CN108683256A - 具有在线测量功能的智能配电柜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有在线测量功能的智能配电柜，包括柜体以及组装在柜体内的控制器、供电主线、若干供电支线、控制开关以及多个温度传感器，供电主线与供电支线均包括供电母线，在该供电母线上紧密并行敷设有与其等长的辅助测量线；在供电主线上设置有第一电量检测模块，在各供电支线的进线断路器出口处分别设置有第二电量检测模块，在负载的接线端子上设置第三电量检测模块；控制器根据检测的各参数计算得到各线路的电阻、接触电阻、漏电阻与发热参数。其显著效果是：通过辅助测量线检测电参数，简化了线路的布线与安装，减小了配电柜的体积，减少了成本；可供监控人员据此对将要发生的事件和过程进行事前预测、诊断和干预。
Description
技术领域
本发明涉及到电力***智能配电设备技术领域，具体地说，是一种具有在线测量功能的智能配电柜。
背景技术
在电参数测量领域，主要采用电磁式电流互感器和电磁式电压互感器，因它们具有电磁隔离、测量精确、性能稳定、安全可靠的特点，诞生一百多年来，还没有其它任何方法或其它元件能撼动它在电测量方面的霸主地位。
而在分配电能的配电领域，配电柜(俗称开关柜)是一种集中装有各种开关、导线和测量保护元件的金属柜，用来开断各种负载和分配电能。传统配电柜功能简单，除开断负载、分配电能以外，也有一定的保护功能，当需要对负载进行开断操作，或需要了解设备运行状态时，工作人员必须亲临现场。智能配电柜除具有并加强了普通配电柜的功能外，它主要的特点在于，可连续实时采集、储存和处理配电过程中的负载运行数据，并根据事先确定的限制条件，发出保护、报警或开断负载，并将处理信息、现场采集的数据、实时运行状态，通过网络或智能手机发送给管理者。管理者在了解这些信息后，可远程操控智能配电柜。
但是，无论是传统配电柜还是已有的智能配电柜，无一例外的是，它们都采用了电磁式互感器作为电量测量传感器，受到互感器***格和体积的限制，其监测点数量都非常有限，即在一台配电柜内，其监测点很少超过两个点。这就使智能配电柜的功能和作用受到局限。根据配电负载回路的数量和负载特点，需要在一台配电柜内设置几个甚至几十个电量检测采集点；同时，还需设置几十甚至上百个温度传感器，用于检测配电过程中重要部位和输电线的温度。如果所有的电量检测点，都采用电磁式互感器，这将增加配电柜的成本；而且因电磁式互感器体积较大，配置数量多，也将增大配电柜的体积和重量，如果再配置一些温度检测传感器，整个“智能配电柜”将会很复杂，布线和安装都会很困难。
另外，现有技术下的配电柜无论是智能的还是普通的，都是被动地接收在输、配、送电过程中，负载已经发生或正在发生的电量数据的变化，而不能在事前主动对将要发生的过程和事件有所预见。即：现有的所有智能配电柜，都不具有对将要发生的电量变化事件和过程进行事前预测和诊断的功能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有在线测量功能的智能配电柜，能够根据现场实施检测到的数据，不间断的与之前的数据进行比较，从而对将要发生的电量变化事件和过程进行事前预测和诊断。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种具有在线测量功能的智能配电柜，包括柜体以及组装在柜体内的控制器、供电主线、若干供电支线、控制开关以及多个温度传感器，所述供电主线通过不同供电支线输出电能至不同负载，其关键在于：
所述供电主线与供电支线均包括供电母线，在该供电母线上紧密并行敷设有与其等长的辅助测量线，所述辅助测量线的电阻随长度线性递增且单位电阻值已知，在所述辅助测量线上设置有电流测量模块；
在所述供电主线上设置有第一电量检测模块，在各供电支线的进线断路器出口处分别设置有第二电量检测模块，在每个所述负载的接线端子上设置有第三电量检测模块；
