一种分回路动态均载调节的配电箱配电系统的制作方法

本发明涉及电力系统自动化与智能运维，尤其涉及一种分回路动态均载调节的配电箱配电系统。

背景技术：

1、随着现代电力电子技术的广泛应用，低压配电网中非线性负荷，如变频调速装置、开关电源、led照明驱动、充电桩及不间断电源等的渗透率持续攀升。此类负荷在运行过程中会产生大量非正弦波形的谐波电流注入配电系统，导致配电箱内部各分回路的电流波形发生严重畸变。在采用三相四线制供电方式的低压配电系统中，谐波电流尤其是3次及其奇数倍零序谐波，因相位一致而无法在相线之间相互抵消，最终在中性线上形成算术叠加，使中性线电流有效值远超各相线电流有效值，引发中性线过载、变压器局部过热及保护装置误动作等一系列运行安全问题。与此同时，用户侧负荷的时空分布特性日趋复杂，同一配电箱下不同分回路所接入的设备类型多样、运行时段交叠、负载率差异显著，导致三相负载天然存在不同程度的不平衡。传统配电箱的负载均衡调节方式主要依赖人工统计各相电流有效值后进行静态相序调整，或采用基于电流有效值的自动换相装置，前者响应速度慢、调整周期长，难以及时跟踪负荷变化，后者虽能实现动态调节，但仅将各相电流有效值作为均衡目标，未考虑各分回路谐波电流幅值及相位对中性线电流的实际影响。由于不同回路之间谐波电流的相位关系直接影响谐波在中性线上的叠加程度，仅依据电流有效值进行均载分配可能导致谐波矢量叠加被忽视，从而出现理论均衡而实际中性线电流增大的现象。此外，现有的配电箱保护机制通常将中性线过载保护与谐波治理作为相互独立的系统分别设计。过载保护依赖断路器热磁脱扣特性实现，响应滞后且无法区分基波电流与谐波电流产生的热效应差异；谐波治理则通过安装无源滤波器或有源滤波器进行独立补偿，缺乏与负载均衡调节之间的协同联动。当配电箱同时面临三相不平衡与谐波污染双重问题时，两种调节手段之间可能形成耦合扰动，导致均载调节方案与谐波补偿方案相互影响，难以实现整体最优的配电运行状态。因此，亟需提出一种能够综合考虑分回路谐波污染特征、谐波矢量耦合效应以及中性线电流非线性放大特性的配电箱分回路动态均载调节方法，实现负载均衡调节与谐波治理的协同优化，提升配电箱运行的安全性。

技术实现思路

1、本发明对上述现有技术存在的问题，提供一种分回路动态均载调节的配电箱配电系统，主要包括：

2、谐波特征分析模块，用于根据配电箱弱电网历史运行日志，提取各分回路电流波形与中性线电流波形，确定各分回路对应的谐波污染等级标签和中性线电流非线性放大系数；

3、有源滤波补偿模块，用于根据各分回路谐波污染等级检测结果，采集中性线电流波形、电网电压波形及各回路谐波相量数据，确定有源滤波器补偿基准相位并输出补偿电流，将各回路电流波形实时分解为基波分量和预设次数的谐波分量；

4、均载优化分配模块，用于根据基波分量有效值和谐波分量有效值，得到各回路的谐波污染因子，结合负载状态及谐波矢量耦合关系确定相修正负载，并生成均载调节方案；

5、投切验证执行模块，用于基于均载调节方案调整各回路接入相位，执行暂态扰动屏蔽并采集中性线电流波形，结合基波电流矢量和非线性放大系数，得到预测中性线电流有效值，并判断中性线是否过载；

6、过载保护控制模块，用于根据中性线过载判断结果，执行回路接入相位锁定和均载调节方案更新，结合过载状态反馈信息调整回路相位配置，并实施中性线过载保护控制。

7、进一步地，所述谐波特征分析模块，用于根据配电箱弱电网历史运行日志，提取各分回路电流波形与中性线电流波形，确定各分回路对应的谐波污染等级标签和中性线电流非线性放大系数，包括：

