三相不平衡控制方法及系统与流程

1.本发明涉及配电网技术领域，具体地涉及一种三相不平衡控制方法及一种三相不平衡控制系统。


背景技术：

2.在现有场景下，国内配电网选择的供电方式主要是三相四线制。但是，对于城市的用户，超过90％的负荷都是单相负荷，所以若某一相负荷快速增加或者减小时，都会增加配电网三相不平衡，另外随着光伏发电的不断推广，越来越多的光伏电源将接入配电网，使得配电网由无源网络转化为有源网络。导致原配电网潮流发生改变，进而影响配电网各个节点电流和电压向量。一旦三相不平衡程度加大，又会危害配电网的相关设备，轻微的不平衡会增加损耗但不会对系统产生危害，但是严重的不平衡会增大变压器的损耗，导致变压器励磁电流增大，严重的时候可能会损坏变压器,同时也会危害用户和商户的设备，造成很大的经济损失。
3.针对人工换相带来的不足与安全隐患，近年来，国内已研究并应用了电容型三相负荷自动调节装置和电力电子型三相负荷自动调节装置。虽然这些三相负荷自动调节装置在一定程度上解决了三相不平衡的问题，但随着三相不平衡问题的逐渐加深，持续时间逐渐加长，这些调节装置的调节能力便无法满足需求。


技术实现要素：

4.本发明实施方式的目的是提供一种三相不平衡控制方法及一种三相不平衡控制系统，以至少解决现有三相不平衡控制方法无法满足发展需求的问题。
5.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种三相不平衡控制方法，所述方法包括：采集配电网各分支节点的电气量信息，获得当前配电网的电气量信息集；基于所述电气量信息集确定当前配电网的三相不平衡状态；基于所述三相不平衡状态确定对应的三相不平衡调节规则，采用所确定的三相不平衡调节规则进行对应分支节点的相序调整。
6.可选的，分支节点的电气量信息至少包括：分支节点所处相位、对应相的电压信号、对应相的电流信号中的一种或多种。
7.可选的，基于所述电气量信息集确定当前配电网的三相不平衡状态，包括：根据所述电气量信息集，获得各相的电流值、电压值、三相电流平均值和三相电压平均值；根据预设平衡度计算规则，分别计算各相的电流平衡度和电压平衡度；基于各相的电流平衡度计算值、电压平衡度计算值、电流平衡度标准值和电压平衡度标准值，确定当前配电网的三相不平衡状态。
8.可选的，所述预设平衡度计算规则包括：三相电流平衡度计算规则和三相电压平衡度计算规则。
9.可选的，所述三相电流平衡度计算规则为：
[0010][0011]
其中，l
x
为三相的电流平衡度；i
x
为x相的电流值；i为三相电流平均值。
[0012]
可选的，所述三相电压平衡度计算规则为：
[0013][0014]
其中，x为a相或b相或c相；v
x
为三相的电压平衡度；u
x
为x相的电压值；u为三相电压平均值。
[0015]
可选的，所述基于所述三相不平衡状态确定对应的三相不平衡调节规则，包括：
[0016]
若各相的电流平衡度计算值与对应的电流平衡度标准值之间的差值绝对值小于预设电流平衡差值阈值，且各相的电压平衡度计算值与对应的电压平衡度标准值之间的差值绝对值小于预设电压平衡差值阈值，则判定当前三相平衡状态符合标准，不执行三相不平衡调节；
[0017]
可选的，所述基于所述三相不平衡状态确定对应的三相不平衡调节规则，还包括：若各相的电流平衡度计算值与对应的电流平衡度标准值之间的差值绝对值大于预设电流平衡差值阈值，或各相的电压平衡度计算值与对应的电压平衡度标准值之间的差值绝对值大于预设电压平衡差值阈值，则判定当前三相平衡状态不符合标准，基于对应分支节点的历史运行信息判断当前不平衡状态的持续时间状态，基于所述持续时间状态确定对应的三相不平衡调节规则。
[0018]
可选的，所述持续时间状态包括：短期随机不平衡状态和长时间规律不平衡状态；所述基于历史运行信息判断当前不平衡状态的持续时间状态，包括：对比当前各分支节点的电气量信息和所述历史运行信息，基于对比结果判定当前不平衡状态为短期随机不平衡状态或长时间规律不平衡状态。
[0019]
可选的，所述基于对比结果判定当前不平衡状态为短期随机不平衡状态或长时间规律不平衡状态，包括：若不存在与所述历史运行信息匹配的分支节点的电气量信息，则在预设采集时间范围内持续采集对应分支节点的电气量信息，在每一次完成采集后均计算一次三相不平衡状态，若在所述预设采集时间范围内的计算结果均为三相不平衡状态，则判定所述持续时间状态为长时间规律不平衡状态，否则为短期随机不平衡状态；
[0020]
