一种带分层三相均衡硬件的工地临时智能配电柜的制作方法

本发明属于建筑施工现场临时配电及电能质量治理，具体涉及一种带分层三相均衡硬件的工地临时智能配电柜，尤其涉及一种用于三相四线制施工临时供电系统，通过冲击负荷辨识、有源快速补偿与无源分级补偿协同实现三相负荷动态均衡的工地临时智能配电柜。

背景技术：

1、建筑施工现场通常采用三相四线制临时供电系统，为交流焊机、振捣设备、切割设备、手持电动工具、照明设备及电机类施工设备供电。由于施工设备接入位置分散、单相负荷比例较高且启停具有随机性，容易造成a、b、c三相负荷分配不均。特别是在焊机起弧、电机启动等情况下，三相电流可能在短时间内突增或突降；而当多个单相设备持续集中于某一相运行时，又会形成持续性的三相负荷不平衡。三相负荷不平衡不仅会增加部分相线的电流和线路损耗，在三相四线制系统中还可能产生较大的零序电流和n线电流，引起n线温升等问题。

2、针对三相不平衡及无功补偿问题，现有技术已经提出有源补偿与无源补偿相结合的技术方案。例如，专利文献cn207625296u公开了一种有源与无源结合的用电负荷三相不平衡调节装置，通过电容补偿支路和igbt有源补偿支路共同进行三相不平衡调节；专利文献cn104466990a公开了一种tsc与svg组合式动态无功补偿系统，利用tsc进行分级粗补偿、利用svg进行连续细补偿；专利文献cn102684203a公开了一种svg与tsc动态无功补偿控制方法，在负荷瞬间变化时优先由svg进行快速补偿，并根据负荷变化情况控制tsc分组投入。由此可见，采用svg与分级电容相结合进行动态补偿的总体技术思路已在现有技术中有所应用。

3、但是，建筑施工现场的负荷变化具有明显的随机冲击特征。焊机起弧、电机启动形成的短时冲击失衡与设备长期集中运行形成的持续失衡虽然均表现为负序电流不平衡度升高，但二者的持续时间及适宜的补偿方式不同。如果仅根据单一三相不平衡指标是否超过设定阈值控制电容支路投切，短时冲击容易造成电容支路频繁动作；而若单纯增加投切延时时间，又可能使持续失衡状态下svg长时间承担较大的补偿容量。因此，现有组合补偿方式仍难以兼顾短时冲击的快速响应与持续失衡的稳定补偿。

4、此外，当svg已经输出一定补偿量时，若直接投入或切除某一档电容器组，容易使有源补偿量与无源补偿量在切换瞬间出现叠加或缺口，造成总补偿量阶跃及三相电流二次波动。对于三相四线制施工供电系统，单纯采用相间电容进行补偿还难以有效处理由单相不对称负荷产生的零序电流及n线电流。

5、因此，现有技术仍需要解决以下技术问题：如何针对施工现场短时冲击负荷与持续稳态负荷交替出现的工况，对三相不平衡的幅值及持续时间进行联合判别，使短时冲击由快速有源补偿支路响应，而持续失衡再由无源补偿支路承担稳态补偿；同时，在有源补偿支路与无源补偿支路之间建立平滑的补偿量接管关系，降低支路投切造成的二次波动，并兼顾三相四线制系统中的负序电流、零序电流及n线电流治理。

技术实现思路

1、为解决现有工地临时配电系统中短时冲击失衡与持续失衡难以有效区分、多档相间电容无源粗调支路易受瞬时负荷波动影响而频繁投切、四桥臂svg有源快速均衡支路与多档相间电容无源粗调支路切换过程中易产生补偿量阶跃，以及三相四线制供电系统中的负序电流、零序电流和n线电流难以协同治理等问题，本发明提供一种带分层三相均衡硬件的工地临时智能配电柜。该配电柜通过对三相不平衡幅值及持续时间进行联合辨识，根据辨识结果对四桥臂svg有源快速均衡支路和多档相间电容无源粗调支路实施分层协同控制，使短时冲击失衡优先由四桥臂svg有源快速均衡支路进行动态补偿，持续失衡达到设定条件后再由多档相间电容无源粗调支路承担稳态补偿，并在相间电容支路投入或退出过程中协调调节四桥臂svg有源快速均衡支路的补偿输出，以减小不同补偿支路之间接管产生的补偿量突变；同时，通过四桥臂svg有源快速均衡支路对负序电流及零序电流进行动态补偿，从而提高施工现场随机波动负荷条件下三相负荷均衡调节的稳定性，降低n线电流及相间电容支路频繁投切造成的运行影响。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种带分层三相均衡硬件的工地临时智能配电柜，包括工地移动式防护柜体、总路进线保护单元、总路三相采集单元、多路分路配电单元和边缘智能主控单元，还包括冲击负荷双维硬件辨识单元和分层三相均衡调控模块；

