CN106684895B - 三相不平衡治理方法和换相系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于有功不平衡自动换相控制策略的三相不平衡治理方法和换相系统，方法首先根据三相系统中负荷的有功大小和正负，计算三相系统的不平衡度；然后根据三相系统的不平衡度，确定是否需要换相投切，以及需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量；最后选择接入相别与待投切相别相应，且接入负荷量与换相容量相适应的换相开关，进行负荷投切，使得三相有功趋于平衡。本发明为基于有功不平衡自动换相控制策略，对电力系统的三相不平衡现象进行治理，可明显降低三相不平衡度，改善供电质量。

Description

三相不平衡治理方法和换相系统

技术领域

本发明涉及电力系统三相不平衡治理技术领域，特别是一种基于有功不平衡自动换相控制策略的三相不平衡治理方法和换相系统。

背景技术

电力系统三相不平衡主要是由于三相负荷不对称以及大量的单相负荷在三相系统中的不均衡分配所致。三相负荷不平衡会对配电台区造成一系列的影响，主要包括：1)造成配电变压器的出力降低，电能转换效率下降大；2)大增加了配电变压器和线路的损耗；3)导致了配电台区中重载相的供电电压质量严重下降；4)使得配电变压器零序电流大大增大，引起的涡流损耗使配电变压器运行温度升高，危及其安全与寿命。因此，降低配电台区三相负荷不平衡度，提高配电台区经济运行水平和供电电压质量是急待解决的问题。多年来，国内外众多学者针对该问题进行了大量的研究工作。

一方面，对于接入分布式电源以及电动汽车等新型负载的配电网，由于接入系统的可能是负载也可能存在单相或多相是电源，故系统电压和电流的相位差可在[0,360°)变化。传统的不平衡度的定义主要采用电压、电流有效值的表示方法，在负载阻抗角差异很大时则会导致错误的结论。因此需要提出新的适合包含电源的三相不平衡度的定义方式。

另一方面，目前国内外配电网三相不平衡治理一般采取的措施是换相投切负荷和附加补偿装置。然而无功补偿装置存在计算较为困难、投切震荡、谐波放大等问题。换相器一般采用继电器和电力电子器件的组合，存在没有明确的机械断点、附加损耗大以及易受雷击等因素损坏问题，对用户生活和工业生产会引起极大的经济损失和安全隐患。这些治理措施存在的另一个问题是成本高。目前，亟待寻找低成本、高可靠三相不平衡治理方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：基于有功不平衡自动换相控制策略，对电力系统的三相不平衡现象进行治理，降低三相不平衡度，改善供电质量。

本发明采取的技术方案具体为：一种基于有功不平衡自动换相控制策略的三相不平衡治理方法，包括步骤：

S1，根据三相系统中负荷的有功大小和正负，计算三相系统的不平衡度；

S2，根据三相系统的不平衡度，确定是否需要换相投切，以及需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量；

S3，选择接入相别与待投切相别相应，且接入负荷量与换相容量相适应的换相开关，进行负荷投切，使得三相有功趋于平衡。

本发明对三相系统不平衡的治理可基于一定的频率，即每隔一定时间对三相系统的不平衡度进行评估一次，每次评估后根据需要进行负荷的换相投切。本发明所基于的治理频率可根据具体应用本发明方法的配变台区的运行状况和需要进行设定，如设定为15min～30min。