可选的，所述基于对比结果判定当前不平衡状态为短期随机不平衡状态或长时间规律不平衡状态，还包括：若存在与所述历史运行信息匹配的分支节点的电气量信息，则基于该匹配的历史运行信息判断该分支节点的持续用电时间，若所述持续用电时间大于预设持续时间阈值，则判定所述持续时间状态为长时间规律不平衡状态，否则为短期随机不平衡状态。
[0021]
可选的，所述基于所述持续时间状态确定对应的三相不平衡调节规则，包括：若判定所述持续时间状态为短期随机不平衡状态，则通过预设的三相不平衡调节装置进行对应分支节点的相序自动调整；若判定所述持续时间状态为长时间规律不平衡状态，则根据预设换相调节算法生成对应的换相规则，该换相规则为对应换相开关在三相之间的投切规则。
[0022]
可选的，所述根据预设换相调节算法生成对应的换相规则，包括：基于多层次分类规则和多目标函数规则确定对应的换相调节算法；针对每一分支节点，根据预设固定时间范围内该分支节点的电气量信息确定该分支节点的电气量信息样本序列；根据所述电气量信息样本序列确定对应分支节点的样本均值和样本序列标准差；根据所述样本均值、所述样本序列标准差和中心极限定理，将所述电气量信息样本序列划分为多组；其中，划分获得的多组信息中至少包括无法参与换相动作的换相开关样本组；基于分组结果和预设多目标函数确定换相规则。
[0023]
可选的，所述预设多目标函数为：
[0024]
c＝{l
max
,nk,t
max
,tz}
[0025]
其中，l
max
为三相最大电流不平衡度；nk为需要调节的换相开关的数量；t
max
为换相一周期内单一换相开关的最大动作次数；tz为换相一周期内所有换相开关动作次数总和。
[0026]
可选的，所述基于分组结果和预设多目标函数确定换相规则，还包括：引入预设权重函数，将所述预设多目标函数转换为单目标函数；基于用户需求确定对应的参考项，进行换相规则确定。
[0027]
可选的，所述单目标函数为：
[0028]
h＝[w
l
,wn,w
t
,w
tz
]
[0029]
其中，w
l
为三相最大电流不平衡度参考项；wn为需要调节的换相开关的数量参考项；w
t
为换相一周期内单一换相开关的最大动作次数参考项；w
tz
为换相一周期内所有换相开关动作次数总和参考项。
[0030]
本发明第二方面提供一种三相不平衡控制系统，所述系统包括：采集单元，用于采集配电网各分支节点的电气量信息，获得当前配电网的电气量信息集；处理单元，用于基于所述电气量信息集确定当前配电网的三相不平衡状态，基于所述三相不平衡状态确定对应的三相不平衡调节规则；执行单元，用于采用所确定的三相不平衡调节规则进行对应分支节点的相序调整。
[0031]
可选的，所述执行单元为换相开关；所述换相开关设置在配电网各分支节点处，用于根据所述三相不平衡调节规则在过零点进行换相投切操作。
[0032]
另一方面，本发明提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的三相不平衡控制方法。
[0033]
通过上述技术方案，针对随机性的短时期三相不平衡，通过三相不平衡调节装置进行补偿，针对规律性长时间的三相不平衡，通过智能控制终端与分布式换相开关的配合，实现对三相负荷的调节，从而有效改善变压器的工作状态及供电质量。
[0034]
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0035]
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
[0036]
图1是本发明一种实施方式提供的三相不平衡控制方法的步骤流程图；
[0037]
图2是本发明一种实施方式提供的三相不平衡控制系统的系统结构图；
[0038]
图3是本发明一种实施方式提供的三相不平衡控制系统的功能示意图；
[0039]
图4是本发明一种实施方式提供的智能控制终端的结构示意图；
[0040]
图5是本发明一种实施方式提供的分布式智能开关的结构示意图；
[0041]
图6是本发明一种实施方式提供的三相不平衡控制方法的执行流程图。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0043]
在现有场景下，国内配电网选择的供电方式主要是三相四线制。但是，对于城市的用户，超过90％的负荷都是单相负荷，所以若某一相负荷快速增加或者减小时，都会增加配电网三相不平衡，另外随着光伏发电的不断推广，越来越多的光伏电源将接入配电网，使得配电网由无源网络转化为有源网络。导致原配电网潮流发生改变，进而影响配电网各个节点电流和电压向量。一旦三相不平衡程度加大，又会危害配电网的相关设备，轻微的不平衡会增加损耗但不会对系统产生危害，但是严重的不平衡会增大变压器的损耗，导致变压器励磁电流增大，严重的时候可能会损坏变压器,同时也会危害用户和商户的设备，造成很大的经济损失。