所述电流测量模块、第一电量检测模块、第二电量检测模块、第三电量检测模块与温度传感器将采集的检测值数据上传至所述控制器，所述控制器计算得到各线路的电阻、接触电阻、漏电阻与发热参数。
进一步的，所述温度传感器设置于各线路的节点、端点、焊接点、铆接点、压接点与各开关的触点处。通过对各重要节点、触点处设置温度传感器，从而对各线路中的各点实时温度进行测量，以便于控制体将其与通过与通过电流、电压测量所计算的理论温度数据进行比较、修正，得出各线路与各触点的实际温度值。
进一步的，所述控制器通过非接触式电流测量模块测得所述辅助测量线的电流，以减少制造成本与加工难度。
进一步的，所述控制器为PLC处理器或工控机，其也可以为单片机，其具体实施属于行业通用技术，这里不再赘述。
进一步的，所述第一电量采集模块用于检测供电主线的各相电压、电流、有功功率和无功功率参数；所述第二电量检测模块用于检测供电支线的各相电压、电流、有功功率和无功功率参数；所述第三电量检测模块用于采集负载的电压、电流、有功功率和无功功率参数。
进一步的，在所述控制器的输出端组上连接有显示模块，该控制器还通过通讯模块将数据传输至服务器或移动终端，所述控制器还配置有数据存储模块。
进一步的，所述供电主线与供电支线的线缆表皮上标注有线径与长度标尺，从而可以方便的得出线缆的长度，于是可轻易的查出供电主线或供电支线的直流电阻或通过单位电阻值乘以长度计算得到。
进一步的，所述辅助测量线为铜线或康铜丝电阻线。
以任一供电回路为例，通过辅助测量线上的电流测量模块测得电流，并根据辅助测量线的长度，即可测定辅助测量线两端的电压降与电阻，从而可推算流过供电主线或供电支线中供电母线的电流、电阻值、发热量，在已知配电柜供电主线电流、电压的情况下，又测量到各供电支线回路断路器出口的电流、电压和各负载进线端的电流、电压，则可分别计算任一回路，从供电主线起到负载端的线路电压降，从已知各导线电阻，则可计算出导线的温度与发热情况。
靠近断路器各触点或接触器触点，在各供电支线上预先埋设温度传感器，将所有温度传感器测量到的各线路节点实时温度，读出传送到控制器，与通过电流、电压测量所计算的理论温度数据进行比较、修正，即可得出各线路、各触点的实际温度值。
本智能配电柜通常为直观显示监控点的预警状态，可通过控制器内置的***算法模型转换成图像等形式。当配电柜运行后，控制器接收各检测点发回的数据，并根据这些数据计算出各供电主线与各供电支线中检测点的电流、电压、有功功率、无功功率和功率等参数，从而计算出两节点之间的电压降、导体的发热程度，并与各温度检测点发回的温度数据进行比较和验证；还可根据电流的连续性原理和节点电流定理，计算电路的绝缘和漏电程度；同时，将这些实时检测计算出的数据，与之前某个时间段内或自设备投入运行以来的历史数据进行比较，据此得出当前设备运行状态是否正常、设备和***是否可能发生故障等，作出预判，为管理者提供排除故障、解决问题的依据。
本发明的显著效果是：通过辅助测量线所检测的电参数，实现了对供电主线与供电支线的电阻、接触电阻以及漏电阻的间接实时检测，避免了使用大量的电压、电流互感器，简化了配电柜内线路的布线与安装，有助于减小了配电柜的体积、减少配电柜的成本；
并结合常规监控参数——电流、电压、功率因素等可准确计算出线路的发热情况，以及电气配电网络的各电阻参数的分布情况，控制器根据现场实施检测与计算的数据，不间断地与存储的之前的数据进行比较判断，并分等级发出正常、轻微故障、严重故障、元件更换、火警故障等预警信号，可供监控人员据此作出当前设备状态是否正常、设备和***是否可能发生故障等预判，对将要发生的事件和过程进行事前预测、诊断和干预，为管理者提供排除故障、解决问题的依据。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图；
图2是本发明的部分电路原理示意图；
