基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统的制作方法

1.本实用新型公开一种电能质量综合管理系统，特别是一种基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统。


背景技术：

2.目前，市场上对于功率因数的补偿及三相不平衡的治理采用的方法是在台区变压器端进行功率因数补偿及三相不平衡的治理，该种方法对于台区的功率因数及不平衡问题得到了改善，但对于台区内的线路损耗没有任何改善。对于功率因数低的负载（比如：电机等），势必造成线路中的电流增加，而线路的损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免，当三相负载不平衡运行时，中性线即有电流通过，这样不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。


技术实现要素：

3.针对上述提到的现有技术中的功率因数的补偿及三相不平衡的治理中，对于台区内的线路损耗没有改善的缺点，本实用新型提供一种新的基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统，其设置在台区内的节点处，可用以补偿功率因数及调整单相负载，使其三相基本平衡从而达到提高功率因数及降低线路损耗之目的。
4.本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统，管理系统包括电能质量综合控制器、一个以上三相电容投切装置、一个以上单相电容投切装置、三相电容器、单相电容器、换相开关和nb无线通信模块，电能质量综合控制器连接在三相交流母线上，三相电容投切装置的控制端连接在电能质量综合控制器上，电能质量综合控制器控制三相电容投切装置工作，三相电容器连接在三相电容投切装置上，单相电容投切装置的控制端连接在电能质量综合控制器上，电能质量综合控制器控制单相电容投切装置工作，单相电容器连接在单相电容投切装置上，换相开关输入输出端连接在三相交流母线上，换相开关的控制端连接在电能质量综合控制器上，nb无线通信模块连接在电能质量综合控制器上。
5.本实用新型解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
6.所述的电能质量综合控制器包括cpu控制单元、交流采样调理单元、计量单元、通信单元、控制输出单元和电源单元，交流采样调理单元与计量单元连接，计量单元连接在cpu控制单元上，交流采样调理单元用于采样交流电源的电压和电流值，输入给计量单元，计量单元输出计量数据给cpu控制单元，通信单元与cpu控制单元连接，用于与上位机进行通信，控制输出单元与cpu控制单元连接，控制外部执行器执行操作，电源单元用于供电。
7.所述的控制输出单元包括三极管和继电器，三极管的基极与cpu控制单元连接，三极管的集电极和发射极与继电器的线圈串联连接在正电源和地之间。
8.所述的三相电容投切装置采用三相交流接触器，三相电容投切装置的控制端连接
到电能质量综合控制器，投切三相电容包括三个首尾顺次连接的电容器，每两个电容的公共连接点通过三相电容投切装置连接到三相交流电中的一条相线上。
9.所述的三相交流接触器的控制线圈与电能质量综合控制器的第一控制输出端连接，三相交流接触器包括第一主触头、第二主触头和第三主触头以及第一辅助触头、第二辅助触头和第三辅助触头，第一辅助触头上串联连接有第一限流电阻，第二辅助触头上串联连接有第二限流电阻，第三辅助触头上串联连接有第三限流电阻。
10.所述的单相电容投切装置采用三个交流继电器，电能质量综合控制器的第一控制输出端与第一交流继电器的控制线圈连接，电能质量综合控制器的第二控制输出端与第二交流继电器的控制线圈连接，电能质量综合控制器的第三控制输出端与第三交流继电器的控制线圈连接，第一交流继电器的输出主触头与单相电容c1串联，第二交流继电器的输出主触头与单相电容c2串联，第三交流继电器的输出主触头与单相电容c3串联。
11.所述的换相开关包括三个双线圈磁保持继电器、三个快速熔断保险、三相电压采样电路、mcu控制单元和电源模块，三个双线圈磁保持继电器的控制线圈分别与mcu控制单元连接，三条相线通过三个双线圈磁保持继电器相互连通，三相电压采样电路连接在三条相线上，三相电压采样电路的输出端与mcu控制单元连接，mcu控制单元上连接有rs485通讯模块，电源模块用于供电。
12.本实用新型的有益效果是：本实用新型在台区内每个节点（或选择合适的节点）配备一台基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统设备以补偿功率因数及调整单相负载使其三相基本平衡从而达到提高功率因数及降低线路损耗之目的。
13.下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
附图说明
14.图1为本实用新型应用连接示意图。
15.图2为本实用新型系统原理方框图。
16.图3为本实用新型电能质量综合控制器原理框图。
