱壁閉合，從而在鐵箱等附件中發熱產生鐵損。
[0006]三相負荷不平衡，給電力系統帶來的第三大危害是產生附加銅損，附加銅損增加會導致變壓器發熱，降低變壓器的運行效率。
[0007]三相負荷不平衡，給電力系統帶來的第四大危害是產生電壓偏移。
[0008]因此，發明一種電力負荷智能分配方法和系統非常有必要，它將實時監視系統三相負荷狀態，采集本系統下屬的各電力負荷智能分配終端(分機)的負荷，決策下一步應如何重新分配負荷，使三相負荷在任何時候都基本上保持在平衡狀態。
[0009]
【發明內容】

本發明的目的是，為了解決低壓電力負荷存在的不平衡問題，能實現動態調整各相負荷的大小，使系統始終保持在基本平衡狀態，提高變壓器運行效率，降低線路損耗，本發明提出并公開一種低壓電力負荷智能分配系統及分配方法。
[0010]實現本發明目的的技術方案是，本發明采用一種用于實時監視配電變壓器各相總用電量，實時采集各電力負荷終端用電量信息，決策如何重新分配負荷的低壓電力負荷智能分配主機；還采用若干用于采集各用戶用電量并上傳到主機、執行主機下發命令切換負荷的電力負荷智能分配終端，即分機；然后根據電力負荷智能分配方法，實現對終端電力負荷的調節和分配。
[0011]低壓電力負荷智能分配系統由一臺低壓電力負荷智能分配主機和若干臺電力負荷智能分配終端(分機)所組成。
[0012]所述低壓電力負荷智能分配主機由三個電流互感器(CT)、三個電壓互感器(PT)、CPU、液晶、三相通信模塊組成；低壓電力負荷智能分配主機用于實時監視配變各相總用電量，通過三相通信模塊，實時采集各電力負荷智能分配終端(分機)用電量信息，通過CPU對采集的終端用電信息進行處理，決策出如何重新分配負荷，使負荷不平衡度始終保持在合格范圍內，并向電力負荷智能分配終端發出切換指令，將較重負荷一相的部分負荷切換至較輕負荷的另一相。
[0013]所述電力負荷智能分配終端(分機)由大電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、大功率磁保持繼電器、大電流復合開關、三相開關互鎖電路、通信模塊、相位鑒別電路、CPU組成。所述電力負荷智能分配終端通過通信模塊將采集各用戶用電信息上傳到主機，通過相位鑒別電路對負荷進行相位鑒定，并執行主機下發命令，通過大電流復合開關和可控硅電路實現負荷自動切換，通過三相開關互鎖電路始終保證在任何情況下，只有一路電源與用戶接通，不可能產生短路。
[0014]系統能實時跟蹤負荷變化，隨時調整各相負荷大小，使電流不平衡度始終保持在合格范圍內，從而提高變壓器運行效率與壽命，降低線路損耗。
[0015]所述低壓電力負荷智能分配方法為:
(I)給配電變壓器建立一臺主機，給各電力負荷終端分別建立分機；主機用于實時監視配變各相總用電量，實時采集各電力負荷智能分配終端(分機)用電量信息，決策出如何重新分配負荷，使負荷不平衡度始終保持在合格范圍內；所述分機用于采集各用戶用電量并上傳到主機、執行主機下發命令，實現負荷自動切換。
[0016](2)通過3相通信模塊，使主機與分機保持通信，實時采集各分機的電流；通過按相發送數據采集命令的方法，使分機能準確定位各相相序，并與主機嚴格保持一致；
(3)當使用容量超過某個定值時,按公式Iun=[Zl Imax( I Ia-1avg I，I Ib-1avg I，I Ib-1avg I ,)/ Iavg] X 100%計算不平衡度；當不平衡度超過某個定值時，認為系統出現不平衡，并做出負荷調整策略；其中，Iavg為3相總電流的平均值；Iun為實時算出的電流不平衡度；
(4)本終端在開機后，立即檢測各開關的狀態，使大功率磁保持繼電器JA、JB、JC中僅有一個開關合上，同時繼電器JZ要在合上位置。
[0017](5)啟動數據采集程序，不斷檢測本終端所帶負荷的大小和性質，并按一定的規約存儲在終端CPU中，等到主機來讀取。