图3是所述供电主线或供电支线的结构示意图；
图4是局部线路的线路电阻和接触电阻测量示意图；
图5是图4的等效电原理图；
图6是因绝缘损坏包含有泄露点的局部供电线路示意图；
图7是图6的等效电原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1与图2所示，众所周知，一台配电柜由供电主线进电，将此供电主线经由4只断路器控制通断，分成4条供电支线，为4路不同负载供电。在4条供电支线上还设有接触器。从供电主线输入开始，到分成4路供电支线输出供电到不同负载，整个线路和所涉及的元件，组装在一个封闭的金属壳(箱)体内，这就构成了一台具有4路供电输出的配电柜。
当在一路回路输入端加装互感器和普通电压表、电流表或电能检测仪表，并装上PLC控制器、控制开关、断路器、接触器、按钮、指示灯等，就组装成了一台具有测量、显示和通断控制功能的“普通配电柜”。
如果将上述“普通配电柜”内的电压表、电流表或电能检测仪表都换成数字化智能仪表，并将指示灯换成数字化显示屏构成的显示模块，并将智能仪表的网络接口通过通讯模块联接至互联网，从而在远方的电脑服务器或手机/平板等移动终端上接收各个仪表发送的现场运行信息和工作状态，并据此进行远程操控，即控制断路器或接触器等开关。而现场仪表也可自行根据事先设定的限制条件，进行自主控制，或保护，或通断。这就是现有的，很普遍在使用的“智能配电柜”。
在上述的“智能配电柜”内，设置多个电量检测点也即电量检测模块，检测点的数量多少，与配电柜的输入输出回路数量有关。回路数越多，电量检测点越多。其设置原则是：连续电路出现断点续接，或支路分岔节点，都应设置。同时还应依据所联接负载的重要程度和供电导线的长度距离，在供电线路前端设置电量检测点，末端不设置；也可前端和末端都设置；或后端设置前端不设置。
同时，各电量检测模块不用互感器作为传感器，而是采用旁路测量法进行电量检测，即得本方案中所述的“具有在线测量功能的智能配电柜”，如图1与图2所示。具体的，所述供电主线与供电支线均包括供电母线A与辅助测量线O，所述供电母线A与辅助测量线O紧密并行敷设的且长度相等，如图3所示，所述辅助测量线O的电阻随长度线性递增且单位电阻值已知，在辅助测量线O上设置有电流测量模块D，电流测量模块D直接与配电柜控制器的数据采集端口连接；按供电电流走向，分别记录各回路导线长度、横截面积和导体材料，一一对应编号，作为整个***硬件的物理数据资料，并存入数据存储模块内。测量从各回路断路器出线端至负载端导线长度、线径等参数即可测算各连接导线电阻。
在具体实施过程中，所述供电母线A上还可以一并覆设数据通讯线。所述数据通讯线与线路电缆同步制造，通过该数据通讯线则可将电量检测模块与温度传感器所监测的数据方便的传输至控制器，并通过控制器经通讯模块传输至服务器或移动终端，从而方便获知各个仪表发送的现场运行信息和工作状态，并据此进行远程操控。因此，供电主线与供电支线以及辅助电阻测量线和通讯线，就变成了电气线路的血管和神经，加上现有的网络通讯和计算机技术，未来的智能化电网将可能监控整个电力***的每一个角落。
更具体的，在本例中，在所述供电主线上设置有第一电量检测模块，在各供电支线的进线短断路器的出口处分别设置有第二电量检测模块，在每个所述负载的进线端子上均设置由第三电量检测模块；且所述第一电量检测模块、第二电量检测模块与第三电量检测模块均将采集的检测值数据上传至配电箱控制器。
使用时，以任一供电回路为例，在已知配电柜供电主线电流、电压的情况下，又测量到各供电支线的断路器出口的电流、电压和各负载进线端的电流、电压，则可分别计算任一回路从供电总线起到负载端的线路电压降，并结合已知的各导线电阻，则可计算出供电支线的温度与发热情况。
通过所述辅助测量线进行电参数测量的具体测量方法如下所述：
首先，对于供电主线或供电支线两端电压降的测试方法为：
