一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的方法和装置与流程

1.本发明属电力技术领域，涉及一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的方法和装置。


背景技术：

2.在常见的电能质量问题中，三相不平衡与谐波问题最为突出，引起的经济损失最大。低压配电网中由于单相负荷接入的不可控增容、用户用电时间随机性等因素，都会导致三相配电网台区电压长期处于不平衡状态。所带来供电线路损耗可高达12.8％以上，使得用户侧电压太低无法达到接入要求。这种低合格率的供电品质将严重制约未来智能电网的发展。
3.综上所述，现有技术存在以下缺点：目前国内市场上针对电能质量治理的设备只能单独治理某一类型质量问题，没有一套成系统级的综合性治理解决方案。针对解决三相负荷不均衡问题，大多国内厂家都有电力成套设备，例如南德电力公司的nad系列三相不平衡调节装置spc产品及相关智能换相开关，针对谐波问题，很多厂家的有源电力滤波器(apf)都能解决问题，但受限于容量，治理范围有限，而且价格偏高。针对电能质量问题的单一治理方案很容易出现过补偿或欠补偿的情况，无法智能调节，对于可能出现的电能质量问题无法智能预测。


技术实现要素：

4.本发明主要目的在于提出了一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的方法和装置，旨在解决三相负荷不均衡和谐波问题，保障电能的高质量输出。
5.为实现上述目的，本发明提出了一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的方法，所述方法应用于云端监控层的监控设备，包括如下步骤：
6.步骤1：接收低压配电网中动态补偿设备，智能换相设备以及智能仪表的运行状态数据；所述运行状态数据是通过网络层协议发送的；
7.步骤2：计算低压配电网中三相用电的不平衡度；
8.步骤3：根据所述不平衡度调整三相负荷，改善三相输出的电能质量；或者提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类；并可基于所述运行状态数据和所述不同分类，对低压配电网的负荷进行预测。
9.特别地，云端监控层的监控设备包括：监控主站和智能终端；动态补偿设备采用三电平半桥模块。
10.特别地，所述不平衡度包括：式中αi表示a，b，c三相中第i相的不平衡度，i
mi
为i相中的最大电流值；i
av
则为三相电力的平均值。
11.特别地，根据所述不平衡度调整三相负荷，改善三相输出的电能质量包括：当所述三相不平衡率超过设定数值时，控制终端轮检台区下开关状态，根据换相开关的运行情况，
通过控制终端对指定换相开关进行换相控制；然后根据调整后的不平衡率，对动态补偿设备发送协调补偿指令，按照容量来调整配变输出电流。
12.特别地，通过控制终端对指定换相开关进行换相控制包括将重载相负荷转移到轻载相上，实现宽范围调整线路中负荷分布。
13.特别地，提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类包括：a、提取历史数据，该历史数据包括低压配电网负荷的多个特征数据；将所述多个特征数据中的每一个作为聚类中心，遍历计算任意两个聚类中心之间的距离；b、选取距离最近的两个聚类中心，选取距离最近的两个聚类中心，将这两个聚类中心归并；c、检测聚类中心的个数，若聚类中心的个数大于预设的数据类别数，重复步骤b和步骤c，直至聚类中心的个数等于预设的数据类别数，得到数据分类所需的类别。
14.特别地，运行状态数据包括相序，幅值，相位，不平衡变化率以及设备历史切换次数和补偿率；所述不同分类包括：配电网负荷为正常，配电网负荷为待观察，或者配电网负荷为告警。
15.本发明还提出了一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的装置，包括：
16.状态数据接收模块，用于接收低压配电网中动态补偿设备，智能换相设备以及智能仪表的运行状态数据；所述运行状态数据是通过网络层协议发送的；
17.计算模块，用于计算低压配电网中三相用电的不平衡度；
18.负荷调整和聚类预测模块：用于根据所述不平衡度调整三相负荷，改善三相输出的电能质量；或者提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类；并可基于所述运行状态数据和所述不同分类，对低压配电网的负荷进行预测。
19.采用本发明的方法和装置，可产生以下技术效果：
20.1、不平衡负荷优化治理技术，功能效果：自动鉴相，分级协调补偿，使不平衡度小于5％，用户侧保持90％以上额定电压；
21.2、远程监控分析，实现状态检修，减少人力维护成本；
22.3、基于人工智能的短期负荷不平衡状态预测技术；
附图说明
23.图1为本发明提出配电网不平衡负荷的智能调节和预测的系统架构图；
24.图2a为现有技术中采用的反并联晶闸管的双向电子开关示意图；
25.图2b为现有技术中采用的辅助接触器组件的复合开关示意图；
26.图2c为本发明中采用的接入开关示意图；
27.图3为本发明中智能换相前后电压电流的波形示意图；
28.图4和图5分别为补偿设备投入前后的效果图；
