[发明专利]用于监测配电网络中配电部件电能质量和性能的装置和方法

说明书

提供了一种用于监测配电网络中配电部件的质量和性能参数，并检测操作参数与指定的监管设定和强制性限制之间的任何偏差的装置和方法。减轻了安装和连接到配电网络(最初不是(甚至是没有预料到)为最近的DEG的演进而设计)的无数私人家用和商用DEG设备日益严重的问题并应对配电网络中具有不断变化的负载和功率因数的日益复杂的电气组件。

相关专利和专利申请的交叉引用

本申请要求2017年8月2日提交的美国临时专利申请第62/540,079号的优先权，其全部公开内容通过引用合并于本文。

技术邻域

本发明涉及改善电能质量和配电网络的性能。特别地，本发明涉及一种用于监视配电网络中配电部件的电能质量和性能的设备和方法。

背景技术

当前传统电气系统和被传递到用户的电力质量是由于数种破坏性技术和立法影响，尤其随着连接在低压(LV)配电网络的任何点处的无数种私人拥有和操作的家用和商用分布式发电(DEG)装置迅速日益增多而降级。被传递到最终消费者的电力质量的这种日益增多的降级(尤其电压波动、电流和频率起伏)可负面地影响性能或甚至损坏电气设备、电气用具和连接到用户住宅中的电力系统的电子装置，且甚至可使更广领域的低压配电网络、变电站保护设备、高压(HV)输电电网和甚至发电厂跳闸和断电，从而构成重大的安全风险。

电能质量的这种不断下降会影响所连接的配电电气组件，例如配电开关装置和变压器。与参数(例如但不限于电压，电流，谐波，温度，压力，机械变形，频率和指定的操作性能偏差)等有关的降级，不仅会对性能产生不利影响，还会损坏电气设备，电器和电子产品设备，特别是连接到电气系统的配电部件。

参考图1，在1800年代末期启动的传统交流(AC)电力系统中，由于低电压组件而限制了输电能力和距离。因此无数具有中央发电器的独立发电厂(IPP)不断涌现向局部区域或局部电力岛供电。当时，每一个局部区域或局部电力岛存在一定范围的电压和各种频率。其负载大部分为简单的白炽灯电力照明。

参考图2，随着电力技术的发展，运用高压绝缘体和开关，允许输电电压增加，因此实现较高电力在较长距离内的传递。电压等级从爱迪生的初始220VDC局部电网迅速地增加到2.3KVAC的第一AC电网(1893年)，每隔几年上升到765KVAC(1960年末期)。由于较长输电电网导致电力岛的互相覆盖，商业领域、竞争技术标准中开始出现冲突，且最终出现了垄断。随着电力使用的日益增多，可靠性的存疑和电力行业中矛盾的增长，许多国家开始立法来对其电力行业进行监管控制。

一直到今天，伴随着监管立法的解除出现了DEG装置，其能够将小型发电机连接到高压输电电网。随着发电技术的更进一步发展(诸如CHP微涡轮机、燃料电池设施和尤其可再生能源诸如光伏(PV)、太阳热能和风能))外加投资成本的降低，家用和商用住宅的私营业主已宣布购买并安装这些小型DEG装置。

过去几年引入的后续更新和修改的上网电价(FIT)政策加速了这些小型私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的安装。FIT强制输电运营商向DEG装置的业主以最低价格支付已产生并返回添加到能量电网中的过多电力。因此，现在随着无数种私人拥有和操作的连接到局部低压配电网络的家用和商用DEG装置日益增多，不但对用于最终消费者的电力质量产生了巨大影响，而且增加了广大地区的大规模电网断电的可能性。这是由于随着越来越多的已安装的DEG设备产生的额外电力，大型中央公用设施的卸载而减少了运转备用，因而传输电网跳闸的可能性增加了。来自这些私人拥有和操作的家用和商用DEG装置的叠加到配电网络和输电电网上的所得电压、电流和频率起伏增加了系统跳闸保护开关设备(通常按紧密度容限和长期建立的传统电力规范进行调整)断流的可能性。