17.图4为本实用新型中三相电容投切装置及三相电容连接原理图。
18.图5为本实用新型中单相电容投切装置及单相电容连接原理图。
19.图6为本实用新型中换相开关连接原理图。
20.图7为本实用新型中nb无线通信模块中电源单元电路原理图。
21.图8为本实用新型中nb无线通信模块中的中央控制单元电路原理图。
22.图9为本实用新型中nb无线通信模块中的nb
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iot单元电路原理图。
23.图10为本实用新型中电能质量综合控制器中的mcu芯片部分电路原理图。
24.图11为本实用新型中电能质量综合控制器中的通信部分电路原理图。
25.图12为本实用新型中电能质量综合控制器中的交流采样调理单元电路原理图。
26.图13为本实用新型中电能质量综合控制器中的接口部分电路原理图。
27.图14为本实用新型中电能质量综合控制器中的数据存储部分电路原理图。
28.图15为本实用新型中电能质量综合控制器中的电源部分电路原理图。
29.图16为本实用新型中电能质量综合控制器中的接口及充电部分电路原理图。
30.图17为本实用新型中电能质量综合控制器中的电脉冲输出部分电路原理图。
31.图18为本实用新型中电能质量综合控制器中的控制输出部分电路原理图。
32.图19为本实用新型中电能质量综合控制器中的电流采样部分一电路原理图。
33.图20为本实用新型中电能质量综合控制器中的电流采样部分二电路原理图。
34.图21为本实用新型中电能质量综合控制器中的输入输出接口部分电路原理图。
35.图22为本实用新型中电能质量综合控制器中的485通讯部分电路原理图。
具体实施方式
36.本实施例为本实用新型优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本实用新型保护范围之内。
37.请结合参看附图1至附图22，本实用新型保护一种基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统，可就近补偿功率因数及调节三相不平衡，以降低线路的损耗。电能质量综合管理系统主要包括电能质量综合控制器、三相电容投切装置、单相电容投切装置、三相电容器、单相电容器、换相开关和nb无线通信模块，电能质量综合控制器连接在三相交流母线上，三相电容投切装置的控制端连接在电能质量综合控制器上，电能质量综合控制器控制三相电容投切装置工作，三相电容器连接在三相电容投切装置上，单相电容投切装置的控制端连接在电能质量综合控制器上，电能质量综合控制器控制单相电容投切装置工作，单相电容器连接在单相电容投切装置上，换相开关输入输出端连接在三相交流母线上，换相开关的控制端连接在电能质量综合控制器上，nb无线通信模块连接在电能质量综合控制器上。
38.本实施例中，电能质量综合控制器是该系统的核心，采用工业级、高性价比的32位cpu，可高速可靠地控制外围功能模块，保证整个系统的稳定性和可靠性。软件方面采用嵌入式操作系统，实时性好、可靠性高，硬件方面采用模块化设计，易于功能的扩展等。
39.电能质量综合控制器主要包括cpu控制单元、交流采样调理单元、计量单元、通信单元、控制输出单元和电源单元，交流采样调理单元与计量单元连接，计量单元连接在cpu控制单元上，交流采样调理单元用于采样交流电源的电压和电流值，输入给计量单元，计量单元输出计量数据给cpu控制单元，通信单元与cpu控制单元连接，用于与上位机进行通信，控制输出单元与cpu控制单元连接，控制外部执行器进行执行操作，电源单元用于供电。
40.请结合参看附图10，本实施例中，cpu控制单元采用型号为rn8312单片机u1，其为一款针对三相电源的低功耗、高性能、高集成度、高可靠的mcu，具体实施时，也可以采用其他芯片替换。请结合参看附图11和附图12、附图19、附图20，本实施例中，计量单元采用型号为rn8302s的电计量芯片u2，交流采样调理单元采用常规的电流采样电路和电压采样电路，交流采样调理单元采用变压器配合分压电阻网络的方式，对三相交流电进行电流采样，并将采样电流输出连接在电计量芯片u2上，电计量芯片u2输出计量信号给单片机u1。
41.请结合参看附图14，本实施例中，cpu控制单元上连接有数据存储单元，数据存储单元通过串行接口与cpu控制单元连接，通过数据存储单元可存储数据。
42.请结合参看附图18，本实施例中，控制输出单元采用三极管驱动继电器的形式进行外部控制输出，三极管的基极与cpu控制单元连接，通过cpu控制单元输出控制信号控制三极管的通断，三极管的集电极和发射极与继电器的线圈串联连接在正电源和地之间，当三极管导通后，继电器上电导通，对外部输出控制信号，控制外部执行器件执行操作。本实
施例中，以三组控制输出单元为例，进行具体说明，具体实施时，可根据情况具体设置。
43.请结合参看附图22，本实施例中，通信单元采用rs
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485芯片，rs
