一種海上電網配電末端能源監測裝置製造方法
2023-10-07 16:23:59 2
一種海上電網配電末端能源監測裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種海上電網配電末端能源監測裝置，其包括電流互感器調理電路，海上電網配電末端的迴路三相電流和迴路剩餘電流經電流互感器調整電路處理後輸入至計量分析模塊內；海上電網配電末端的迴路三相電壓經電壓調整電路處理後也輸入至計量分析模塊內；計量分析模塊根據接收到的電流值及電壓值計算出各相以及合相的所有電量參數，並將該電量參數經SPI接口讀入到控制模塊中，控制模塊對接收到的所有電量參數進行控制，實現對海上電網配電末端能源的剩餘電流、配電迴路導體溫度的監測以及剩餘電流的趨勢預測與分析。本實用新型的監測方法能實現對剩餘電流及其趨勢、以及配電迴路導體溫度的檢測，可以在所有電網配電末端中應用。
【專利說明】一種海上電網配電末端能源監測裝置
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及海上電網能源監測【技術領域】，特別是關於一種用於電力系統能源監測的海上電網配電末端能源監測裝置。
【背景技術】
[0002]能源監測裝置是在電力儀表的基礎上實現電能耗的有效監測，是現在電力系統必不可少的測量工具，能源監測也是保障電力系統及其電力設備安全運行不可缺少的手段之一，它能反映出電力系統運行過程中迴路的電力參數，電能耗狀況，為整個系統做整體能耗分析提供數據支持。隨著電力事業的不斷發展及集成電路在測量儀表的運用，測量儀表的要求也越來越高，成為電力監測必不可少的工具。現在能源監測裝置功能較單一，基本只能實現迴路電參數及能耗監測，部分高端儀表增加電能質量參數監測，而不能滿足電力系統對電能監測以及可靠性並存的要求。
[0003]尤其針對海上油田平臺小電網系統，本身電網的穩定性就不比陸地大電網系統穩定性好，加之，海上平臺生產連續的特點，電力系統中設備多為大功率設備，且變頻器的輸出端多採用PWM控制技術的功率開關器件(如IGBT、GT0)，高速的開關動作使得逆變器輸出通過線路或電磁波空間耦合形成電磁幹擾或共模電壓，對電機負載或整個電網可能造成過大尖波電壓、振動、以電磁形式耦合至地線等問題，多引起電路高頻幹擾，對電網的穩定性和其他設備的正常運行影響較大。因此，海上平臺的末端測量儀表除了需要滿足電量監測的功能外，還需要對末端設備的安全實時監測，尤其是剩餘電流、高頻幹擾信號、導體溫度的監測、趨勢分析尤為重要。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種海上電網配電末端能源監測裝置，實現了海上電網配電末端的電能、電能質量、高頻幹擾、導體溫度等多種功能的同時在線監測。
[0005]為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案:一種海上電網配電末端能源監測裝置，其特徵在於:它包括電流互感器調理電路、計量分析模塊、電壓調理電路和控制模塊；海上電網配電末端的迴路三相電流和迴路剩餘電流經所述電流互感器調整電路處理後輸入至所述計量分析模塊內；海上電網配電末端的迴路三相電壓經所述電壓調整電路處理後也輸入至所述計量分析模塊內；所述計量分析模塊根據接收到的電流值及電壓值計算出各相以及合相的所有電量參數，並將該電量參數經SPI接口讀入到所述控制模塊中，所述控制模塊對接收到的所有電量參數進行控制，實現對海上電網配電末端能源監測。
