用于优化无功能量消耗的方法

摘要

本发明涉及一种用于优化电网中的无功功率消耗的方法，电网包括用于监测和调节电源的系统，系统包括发电机、电负载、功率补偿系统、输电线、电子数字处理器以及远程可读计量器。方法包括以下步骤：通过至少一个远程可读计量器来测量电负载的数据集；采集电负载的数据集并且将该数据集发送至电子数字处理器以建立数据曲线；计算电负载的功率因数；当计算的功率因数具有低于或等于预定阈值的值时，通过设置待安装的补偿系统的类型和配置来实现无功功率补偿；以及通过致动已安装的补偿系统来补偿无功功率。

权利要求

1.一种用于通过电源监测和调节系统(100)来优化电网中的无功能量消耗的方法，所述系统包括发电机(110)、电负载(120)、功率补偿系统(130)、输电线(140)、数字电子处理器(150)以及具有远程读数的计量器(160)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过至少一个具有远程读数的计量器来测量由所述电负载消耗的功率；

-采集由所述电负载消耗的所述功率并且将所述功率发送至所述数字电子处理器以建立数据曲线，-计算所述电负载的功率因数，

-当所计算的功率因数具有小于或等于预定阈值的值时，通过设置待安装的补偿系统的类型和配置来实现无功能量补偿，-通过致动已安装的补偿系统来补偿所述无功能量。

2.根据权利要求1所述的用于优化电网中的无功能量消耗的方法，其特征在于，对由所述电负载消耗的功率的测量、数据的采集、功率因数的计算以及对所述补偿系统的配置和致动均是自动化的。

3.根据权利要求1或2所述的用于优化电网中的能量消耗的方法，其特征在于，对由所述电负载消耗的功率的测量、数据的采集、功率因数的计算以及对所述补偿系统的配置和致动是实时地且远程地被监测的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于优化电网中的能量消耗的方法，其特征在于，所述方法中的所有步骤能够在周期性的测量模式与随时间随机的测量模式之间切换。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于优化电网中的能量消耗的方法，其特征在于，通过对功率因数值的范围进行预先规划来主动地执行能量补偿。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于优化电网中的能量消耗的方法，其特征在于，对所述待安装的补偿系统的配置在于限定所述系统的致动阈值。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据下述要达到的两类目标来执行所述补偿：针对电负载的补偿是当所述电负载处的功率因数超过特定阈值时所实现的补偿，针对电网的补偿是当所述电网处的功率因数超过特定阈值时所实现的补偿。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，根据从以下三种模式中选择的一种补偿模式、通过对无功能量进行补偿来实现所述针对电负载的补偿：单独补偿模式、局部补偿模式以及全局补偿模式。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述针对电网的补偿包括采集先前已经在无源模式下计算且自动上载的数据的步骤。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述针对电网的补偿是逻辑性的，其呈现为所述针对负载的补偿的配电计划。

说明书

用于优化无功能量消耗的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电网监测的领域，并且涉及对无功能量消耗的优化。

[0002] 更具体地，本发明涉及用于使对无功能量的检测自动化从而使得优化在电网中实施的能量消耗的方法。

背景技术

[0003] 现有技术中已知在专利申请FR2494055中所描述的方案。该申请描述了一种用于补偿网络中的无功电能的设备，该设备包括连接至网络的至少一个补偿单元。补偿单元包括电感器、电容器和第一双向晶闸管开关和第二双向晶闸管开关以及包括逻辑或(OR)门的控制装置，该逻辑或门一方面在输入端连接至用于对所述第一开关的端子电压的预定阈值进行检测的第一测量电路，另一方面连接至用于对第二开关的端子电压的预定阈值进行检测的第二测量电路。

[0004] 还已知由专利申请FR2693601提出的方案，该申请描述了一种无功功率补偿设备，该无功功率补偿设备包括：位于受控开关连接下游的、用于测量主电源电路中的电流的装置，以及连接至电流测量装置的输出端的、用于测量视在功率的代表幅度的装置。当所述代表幅度超过预定阈值时，受控开关的接通被致动。

[0005] 现有技术中还已知用于无功能量补偿系统的电流调节方案。

[0006] 专利申请FR2873866描述了电流调节设备的一个示例。所讨论的设备包括：耦合变压器，该耦合变压器的次级线圈意在串联连接在电功率分配网与无功能量补偿电容器之间；有源滤波器，该有源滤波器包括逆变器和电流控制回路，该电流控制回路用于估计电流基本值，以便对有源滤波器的逆变器提供闭环电流控制。