[0018](6)當主機通過某相線路的通信模塊發來“要數據”或“切換電源”命令時，此命令通過某一相UA、U0線、通信模塊、SIGIN引腳，到達終端CPU ;終端CPU (U12)立即執行主機命令:若是“要數據”，則按約定的數據格式，通過SIGOUT引腳、通信模塊、UA、U0把數據發給主機；若是要“切換電源”，則按下述程序進行:合上可控硅一斷開JZ—斷開可控硅一斷開當前已經合上的開關一合上主機要求合上的開關一合上可控硅一合JZ—斷開可控硅。[0019]上述過程每一步都進行確認，方執行下一步。然后將切換結果報告主機。
[0020]本發明的有益效果是，本發明通過在配電變壓器和負荷分配終端分別安裝低壓電力負荷智能分配主機和分機，采用低壓電力負荷智能分配方法，能根據電力負荷的不平衡狀況，對部分不平衡負荷實時進行自動切換相位，保證了配電變壓器低壓電力負荷在規定的不平衡度范圍內運行。本發明解決了由于低壓電力負荷不平衡而造成電力浪費的問題，大大提高了變壓器的運行效率和使用壽命。本發明低壓電力負荷智能分配系統的低壓電力負荷智能分配主機和低壓電力負荷智能分配分機全部采用CMOS元件，整機功耗極低，正常運行僅需1W，使用成本極低。 [0021]本發明適用于電力系統配電變壓器電力負荷智能分配。
[0022]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為電力負荷智能分配系統拓撲圖；
其中，I是配電變壓器；11是配電變壓器高壓側；12是是配電變壓器低壓側(380V/220V)；2是低壓電力負荷智能分配主機；31是低壓電力負荷分配終端(分機1);32是低壓電力負荷分配終端(分機2);3N是低壓電力負荷分配終端(分機N);41是用戶I ;42是用戶2 ；4N是用戶N;
圖2為低壓電力負荷智能分配主機前端變換及切換電路圖；
圖3為低壓電力負荷智能分配主機CPU電路和RS-485接口電路圖；
圖4為低壓電力負荷智能分配主機三相通信模塊電路；
圖5為低壓電力負荷智能分配終端三相開關互鎖電路圖；
圖6為低壓電力負荷智能分配終端復合開關可控硅控制電路圖；
圖7為低壓電力負荷智能分配終端CPU及三相通信模塊電路圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明低壓電力負荷智能分配方法的【具體實施方式】如圖1所示。
[0024]按圖1所示，在配電變壓器和負荷分配終端分別安裝低壓電力負荷智能分配主機和分機。
[0025]( I)通過主機3相通信模塊，使主機與分機保持通信，實時采集各分機的電流；在主機上，實時采集本配變各相電流(總電流)、電壓的大小，并按下式計算出當前使用的總容量Zl S:
Z S=IaXUa+IbXUb+IcXUc
其中，la、lb、Ic為配電變壓器輸出的各相總電流，Ua、Ub、Uc為配電變壓器各相輸出的端電壓；
(2)當前使用的總容量」S≥變壓器的容量StlX20%時，按下式計算不平衡度Iun: Iun=[ Zl Imax ( I Ia-1avg I , I Ib-1avg I , I Ic-1avg I )/ Iavg]X100%。
[0026]其中，S。為變壓器的容量；Iavg為3相總電流的平均值，Iavg= (Ia+Ib+Ic)/3 ；Iun為實時算出的電流不平衡度，取3相電流中與3相電流平均值差值的最大值的絕對值除以電流平均值；
(3)設當電流不平衡度Iun^ 15%，即認為系統處在不平衡狀態，應對負荷進行調整；
(4)主機按相發出數據采集命令，逐個采集各分機當前的負荷數據(ia、ib、ic)并存儲，直到把本系統所有分機數據采集完畢；