[0006]所述控制模塊包括CPU、IXD指示燈、通訊接口、鍵盤輸入模塊、開關量輸入模塊、第一光電隔離電路、LED警告燈、第二光電隔離電路、開關量輸出模塊、外部溫度傳感器、時鐘模塊、鐵電存儲器、JTAG接口和蜂鳴器；所述CPU將接收到的所有電量參數處理後，由所述LCD指示燈顯示結果，或通過所述通訊接口連接後臺監控系統進行顯示；所述鍵盤輸入模塊用於向所述CPU輸入控制命令；所述開關量輸入模塊用於向所述第一光電隔離電路輸入開關狀態信號，所述第一光電隔離電路抑制開關狀態信號中的幹擾信號，並將處理後的開關狀態信號輸入至所述CPU內；同時通過所述LED警告燈對當前開關量狀態進行顯示；後臺監控系統將控制指令通過所述通訊接口輸入至所述CPU，由所述CPU經所述第二光電隔離電路向所述開關量輸出模塊輸出開關量信號；所述外部溫度傳感器將採集到的配電迴路導體溫度輸入至所述CPU內，對配電迴路導體溫度監測；所述時鐘模塊連接所述CPU，用於確保電流、電壓數據採集的同時性；所述鐵電存儲器用於存儲所述CPU中的各種數據以形成歷史數據；所述CPU通過所述JTAG接口連接適配器；所述蜂鳴器連接所述CPU，用於在出現故障時輸出報警信息。
[0007]所述電流互感器調整電路中的電流互感器採用高導磁材料。
[0008]所述計量分析模塊包括低通濾波電路、ADC和數位訊號處理器；所述電流互感器調理電路和電壓調理電路將電流、電壓信號經所述低通濾波電路濾除高頻幹擾信號後，經所述ADC輸入至所述DSP中處理，得到海上電網配電末端迴路電量參數。
[0009]本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點:1、由於海上平臺電網系統不同於陸地大電網系統，具有自己的特性，不能應用陸地電網標準。本實用新型能實現海上平臺配用電迴路共模電壓、剩餘電流、配電迴路導體溫度等實時監測，實時保護配電迴路安全，減緩設備劣化速度，同時本實用新型還可以為海上平臺電能數據的分析、制定行業標準提供有利的數據依據。不僅對海上電網配電末端能源進行在線監測，而且對剩餘電流做趨勢分析，做事前提醒，從而大大提高設備的使用壽命。2、本實用新型由於在CPU內設置有四個剩餘電流預測模型，進而可以實現剩餘電流趨勢預報及預警功能，減少了故障事故的發生，提高了設備使用壽命。3、本實用新型適用於所有電網配電末端，尤其適用於海上平臺電網，因為海上平臺對電網的安全、設備的健康狀態要求更高，且海上平臺電網受非線性負責幹擾的影響大、平臺空間非常有限，因此，本裝置非常適合海上平臺電網配電末端，不但實現了一個裝置多種功能，包括了滿足海上平臺監測需求的電能各參數及其質量狀況的監測、高頻幹擾監測、導體溫度監測以及還可以提供剩餘電流趨勢提前預報，減少設備故障事故的發生，提高設備使用壽命，且大大減少了多個監測裝置在平臺上安裝的困難問題，提高海上平臺電網的用電可靠性、經濟性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型的原理結構示意圖；
[0011]圖2是本實用新型的計量分析模塊內部結構示意圖；
[0012]圖3是本實用新型的剩餘電流檢測流程示意圖；
[0013]圖4是本實用新型的剩餘電流趨勢預測流程示意圖；
[0014]圖5是本實用新型的溫度檢測流程示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
[0016]如圖1所示，海上電網配電末端能源監測裝置包括電流互感器調理電路1、計量分析模塊2、電壓調理電路3和控制模塊4。[0017]海上電網配電末端的迴路三相電流和迴路剩餘電流經電流互感器調整電路I處理後輸入至計量分析模塊2內；海上電網配電末端的迴路三相電壓經電壓調整電路3處理後也輸入至計量分析模塊2內。計量分析模塊2根據接收到的電流值及電壓值計算出各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功電度以及無功電度，以及各相電流、電壓的有效值、功率因數和頻率等電量參數，並將該電量參數經SPI接口讀入到控制模塊4中，控制模塊4對接收到的所有電量參數進行控制，實現對海上電網配電末端能源的剩餘電流、配電迴路導體溫度的監測以及剩餘電流的趨勢預測與分析。