[0007] 现有技术的缺点

[0008] 涉及对网络中的无功电能量进行补偿的设备的现有技术方案具有若干缺陷。

[0009] 其中一些方案基于由机器预先确定的阈值，该机器不提供用于远程无功能量检测的能力，并且因此不能用于适应实际使用情形。

[0010] 其他方案要求现场工人在给定时间参与。该解决方案不允许远程监测和连续优化。

[0011] 此外，现有技术方案适于对单个电负载进行补偿。现有技术的方案不允许同时集中管理多个站点。

[0012] 最后，现有技术方案限于被动补偿。补偿设备必须等待要被触发的预定阈值以开始补偿。现有技术方案不允许对主动补偿进行预先规划。

发明内容

[0013] 为了弥补这些缺点，在其最一般意义上，本发明涉及一种用于使用监测和调节系统来优化电网中的无功能量消耗的方法，所述系统包括：发电机、电负载、电计量器、功率补偿系统、输电线以及数字电子处理器。该方法包括以下步骤：通过具有远程读数的至少一个电计量器来测量由电负载消耗的功率；采集所有这些数据并且将数据发送至数字电子处理器以建立数据曲线；计算电负载的功率因数；当所计算的功率因数具有小于或等于预定阈值的值时识别对无功能量进行补偿的需要；确定要安装的补偿系统的类型和配置；以及然后，控制所述补偿系统。优选地，对所有电负载数据的测量、数据采集、功率因数计算以及能量补偿均是自动化的。

[0014] 根据一个特定实施方式，对所有电负载数据的测量、数据采集、功率因数计算以及能量补偿被实时地且远程地监测。

[0015] 根据另一实施方式，该方法中的各步骤可以在周期性测量模式与随时间随机的测量模式之间切换。根据另一特定实施方式，通过对参数进行预先规划来主动执行能量补偿。

[0016] 有利地，可以根据要实现的目标来执行两种类型的补偿。因此，这可以是称为“针对电负载的补偿”的补偿和称为“针对电网的补偿”的补偿。“针对电负载的补偿”意指当电负载处的功率因数超过特定阈值(即由负载的终端用户有利地确定的阈值)时实现的补偿；而“针对电网的补偿”意指当在电网处的功率因数超过特定阈值(即由网络运营商有利地确定的阈值)时实现的补偿。

[0017] 根据一个实施方式，根据从以下三种模式中选择的一种补偿模式、通过对无功能量进行补偿来实现针对电负载的补偿：单独补偿模式、局部补偿模式以及全局补偿模式。

[0018] 根据另一实施方式，针对电网的补偿包括采集在无源模式下被计算、被自动上载的数据的步骤；以及逻辑补偿步骤，该步骤呈现为针对负载的补偿的配电计划。

[0019] 本发明在技术方面具有若干优点：改进的尺寸调节、较少的电压降和线路损耗。从经济角度看，消除无功能量消耗和增加有功功率使得公司开销减少。

[0020] 此外，本发明允许远程地执行能量诊断，特别是消除了对派遣技术人员到现场安装昂贵的测量仪器的需要。这是一种定制服务。

附图说明

[0021] 参照附图，通过阅读以下涉及非限制性的示例性实施方式的描述，将会最好地理解本发明，在附图中：

[0022] -图1示出了根据本发明的展示电网中的监测和调节系统的示意图；

[0023] -图2示出了电流和功率的视在部分的矢量、有功部分的矢量和无功部分的矢量；

[0024] -图3示出了在三相交流电电路中的有功功率、无功功率和视在功率；

[0025] -图4示出了在90秒的时段中每秒采集的三相功率因数；

[0026] -图5示出了说明所采集的数据在针对电负载的补偿与针对电网的补偿之间流送的示意图。

具体实施方式

[0027] 图1示出了根据本发明的、展示电源监测和调节系统100的示意图。监测系统包括发电机110、电负载120、无功功率补偿系统130、输电线140、数字电子处理器150以及具有远程读数的电计量器160。

[0028] 发电机110经由输电线140向电负载120提供能量。在交流电电路中，变压器以某固定的电压递送电流。根据电负载120的特性，其可以被划分为：电阻接收器、电感接收器以及电容接收器。电感接收器和电容接收器使电流相对于电压产生相移。该相移引起无用的电能消耗，其不对应于热量或机械工作。为了节约能量，通过数字电子处理器150对功率补偿系统130进行设置和配置。

[0029] 电计量器(160)具有远程读数，并且根据用户的需要在预定时间周期性地、或者自动且连续地测量由电负载消耗的功率。电计量器被定位在电负载侧或发电机侧，或者被定位在电负载侧与发动机侧的中间位置。电计量器将与由电负载消耗的功率有关的数据传输至数字电子处理器150，其中，借助于用于确定要应用于功率补偿系统130的控制器的配置的算法来对数据进行分析。

