一种针对三相不平衡的换相控制方法、系统及设备与流程

1.本发明涉及三相电路技术领域，尤其是一种针对三相不平衡的换相控制方法、系统及设备。


背景技术：

2.近年来，社会经济高速发展，能源需求量在现代社会越来越大，电能所具有的安全、经济、清洁、高效的特点使得其在能源的利用中有着不可替代的地位。不过，随着电力系统的不断壮大，复杂程度不断提高，尤其是分布式微电网的逐步兴起，电力系统所面临的新的问题层出不穷，对电能质量的控制难度逐渐扩大，技术上面临的挑战越来越多。其中，三相不平衡尤其是用电环节的三相电流不平衡在电能质量指标中占有重大的地位。随着电力系统的升级与改革，不管是农村还是城市的低压配电网，电力系统的用电负荷类型变得多种多样，家用电器的功率逐渐增大，这些大多数采用都是单相负荷，虽然在配线时工作人员会将所有的负荷尽可能的按照a、b、c三相均衡分配，但是由于用户的用电习惯因人而异，各种单相负荷的大量而又不定时的投入与切出使得所有负荷很难做到a、b、c三相均衡分配，这也是在低压配电台区出现三相电流不平衡问题的根本原因；另一方面,用电高峰时期具有季节性强且昼夜峰谷差较大的特点，这也是出现三相不平衡问题的重要原因。当前人工对负荷按照a、b、c三相平均分配的做法很浪费人力物力财力，部分地区采用智能换相开关，这可以很好地减少人力的消耗，提高效率，但由于换相开关的开断都是远程进行操控，开关的使用寿命是一个需要考虑的问题，若配电网中三相不平衡问题发生时，换相开关立即进行换相操作，这势必会大大减小换相开关的使用寿命。
3.综上，相关技术存在的问题亟需得到解决。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种更加智能化，比企鹅能够有效提高换相开关寿命的针对三相不平衡的控制方法；与此同时，本技术技术方案还提供能够对应实现该方法的系统及设备。
5.一方面，本技术技术方案提供了一种针对三相不平衡的换相控制方法，方法包括以下步骤：
6.获取开关的初始安装状态，根据所述初始安装状态确定所述开关当前的连接状态；
7.获取用电线路中的电流数据，结合所述连接状态确定三相电流不平衡度；
8.确定所述三相电流不平衡度超过预设阈值，且不平衡延时时间大于第一预设周期，构建换相次数的适应度函数；
9.确定所述适应度函数中适应度最高的最优解，根据所述最优解确定所述换相次数；
10.根据所述换相次数对所述用电线路进行换相。
11.在本技术方案的一种可行的实施例中，在根据所述换相次数对所述用电线路进行换相这一步骤之后，所述控制方法还包括以下步骤：
12.对进行换相处理后的用电线路进行电压电流检测，确定所述三相电流不平衡度不超过预设阈值，且不平衡延时时间不大于第二预设周期，结束换相控制。
13.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述获取开关的初始安装状态，根据所述初始安装状态确定所述开关当前的连接状态这一步骤包括：
14.对开关的初始安装状态以及所述连接状态进行标准化处理；
15.根据标准化处理的结果构建得到连接状态矩阵，所述连接状态矩阵中的元素用于描述开关的连接状态或闭合状态。
16.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述根据所述换相次数对所述用电线路进行换相包括以下步骤至少之一：
17.控制第一igbt与第二igbt构成反向串联电路，通过所述反向串联电路对所述用电线路进行关断操作；
18.控制第一igbt与第二igbt构成单向电流通路，通过所述单向电流通路对所述用电线路进行接通操作。
19.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述确定所述适应度函数中适应度最高的最优解，根据所述最优解确定所述换相次数这一步骤，包括：
20.在所述适应度函数的解空间中确定若干个种群个体；
21.根据所述种群个体以及缩放因子计算得到变异个体；
22.确定所述适应度函数的目标解个体，将所述变异个体与所述目标解个体进行参数混合，得到交叉个体；
23.通过所述交叉个体迭代替换所述种群个体，得到所述适应度函数的所述最优解。
24.在本技术方案的一种可行的实施例中，确定所述适应度函数的目标解个体，将所述变异个体与所述目标解个体进行参数混合，得到交叉个体；