[0018]上述實施例中，如圖2所示，計量分析模塊2內設置有低通濾波電路21、模數轉換器(ADC)22和數位訊號處理器(DSP)23。電流互感器調理電路I和電壓調理電路3將電流、電壓信號經低通濾波電路21濾除高頻幹擾信號後，輸入至ADC22內將模擬信號轉換成數位訊號，輸入至DSP23中處理，得到各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功電度以及無功電度，以及各相電流、電壓的有效值、功率因數和頻率等電量參數。其中，高頻幹擾信號主要來源於線路突然斷路或雷電瞬變過壓引起的衝擊，以及由於閃電、接地故障或切換電感性設備而引起的信號參數產生的瞬時擾動。
[0019]上述各實施例中，電流互感器調整電路I中的電流互感器是採用性能良好的高導磁材料，且在繞組外安裝有磁屏蔽罩，可減少外界電磁幹擾。
[0020]如圖1所示，本實用新型的控制模塊4包括CPU5、IXD指示燈6、通訊接口 7、鍵盤輸入模塊8、開關量輸入模塊9、第一光電隔離電路10、LED警告燈11、第二光電隔離電路12、開關量輸出模塊13、外部溫度傳感器14、時鐘模塊15、鐵電存儲器16、JTAG接口 17和蜂鳴器18。
[0021]CPU5將接收到的所有電量參數處理後，由IXD指示燈6將結果顯示出來，也可以通過通訊接口 7連接後臺監控系統進行顯示。
[0022]鍵盤輸入模塊8用於向CPU5輸入控制命令，以實現CPU5內部參數設定、查看等功能選項。
[0023]開關量輸入模塊9用於向第一光電隔離電路10輸入開關狀態信號,第一光電隔離電路10抑制開關狀態信號中的幹擾信號，使得電位發生轉變，然後將處理後的開關狀態信號輸入至CPU5內進行數模信號轉換。轉換後的信號由CPU5通過通訊接口 7在後臺監控系統上顯示出開關量的狀態；同時通過LED警告燈11對當前開關量狀態進行顯示。開關量輸入可以接普通遙信(主迴路斷路器狀態監視)、消防聯動、煙霧消防等。
[0024]後臺監控系統將控制指令通過通訊接口 7輸入至CPU5，由CPU5經第二光電隔離電路12向開關量輸出模塊13輸出開關量信號，進而控制外界設備繼電器的吸合或者斷開，同時開關量輸出狀態在LCD指示燈6上顯示。以其中I路開關量輸出為例，當發出驅動信號時，繼電器觸點吸合，同時LCD指示燈6上顯示為閉合狀態；當關閉驅動信號時，繼電器觸點斷開，同時IXD指示燈6上顯示為斷開狀態。其開關量輸出可以通過CPU5內的程序設定為剩餘電流保護、報警輸出、跳閘信號、無功補償控制等。
[0025]外部溫度傳感器14將採集到的配電迴路導體溫度輸入至CPU5內，用於對配電迴路導體溫度監測，CPU5將計算出的溫度值經IXD指示燈6顯示，也可以通過通訊接口 7上傳到後臺監控系統進行顯示。
[0026]時鐘模塊15連接所述CPU5，用於實現時間對標，確保電流、電壓數據採集的同時性。
[0027]鐵電存儲器16用於存儲CPU5中的各種數據，進而形成歷史數據，以保證數據在掉電情況下十年內不丟失。
[0028]CPU5通過JTAG接口 17連接適配器，實現對CPU5內程序進行編譯調試及升級。
[0029]蜂鳴器18是由CPU5通過內部程序設定，當出現各種故障時通過蜂鳴器18報警輸出。開關量輸入模塊9的監視、開關量輸出模塊13的監控、外部溫度傳感器14的監視、蜂鳴器18的報警輸出及各種運行狀態(運行、通訊)都通過LED警告燈11指示。
[0030]上述實施例中，為了實現對剩餘電流做長期趨勢，本實用新型採用在CPU5內預置有四個剩餘電流預測模型，分別為線性模型Ip=a+bt，冪函數模型Ip=atb+c，對數模型Ip=a+blnt+c和二次函數模型Ip=at2+bt+c。其中，Ip為剩餘電流預測值，t為時間，a、b、c均為常數。
[0031]基於本實用新型的海上電網配電末端能源監測裝置，對於海上電網配電末端能源監測方法包括剩餘電流監測方法、剩餘電流的趨勢預測方法以及配電迴路導體溫度檢測方法，其中，剩餘電流監測方法包括以下步驟(如圖3所示):
[0032]I)由電流互感器調理電路I實時獲得供電迴路中的剩餘電流值。
[0033]2)將步驟I)獲得的剩餘電流信號輸入至計量分析模塊2，經低通濾波電路21處理後輸入ADC22內進行模數轉換，得到數字量剩餘電流信號。