(5)若主機按公式I Ia-1avg I，I Ib-1avg I，I Ic-1avg I 算出 I Ia-1avg I 電流差值最大，I Ic-1avg I最小,這就意味著應減小A相負荷，增加C相負荷才能使系統電流平衡。主機先試切第一臺在A相運行的分機到C相，求出切換負荷后新的Ia ' =Ia-1a,新的 Ic'=Ic+ ia,新的平均值 Iavg ' = (la " +Ib+ Ic')/3,新的不平衡度 Iun'=[ Zl ImaX " ( I Ia " -1avg I , I Ib-1avg I , I Ic " -1avg " I，)/ Iavg " ]X100% ；
(6)當Iuny ( 15%時，主機從A相向第一臺分機發出“A相切換到C相”的命令；
(7)當Iun'≥15%時,取出第二臺在A相運行的分機電流,按(5)步方法算出Iun '。
[0027]若Iun’ ≤15%，主機從A相向第二臺分機發出“A相切換到C相”的命令。
[0028]若Iun z15%，則取出第三臺在A相運行的分機電流，按(5)步方法算出Iun '，并以此類推，直到切換負荷后達到Iun ' ( 15%。
[0029](8)若經過上述計算后，不能找到“切換某相負荷后，Iun ' ( 15%”這個結果，證明系統安裝的分機數量太少，不進行負荷切換，同時在液晶屏上顯示某個特殊的符號，以示提醒。
[0030]產生不平衡的原因可能還有I Ia-1avg I大，I Ib-1avg I小；I Ib-1avg I大，
I Ia-1avg I 小,或 I Ib-1avg I 大，I Ic-1avg I 小；I Ic-1avg I 大，I Ia-1avg I 小，
或I Ic-1avg I大，I Ib-1avg I小等幾種情況,其處理方法同上所述原理。
[0031]本發明低壓電力負荷智能分配系統的【具體實施方式】如圖2~圖7所示。
[0032]圖2為低壓電力負荷智能分配主機前端變換及切換電路圖，圖3為低壓電力負荷智能分配主機CPU電路和RS-485接口電路圖，圖4為低壓電力負荷智能分配主機三相通信模塊電路；圖5低壓電力負荷智能分配終端三相開關互鎖電路圖，圖6為低壓電力負荷智能分配終端復合開關可控硅控制電路圖，圖7為低壓電力負荷智能分配終端CPU及三相通信模塊電路圖。
[0033]本發明實施例低壓電力負荷智能分配系統由低壓電力負荷智能分配主機和低壓電力負荷智能分配終端所組成。低壓電力負荷智能分配主機接配電變壓器低壓端，低壓電力負荷智能分配終端接負荷終端。
[0034]本發明實施例低壓電力負荷智能分配主機，由三個電流互感器(CT1-CT3)、三個電壓互感器(PT1-PT3)、CPU(U6)、液晶模塊(U4)、三相通信模塊組成；其電路如圖2、圖3和圖4所示。
[0035]電流互感器(CT1-CT3)將大(配變輸出總電流)電流轉換成小信號的元件，其輸出電流信號接CPU (U6);電壓互感器(PT1-PT3)將高電壓(配變輸出端電壓)轉換成小信號的元件，其一次繞組接配電變壓器低壓端，二次繞組輸出的電壓信號接CPU。
[0036]液晶(U4)顯示各種信息的元件，接CPU。
[0037]CPU(U6)采集并進行各種計算、存儲、與分機通信、發布命令的元件，它接受電壓互感器和電流互感器輸入的各相小信號電流和電壓；接受三相通信模塊發來的信號；發出指令并通過通信模塊將信號發送到終端分機。
[0038]三相通信模塊，可以按相與各電力負荷智能分配終端(分機)通信的模塊。
[0039]Ul、U2和U3是雙4選I多路開關，U5是RS-485接口芯片。
[0040]從配變輸出的三相總電流分別流經DCTA、DCTB、DCTC，在副邊產生0-5A的電流，該電流經CZ1、CZ2、CZ3進入主機的CTl CT2 CT3進行二次變換，分別在R4、R5、R6上變成某個適合CPU (U6)采集的電壓。