29.图6为本发明中采用的短期负荷不平衡状态预测图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
31.在常见的电能质量问题中，三相不平衡与谐波问题最为突出，引起的经济损失最
大。低压配电网中由于单相负荷接入的不可控增容、用户用电时间随机性等因素，都会导致三相配电网台区电压长期处于不平衡状态。所带来供电线路损耗可高达12.8％以上，使得用户侧电压太低无法达到接入要求。这种低合格率的供电品质将严重制约未来智能电网的发展。
32.为解决上述问题，本发明提出了一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的方法，其特征在于，所述方法应用于云端监控层的监控设备，该方法包括如下步骤：步骤1：接收低压配电网中动态补偿设备，智能换相设备以及智能仪表的运行状态数据；所述运行状态数据是通过网络层协议发送的；
33.本方法中采用的系统主要分为不平衡治理设备层、网络传输层和云端监控层。设备层包括有不平衡动态补偿设备和智能换相设备以及原系统配备的智能仪表等。智能换相设备安装于台区中多个重负荷单相支路中，承担大范围调整线路中负荷分布的功能。不平衡动态补偿设备则安装于台区变压器的输出侧，具备有功电流平衡，无功补偿和谐波抑制等多种控制模式。并可根据容量随意组合各模式来小幅度调整负荷分布，从而改善台区变压器输出电能质量。
34.网络传输层通过gprs，电力载波或zigbee等通信技术，收集来自动态补偿设备，智能换相设备以及智能仪表的运行状态，负荷电气参数等数据信息，并上传至云端监控层的监控主站和智能终端。智能云端可随时监测低压配电端的负荷情况。若在某时间段内三相电流不平衡度严重，则云端将根据设备层上传的电流数据进行决策分析
35.步骤2：计算低压配电网中三相用电的不平衡度；电力系统中的低压配电网三相不平衡通常采用不平衡度来度量，其定义如下：
[0036][0037]
式中αi表示a，b，c三相中第i相的不平衡度，i
mi
为i相中的最大电流值； i
av
则为三相电力的平均值。低压复合的不对称接入是不平衡产生的根本原因，按照其表现特点可以分为以下几类:
[0038]
用户接线原因
[0039]
由于低压配电台区规划管理缺位，三相间承担的用户数量分配不均，或者各相用户用电差异性较大。此类表现为负荷大的相总是大，负荷小的相总是小，相差的比例在全天的各个时段基本没有变化。
[0040]
时段性差异
[0041]
三相负载基本平衡，晚上负荷高峰时段不平衡程度严重。或者工厂三相生产用电和单相生活用电混合的场合，白天主要是三相生产用电，相间电流较平衡，晚上生活用电高峰时段，三相电流相差很大。
[0042]
季节性差异
[0043]
由于各个季节三相生产用电和单相生活用电的比例在变化，而单相负载在三相上分配不均造成的。典型如农忙时节的灌溉、夏季空调等。
[0044]
步骤3：根据所述不平衡度调整三相负荷，改善三相输出的电能质量；或者提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类；
基于所述运行状态数据和所述不同分类，对低压配电网的负荷进行预测。
[0045]
步骤3中包括两种选择，第一种选择为根据所述不平衡度调整三相负荷，改善三相输出的电能质量包括：当所述三相不平衡率超过设定数值时，例如超过1 2％，此时必须采取紧急措施，控制终端轮检台区下开关状态，根据可控开关运行情况，通过控制终端对指定换相开关进行换相控制；然后根据调整后的不平衡率，对动态补偿设备发送协调补偿指令，按照容量来调整配变输出电流。具体换相可选择将重载相负荷转移到轻载相上，实现宽范围调整线路中负荷分布。
[0046]
本方案采用智能换相设备和动态补偿设备，实现低压三相负荷的不平衡调节：
[0047]
(a)智能换相设备
[0048]
智能换相设备通过接入换相开关的方式改变负荷接入相别，平均分配各相所承担的复合容量。传统的接入开关为机械式开关，切换时间达到1s以上，换相时会引起用户瞬时停电。因此只能应用于电压敏感度不高且功率因数较大的用户节点。
[0049]
为了提高切换时间，减小对用户供电的影响。目前市场上的接入开关主要采用反并联晶闸管的双向电子开关，或加入辅助接触器组件的复合开关，如图2(a) (b)所示。由于采用了半控型电力电子器件—晶闸管，需要额外的驱动电路。而且因为其反向特性，至少需要半个电压基波周期才能关断，因此负荷切换时间依然受到限制。
[0050]
本方案采用单向导通的二极管加辅助接触器组件的接入开关方式，如图2(c) 所示。不需要附加驱动电路，切换响应时间可以达到10ms(半个基波周期)以下，切换效果如图3所示。
[0051]
此外在配电台区相序标识混乱的问题，采用人工校对的方法出错率高且增加了额外的工作量。本方案在智能换相设备中加入自动鉴别相序的算法，自动区分接入点的电压真实相序。采用即插即用的方式，有效缩短了现场施工时间，提高操作人员工作效率。
[0052]
(b)动态补偿设备(三电平逆变器)
[0053]
不平衡负荷动态补偿设备的基本工作原理主要是通过在配网电源侧或负荷侧增设补偿装置对三相间不对称负荷进行调补，从而降低三相电流不平衡度，使三相不平衡系统被调整至三相平衡系统。其能够在不改变配网结构和运行方式下，快速有效地对三相不平衡进行抑制，并可以兼顾补偿无功和谐波的特点，因此是解决三相不平衡的有效措施。