[0034]3)數字量剩餘電流信號經DSP23處理後得到的剩餘電流信號值輸入至CPU5中，該剩餘電流信號值即為剩餘電流的實際值Ir。
[0035]4)判斷剩餘電流實際值Ir與剩餘電流標準限定值Ie的大小，即判斷表達式Ir>Ie是否成立。當表達式Ir>Ie為真時，執行步驟5)，否則進入步驟6)；
[0036]其中，剩餘電流標準限定值Ie的大小可以根據國家規範中不同線路及設備具體標準進行設定，根據IEC4791關於交流電流(50HZ)流過人體時，對人體造成的觸點危害，即使它集中在物體的一個部位，根據經驗和火災案例證明，也不一定會引起事故。可能引起事故的危害剩餘電流的數值，我國規定為300?500mA，當在負荷設備上以使人致命為整定限定值的話則以30mA為界限。
[0037]5 )輸出切斷供電迴路的信號，IXD指示燈6顯示切斷供電迴路，LED警告燈11對應閃爍，提示監控人員及早採取措施，排除故障，保障供電的連續性。
[0038]6)判斷剩餘電流實際值Ir與0.5倍剩餘電流標準限定值Ie的大小，即判斷式lr>0.5Ie是否成立。若表達式lr>0.5Ie為真，發出預告警信號，由IXD指示燈6顯示狀態信息，LED警告燈11閃爍，蜂鳴器18報警，提示監控人員及早採取措施，排除故障，保障供電的連續性；否則，返回步驟1)，繼續進行剩餘電流的監測。
[0039]如圖4所示，本實用新型剩餘電流的趨勢預測方法包括以下步驟:
[0040]I)從鐵電存儲器16中存儲的剩餘電流歷史數據(t，Ir)中選取連續平滑的3?5組數據，將選好的數據輸入至線性模型中得到Ipzajbit，B1, Id1為常數；通過得到的線性模型預測未來剩餘電流數據，並將預測的剩餘電流數據與實際獲得的數據進行比較，得到線性模型的平均誤差Λ Ε1，保存該平均誤差及其對應的函數模型。其中線性模型的平均誤差Λ El 為:
[0041]Δ El=I Ip-1 r |，[0042]其中，選取的3?5組數據形成的函數曲線要基本平滑，不能跳躍太大，跳躍太大的數據不可用，直接捨棄。
[0043]2)按照與步驟I)相同的方法在歷史數據(t，Ir)中選取連續平滑的幾組數據，代入冪函數模型中得到Ip=a2tb2+c2和冪函數模型的平均誤差ΛΕ2 ;將冪函數模型的平均誤差Δ E2與步驟I)中獲得的線性模型的平均誤差Λ El比較，保存較小的平均誤差及其對應的函數模型；
[0044]3)按照與步驟I)相同的方法，獲得對數模型Ip=a3+b3lnt+c3和對數模型的平均誤差Λ Ε3 ;並將對數模型的平均誤差Λ Ε3與步驟2)保存的平均誤差進行比較，保留較小的平均誤差及其對應的函數模型；
[0045]4)按照與步驟I)相同的方法獲得二次函數模型Ip=a4t2+b4t+c4和二次函數模型的平均誤差Λ E4 ;與步驟3)中保存的平均誤差進行比較，保存較小的平均誤差及其對應的函數模型；
[0046]5)輸出步驟4)中保存的平均誤差及其對應的函數模型，並將該平均誤差作為標準誤差Λ Ε，標準誤差Λ E所對應的函數模型作為選定的函數模型；
[0047]6)分時段地對選定的函數模型進行自校驗，即將函數模型預測的剩餘電流值與實際的剩餘電流值進行對比，判定校驗過程中的誤差是否超出了標準誤差Λ Ε，若超出了標準誤差Λ E則返回步驟1)，重新進行函數模型的篩選；否則進入步驟7)；
[0048]7)步驟5)中得到的函數模型通過自校驗，繼續利用此函數模型對剩餘電流進行預測。
[0049]如圖5所示，本實用新型的配電迴路導體溫度檢測方法包括以下步驟:
[0050]1)CPU5實時獲得配電迴路中外部溫度傳感器14採集到的配電迴路導體溫度信號;
[0051]2)CPU5將獲得的配電迴路導體溫度信號進行模數轉換，得到數字量的配電迴路導體溫度，即實際溫度值Tr;
[0052]3)比較實際溫度值Tr與預先設定的溫度標準限定值Te (溫度標準限定值Te可以根據國家規範中不同線路及設備具體標準進行設定)，若Tr>Te為假，則表明配電迴路導體溫度未越限，返回步驟I)繼續對配電迴路導體溫度進行檢測；STr>Te為真，則表明配電迴路導體溫度越限，開始累計記錄配電迴路導體溫度的越限時間並發出報警信號，此時LCD指示燈6顯示判斷輸出和報警信息，LED警告燈11閃爍，蜂鳴器18報警。同時，工作人員可以根據累積越限時間預測導體到徹底老化的剩餘時間。
