一种负载平衡设备及供电系统的制作方法

1.本发明属于负载供电技术领域，具体地涉及一种负载平衡设备及供电系统。


背景技术：

2.在诸如油气钻井等场景的供电系统中，需要电源设备与负载设备保持一定范围内的功率匹配，而当出现负载设备突然增加启用或突然卸下停用等情况时，会对电源设备产生一定的负荷冲击，如果电源设备的负荷响应特性不足或者多台发电机组之间的特性一致性不好，就会造成并网发电机组解列脱网，进而导致负载设备无法正常运行。以钻井设备供电场景为例，当钻井设备负载(即电动机)突加或突卸时，产生的负荷冲击会直接传递到作为电源设备的发电机组，造成由并网发电机组构成的小电网保护被解列，进而使电动机无法正常工作。
3.因此现有供电系统都对电源设备的负荷响应特性有较高指标要求，一般采用具有快速响应指标的燃油发电机组(针对燃气发电机组，因为响应较慢，难以满足快速响应要求)来构建电源设备，导致电源设备的选择范围有限，选择难度大，难以满足实际的生产需求。


技术实现要素：

4.为了解决在现有供电系统中，因对电源设备的负荷响应特性有较高指标要求而导致电源设备的选择范围有限和选择难度大的问题，本发明目的在于提供一种用于适配在供电系统中的负载平衡设备及供电系统，可以缓解负荷冲击对电源设备的影响，进而在供电系统中，可大幅度降低对电源设备的负荷响应指标，拓展电源设备的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源设备，易于满足实际的生产需求。
5.本发明第一方面所采用的技术方案为：
6.一种负载平衡设备，包括有负载功率采集单元、负载变化接收单元、负荷调节单元和控制单元，其中，所述负载功率采集单元用于布置在位于电源设备与负载设备之间的传输母线上，所述负载变化接收单元用于布置在所述负载设备上，所述负荷调节单元包括有若干用于电连接所述传输母线的负荷启停模块；
7.所述控制单元的功率信号输入端电连接所述负载功率采集单元的输出端，所述控制单元的时序信号输入端电连接所述负载变化接收单元的输出端，所述控制单元的启停信号输出端分别电连接各个所述负荷启停模块的受控端。
8.基于上述发明内容，可以通过控制负荷调节单元中部分负荷启停模块的启用/停用，可实现动态调节所述负载平衡设备的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源设备的影响，使得将所述负载平衡设备适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源设备的负荷响应指标，拓展电源设备的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性
的电源设备，易于满足实际的生产需求。
9.在一个可能的设计中，所述负载功率采集单元包括有母线电流互感器、母线电压互感器和功率测量模块，其中，所述母线电流互感器和所述母线电压互感器分别套装在所述传输母线上；
10.所述母线电流互感器的输出端电连接所述功率测量模块的电流信号输入端，所述母线电压互感器的输出端电连接所述功率测量模块的电压信号输入端，所述功率测量模块的模拟信号输出端电连接所述控制单元的功率信号输入端。
11.在一个可能的设计中，所述负载变化接收单元的开关量信号输出端电连接所述控制单元的时序信号输入端。
12.在一个可能的设计中，所述负荷启停模块为包括有交流接触器和负荷器件的串联支路，其中，所述串联支路电连接所述传输母线；
13.所述交流接触器的受控端电连接所述控制单元的且作为所述启停信号输出端的开关量输出端。
14.在一个可能的设计中，所述负荷器件采用负载电阻或超级电容。
15.在一个可能的设计中，所述控制单元采用可编程逻辑控制器。
16.在一个可能的设计中，还包括有人机交互单元，其中，所述人机交互单元通信连接所述控制单元。
17.本发明第二方面所采用的技术方案为：
18.一种供电系统，包括电源设备、传输母线、负载设备和如第一方面或在第一方面中任意一项可能设计所述的负载平衡设备，其中，所述电源设备通过所述传输母线电连接所述负载设备；
19.在所述负载平衡设备中，负载功率采集单元布置在所述传输母线上，负载变化接收单元布置在所述负载设备上，负荷启停模块电连接所述传输母线。
20.在一个可能的设计中，所述电源设备包括有出线柜和并网电连接所述出现柜的若干发电机组，所述负载设备包括有开关柜和分别电连接所述开关柜的若干电动机，其中，所述出线柜通过所述传输母线电连接所述开关柜，以及在所述开关柜中布置所述负载变化接收单元。
21.在一个可能的设计中，所述负载设备包括有冲击负荷型设备。
22.本发明的有益效果为：