[0030] 图2示出了电流的相移以及有功功率和无功功率的相移。电负载包括可以产生相移的电感接收器、电容接收器和电阻接收器。当电路内连接有电感接收器/电容接收器时，总电流Is将会相对于电压从相位 相移并且分解为两个部分：有功电流其中，该分量与电压同相；以及无功电流 其中，该分量与电压的相位相差90度。

[0031] 在有功功率公式中：

[0032]

[0033] 是总电流相对于电压的相移，以及因数 被称为功率因数，功率因数通常被注明在大部分电机电器的电器铭牌上。与有功功率P类似，无功功率Q被定义为：

[0034]

[0035] 无功功率用于评估设施内的电感接收器(电机、荧光灯)的相关性和电容接收器(电容器)的相关性。电压和总电流的乘积被称为视在功率S：

[0036] S＝U×Is

[0037] 图3示出了在三相交流电电路中的有功功率、无功功率和视在功率。在90秒的时段中每秒采集一次该数据。

[0038] 提供有交流电的电负载涉及有功能量和无功能量，有功能量和无功能量对应于在某一持续时间内分别在有功和无功功率下的作用。有功能量被转换成机械能或热量。无功能量实质上由于负载中存在的电感接收器/电容接收器而引起并且既不对应于热量也不对应于机械作用。以已知的方式，可以通过将诸如电容器组系统这样的补偿系统连接至输电线来减少无功能量。补偿系统还可以包括抗谐波滤波器，该抗谐波滤波器旨在减少谐波失真以及避免导致过度消耗且影响设备使用寿命的尖峰。

[0039] 图4示出了在90秒的时段中每秒采集的三相功率因数。值为0.75的功率因数低于预定阈值，这指示对设施中的设备的无功能量需求过高。补偿的目的是在不引起过度补偿/过载的前提下使功率因数最大化。例如，当功率因数低于0.95时，其触发高相移电子邮件警报。此外，当补偿变得不必要时，发送另一警报。

[0040] 用于优化能量消耗的处理涉及四个步骤：

[0041] 第一步骤在于：在监测时段期间，测量由电负载消耗的功率。该测量自动地且连续地被执行了给定的时间段或者直到消耗预定量的能量为止。例如，基于下一代电计量器的远程读数，每10分钟采集一次数据。在工人们从早8:00工作到晚8:00的工厂中，记录一周的功率负载将展示典型的消耗行为，例如参数在每个机器被连接时的变化。当无功能量消耗在一周结束前超过某个阈值从而指示能量的浪费时，监测时段结束得更早。

[0042] 第二步骤在于向数字电子处理器150发送数据，数字电子处理器150对相移的类型(超前或延迟)、相移发生的时间以及相移的持续时间进行分析。以已知的方式，电容电流相位比电压相位超前90度，而电感电流相位延迟90度。电阻接收器不改变电流相位。

[0043] 第三步骤是诊断步骤，在该步骤中，补偿算法计算功率因数，并在需要时特别地根据绑定电力供应商和拥有电负载的用户的合同来触发警报。图4示出了这种情况的一个示例：将功率因数 的在(0.95，1)的范围内的推荐值看作是最佳情形。在该范围之外，补偿系统由手动控制激活或自动地激活。为了确保补偿系统的稳定性，还要考虑功率因数在该范围之外的持续时间。

[0044] 第四步骤在于：以适合于相关网络以及网络需求的补偿模式来安装补偿设备。因此，可以在三种模式下执行补偿。

[0045] 第一模式主要在于单独补偿：补偿设备直接连接至每个电容接收器/电感接收器的端子。从技术角度来说，这种补偿是理想的，这是因为该补偿在无功能量被消耗的地方产生无功能量，并且是以根据需求而调节的量来产生无功能量。然而，这种补偿优选地用于其工作调度达到几小时的机器和/或其无功能量达到某一阈值的机器。

[0046] 第二模式在于局部补偿：逐个区段地安装补偿设备。在一个区段中，具有不同接收器的若干机器连接至同一供电网。区段的功率负载曲线展示了由于消除和放大该区段内连接的各种机器的相移而产生的无功功率和无功能量。

[0047] 第三模式在于全局补偿：补偿设备被安装在电负载之前，并且处理补偿的所有负载。全局补偿有助于减轻由电力供应商安装的变压器的压力。然而，由于所有连接的机器的集体作用，相移可能随机地变化。

[0048] 所有步骤都是自动化的，并且可以被实时且远程地控制。根据消耗历史，可以在上游处对参数进行规划，以针对电负载的使用进行主动补偿。根据用户的要求，参数在所请求的时间处可以是不同的，使得可以从远程位置修改功率因数cosφ的范围，以便相应地具有例如与早晨值不同的下午值。