[0044]
伴随着用户用电的波动性以及负荷的随机性，单相大功率负荷不定时投入，配电线路中的单相负荷呈现出明显的波动性和随机性，在绝大多数时间内，配电线路的三相负荷发生不平衡现象，导致三相电流甚至三相电压的不平衡，当不平衡度高于标准要求时，会给配电系统带来很多危害。
[0045]
针对人工换相带来的不足与安全隐患，近年来，国内已研究并应用了电容型三相负荷自动调节装置和电力电子型三相负荷自动调节装置。虽然这些三相负荷自动调节装置在一定程度上解决了三相不平衡的问题，但随着三相不平衡问题的逐渐加深，持续时间逐渐加长，这些调节装置的调节能力便无法满足需求。除了设置这些自动调节装置，还有很多学者研究了低压配电网重构法降低三相不平衡，提高电能质量，但是国内城区新建的配电网普遍采用地下电缆供电，还存在之前搭建的架空配电线路，网络结构复杂，而且配电网的结构也比较多变，给低压配电网的重构带来很大难度和复杂性。
[0046]
基于上述现有三相不平衡调节方法存在的弊端，本发明方案提出了一种新的三相不平衡控制方法，针对随机性的短时期三相不平衡，通过三相不平衡调节装置进行补偿，针对规律性长时间的三相不平衡，通过智能控制终端与分布式换相开关的配合，实现对三相负荷的调节，从而有效改善变压器的工作状态及供电质量。
[0047]
图2是本发明一种实施方式提供的三相不平衡控制系统的系统结构图。如图2所示，本发明实施方式提供一种三相不平衡控制系统，所述系统包括：采集单元，用于采集配电网各分支节点的电气量信息，获得当前配电网的电气量信息集；处理单元，用于基于所述电气量信息集确定当前配电网的三相不平衡状态，基于所述三相不平衡状态确定对应的三相不平衡调节规则；执行单元，用于采用所确定的三相不平衡调节规则进行对应分支节点的相序调整。
[0048]
优选的，所述执行单元为换相开关；所述换相开关设置在配电网各分支节点处，用于根据所述三相不平衡调节规则在过零点进行换相投切操作。
[0049]
在一种可能的实施方式中，设置对应的三相不平衡控制系统，如图3，将采集单元设置在智能开关中，智能控制终端作为处理单元使用，对应存在两种三相不平衡工作模式，即针对随机性的短时期三相不平衡，通过三相不平衡调节装置进行补偿，针对规律性长时间的三相不平衡，通过智能控制终端与分布式换相开关的配合，实现对三相负荷的调节。
[0050]
对应的，在一种可能的实施方式中，上述智能控制终端的结构如图4所示，包括：mpu、多目标函数算法模块、储存模块、变压器监测模块、输出控制模块、通信模块、电源模块。储存模块与mcu相连以用于储存监测数据。多目标函数算法模块可烧写上述用于不平衡计算以及开关选择和控制输出的算法程序，并具有升级功能。mcu调用多目标函数算法模块程序，对变压器监测模块的数据以及分布式智能单元采集的数据进行分析计算。
[0051]
对应的，在一种可能的实施方式中，上述智能开关的结构如图5所示，包括mcu、采样模块、开关状态采集模块、故障报警模块、电源模块以及通讯模块等。其中采样模块是主要的输入环节，包括电流电压值、数据转换。状态采集模块包括开关状态信号。故障报警模块实时监测电能质量，当采集信号超过标准范围值时，发出故障报警信号，并上传智能控制终端。通讯模块支持有线与无线传输方式，与mcu相连以用于传输监控数据，包括本地通信rs232接口、rs485接口和电力线载波通信以及远程通信的gprs模块，实现与控制终端通信。
[0052]
图1是本发明一种实施方式提供的三相不平衡控制方法的方法流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种三相不平衡控制方法，所述方法包括：
[0053]
步骤s10：采集配电网各分支节点的电气量信息，获得当前配电网的电气量信息集。
[0054]
具体的，本发明方案的主要的原理是，首先通过分布式智能开关采集配电网各处的电气量信息，包括各个分支的所处相位，对应相的电压电流信号，将信息通过通信网络上传到控制部分，同时智能控制终端监测变压器状态，计算三相不平衡度是否满足要求，同时判断三相不平衡度是短期随机事件还是长时间规律情况，如果短时间不平衡，投入三相不平衡调节装置，如果超过了三相不平衡调节装置投入运行时间，则采用对换相开关进行选择控制，改变负荷的分配从而解决三相不平衡问题。实现对电网进行自动采样、运算、通信，并通过预设的智能换相策略，得出配电网最优换相方案，通过开关自动相序切换，最终实现电网的三相平衡。