23.(1)本发明创造提供了一种用于适配在供电系统中的负载平衡设备及供电系统，即在负载平衡设备中，通过控制负荷调节单元中部分负荷启停模块的启用/停用，可实现动态调节所述负载平衡设备的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源设备的影响，使得将所述负载平衡设备适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源设备的负荷响应指标，拓展电源设备的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源设备，易于满足实际的生产需求。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明提供的负载平衡设备的原理结构示意图。
26.图2是本发明提供的负载平衡设备在负载突加及突卸时缓解全部负荷冲击的示例图。
27.图3是本发明提供的负载平衡设备在负载突加及突卸时缓解部分负荷冲击的示例图。
28.图4是本发明提供的第一种包括有负载平衡设备的供电系统的原理结构示意图。
29.图5是本发明提供的第二种包括有负载平衡设备的供电系统的原理结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
31.应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
32.应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
33.应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在
……
之间”对“直接在
……
之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。
34.应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
35.应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时
可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
36.应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
37.实施例一
38.如图1～3所示，本实施例提供的所述负载平衡设备，包括有负载功率采集单元、负载变化接收单元、负荷调节单元和控制单元，其中，所述负载功率采集单元用于布置在位于电源设备与负载设备之间的传输母线上，所述负载变化接收单元用于布置在所述负载设备上，所述负荷调节单元包括有若干用于电连接所述传输母线的负荷启停模块；所述控制单元的功率信号输入端电连接所述负载功率采集单元的输出端，所述控制单元的时序信号输入端电连接所述负载变化接收单元的输出端，所述控制单元的启停信号输出端分别电连接各个所述负荷启停模块的受控端。
39.如图1所示，在所述负载平衡设备的具体结构中，所述负载功率采集单元用于实时采集负载功率信息(可以是所述负载设备的功率信息，也可以是所述负载设备与所述负荷调节单元的总功率信息)，并将所述负载功率信息传送至所述控制单元。具体的，如图1所示，所述负载功率采集单元包括有母线电流互感器、母线电压互感器和功率测量模块，其中，所述母线电流互感器和所述母线电压互感器分别套装在所述传输母线上；所述母线电流互感器的输出端电连接所述功率测量模块的电流信号输入端，所述母线电压互感器的输出端电连接所述功率测量模块的电压信号输入端，所述功率测量模块的模拟信号输出端电连接所述控制单元的功率信号输入端。在所述负载功率采集单元的具体结构中，所述母线电流互感器用于实时采集反映母线电流大小的电流信号，并将所述电流信号传送至所述功率测量模块，其可采用现有的电流互感器型号实现；所述母线电压互感器用于实时采集反映母线电压大小的电压信号，并将所述电压信号传送至所述功率测量模块；所述功率测量模块用于实时地根据所述电流信号和所述电压信号计算得到所述负载功率信息，其可采用现有标准的功率测量模块，并把所述负载功率信息转化为4～20ma的电流信号来传送给所述控制单元，以便通过模拟信号传送方式，来避免通讯模式的信号延迟，保证所述控制单元能够及时地产生响应功率实时变化的控制动作。此外，所述功率测量模块也可直接采用通讯总线方式传送采集到的负载功率信息。
40.所述负载变化接收单元用于接收反映所述负载设备出现负载功率变化的时序信号，例如在负载功率突加或负载功率突卸前一定时间内接收到对应的时序信号。具体的，所述时序信号优选为开关量信号，即所述负载变化接收单元的开关量信号输出端电连接所述控制单元的时序信号输入端。
41.所述负荷调节单元用于在所述控制单元的控制下，通过启用/停用部分的所述负荷启停模块，来动态调节所述负载平衡设备的负载功率(即若启用单个所述负荷启停模块，则增加单位负载功率，而若停用单个所述负荷启停模块，则减少单位负载功率)，从而可以与所述负载设备进行负荷转移，使总负载功率与所述电源设备的输出功率保持一定范围内的功率匹配。在所述负荷调节单元的具体结构中，所述负荷启停模块的数量越多，可负荷转移的功率越大；所述负荷启停模块的单位负载功率越小，负荷转移的单位功率越细化。具体