25.根据交叉概率对所述变异个体与所述目标解个体进行参数混合；
26.所述交叉概率的生成过程包括以下步骤：
27.根据预设的交叉概率上下限、所述种群个体中适应度的最小值以及所述种群个体中适应度的最大值计算得到所述交叉概率。
28.另一方面，本技术技术方案还提供了一种针对三相不平衡的换相控制系统，包括：
29.数据采集模块，用于获取开关的初始安装状态，根据所述初始安装状态确定所述开关当前的连接状态；以及获取用电线路中的电流数据，结合所述连接状态确定三相电流不平衡度；
30.数据处理模块，用于确定所述三相电流不平衡度超过预设阈值，且不平衡延时时间大于第一预设周期，构建换相次数的适应度函数；确定所述适应度函数中适应度最高的最优解，根据所述最优解确定所述换相次数；
31.换相执行模块，用于根据所述换相次数对所述用电线路进行换相。
32.在本技术方案的一种可行的实施例中，控制系统中所述换相执行模块包括第一igbt、第二igbt以及继电器；
33.所述第一igbt的集电极连接至所述继电器的一端，所述第一igbt的发射极连接至
所述第二igbt的发射极，所述第二igbt的集电极连接至所述继电器的另一端。
34.另一方面，本发明的技术方案还提供一种针对三相不平衡的换相控制设备，控制设备内置有如第二方面所述的任意一种针对三相不平衡的换相控制系统。
35.本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：
36.本技术的技术方案针对当前配电网三相不平衡问题普遍存在以及换相开关使用寿命较短的问题，提出一种新的换相控制方法，方法首先根据用电线路中换相开关的连接状态，以及线路中的电流数据，确定了三相电流的不平衡度，并且对平衡度进行数值以及延时时长的判断，当数值和延时时长均满足进行换相的条件时，通过适应度函数的最优解确定换相次数并进行换相操作；从而能够在解决三相不平衡问题的同时，尽可能地减少换相开关的动作次数，延长换相开关的使用寿命。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
38.图1是本发明实施例中提供的一种针对三相不平衡的控制方法的步骤流程图；
39.图2是本发明实施例中提供的另一种针对三相不平衡的控制方法的步骤流程图；
40.图3是本发明实施例中提供的换相执行模块的电路原理提；
41.图4是本发明实施例中提供的一种针对三相不平衡的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
42.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
43.针对当前配电网三相不平衡问题普遍存在以及换相开关使用寿命较短的问题，为此，在治理配电网三相不平衡问题上，本技术的技术方案从三相不平衡度和换相次数两个方面进行综合考虑，在满足配电网正常稳定运行的条件下，尽可能地使换相次数减少。在一方面，如图1所示，本技术技术方案提出了一种针对三相不平衡的换相控制方法的实施例，实施例方法包括步骤s100-s500：
44.s100：获取开关的初始安装状态，根据所述初始安装状态确定所述开关当前的连接状态；
45.具体在实施例中，首先对换相开关的开关位置进行初始化，模拟初始开关安装状态，并确定开关的初始状态。然后，在基于初始开关安装状态对当前开关状态进行定义，可以通过矩阵来确定开关与a、b、c中的哪一相相连。
46.在一些可选择的实施例中，在通过矩阵的方式对开关进行描述的情况下，获取开
关的初始安装状态，根据初始安装状态确定开关当前的连接状态这一步骤s100，可以包括步骤s110-s120：
47.s110：对开关的初始安装状态以及连接状态进行标准化处理；
48.具体在实施例中，可以采用0和1的方式来描述开关的断开状态或者连接状态；其中，用0表示开关断开，用1表示开关连接。
49.s120：根据标准化处理的结果构建得到连接状态矩阵；
50.如图2所示，连接状态矩阵中的元素用于描述开关的连接状态或闭合状态。具体在实施例中，连接状态矩阵表示为[1,0,0]，则表示换相开关与a相相连；若矩阵表示为[0,1,0]，则表示换相开关与b相相连；若矩阵表示为[0,0,1]，则表示换相开关与c相相连；若矩阵表示为[0,0,0]，则表示换相开关损坏。
[0051]