8、通过配电箱的弱电网历史运行日志，获取配电箱各分回路电流波形数据和中性线电流波形数据及电压谐波畸变率数据；根据获取的电流波形数据，采用快速傅里叶变换提取各回路的基波电流幅值、各次谐波电流幅值及谐波相角，并将各次谐波含有率、总谐波畸变率及谐波相角构成谐波特征向量；采用k-means聚类算法对谐波特征向量进行聚类分析，根据各聚类中心对应的总谐波畸变率和各次谐波含有率大小，对聚类结果按照污染程度进行排序，得到各回路的低污染、中污染和高污染等级标签；根据谐波特征向量及对应的中性线电流数据，结合三相基波不平衡电流有效值，计算中性线电流非线性放大系数，并将谐波特征向量和对应的中性线电流非线性放大系数存储至配电箱运行监测数据库；通过配电箱运行监测数据库，获取谐波特征向量和中性线电流非线性放大系数的历史数据，采用梯度提升决策树算法进行模型训练，构建谐波-中性线电流非线性放大预测模型；根据实时获取的三相四线制配电箱各分回路电流波形，采用快速傅里叶变换提取实时谐波特征向量，使用谐波-中性线电流非线性放大预测模型，确定当前各分回路对应的中性线电流非线性放大系数。

9、进一步地，所述有源滤波补偿模块，用于根据各分回路谐波污染等级检测结果，采集中性线电流波形、电网电压波形及各回路谐波相量数据，确定有源滤波器补偿基准相位并输出补偿电流，将各回路电流波形实时分解为基波分量和预设次数的谐波分量，包括:

10、根据各回路谐波污染等级，判断是否存在谐波污染等级高于预设等级阈值的回路，若存在，则实时获取中性线电流波形、电网电压波形以及各回路电流波形，采用同步参考坐标系锁相环获取电网电压相位，采用二阶广义积分器提取中性线电流中预设次数零序谐波分量的幅值和相位，通过电流互感器阵列获取各回路谐波相量数据，计算相位旋度指数，判断锁相环失锁风险，并确定有源滤波器补偿基准相位；根据确定的补偿基准相位，启动配电箱出线侧并联的有源滤波器；根据谐波分量幅值、相位以及基准相位，合成谐波补偿参考电流，以谐波补偿参考电流与实际输出电流的偏差作为误差信号，采用比例谐振控制算法计算有源滤波器的调制波信号，通过spwm生成驱动脉冲控制开关器件输出与中性线谐波电流相位相反的补偿电流；通过闭环反馈调整谐波补偿参考电流的幅值，当补偿后的中性线电流中预设次数谐波分量连续预设数量个工频周期均低于预设阈值时，计算补偿后的中性线电流有效值，将中性线电流有效值与断路器额定中性线电流上限值进行比较，若小于额定上限值，则判定中性线过载状态解除；通过电流互感器阵列，获取各分回路当前时刻的瞬时电流波形数据，将各回路电流波形实时分解为基波分量和预设次数的谐波分量。

11、还包括，通过电流互感器阵列获取各回路谐波相量数据，计算相位旋度指数，判断锁相环失锁风险，并确定有源滤波器补偿基准相位，具体包括：

12、通过电流互感器阵列，获取各分回路瞬时电流波形，采用快速傅里叶变换提取各分回路中相同预设次数谐波分量的幅值和相位，得到各回路馈入中性线的谐波相量数据；根据各回路谐波相量数据中的相位角，构建谐波相角分布序列，相位角以电网电压相位为基准进行归一化处理，得到各回路归一化相位角；根据归一化相位角序列，采用相位旋度指数公式，计算当前谐波相位分布的相位旋度指数pwi，其中，为第k个回路的归一化相位角，为所有回路归一化相位角的平均值，n为回路总数；若相位旋度指数小于或等于预设指数阈值，则采用同步参考坐标系锁相环实时输出的电网电压相位作为基准相位；若相位旋度指数大于预设指数阈值，则判定当前谐波相位分布存在锁相环失锁风险，通过同步参考坐标系锁相环的输出更新标志位，暂存当前锁相环输出相位，并以暂存相位作为有源滤波器谐波补偿参考电流的基准相位。

13、进一步地，所述均载优化分配模块，用于根据基波分量有效值和谐波分量有效值，得到各回路的谐波污染因子，结合负载状态及谐波矢量耦合关系确定相修正负载，并生成均载调节方案，包括:

14、根据基波分量有效值和谐波分量有效值，计算总谐波有效值，并基于总谐波有效值与基波有效值，得到各回路的谐波污染因子；根据谐波污染因子和瞬时有功功率数据，采用等效负载率计算公式，计算各回路的等效负载率，其中，为第i个回路的基波有功功率，为第i个回路的谐波有功功率，为第i个回路的谐波污染因子；通过智能断路器通信接口，获取各回路当前开关状态和最大载流量参数，采用归一化处理将等效负载率映射至预设区间，得到归一化负载率；根据各回路预设次数谐波分量的幅值和相位数据，计算配电箱回路间谐波矢量耦合因子，并确定相修正负载；根据相修正负载和各回路最大载流量，采用带约束的遗传算法，以各相修正负载方差最小且预测中性线电流有效值最小为目标函数，以各回路开关切换次数上限、相序一致性以及断路器容量约束为约束条件，构建均载调节优化模型，生成均载调节方案。