的，如图1所示，所述负荷启停模块为包括有交流接触器和负荷器件的串联支路，其中，所述串联支路电连接所述传输母线；所述交流接触器的受控端电连接所述控制单元的且作为所述启停信号输出端的开关量输出端。所述负荷器件用于在对应的所述交流接触器导通时，增加所述负载平衡设备的负载功率，而在截止时，减小所述负载平衡设备的负载功率，由此可通过所述控制单元对所述交流接触器的开关控制，实现启用/停用对应负荷器件的目的。详细的，所述负荷器件可以但不限于采用负载电阻或超级电容等，其中，当采用超级电容时，可以利用其可快速充放电的特点，在启用时存储电量，而在停用时放出电量，进而避免造成电能浪费，保障经济利益。
42.所述控制单元用于作为所述负载平衡设备的核心，根据所述时序信号和实时的所述负载功率信息，基于常规控制程序来控制所述负荷调节单元中部分负荷启停模块的启用/停用，实现动态调节所述负载平衡设备的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源设备的影响，使得将所述负载平衡设备适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源设备的负荷响应指标，拓展电源设备的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源设备，易于满足实际的生产需求。具体的，所述控制单元可以但不限于采用现有的可编程逻辑控制器实现。此外，所述负载平衡设备还包括有人机交互单元，其中，所述人机交互单元通信连接所述控制单元，由此通过配置所述人机交互单元，可方便与使用人员进行人机交互，实现对诸如启用速度、负载功率突加目值、停用速度和负载功率突卸目标值等工作参数进行灵活设置目的，利于实际应用；所述人机交互单元优选采用触摸屏。
43.如图2所示，下面以将所述负载平衡设备适配在钻井设备供电系统中为例，详细说明其工作原理。
44.(1)总负载功率缓加过程(即图2中的t1时段)：所述控制单元在通过所述负载变化接收单元接收到用于反映钻井设备负载功率将突加的时序信号后，逐个地启用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率缓慢地增加(其增加速度可根据电源设备的冲击响应特性进行适应性调节)，直到总负载功率达到钻井设备负载功率突加的目标值。由于增加速度可调，使得t1时段的时长也可调，对电源设备的冲击响应特性要求也就越低。
45.(2)突加等待过程(即图2中的t2时段)：所述控制单元根据所述负载功率采集单元采集的负载功率信号，通过调节所述负荷调节单元的负载功率，使总负载功率维持钻井设备负载功率突加的目标值。
46.(3)钻井设备负载功率突加过程(即图2中的t3时段)：所述控制单元根据所述负载功率采集单元采集的负载功率信号，逐个地停用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率快速地减少(其减少速度匹配钻井设备负载功率突加速度，使总负载功率维持在钻井设备负载功率突加的目标值)，直到钻井设备负载功率突加到目标值，此时所述负荷调节单元的负载功率回到初始状态。
47.(4)钻井设备负载功率平稳过程(即图2中的t4时段)：所述控制单元可能通过所述负载变化接收单元接收到用于反映钻井设备负载功率将突卸的时序信号。此外，所述控制单元也可根据所述负载功率采集单元采集的负载功率信号，进行负载功率变化的实时跟
踪，而不用关心前述的时序信号。
48.(5)钻井设备负载功率突卸过程(即图2中的t5时段)：所述控制单元根据所述负载功率采集单元采集的负载功率信号，逐个地启用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率快速地增加(其增加速度匹配钻井设备负载功率突卸速度，使总负载功率维持钻井设备负载功率突卸前值)，直到钻井设备负载功率突卸到目标值。
49.(6)总负载功率缓卸过程(即图2中的t6时段)：所述控制单元逐个地停用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率缓慢地减少(其减少速度可根据电源设备的冲击响应特性进行适应性调节)，直到总负载功率达到钻井设备负载功率突卸的目标值。由于减少速度可调，使得t6时段的时长也可调，对电源设备的冲击响应特性要求也就越低。
50.如图2所示，t1时段的时长明显小于t3时段(此时长恒定不可调)，使得短时间的负载功率突加过程转化成了时长可调的总负载功率缓加过程，同时t6时段的时长明显小于t5时段(此时长恒定不可调)，使得短时间的负载功率突卸过程转化成了时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解了在钻井设备负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源设备的影响，可大幅度降低钻井设备供电系统对电源设备的负荷响应指标，拓展电源设备的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源设备，易于满足实际的生产需求。