如图4所示，当辅助测量线O中流过有电流IO1时，通过电流测量模块D采集数据，获得准确电流数值，通过测量辅助测量线O的长度，结合辅助测量线O的单位电阻值，测得辅助测量线O的线路电阻值RO1，根据欧姆定律：IO1*RO1＝UO1，得到该段线路两端的电压降UO1。使以往必须用两个电压表分别测定的线路压降问题，借助于辅助测量线的帮助，简化为通过一次测定并结合欧姆定律计算得到。
在已知电压降UO1和RO1的情况下，分三种情况，可推算流过供电母线A的电流IL1、电阻值RL1、发热量。
a、当事先知道供电母线A电阻RL1(查阅电气工程手册)或已知供电母线A单位长度电阻值以及测得的长度，获得供电母线A的电阻值RL1，于是，经过简单的计算，流过供电母线A的电流：IL1＝UO1/RL1。
b、事先不知道供电母线A的电阻值RL1，但通过设置在供电母线A上的电流互感器D，测得线路总电流Iz，流过供电母线A的电流：IL1＝Iz-IO1，可计算供电母线A与辅助测量线O等长的线段内的电阻RL1：RL1＝UO1/(Iz-IO1)。
c、事先不知道供电母线A的电阻值RL1，也不知道供电母线A流过的总电流Iz，查阅电气工程手册，获得辅助测量线与所用供电母线A铜，铝，或其它)材料的电阻率比值，按比例计算，同样可得到流过母线的电流IL1。
根据以上测量，获得供电母线A中流过的电流IL1、电阻值RL1，可计算出其发热量，在获知其材料比热的情况(通过查阅相关电气工程手册)，根据焦耳定律，即可计算出供电母线A的温升。
其次，对于线路联结接触点的接触电阻和接触点温度的测试方法为：
如图4所示，电气线路还包括供电母线A上的点M等，M代表了电气线路中常见的联结接触点、线路的分支点和开关(断路器)触点等。图5是图4的等效电原理图。
如图4的M点所示，M点两端a2、a3之间跨接有辅助电阻RF(电阻值已知)，与M点接触电阻RJ并联，通过电流测量模块D，测量流过线路电阻RO1、辅助电阻RF的电流IO1、电流IF，可得M点两端a2、a3之间的压降Ua2-3＝RF*IF。
已知所述待测供电母线A节点a1、a2之间线路电阻RL1，计算得到IL1＝RO1*IO1/RL1，计算得到流过a2、a3间M点的电流IM＝IL1+IO1-IF，则节点M的接触电阻RJ＝Ua2-3/IM。
在获知了M点接触电阻RJ和流经的电流IM，根据焦耳定律，M点的发热功率和发热量即可算出。
最后，对于线路对地泄漏电阻、漏电流和泄漏点的位置测算方法为：
图6描绘了一段因绝缘损坏，有泄漏点和泄漏电流的供电线路。图7是图6的等效电路原理图。图6中泄漏点b产生对地泄漏电流Ix和对地泄漏等效电阻Rx。于是，根据图7含漏电情况的等效电原理图，可列出各电阻、电流参数的如下关系式:
IZ-IO1＝Ix+IL1 (1-1)
IL1+IO1＝IF+IM (1-2)
上述两算式中Iz、IO1和IF为已知变量，可通过预设的进线端总电流表或电流测量模块D得到。
未知变量IM可由下面算式得到：
IM＝IL2+IO2-IF (1-3)
由电流测量模块测得IO2和IF，已知辅助测量线上的电阻RO1、RF、RO2，通过母线单位电阻值乘以测得的长度计算得到母线线路电阻RL1和线路电阻RL2，计算得到IL1、IL2。结合上述算式(1-1)-(1-3)，可得漏电流Ix：
Ix＝Iz-IF-IM或Ix＝Iz-IL2-IO2
可列出母线节点a1-b的电阻Ra1-b和节点b-a2的电阻Rb-a2的如下关系式:
Ra1-b+Rb-a2＝RL1
Ra1-b*(Ix+IL1)+Rb-a2*IL1＝RO1*IO1
计算得到Ra1-b，Rb-a2，而泄露电阻Rx＝Rb-a2*IL1/Ix，节点a1-b的距离L＝Ra1-b/母线线路单位电阻值。
如果线路有多个泄漏点，或节点线路比较复杂的情况，可事先建立电路的数学模型，和事先储存线路在故障前处于正常运行时的各电量参数，与故障时的电量参数进行比较，并据此作出线路是否运行正常的判断。