[0054]
传统不平衡补偿设备多采用基于igbt的两电平半桥结构，该结构下的电压应力较低，输出滤波元件较大，设备体积和容量在低压台区的应用中将受到限制。
[0055]
本方案采用三电平结构作为动态补偿设备的基本拓扑，采用光伏领域出货量很大的英飞凌三电平半桥模块。器件的电压应力将减少到原来一半，因此损耗也相应减小。而且通过提升等效开关频率，输出滤波元件的体积也大为缩减。在相同成本的条件下，有效提高补偿设备容量。补偿设备投入前后的效果如图4和图5所示。
[0056]
三相不平衡负荷智能调节系统根据低压配电网接线方式、台区负荷及用户分布情况选择一定数量的单相负荷分别安装换相设备，该部分负荷作为可调节负荷。并在变压器低压侧每回出线处安装配备有控制终端的动态补偿设备，实时采集监测此回出线三相运行情况，
[0057]
根据采集的数据进行计算平衡度。当控制终端监测到三相不平衡率超过设定数值时，例如设置为超过12％，此时必须采取紧急措施，控制终端轮检一遍台区下开关状态，根
据可控开关运行情况，进行一系列的控制策略分析，如选择最优动作开关、校验是否满足时间、人工设置等动作条件以及计算调整之后三相平衡率等。满足动作条件则发出控制信号，通过控制终端对指定换相开关进行换相控制，将重载相负荷转移到轻载相上，实现宽范围调整线路中负荷分布。然后根据调整后的不平衡率对动态补偿设备发送协调补偿指令，按照容量来精细调整配变输出电流，改善三相输出的电能质量。
[0058]
步骤3中的第二种选择为：当所述三相不平衡率未超过12％，则可提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类；基于所述运行状态数据和所述不同分类，对低压配电网的负荷进行预测。提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类包括：a、提取历史数据，该历史数据包括低压配电网负荷的多个特征数据；运行状态数据包括相序，幅值，相位，不平衡变化率以及设备历史切换次数和补偿率等等；
[0059]
本实施例中采用类似分散性聚类(kmeans)的思想，将所述多个特征数据中的每一个作为聚类中心，遍历计算任意两个聚类中心之间的距离；例如可将相序，幅值，相位，不平衡变化率以及设备历史切换次数和补偿率，这六个特征作为聚类中心，任选两个计算他们之间的距离；
[0060]
b、选取具有最大相关程度即距离最近的两个聚类中心，将这两个聚类中心归并；c、检测聚类中心的个数，若聚类中心的个数大于预设的数据类别数，重复步骤b和步骤c，直至聚类中心的个数等于预设的数据类别数，得到数据分类所需的类别。根据历史数据的六个特征中其中我们可能计算得到相位、不平衡变化率两个特征相关性最高，即为距离最近的两个聚类中心，可首先将他们归并，随后找出最近的两个点分为一类，取最近的这两个点的中心点，作为一个新点代替这两个点，并作为一个聚类中心。重复步骤b和步骤c，直到获得合适的分类数；
[0061]
我们可以预先定义所述不同分类包括：配电网负荷为正常，配电网负荷为待观察，或者配电网负荷为告警，整个过程如图6所示。
[0062]
步骤4：基于所述运行状态数据和所述不同分类，对低压配电网的负荷进行预测。该步骤中根据低压配电网的运行状态数据，将其中的数据按照历史数据的聚类方式进行聚类，得到的聚类结果；即可实现当前的低压配电负荷的聚类匹配结果，例如属于正常，待观察，还是告警中的一种，即完成了预测。
[0063]
本发明还提出了一种配电网不平衡负荷的智能调节和预测的装置，包括：状态数据接收模块，用于接收低压配电网中动态补偿设备，智能换相设备以及智能仪表的运行状态数据；所述运行状态数据是通过网络层协议发送的；
[0064]
计算模块，用于计算低压配电网中三相用电的不平衡度；
[0065]
负荷调整和聚类预测模块：用于根据所述不平衡度调整三相负荷，改善三相输出的电能质量；或者提取所述低压配电网的运行状态的历史数据，对所述运行状态数据进行聚类分析，形成不同分类；并可基于所述运行状态数据和所述不同分类，对低压配电网的负荷进行预测。
[0066]
本装置与方法实施例一一对应，因此，其所能达到的有益效果可参考上文所提供的对应的方法中的有益效果，此处不再赘述。
[0067]
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的
方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0068]
在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0069]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0070]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0071]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0072]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。