[0049] 由于一些机器的周期性，周期测量模式可能会隐藏一些信息。从周期测量模式切换至随机测量模式有助于验证某些信息。另外并且有利地，当以随机模式执行负载功率测量功能时，所有其他功能切换至随机模式。

[0050] 补偿是基于要实现的目标的。通常存在两类要实现的目标：一类与电负载有关而另一类与电网有关。针对电负载的补偿是当在电负载处的功率因数超过由负载的终端用户确定的某个阈值时所实现的补偿，而针对电网的补偿是当在电网处的功率因数超过由网络运营商确定的某个阈值时所实现的补偿。

[0051] 上述示例涉及针对终端用户、特别是SME/SMI或社区的负载的补偿。所采集的数据是涉及电负载的无功能量消耗的原始数据。通过对诸如电容器组这样补偿设备远程地进行控制来执行补偿。

[0052] 下面的段落介绍针对电网的补偿。现有技术的问题是通常是从上到下执行的。2012年国际配电会议(CICED)上介绍的题为“Realization  of reactive power compensation in distribution transformer monitoring system”的文献介绍了基于分布式变压器系统的用于针对网络的补偿的设备的实现。

[0053] 然而，这仅是基于总消费数据的全局补偿，任何现有技术的方法都不包括通过检查和控制一组SME/SMI或社区用户的补偿来进行补偿的能力。

[0054] 建议基于配电系统提供针对网络的补偿方法。利用针对负载的补偿，针对每个SME/SMI用户的负载获得单独的补偿数据。并且利用该数据，可以通过控制每个用户来相对于公共电网进行补偿。由于对从基于云的技术平台驱动的传感器进行致动，可以控制终端用户的无功能量消耗。基于配电网络的自身约束的致动也是可能的，无论是公共网络还是涉及各种用户的网络都如此。

[0055] 为了实现针对网络的补偿，分别在数据采集领域和补偿领域进行两个方面的开发。在针对负载的补偿中，数据采集是利用原始数据在有源模式下执行的远程读取，而对于针对网络的补偿，数据采集是利用已经计算且自动上载的所有数据在无源模式下执行的测量。此外，在针对负载的补偿中，借助于诸如电池这样的设备来物理地补偿，而针对网络的补偿是逻辑性的，其呈现为针对负载的补偿的配电计划，从而给整个电网提供益处。

[0056] 补偿是基于以下两层技术架构的：

[0057] ·第一层，

[0058] 平台，该平台包括基于云的聚合引擎、搜索引擎以及计算引擎以实现以下：

[0059] -确定用户是否有资格进行无功能量补偿，

[0060] -监管无功能量，

[0061] -使诸如EDF这样的电力运营商能够将数据模型用于其大数据生产平台。

[0062] ·第二层，

[0063] 除无功能量补偿的硬件部分之外还安装由平台致动的无线致动器(物联网)。

[0064] 图5示出了说明所采集的数据在针对电负载的补偿与针对电网的补偿之间流送的示意图。补偿在负载510和负载511处已经被执行。然后，将先前计算的数据540发送至基于云的平台520。基于云的平台520将用于针对网络的补偿的信息流550传输至各种电力运营商530。

[0065] 结合社区的具体示例可以更好地理解补偿的示意图，在社区内，各种负载具有不同的补偿水平。对于包括不同负载的社区，例如游泳池，通向公共照明的光点的电缆出口、中央学校食堂，可以根据针对负载的补偿方法来单独地补偿这些负载中的每一个负载。此外，由于自动上载的数据，可以出于诸如EDF这样的公共电网的利益而进行针对网络的补偿。

[0066] 在借助于自动数据上载系统在对负载进行单独补偿而单独补偿未到达所有设备时所获得的全局功率因数 为0.8的情况下，平台对针对网络的补偿实施执行计划。因此，如果采取以0.93进行补偿的游泳池且光点不能单独被补偿的示例，那么为了整个网络的利益，针对网络的补偿在于将对游泳池的单独补偿控制在0.93以上。

[0067] 针对公共配电网络的补偿的主要优点是其减轻了对必须输送无功能量的输电系统管理者的约束，包括例如在瓦尔省和滨海阿尔卑斯省内的线路末端。因此，向数以千计的终端用户大规模的补偿无功能量是一种加强普罗旺斯-阿尔卑斯-蔚蓝海岸地区高压电网的可靠替选方案，这是因为这些地区的第三产业广泛配备有空调压缩机。空调压缩机确实有可能具有降低的功率因数。