[0055]
基于上述，可知，想要实现后续的三相智能切换，需要准确获知当前配电网的工作状态，以判断其是否需要调整以及如何制定调整方案。基于此，在每个分支节点位置均设置对应的采集模块，该采集模块在预设的采集时刻间隔下持续进行对应分支节点电气量信息采集。因为每一个采集模块采集的是单个分支节点的电气量信息，其仅作为对应分相的一个分支，本发明方案是进行三相之间的不平衡调整，所以需要获取的是每一项的电气量信息。所以，整合每一相上每一个分支节点的电气量信息，将其作为该项的电气量信息。所以，整合所有分支节点的电气量信息，获得当前配电网的电气量信息集。优选的，电气量信息至少包括：对应分支节点所处相位、对应相的电压信号、对应相的电流信号中的一种或多种。
[0056]
步骤s20：基于所述电气量信息集确定当前配电网的三相不平衡状态。
[0057]
具体的，上述已知，本发明方案需要根据配电网的三相不平衡状态确定对应的调整规则。所以首先需要判断当前配电网是否处于三相不平衡状态，然后在确定为不平衡状态时进一步确认当前三相不平衡状态为短期随机不平衡状态还是长时间规律不平衡状态。
只有确定不同的不平衡状态结果，才可以基于不同的状态进行调整规则确定。
[0058]
优选的，根据所述电气量信息集获得各相的电流值、电压值、三相电流平均值和三相电压平均值；根据预设平衡度计算规则分别计算各相的电流平衡度和电压平衡度；基于电流平衡度计算值、电压平衡度计算值、电流平衡度标准值和电压平衡度标准值确定当前配电网的三相不平衡状态。
[0059]
其中，预设平衡度计算规则为：
[0060][0061][0062]
其中，x＝a相或b相或c相；l
x
为三相的电流平衡度；v
x
为三相的电压平衡度；i
x
为x相的电流值；i为三相电流平均值；u
x
为x相的电压值；u为三相电压平均值。获得三相不平衡状态值计算后，对比该状态值和预设标准状态值，判断其是否需要进行调整，其具体对比规则为：
[0063]
若各相的电流平衡度计算值与对应的电流平衡度标准值之间的差值绝对值小于预设电流平衡差值阈值，且各相的电压平衡度计算值与对应的电压平衡度标准值之间的差值绝对值小于预设电压平衡差值阈值，则判定当前三相平衡状态符合标准，不执行三相不平衡调节；
[0064]
若各相的电流平衡度计算值与对应的电流平衡度标准值之间的差值绝对值大于预设电流平衡差值阈值，或各相的电压平衡度计算值与对应的电压平衡度标准值之间的差值绝对值大于预设电压平衡差值阈值，则判定当前三相平衡状态不符合标准，则基于对应分支节点的历史运行信息判断当前不平衡状态的持续时间状态，基于所述持续时间状态确定对应的三相不平衡调节规则。
[0065]
进一步的，除了判断当前配电网是否处于三相不平衡状态以外，还需要在认定为三相不平衡状态后判断其具体的持续时间状态。优选的，持续时间状态，包括：短期随机不平衡状态和长时间规律不平衡状态。其中，短期随机不平衡状态为突然接入电网，且在电网中运行持续时间较短的负载造成的三相不平衡。而长时间规律不平衡状态为存在一定的接入规律，且单次运行时间较长的负载造成的三相不平衡。其具体对比规则为：
[0066]
对比当前各分支节点的电气量信息和所述历史运行信息，若不存在与所述历史运行信息匹配的分支节点的电气量信息，则在预设采集时间范围内持续采集对应分支节点的电气量信息，然后在每一次完成采集后均计算一次三相不平衡状态：
[0067]
若在所述预设采集时间范围内的计算结果均为三相不平衡状态，则判定所述持续时间状态为长时间规律不平衡状态，否则为短期随机不平衡状态；
[0068]
若存在与所述历史运行信息匹配的分支节点的电气量信息，则基于该匹配的历史运行信息判断该分支节点的持续用电时间，若持续用电时间大于预设持续时间阈值，则判定所述持续时间状态为长时间规律不平衡状态，否则为短期随机不平衡状态。
[0069]
步骤s30：基于所述三相不平衡状态确定对应的三相不平衡调节规则，并基于所述三相不平衡调节规则进行对应分支节点的相序调整。
[0070]
具体的，针对不同的持续时间状态确定对应的三相不平衡调节规则，若当前持续时间状态为短期随机不平衡状态，则通过预设的三相不平衡调节装置进行对应分支节点的相序自动调整，若当前持续时间状态为长时间规律不平衡状态，则根据预设换相调节算法生成对应的换相规则，该换相规则为对应换相开关在三相之间的投切规则。
[0071]