15、还包括，根据各回路预设次数谐波分量的幅值和相位数据，计算配电箱回路间谐波矢量耦合因子，并确定相修正负载，具体包括：

16、根据各回路预设次数谐波分量的幅值和相位数据，采用谐波矢量耦合因子公式，计算配电箱内任意两回路i与j之间的谐波矢量耦合因子，得到回路间谐波矢量耦合因子矩阵，其中，和分别为回路i、j在h次谐波下的电流幅值，和分别为对应的谐波电流相位；根据归一化负载率与谐波矢量耦合因子矩阵，采用相修正负载公式，确定相修正负载，其中，为回路i的归一化负载率。

17、进一步地，所述投切验证执行模块，用于基于均载调节方案调整各回路接入相位，执行暂态扰动屏蔽并采集中性线电流波形，结合基波电流矢量和非线性放大系数，得到预测中性线电流有效值，并判断中性线是否过载，包括：

18、基于均载调节方案，通过智能断路器向各回路发送投切指令，确定每个回路的接入相位；在发出投切指令的同时启动暂态扰动屏蔽机制，设定屏蔽窗口时长为预设数量个工频周期，屏蔽期间暂存中性线电流采样数据但不执行过载比较判断；通过数字信号处理器，在屏蔽窗口结束后实时采集各相电流波形，采用滑动窗口法计算中性线电流的有效值及峰值，滑动窗口长度为预设数量的工频周期；根据非线性放大系数，结合当前各相基波电流矢量和计算得到的基波不平衡电流有效值，得到预测中性线电流有效值，中性线电流有效值为基波不平衡电流有效值和非线性放大系数的乘积；将预测中性线电流有效值与断路器额定中性线电流上限值进行比较，判断中性线是否过载。

19、进一步地，所述过载保护控制模块，用于根据中性线过载判断结果，执行回路接入相位锁定和均载调节方案更新，结合过载状态反馈信息调整回路相位配置，并实施中性线过载保护控制，包括：

20、若中性线过载判断结果为未过载，则通过智能断路器锁定当前各回路的接入相位，生成均载调节方案执行完成信号；若中性线过载判断结果为过载，则剔除当前均载调节方案，并将过载判断结果及超载相序标识作为新增约束条件反馈至均载调节优化模型，重新执行均载调节优化模型求解和中性线过载验证，直至中性线过载判断结果为未过载，确定优化后的均载调节方案；若达到预设最大优化次数仍无法解除过载，则输出中性线过载告警信息，生成过载保护控制指令，将配电箱置于中性线过载保护状态，锁定当前各回路接入相位并停止执行新的均载调节操作，同时控制有源滤波器进入持续补偿模式，对中性线谐波进行实时抑制，并将当前中性线电流、各回路负载率、谐波特征向量、超载相序标识及告警时间上传至配电箱运行监测平台；当检测到中性线电流连续预设数量个工频周期低于断路器额定中性线电流上限值时，解除中性线过载保护状态，并重新启动均载调节优化模型。

21、本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

22、本发明提供一种分回路动态均载调节的配电箱配电系统。本发明通过对配电箱弱电网历史运行日志及实时运行数据进行综合分析，建立分回路谐波污染特征、中性线电流非线性变化特征与回路负载状态之间的关联关系，实现对配电箱运行状态的动态感知。通过采集各分回路电流波形、中性线电流波形及电网电压波形，提取基波分量、预设次数谐波分量及谐波相量信息，能够准确识别不同回路的谐波污染程度，并结合谐波矢量耦合关系确定回路间谐波叠加影响，实现对传统仅依据负载电流进行均载调节方式的优化。本发明通过引入谐波耦合影响下的相修正负载评价方式，结合各回路自身负载水平及回路之间谐波相互作用关系，生成动态均载调节方案，并通过智能断路器实现回路接入相位的自动调整，使配电箱三相负载分配由静态配置转变为动态优化调节。本发明通过暂态扰动屏蔽、中性线电流预测及过载状态反馈机制，实现均载调节过程中的实时安全校验，避免因回路切换暂态过程或负载突变导致误判。本发明还结合中性线过载判断结果，对均载调节方案进行闭环修正，在满足运行约束条件的情况下持续优化回路-相线分配关系，当检测到无法解除的中性线过载状态时，通过保护控制、有源滤波补偿及运行数据上传实现异常状态处理。通过本发明提供的一种分回路动态均载调节的配电箱配电系统，能够同时考虑回路负载变化和谐波耦合作用，实现配电箱内部负载状态的动态优化调节，减少三相不平衡及中性线过载风险，提高配电系统运行稳定性。