4、总路进线保护单元的输出侧分别连接a相母排、b相母排、c相母排和n线母排，总路三相采集单元设置于总路进线保护单元的输出侧，用于采集a相、b相、c相的电压和电流以及n线电流，并与边缘智能主控单元连接；

5、冲击负荷双维硬件辨识单元包括第一比较器、第二比较器、rs触发器和持续时间判定电路，第一比较器用于在负序电流不平衡度达到第一动作阈值时向rs触发器的置位端输出置位信号，第二比较器采用与第一比较器相反的比较极性，用于在负序电流不平衡度下降至第二恢复阈值时向rs触发器的复位端输出复位信号，第二恢复阈值低于第一动作阈值；

6、分层三相均衡调控模块包括四桥臂svg有源快速均衡支路、多档相间电容无源粗调支路和补偿量无扰交接控制单元，四桥臂svg有源快速均衡支路的交流侧分别连接a相母排、b相母排、c相母排和n线母排，多档相间电容无源粗调支路连接于a相母排、b相母排和c相母排之间；

7、rs触发器的置位输出形成两路控制通路，其中第一路连接四桥臂svg有源快速均衡支路的快速补偿使能端，第二路经持续时间判定电路连接多档相间电容无源粗调支路的投切使能端；持续时间判定电路对rs触发器连续保持置位状态的时间进行判定，在rs触发器连续置位时间未达到设定持续时间时保持多档相间电容无源粗调支路的新增投切闭锁，在rs触发器连续置位时间达到设定持续时间后解除多档相间电容无源粗调支路的新增投切闭锁，并在rs触发器复位后重新开始持续时间判定；

8、多档相间电容无源粗调支路的各相间电容支路分别设置支路电流传感器，所述支路电流传感器的检测输出端与边缘智能主控单元连接，边缘智能主控单元根据相间电压和相间电容支路实际电流确定相间电容支路实际承担的容性补偿量；

9、补偿量无扰交接控制单元分别与四桥臂svg有源快速均衡支路和多档相间电容无源粗调支路连接，并根据相间电容投入或退出过程中实际建立或消失的容性补偿量调节四桥臂svg有源快速均衡支路的补偿输出，使相间电容投入时四桥臂svg有源快速均衡支路相应减小补偿输出，使相间电容退出时四桥臂svg有源快速均衡支路对待消失的电容补偿量进行接管。

10、进一步，工地移动式防护柜体内部沿高度方向设置总路进线及采集区域、分层三相均衡调控区域和分路输出区域；

11、总路进线保护单元和总路三相采集单元安装于总路进线及采集区域，四桥臂svg有源快速均衡支路和多档相间电容无源粗调支路安装于分层三相均衡调控区域，多路分路配电单元安装于分路输出区域；

12、分层三相均衡调控区域设置独立均衡隔仓，四桥臂svg有源快速均衡支路和多档相间电容无源粗调支路设置于独立均衡隔仓内；

13、工地移动式防护柜体设置防水防尘柜门，柜体底部设置导流排水槽以及自锁式移动轮或可升降支脚。

14、进一步，总路三相采集单元包括分别设置于a相、b相和c相总导线上的三个相电流传感器、设置于n线总导线上的n线电流传感器以及分别连接a相母排、b相母排和c相母排的电压采样端；

15、边缘智能主控单元根据a相、b相和c相基波电流相量进行对称分量分解，正序电流相量、负序电流相量和零序电流相量分别按照下式确定：

16、；

17、；

18、；

19、其中，、和分别表示a相、b相和c相基波电流相量；表示正序电流相量；表示负序电流相量；表示零序电流相量；表示旋转算子，并满足：

20、；

21、其中，表示虚数单位；

22、负序电流不平衡度记为，并按照下式确定：

23、；

24、边缘智能主控单元通过数模转换电路将负序电流不平衡度转换成不平衡度模拟电压：

25、；

26、其中，表示分别输入第一比较器和第二比较器的不平衡度模拟电压；表示负序电流不平衡度与不平衡度模拟电压之间的比例转换增益；数模转换电路为dac数模转换电路，或者由pwm输出端和低通滤波电路构成。

27、进一步，设第一动作阈值为，第二恢复阈值为，并满足：；

28、第一动作阈值对应的模拟参考电压为：；

29、第二恢复阈值对应的模拟参考电压为：；

30、第一比较器在时向rs触发器的置位端输出置位信号；

31、第二比较器在时向rs触发器的复位端输出复位信号；

32、设rs触发器q输出端的逻辑状态为，则：

33、时：；

34、时：；

35、当时：；

36、其中，表示当前时刻rs触发器状态，表示当前时刻以前的rs触发器状态。

37、进一步，持续时间判定电路包括rc积分延时支路、阈值比较部分和放电复位支路，rc积分延时支路连接于rs触发器的置位输出端与多档相间电容无源粗调支路的投切使能端之间；