s200：获取用电线路中的电流数据，结合连接状态确定三相电流不平衡度；
[0052]
具体在实施例中，通过在用电线路中设置的电流/电压传感器每隔一段时间将采集到的数据上传至云端服务器，云端服务器对采集到的数据进行分析处理，得到用电线路中三相电流不平衡度。
[0053]
s300：确定三相电流不平衡度超过预设阈值，且不平衡延时时间大于第一预设周期，构建换相次数的适应度函数；
[0054]
具体在实施例中，云端服务器发现线路中三相不平衡度已经超过电网所设定的阈值5％时，云端服务器打开计时器功能，同时继续监测线路中的电压电流数值，若不平衡度在30分钟内降低到阈值之内，则换相开关不进行动作；若不平衡度在30分钟之后仍然高于阈值，此时云端服务器对换相开关发出换相指令，进行换相操作。
[0055]
s400：确定适应度函数中适应度最高的最优解，根据最优解确定换相次数；
[0056]
具体在实施例中，方法所采用的换相算法为差分进化算法，首先进行适应度函数的求解，由于本专利所考虑的为不平衡度以及换相次；因此，实施例中所确定的适应度函数为：
[0057]
minw＝min(ε
i/u
∑k)
[0058]
其中，w为适应度值，ε
i/u
表示表示为电流/电压的不平衡度，∑k表示表示换相次数。在确定了适应度函数之后，差分进化算法通过对开关变换次数进行寻优，得到目标函数的最优解，并根据最优解进行换相。
[0059]
在一些可以选择的实施例中，方法确定适应度函数中适应度最高的最优解，根据最优解确定换相次数这一步骤s400，可以包括步骤s410-s440：
[0060]
s410、在适应度函数的解空间中确定若干个种群个体；
[0061]
具体在实施例中，在解空间内随机均匀的产生m个个体。每个个体是一个n为向量：
[0062]
xi(0)＝x
i,1
(0) x
i,2
(0)
…
x
i,n
(0)；i＝1,2,3,
…
,m
[0063]
其中，xi(0)表示第0代的第i个个体，x
i,j
(0)表示第0代第i个个体的第j个基因。需要说明的是每个个体代表解空间内的某一个解，而基因代表解的各个分量。
[0064]
s420、根据种群个体以及缩放因子计算得到变异个体；
[0065]
具体在实施例中，对于在第g次迭代中，对于个体生成一个中间向量hi(g)，从种群中随机选择三个个体x
p1
(g)，x
p2
(g)以及x
p3
(g)，且p1、p2以及p3，则有：
[0066]hi
(g)＝x
p1
(g) f
×
(x
p2
(g)-x
p3
(g))
[0067]
其中，δ
p2,p3
(g)＝x
p2
(g)-x
p3
(g)是差分向量；f ff是缩放引子，用于控制差分向量的影响力。
[0068]
s430、确定适应度函数的目标解个体，将变异个体与目标解个体进行参数混合，得到交叉个体；
[0069]
具体在实施例中，在第g次迭代中，对于每个个体和它所生成的一号中间向量进行交叉，具体的说就是对每一个等位基因(分量)按照一定的概率选择一号中间向量(否则就是原向量)来生成二号中间向量vi(g)，vi(g)的每一个分量按照如下：
[0070][0071]
其中，cr为交叉概率且cr∈[0,1]。
[0072]
在实施例中，方法是根据交叉概率对变异个体与目标解个体进行参数混合，进而实施例步骤s430中交叉概率的生成过程可以进行自适应调整，可以包括步骤s431：
[0073]
s431、根据预设的交叉概率上下限、种群个体中适应度的最小值以及种群个体中适应度的最大值计算得到交叉概率；
[0074]
具体在实施例中，cr的自适应调整过程参照如下公式：
[0075][0076]
其中，fi是个体xi的适应度，f
min
和f
max
分别是当前种群中最差和最优个体的适应度，是当前种群适应度平均值，cr
l
和cru分别是cr的下限和上限。
[0077]
s440、通过交叉个体迭代替换种群个体，得到适应度函数的最优解；
[0078]
具体在实施例中，根据适应度函数的值从第g次迭代中每个个体的二号中间向量vi(g)和原向量xi(g)中选择出适应度更高的作为下一代。实施例中，在基于适应度对种群进行选择(迭代替换)的过程中，选择算子操作有如下性质：其一，对于每个个体xi(g 1)一定要优于xi(g)；其二，差分进化最终肯定会收敛到某个最优点；其三，变异、交叉操作有助于跳出局部最优到达全局最优。