最后，靠近断路器或接触器的各触点，在各供电主线与供电支线上预先埋设温度传感器，如图2所示，并将所有温度传感器测量到的各线路节点实时温度，读出数据传送到控制器，与通过电流、电压测量所计算的理论温度数据进行比较、修正，得出各线路、各触点的实际温度值。
配电柜运行后，控制器接收各检测点发回的数据，并根据这些数据计算出各供电主线与各供电支线中检测点的电流、电压、有功功率、无功功率和功率等参数，从而计算出两节点之间的电压降、导体的发热程度，并与各温度检测点发回的温度数据进行比较和验证，同时通过显示模块将计算结果进行显示；还可根据电流的连续性原理和节点电流定理，计算电路的绝缘和漏电程度；同时，将这些实时检测计算出的数据，与之前存储于数据存储模块内的某个时间段内或自设备投入运行以来的历史数据进行比较，据此得出当前设备运行状态是否正常、设备和***是否可能发生故障等，作出预判并显示，为管理者提供排除故障、解决问题的依据。
本实施例是针对具有一路输入、四路输出的智能配电柜而设计的，它分别为四路负载供电。对于具有更多回路的配电柜，其智能配电的原理和方法，仍可按此方案处理，没有本质的区别。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种具有在线测量功能的智能配电柜，包括柜体以及组装在柜体内的控制器、供电主线、若干供电支线、控制开关以及多个温度传感器，所述供电主线通过不同供电支线输出电能至不同负载，其特征在于：
所述供电主线与供电支线均包括供电母线，在该供电母线上紧密并行敷设有与其等长的辅助测量线，所述辅助测量线的电阻随长度线性递增且单位电阻值已知，在所述辅助测量线上设置有电流测量模块；
在所述供电主线上设置有第一电量检测模块，在各供电支线的进线断路器出口处分别设置有第二电量检测模块，在每个所述负载的接线端子上设置有第三电量检测模块；
所述电流测量模块、第一电量检测模块、第二电量检测模块、第三电量检测模块与温度传感器将采集的检测值数据上传至所述控制器，所述控制器计算得到各线路的电阻、接触电阻、漏电阻与发热参数。
2.根据权利要求1所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：所述温度传感器设置于各线路的节点、端点、焊接点、铆接点、压接点与各开关的触点处。
3.根据权利要求1所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：所述控制器通过非接触式电流测量模块测得所述辅助测量线的电流。
4.根据权利要求1或3所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：所述控制器为PLC处理器或工控机。
5.根据权利要求1所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：所述第一电量采集模块用于检测供电主线的各相电压、电流、有功功率和无功功率参数；所述第二电量检测模块用于检测供电支线的各相电压、电流、有功功率和无功功率参数；所述第三电量检测模块用于采集负载的电压、电流、有功功率和无功功率参数。
6.根据权利要求1所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：在所述控制器的输出端组上连接有显示模块，该控制器还通过通讯模块将数据传输至服务器或移动终端，所述控制器还配置有数据存储模块。
7.根据权利要求1所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：所述供电主线与供电支线的线缆表皮上标注有线径与长度标尺。
8.根据权利要求1所述的具有在线测量功能的智能配电柜，其特征在于：所述辅助测量线为铜线或康铜丝电阻线。
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