38、rs触发器连续保持置位状态时，rc积分延时支路中的电容电压按照下式变化：

39、；

40、当时，阈值比较部分输出持续失衡确认信号，相应的设定持续时间为：

41、；

42、其中，表示rs触发器连续置位时间为时rc积分延时支路的电容电压；表示rc积分延时支路的充电电压；表示延时电阻；表示延时电容；表示持续失衡确认触发电压；表示区分短时冲击失衡与持续失衡的设定持续时间；

43、rs触发器接收到复位信号时，放电复位支路对延时电容进行放电，并清除本次连续置位时间；

44、阈值比较部分由ne555定时器内部的阈值比较结构构成，或者由独立阈值比较器构成。

45、进一步，四桥臂svg有源快速均衡支路包括a相桥臂、b相桥臂、c相桥臂、中性线桥臂、直流母线电容、交流侧滤波电感、功率开关器件、功率开关驱动电路和svg控制器；

46、a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂分别经对应交流侧滤波电感连接a相母排、b相母排和c相母排，中性线桥臂连接n线母排；

47、svg控制器根据三相负载电流生成a相、b相、c相和中性线补偿电流指令，其中：

48、；

49、；

50、；

51、；

52、其中，、、分别表示a相、b相和c相瞬时负载电流；、、分别表示期望a相、b相和c相电源侧瞬时电流；、、分别表示a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂的补偿电流指令；表示中性线桥臂的补偿电流指令；

53、四桥臂svg有源快速均衡支路被配置为承担短时冲击补偿、负序电流补偿、零序电流补偿以及多档相间电容无源粗调支路投切后的剩余动态补偿。

54、进一步，多档相间电容无源粗调支路包括ab相间电容组、bc相间电容组和ca相间电容组；

55、ab相间电容组跨接于a相母排与b相母排之间，bc相间电容组跨接于b相母排与c相母排之间，ca相间电容组跨接于c相母排与a相母排之间；

56、每个相间电容组均包括多个容量不同且能够独立投切的相间电容支路，各相间电容支路串接支路保护器件和零涌流晶闸管复合开关；

57、各相间电容组具有、和三个标称容量等级的相间电容支路；

58、ab相间电容组、bc相间电容组和ca相间电容组中对应同一标称容量等级的相间电容支路能够按照三相对称粗调需要同步控制，多档相间电容无源粗调支路用于承担持续失衡状态下的稳态无功补偿基值。

59、进一步，边缘智能主控单元根据负载总有功功率、负载总无功功率及目标功率因数确定目标稳态无功补偿量：

60、；

61、其中：

62、；

63、表示目标稳态无功补偿量；表示负载总有功功率；表示负载总无功功率；表示目标功率因数；表示目标功率因数角；

64、设多档相间电容无源粗调支路允许投入的总补偿容量集合为，选定的无源粗调补偿容量按照下式确定：

65、；

66、使：

67、；

68、剩余无功补偿需求为：

69、；

70、其中，由四桥臂svg有源快速均衡支路承担。

71、进一步，各相间电容支路分别设置支路电流传感器，所述支路电流传感器的检测输出端与边缘智能主控单元连接，边缘智能主控单元根据相间电压和相间电容支路实际电流确定对应相间电容支路的实际容性补偿量；

72、对于相间电容支路，实际容性补偿量按照下式确定：

73、；

74、其中，表示相间电容支路实际容性补偿量；表示相间电压有效值；表示相间电容支路电流有效值；表示相间电压与相间电容支路基波电流之间的相位差；

75、实际投入的各相间电容支路的容性补偿量之和记为，补偿量无扰交接控制单元按照下式确定四桥臂svg有源快速均衡支路的剩余无功补偿指令：

76、；

77、其中，表示时刻四桥臂svg有源快速均衡支路的无功补偿指令；表示时刻的目标稳态无功补偿量；表示时刻多档相间电容无源粗调支路实际承担的容性补偿量；

78、相间电容投入或者退出过程中，交接系数按照下式确定：

79、；

80、其中，表示补偿量交接开始时刻；表示预设交接时间；表示将变量限制在至范围内的限幅函数；

81、相间电容投入时，四桥臂svg有源快速均衡支路的前馈交接指令满足：

82、；

83、相间电容退出时，四桥臂svg有源快速均衡支路的前馈交接指令满足：

84、；

85、其中，表示四桥臂svg有源快速均衡支路的前馈交接指令；表示交接开始以前的svg无功补偿指令；表示待投入或者待退出相间电容对应的补偿容量；

86、相间电容实际投入或退出后，再根据对四桥臂svg有源快速均衡支路的补偿输出进行反馈修正。

87、进一步，还包括分级漏电保护单元、温度监测及保护单元以及远程通信报警单元；

88、分级漏电保护单元包括总路剩余电流检测组件和分别与多路分路配电单元各分路对应的多个分路剩余电流检测组件，总路剩余电流检测组件包括设置于总路的零序电流互感器，a相、b相、c相和n线四根总路工作导线共同穿过总路的零序电流互感器，pe保护线不穿过；各分路剩余电流检测组件分别包括设置于对应分路的零序电流互感器，各分路的工作导线共同穿过对应的零序电流互感器；