51.如图3所示，所述负载平衡设备在工作过程中也可以不必像图2那样在负载突加及突卸时缓解全部的负荷冲击，即在基于电源设备具有较高负荷响应指标的前提下，可以在负载突加及突卸时缓解部分的负荷冲击：(1)总负载功率缓加过程(即图3中的t1时段)：所述控制单元逐个地启用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率缓慢地增加(其增加速度可根据电源设备的冲击响应特性进行适应性调节)，直到总负载功率达到钻井设备负载功率突加的部分目标值(例如原目标的65％)；(3)钻井设备负载功率突加过程(即图3中的t3时段)：所述控制单元逐个地停用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率快速地减少(其减少速度为钻井设备负载功率突加速度的65％，使总负载功率继续缓慢增加到钻井设备负载功率突加的目标值)，直到钻井设备负载功率突加到目标值；(5)钻井设备负载功率突卸过程(即图3中的t5时段)：所述控制单元逐个地启用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率快速地增加(其增加速度为钻井设备负载功率突卸速度的65％，使总负载功率缓慢的减小)，直到钻井设备负载功率突卸到目标值；(6)总负载功率缓卸过程(即图3中的t6时段)：所述控制单元逐个地停用所述负荷调节单元中的负荷启停模块，使所述负荷调节单元的负载功率继续缓慢地减少(其减少速度可根据电源设备的冲击响应特性进行适应性调节)，直到总负载功率达到钻井设备负载功率突卸的目标值。通过前述方式，同样可以在一定程度上缓解在钻井设备负载功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源设备的影响。
52.综上，采用本实施例所提供的负载平衡设备，具有如下技术效果：
53.(1)本实施例提供了一种用于适配在供电系统中的负载平衡设备，即通过控制负荷调节单元中部分负荷启停模块的启用/停用，可实现动态调节所述负载平衡设备的负载功率目的，以便将短时间的负载功率突加过程转化为时长可调的总负载功率缓加过程和/或将短时间的负载功率突卸过程转化为时长可调的总负载功率缓卸过程，从而缓解在负载
功率突加或突卸时，所产生负荷冲击对电源设备的影响，使得将所述负载平衡设备适配在供电系统中后，可大幅度降低对电源设备的负荷响应指标，拓展电源设备的选择范围，降低选择难度，方便更换具有不同负荷响应特性的电源设备，易于满足实际的生产需求。
54.实施例二
55.如图4所示，本实施例在实施例一的技术方案基础上，具体提出了一种应用所述负载平衡设备的供电系统，即所述供电系统包括电源设备、传输母线、负载设备和如实施例一所述的负载平衡设备，其中，所述电源设备通过所述传输母线电连接所述负载设备；在所述负载平衡设备中，负载功率采集单元布置在所述传输母线上，负载变化接收单元布置在所述负载设备上，负荷启停模块电连接所述传输母线。所述供电系统可举例地作为钻井设备供电系统，其中，所述电源设备包括有出线柜和并网电连接所述出现柜的若干发电机组，所述负载设备包括有开关柜和分别电连接所述开关柜的若干电动机(其可以是直接电连接的电动机，也可以是通过类似变频器驱动电路等间接电连接的电动机)，其中，所述出线柜通过所述传输母线电连接所述开关柜，以及在所述开关柜中布置所述负载变化接收单元。通过前述供电系统结构，可大幅度减少冲击负载(即电动机的突然启用或卸用)对发电机组的影响，使对发电机组的突加/突卸负载的响应要求大幅度降低，进而大幅度降低了对发电机组的选型要求，以及降低了实际运用中发电机组的维保成本(即在大幅度减少冲击负载后，会提高可靠性和使用寿命)。
56.本实施例提供的供电系统的技术细节和技术效果，可以参见实施例一，于此不再赘述。
57.实施例三
58.如图5所示，本实施例在实施例一的技术方案基础上，具体提出了另一种应用所述负载平衡设备的供电系统，即所述供电系统包括电源设备、传输母线、负载设备和如实施例一所述的负载平衡设备，其中，所述电源设备通过所述传输母线电连接所述负载设备；在所述负载平衡设备中，负载功率采集单元布置在所述传输母线上，负载变化接收单元布置在所述负载设备上，负荷启停模块电连接所述传输母线。所述供电系统适用于独立电源设备给冲击负载供电的应用场景，即所述负载设备包括有冲击负荷型设备(例如大功率用电设备)，如此不但可以大幅度降低冲击负载对独立电源设备的影响，还能当独立电源设备不足以支撑冲击负载使用时，确保供电系统的正常运行，降低对电源系统的容量要求。
59.本实施例提供的供电系统的技术细节和技术效果，可以参见实施例一，于此不再赘述。
60.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
61.最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。