[0041]從配變輸出的三相電壓經CZ4、CZ5、CZ6、CZ7經電阻Rl、R2、R3限流后進入主機，主機的PT 1、PT2、PT3變換成某個適合CPU (U6)采集的電壓。
[0042]在CPU (U6)的控制下，PXX1、PXX2引腳產生3種“O”與“I”的組合，分時接通CT1、CT2、CT3的輸出信號到多路開關Ul，并從多路開關Ul的13、3腳引入到CPU (U6)的IIP、IlN0同時，分時接通PT1、PT2、PT3的輸出信號到多路開關U2，并從多路開關U2的13、3腳引入至Ij CPU (U6)的 UP、UN。
[0043]CPU (U6)通過分時接通3相電壓、電流到UP、UN, IIP、I1N，按上述原理實時計算本配變輸出總電流的大小和不平衡度，并在液晶屏U4上顯示。
[0044]當三相電流的不平衡度超過合格范圍時，CPU (U6)立即啟動采集下屬各電力負荷智能分配終端(分機)中電流的程序。CPU (U6)按一定的通信規約打包需要發送的數據，并置輸出引腳PXX3、PXX4為某個值。如要向A相發送數據，CPU (U6)通過置輸出引腳PXX3、PXX4為某個值，使SIGA與SIGOUT接通，即:使多路開關U3的12、13接通，發送的數據經CPU(U6)的19腳一U3的12-13腳一三相通信模塊的SIGA — A相電壓線。所有接在A相的電力負荷智能分配終端(分機)都能接收到命令，但只有地址與當前命令相符的終端(分機)才會返回數據。
[0045]本發明實施例低壓電力負荷智能分配系統終端(分機)，由大電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)、大功率磁保持繼電器、大電流復合開關、三相開關互鎖電路、通信模塊、相位鑒別電路、CPU組成，其電路如圖5、圖6和圖7所示。
[0046]本實施例低壓電力負荷智能分配系統終端采用大功率磁保持繼電器，是用于把系統電源接入用戶的負荷開關，它具有通流大、靜態功耗為零的特點；
大電流復合開關，是由大功率可控硅與大功率磁保持繼電器并聯的、用于負荷換相自動切換的復合模塊，可提高大功率磁保持繼電器壽命。本發明低壓電力負荷智能分配系統終端采用大電流復合開關，提高了本系統低壓電力負荷智能分配終端的電氣通斷壽命。
[0047]本實施例低壓電力負荷智能分配系統終端的三相開關互鎖電路，是用于保證本發明的終端在任何時候(包括驅動元件失效時)僅有一路系統電壓接入用戶，防止相間短路的電路。
[0048]本實施例低壓電力負荷智能分配系統終端的通信模塊，是用于本發明的終端與主機通信的模塊；所述的CPU (U12)，是本發明的終端用于進行各種計算、存儲、與主機通信、執行主機命令的元件。
[0049]本實施例低壓電力負荷智能分配系統終端的相位鑒別電路，是用于確定本發明的終端A、B、C三相電壓進線保持與主機的A、B、C三相電壓對應的電路。
[0050]本實施例低壓電力負荷智能分配系統終端在開機后，立即檢測各開關的狀態，使JA、JB、JC中僅有一個開關合上，同時JZ要在合上位置。
[0051]本實施例低壓電力負荷智能分配終端工作時，首先啟動數據采集程序，不斷檢測本終端所帶負荷的大小和性質，并按一定的規約存儲在CPU (U12)中，等到主機來讀取。
[0052]當低壓電力負荷智能分配主機通過某相線路的通信模塊發來“要數據”或“切換電源”命令時，此命令通過UA、UO線、通信模塊、SIGIN引腳，到達U12 (CPU)。本終端CPU(U12)立即執行主機命令。若是“要數據”，則按約定的數據格式，通過SIGOUT引腳、通信模塊、UA、U0把數據發給主機。若是要“切換電源”，則按下述程序進行:合可控硅一斷開JZ—斷開可控硅一斷開當前已經合上的開關一合上主機要求合上的開關一合可控硅一合JZ-斷開可控硅。上述過程每一步都進行確認，方執行下一步。然后把切換結果報告主機。
【權利要求】