89、温度监测及保护单元包括分别设置于四桥臂svg有源快速均衡支路、多档相间电容无源粗调支路、n线母排以及柜体内部的多个温度传感器；

90、边缘智能主控单元分别与各零序电流互感器、各温度传感器及远程通信报警单元连接，并根据检测得到的剩余电流、n线电流和温度输出预警信号或者保护控制信号；

91、远程通信报警单元包括无线通信模块，用于发送三相电流、负序电流不平衡度、n线电流、四桥臂svg补偿状态、电容档位、温度状态以及漏电状态信息。

92、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

93、1.本发明通过第一比较器、第二比较器、rs触发器以及持续时间判定电路对三相不平衡状态进行幅值和持续时间联合辨识。当负序电流不平衡度达到第一动作阈值时，第一比较器使rs触发器置位并立即使能四桥臂svg有源快速均衡支路，同时启动持续时间判定；在rs触发器连续保持置位状态的时间未达到设定持续时间时，多档相间电容无源粗调支路保持新增投切闭锁；只有在rs触发器连续保持置位状态的时间达到设定持续时间后，才解除多档相间电容无源粗调支路的新增投切闭锁。由此能够区分焊机起弧、电机启动等短时冲击失衡与持续失衡，减少短时冲击负荷引起的电容支路频繁投切。

94、2.本发明采用四桥臂svg有源快速均衡支路与多档相间电容无源粗调支路构成分层三相均衡结构，其中四桥臂svg有源快速均衡支路承担短时冲击、负序电流、零序电流以及无源粗调后的剩余动态补偿，多档相间电容无源粗调支路承担持续失衡状态下的稳态无功补偿基值，使快速动态补偿能力与较大容量的稳态补偿能力相结合，能够适应建筑施工现场负荷随机启停、波动频繁的用电工况。

95、3.本发明设置补偿量无扰交接控制单元，并根据相间电容支路实际承担的容性补偿量调节四桥臂svg的补偿输出。相间电容投入时，根据相间电容实际建立的补偿量同步减小四桥臂svg对应的补偿输出；相间电容退出前，四桥臂svg先对待退出电容对应的补偿量进行预接管，并在相间电容退出后根据实际补偿量反馈继续修正svg输出，从而使有源补偿量与无源补偿量在支路接管过程中保持连续，减小因电容档位投入或退出造成的补偿量阶跃及三相电流二次波动。

96、4.本发明的四桥臂svg有源快速均衡支路分别与a相母排、b相母排、c相母排和n线母排连接，通过三个相桥臂对三相不平衡及剩余动态量进行补偿，并利用中性线桥臂输出零序补偿电流，因此不仅能够改善负序电流不平衡，还能够针对三相四线制施工供电系统中的零序电流进行动态调节，有利于降低电源侧n线电流及其长期过流、温升风险。

97、5.本发明采用具有第一动作阈值和第二恢复阈值的双阈值滞环判断结构，并由rs触发器对异常不平衡状态进行保持；当负序电流不平衡度处于第一动作阈值与第二恢复阈值之间时，rs触发器保持前一逻辑状态，从而减少负序电流不平衡度在阈值附近波动造成的补偿支路反复启停；同时，持续时间判定电路对无源粗调支路形成独立的时间使能约束，进一步提高施工现场随机冲击条件下补偿控制的抗扰性。

98、6.本发明将总路三相采集、负序和零序分量计算、分层三相均衡、漏电检测、n线电流监测及温度监测集成于同一工地临时智能配电柜内，并通过边缘智能主控单元和远程通信报警单元对三相电流、不平衡状态、svg补偿状态、电容投切状态、n线电流、漏电状态及温度状态进行集中监测，有利于实现三相均衡调节与施工临时用电安全监测的一体化。

99、7.本发明的四桥臂svg有源快速均衡支路和多档相间电容无源粗调支路设置于柜体内部的独立均衡隔仓内，结合柜体的防水防尘结构、排水导流结构以及移动或升降支承结构，可减少施工现场粉尘、水汽及柜体转运振动对均衡器件运行的影响，提高该配电柜对建筑施工现场临时用电环境的适应性。