[0079]
s500：根据换相次数对用电线路进行换相；
[0080]
具体在实施例中，根据步骤s400多得到最优解，对用电线路中的开关进行换相操作。并且在一些可以选择的实施例中，步骤s500可以包括步骤s510或者s520：
[0081]
s510、控制第一igbt与第二igbt构成反向串联电路，通过反向串联电路对用电线路进行关断操作；
[0082]
s520、控制第一igbt与第二igbt构成单向电流通路，通过单向电流通路对用电线路进行接通操作。
[0083]
如图3所示，在实施例中每相的换相执行元件可以由一对反向串联的igbt与继电器并联组成，在换相过程中,参与的器件为每一相的igbt对:由igbt与二极管配合完成导通操作,图中路径
①
和
②
分别表示交流电的正向和反向导通；在igbt的关断触发信号的基础上由两个二极管的反向串联完成关断操作。
[0084]
在一些可以选择的实施例中，方法在步骤s500之后，还可以包括步骤s600：
[0085]
s600：对进行换相处理后的用电线路进行电压电流检测，确定三相电流不平衡度不超过预设阈值，且不平衡延时时间不大于第二预设周期，结束换相控制；
[0086]
具体在实施例中，在步骤s500的换相操作结束之后，云端服务器继续对该线路进行10分钟的持续电压电流监测，若在10分钟内不平衡度超过阈值，则立刻进行换相操作，若10分钟内不平衡没有超过阈值，则整个换相流程结束。
[0087]
第二方面，如图4所示，本技术的技术方案还提供了一种针对三相不平衡的换相控制系统，该系统包括：
[0088]
数据采集模块，用于获取开关的初始安装状态，根据初始安装状态确定开关当前的连接状态；以及获取用电线路中的电流数据，结合连接状态确定三相电流不平衡度；
[0089]
数据处理模块，用于确定三相电流不平衡度超过预设阈值，且不平衡延时时间大于第一预设周期，构建换相次数的适应度函数；确定适应度函数中适应度最高的最优解，根据最优解确定换相次数；
[0090]
换相执行模块，用于根据换相次数对用电线路进行换相。
[0091]
在一些可以选择的实施例中，如图3所示，系统还包括后台控制中心，用于对进行换相处理后的用电线路进行电压电流检测，确定三相电流不平衡度不超过预设阈值，且不平衡延时时间不大于第二预设周期，结束换相控制。
[0092]
在一些可以选择的实施例中，换相执行模块包括第一igbt、第二igbt以及继电器；如图3所示，第一igbt的集电极连接至继电器km的一端，第一igbt的发射极连接至第二igbt的发射极，第二igbt的集电极连接至继电器km的另一端。
[0093]
第三方面，本技术的技术方案还提供一种针对三相不平衡的换相控制设备，控制设备内置有如第二方面所描述的任意一种针对三相不平衡的换相控制系统。
[0094]
从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：
[0095]
1.本技术的技术方案换中相执行元件所采用的igbt相较于其他电力电子器件具有开关速度快，运行稳定等特点，且控制其开通关断简单；
[0096]
2.本技术的技术方案在控制初期，为了尽可能地减少换相开关的动作次数，设定相应的限制条件；在一次换相结束之后再次对线路中的电压电流数据进行监测，目的是为了使三相不平衡度达到所设定的阈值范围内，从而保证电网的稳定运行。
[0097]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0098]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技
术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0099]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
[0100]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0101]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0102]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。