[0053]綜上所述，本實用新型可以動態地監測配電迴路的用電情況，以及剩餘電流、導體溫度情況，根據監測迴路的負載特性以及地域環境特性，在各級自由設置剩餘電流門限值以及溫度門限值，完成配電迴路能源監測及剩餘電流報警、預警功能，實現配電迴路實時效率監測、安全監測雙重保障。
[0054]上述各實施例僅用於說明本實用新型，其中各部件的結構、連接方式和製作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本實用新型的保護範圍之外。
【權利要求】
1.一種海上電網配電末端能源監測裝置，其特徵在於:它包括電流互感器調理電路、計量分析模塊、電壓調理電路和控制模塊；海上電網配電末端的迴路三相電流和迴路剩餘電流經所述電流互感器調整電路處理後輸入至所述計量分析模塊內；海上電網配電末端的迴路三相電壓經所述電壓調整電路處理後也輸入至所述計量分析模塊內；所述計量分析模塊根據接收到的電流值及電壓值計算出各相以及合相的所有電量參數，並將該電量參數經SPI接口讀入到所述控制模塊中，所述控制模塊對接收到的所有電量參數進行控制，實現對海上電網配電末端能源監測。
2.如權利要求1所述的一種海上電網配電末端能源監測裝置，其特徵在於:所述控制模塊包括CPU、IXD指示燈、通訊接口、鍵盤輸入模塊、開關量輸入模塊、第一光電隔離電路、LED警告燈、第二光電隔離電路、開關量輸出模塊、外部溫度傳感器、時鐘模塊、鐵電存儲器、JTAG接口和蜂鳴器； 所述CPU將接收到的所有電量參數處理後，由所述LCD指示燈顯示結果，或通過所述通訊接口連接後臺監控系統進行顯示； 所述鍵盤輸入模塊用於向所述CPU輸入控制命令； 所述開關量輸入模塊用於向所述第一光電隔離電路輸入開關狀態信號，所述第一光電隔離電路抑制開關狀態信號中的幹擾信號，並將處理後的開關狀態信號輸入至所述CPU內；同時通過所述LED警告燈對當前開關量狀態進行顯示； 後臺監控系統將控制指令通過所述通訊接口輸入至所述CPU，由所述CPU經所述第二光電隔離電路向所述開關量輸出模塊輸出開關量信號； 所述外部溫度傳感器將採集到的配電迴路導體溫度輸入至所述CPU內，對配電迴路導體溫度監測； 所述時鐘模塊連接所述CPU，用於確保電流、電壓數據採集的同時性； 所述鐵電存儲器用於存儲所述CPU中的各種數據以形成歷史數據； 所述CPU通過所述JTAG接口連接適配器； 所述蜂鳴器連接所述CPU，用於在出現故障時輸出報警信息。
3.如權利要求1所述的一種海上電網配電末端能源監測裝置，其特徵在於:所述電流互感器調整電路中的電流互感器採用高導磁材料。
4.如權利要求2所述的一種海上電網配電末端能源監測裝置，其特徵在於:所述電流互感器調整電路中的電流互感器採用高導磁材料。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種海上電網配電末端能源監測裝置，其特徵在於:所述計量分析模塊包括低通濾波電路、ADC和數位訊號處理器；所述電流互感器調理電路和電壓調理電路將電流、電壓信號經所述低通濾波電路濾除高頻幹擾信號後，經所述ADC輸入至所述DSP中處理，得到海上電網配電末端迴路電量參數。
【文檔編號】G01K13/00GK203465364SQ201320429313
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年7月18日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】王建豐, 魏澈, 何玉成, 劉國鋒, 李強, 葛永娟, 王博, 萬光芬 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院, 深圳市海億達能源科技股份有限公司