1.一種低壓電力負荷智能分配系統，其特征在于，所述系統由一臺低壓電力負荷智能分配主機和若干臺電力負荷智能分配終端所組成； 所述低壓電力負荷智能分配主機由三個電流互感器、三個電壓互感器、CPU (U6)、液晶、三相通信模塊組成；所述低壓電力負荷智能分配主機用于實時監視配變各相總用電量，通過三相通信模塊，實時采集各電力負荷智能分配終端用電量信息，通過CPU對采集的終端用電信息進行處理，決策出如何重新分配負荷，使負荷不平衡度始終保持在合格范圍內，并向電力負荷智能分配終端發出切換指令，將較重負荷一相的部分負荷切換至較輕負荷的另一相; 所述電力負荷智能分配終端由大電流互感器、電壓互感器、大功率磁保持繼電器、大電流復合開關、三相開關互鎖電路、通信模塊、相位鑒別電路、CPU(U12)組成；所述電力負荷智能分配終端通過通信模塊將采集各用戶用電信息上傳到主機，通過相位鑒別電路對負荷進行相位鑒定，并執行主機下發命令，通過大電流復合開關和可控硅電路實現負荷自動切換，通過三相開關互鎖電路始終保證在任何情況下，只有一路電源與用戶接通。
2.根據權利要求1所述的一種低壓電力負荷智能分配系統，其特征在于，所述系統實時跟蹤負荷變化，隨時調整各相負荷大小，使電流不平衡度始終保持在合格范圍內，從而提高變壓器運行效率與壽命，降低線路損耗。
3.根據權利要求1所述的一種低壓電力負荷智能分配系統，其特征在于，所述系統的電力負荷智能分配終端采用了大功率磁保持繼電器作為負荷開關，不僅通流大，更有在靜態時功耗為零的節能特點。
4.根據權利要求1所述的一種低壓電力負荷智能分配系統，其特征在于，所述系統采用了大電流復合開關，提高了本系統低壓電力負荷智能分配終端的電氣通斷壽命。
5.一種低壓電力負荷智能分配方法，其特征在于，所述方法為: (1)給配電變壓器建立一臺主機，給各電力負荷終端分別建立分機；主機用于實時監視配變各相總用電量，實時采集各電力負荷智能分配終端用電量信息，決策出如何重新分配負荷，使負荷不平衡度始終保持在合格范圍內；所述分機用于采集各用戶用電量并上傳到主機、執行主機下發命令，實現負荷相位鑒別和自動切換； (2)通過3相通信模塊，使主機與分機保持通信，實時采集各分機的電流；通過按相發送數據采集命令的方法，使分機能準確定位各相相序，并與主機嚴格保持一致； (3)當使用容量超過某個定值時,按公式Iun=[Zl Imax( I Ia-1avg I，I Ib-1avg I，I Ib-1avg I ,)/ Iavg] X 100%計算不平衡度；當不平衡度超過某個定值時，認為系統出現不平衡，并做出負荷調整策略；其中，Iavg為3相總電流的平均值；Iun為實時算出的電流不平衡度； (4)本終端在開機后，立即檢測各開關的狀態，使大功率磁保持繼電器JA、JB、JC中僅有一個開關合上，同時繼電器JZ要在合上位置； (5)啟動數據采集程序，不斷檢測本終端所帶負荷的大小和性質,并按一定的規約存儲在終端CPU (U12)中，等到主機來讀取； (6)當主機通過某相線路的通信模塊發來“要數據”或“切換電源”命令時，終端CPU(U12)立即執行主機命令:若是“要數據”，則按約定的數據格式，把數據發給主機；若是要“切換電源”，則按下述程序進行:合可控硅一斷開JZ—斷開可控硅一斷開當前已經合上的開關一合上主機要求合上的開關一合可控硅一合JZ—斷開可控硅；上述過程每一步都進行確認，方 執行下一步；然后將切換結果報告主機。
【文檔編號】H02J3/26GK103545826SQ201210234514
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月9日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】劉望舒 申請人:江西龍躍電子科技有限公司