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485芯片输出端上连接有光电耦合器，rs
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485芯片输出端上连接稳压二极管，由于通信单元需要与外接连接，通过稳压二极管和光电耦合器可对rs
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485芯片和内部电路起到保护作用。
44.本实施例中，三相电容投切装置采用三相交流接触器，即可同时控制三相交流电导通或断开，三相电容投切装置的控制端（即三相交流接触器中的线圈）连接到电能质量综合控制器，接收电能质量综合控制器的控制信号，控制投切三相电容，以达到三相共补的目的。投切三相电容12包括三个首尾顺次连接的电容器，每两个电容的公共连接点通过三相电容投切装置连接到三相交流电中的一条相线上，如：投切三相电容包括电容c4、电容c5和电容c6（该三个电容并非接入电路中的电容，只是举例而已），电容c4和电容c5的连接点与三相交流电中的a相线连接，电容c5和电容c6的连接点与三相交流电中的b相线连接，电容c6和电容c4的连接点与三相交流电中的c相线连接。
45.请结合参看附图4，本实施例中，三相交流接触器的控制线圈1通过电能质量综合控制器的第一控制输出端11与电能质量综合控制器连接，用于接受电能质量综合控制器的控制信号，三相交流接触器包括第一主触头2、第二主触头3和第三主触头4以及第一辅助触头5、第二辅助触头6和第三辅助触头7，第一辅助触头5上串联连接有第一限流电阻8，第二辅助触头6上串联连接有第二限流电阻9，第三辅助触头7上串联连接有第三限流电阻10，当电能质量综合控制器的控制输出闭合时，三相交流接触器的辅助触头第一辅助触头5、第二辅助触头6和第三辅助触头7先闭合，三相电容12通过第一限流电阻8、第二限流电阻9和第三限流电阻10充电，过几个毫秒后第一主触头2、第二主触头3和第三主触头闭合接入三相电容12，从而可避免大电流对三相电容12的冲击。
46.本实施例中，单相电容投切装置采用交流继电器，针对三相交流电设置有三组单相电容投切装置，每组单相电容投切装置上串接有一个单相电容，单相容投切装置的控制端与电能质量综合控制器的控制端连接，可通过电能质量综合控制器控制某一个单相电容接入相线，以达到三相分补的目的。
47.请结合参看附图5，本实施例中，单相电容投切装置采用三个交流继电器，电能质量综合控制器的第一控制输出端14与第一交流继电器的控制线圈17连接，电能质量综合控制器的第二控制输出端15与第二交流继电器的控制线圈18连接，电能质量综合控制器的第三控制输出端16与第三交流继电器的控制线圈19连接，分别控制三个交流继电器的通断，第一交流继电器的输出主触头20与单相电容c1串联，第二交流继电器的输出主触头21与单相电容c2串联，第三交流继电器的输出主触头22与单相电容c3串联。当电能质量综合控制器的第一控制输出端14、第二控制输出端15和第三控制输出端16输出控制信号控制第一交流继电器的输出主触头20、第二交流继电器的输出主触头21和第三交流继电器的输出主触头22闭合时，分别接入单相电容c1、单相电容c2和单相电容c3。
48.本实施例中，基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统中共计有m个三相电容投切装置和m个三相电容，以及n个单相电容投切装置和n
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3个单相电容，具体数量可根据实际需要具体设定，m和n均为大于或等于1的自然数。
49.本实施例中，换相开关包括三个双线圈磁保持继电器、三个快速熔断保险、三相电压采样电路、mcu控制单元和电源模块，三个双线圈磁保持继电器的控制线圈分别与mcu控
制单元连接，通过mcu控制单元分别控制三个双线圈磁保持继电器的断开与吸合，三条相线通过三个双线圈磁保持继电器相互连通，三相电压采样电路连接在三条相线上，三相电压采样电路的输出端与mcu控制单元连接，输出电压采样信号给mcu控制单元，mcu控制单元上连接有rs485通讯模块，电源模块用于供电。
50.当mcu控制单元通过rs485通讯模块接收到换相命令时，首先向单相负载连接在某相的磁保持继电器发送断开信号，使其断开，mcu控制单元检测电压，当完全断开后，再向需要换相到某相的磁保持继电器发送吸合信号，使其闭合，从而避免相间短路发生，三个快速熔断保险起到相间短路的保护作用。
51.nb无线通信模块完成数据上传到云平台及接收云平台下发的控制命令。如图7所示，nb
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iot模块bc26实现无线通信，mcuatmega64实现电能质量综合控制器与bc26模块之间的数据传输。
52.本实用新型在使用时，在台区内每个节点（或选择合适的节点）配备一台基于物联网及云平台的配网末端电能质量综合管理系统设备以补偿功率因数及调整单相负载使其三相基本平衡从而达到提高功率因数及降低线路损耗之目的。