在另一种可能的实施方式中，除了持续时间状态为长时间规律不平衡状态通过换相调节算法生成对应的换相规则以外，为了保证换相的有效操作，当不平衡状态值与预设标准平衡状态值之间的差值绝对值大于上限阈值时，则判定当前不平衡状态的程度过深。即使在这种状态下为短期随机不平衡状态，但其三相调节范围也超出了常规三相不平衡调节装置的调节范围，所以依旧需要采用的通过换相调节算法生成对应的换相规则的方法。
[0072]
在目前的通过智能算法进行状态调整的方法中，主要采用遍历搜索的方式，其效率较低，而且对于多种性能要求无法实现动态调整。本发明方案考虑各种实际运行情况，基于多层次分类，多目标函数的方式，提出换相模型的智能算法。具体的：
[0073]
首先，设某一相的某节点原始样本序列为{i1,i2，...,in}，此为在一段时间内某节点的电流采集值，然后利用样本均值和标准差可以对样本状态进行划分，首先计算得到样本均值，其计算规则为：
[0074][0075]
然后计算得到样本序列标准差，其计算规则为：
[0076][0077]
根据所述样本均值、所述样本序列标准差和中心极限定理将所述电气量信息样本序列划分为多组，其划分规则为：
[0078][0079]
优选的，在本发明实施例中，根据样本序列的均值和标准差可以将样本序列划分为5组，具体分组情况为：
[0080][0081]
本发明方案以样本均值和标准差作为划分依据，从统计学的角度对样本序列进行状态划分，实现了对不同开关承载的电力参数物理量的多层次划分，可以有效排除无法参与换相动作开关的样本数量，提高换相对象的精准快速选择效率。基于其中不同投切次数、是否能投切开关的数量进行分组，用于区分是否能投切和投切难度划分，以便于后续采取投切难度最小，获得收益更大的规律进行规则制定。
[0082]
在对开关状态的分类基础上，提出最优控制方法进行换相控制，其中多目标函数c描述为：
[0083]
c＝{l
max
,nk,t
max
,tz}
[0084]
其中，l
max
为三相最大电流不平衡度；nk为需要调节的换相开关的数量；t
max
为换相
一周期内单一换相开关的最大动作次数；tz为换相一周期内所有换相开关动作次数总和。基于该函数规则，可以指定同一的规则生成方法，即进行系统的投切制定。
[0085]
为了进一步提高运算效率，保证调整方案的及时生成，将一个多目标函数的内容转变为单目标函数具有显著的意义，办发明方案引入新的权重函数，将所述预设多目标函数转换为单目标函数，然后基于用户需求，确定对应的参考项，进行换相规则确定。其中，该单目标函数为：
[0086]
h＝[w
l
,wn,w
t
,w
tz
]
[0087]
其中，w
l
为三相最大电流不平衡度参考项；wn为需要调节的换相开关的数量参考项；w
t
为换相一周期内单一换相开关的最大动作次数参考项；w
tz
为换相一周期内所有换相开关动作次数总和参考项。例如，用户想要最少的投切次数，则选择参考项为w
t
，然后在满足需求的前提下，系统筛选出投切次数最小的方案作为最优方案，依次类推，获得用户需求的最佳投切方案。
[0088]
上述方案是基于各分支节点的电流值进行最优方案确定，但基于各分支节点的电压值同样可以达到相同的技术效果，所以上述举例并不限定本发明方案的具体实施方案。
[0089]
获得三相不平衡调节规则后，处理单元将该调整规则发送到对应的换相开关处，对应的换相开关基于该调整规则执行投切操作，为了避免对用户负载造成使用影响。优选的，换相开关在接受到调整规则后，在相邻的下一个过零点执行换相操作，既保证了换相操作的有效执行，还不会对用户使用体验造成影响。
[0090]
在一种可能的实施方式中，对应在某电网系统中设置本发明提出的三相不平衡控制系统，执行多次三相不平衡调节，获取对应的执行规则流程图，该流程图如图6所示。
[0091]
本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的三相不平衡控制方法。
[0092]
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式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、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0093]
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0094]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。