进一步的，本发明步骤S1包括步骤：

S11，测量三相系统每一相的有功功率P_A、P_B、P_C；

S12，计算三相系统的三相平均功率P_aver：

P_aver＝(P_A+P_B+P_C)/3

S13，计算三相系统的有功不平衡度ε_P：

本发明步骤S2包括以下步骤：

S21，定义三相系统的有功不平衡度阈值，判断当前三相系统的有功不平衡度是否满足阈值，若满足则不进行换相投切操作，若不满足则转至步骤S22；

S22，计算A、B、C三相的有功功率分别与三相平均功率之间的差值ΔP_A、ΔP_B、ΔP_C：

ΔP_A＝P_A-P_aver

ΔP_B＝P_B-P_aver

ΔP_C＝P_C-P_aver (2)；

S23，根据A、B、C三相之间的有功功率大小关系，确定负荷调整量ΔP：

若P_A>P_B>P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切到轻载C相上，调整量为

若P_A＝P_B>P_C，则需从A相或B相中选择部分单相负荷投切到C相上，调整量为或者

若负荷P_A>P_B＝P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切至B相或C相，调整量为或者

优选的，步骤S21中，所述三相系统的有功不平衡度阈值为：ε_P<25％。

更进一步的，步骤S3中，各换相开关分别设有动态变化的编号；各换相开关的初始编号为根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号；各换相开关的动态变化时间点在每次换相投切后，变化时，将最后一次参与换相投切的换相开关的编号排在其它开关之后。设开关的使用时限为T，允许换相操作次数为N，则单个换相开关操作的间隔

优选的，步骤S3中，各换相开关分别设有动态变化的编号；各换相开关的动态变化时间点在每次换相投切后，各换相开关的初始编号以及每次换相投切后的变化编号，皆为根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号。进一步的，每次换相投切后，最后一次参与换相投切的换相开关的编号排在当前允许换相间隔时间与其相同的其它换相开关的编号之后。

优选的，每次换相投切后，获取当前编号在前十位的换相开关，从中选择接入重载相，且接入负荷量与负荷调整量相适应的负荷或负荷组合进行换相投切。进一步的，每次换相投切所选择的参与换相投切的开关，其当前允许操作时间间隔大于15min。

在实际工程中，换相开关的使用年限和换相次数成正比，各换相开关的投切应尽可能均匀分布，可以保证设备具有一致理想的使用寿命，本发明对换相开关的动态编号，并按照编号进行选择参与换相投切，可在降低负荷的不平衡度的频繁操作和延长设备使用寿命降低操作频度间取得平衡。

考虑到实践系统中存在M个开关，并且在运行过程中，三相负荷有部分时段皆很轻或较接近平衡，不需要调整，因此实际换相开关的操作间隔可以大大缩短。由于不同配电台区的负荷变化率和负载率相差较大，两次换相投切的操作间隔的设定需要根据台区的运行情况具体调整。

本发明还公开一种基于上述方法的三相不平衡换相系统，包括终端控制器和接入同一配变台区的多个换相装置，各换相装置包括多个换相开关，多个单相负荷通过换相装置的换相开关连接三相线路中的其中一相；

终端控制器包括逻辑控制单元，逻辑控制单元获取三相中各相的实时有功功率以及三相平均功率，根据三相之间有功功率的大小，计算三相系统的有功不平衡度，并根据三相系统的有功不平衡度确定是否需要负荷投切；若需要负荷投切，则逻辑控制单元根据三相之间有功功率的大小和大小关系，确定需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量，进而通过控制相应换相开关的投切，使得重载相中的部分负荷投切至轻载项中。

本发明系统中，终端控制器可采用计算机或现有控制器产品实现，其逻辑控制单元可从现有线路监测系统或者采集系统中获取三相系统中各相的有功功率，并基于获取的有功功率进行计算，进而获取三相平均功率，有功功率和平均功率的具体获取方法为现有技术。

优选的，本发明接入同一配变台区的多个换相装置的各换相开关分别设有动态变化的编号；编号的动态变化时间点在每次换相投切后，变化时根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号。

优选的，本发明终端控制器还包括存储单元，存储单元存储各换相开关的当前编号；逻辑控制单元从存储单元中获取当前编号在前十位的换相开关，从中选择接入重载相，且负荷量与调整量相适应的负荷或负荷组合进行换相投切。

有益效果

本发明通过每次治理首先对三相系统的有功不平衡度进行计算和评估，判断三相系统是否需要负荷投切，然后再根据三相有功功率的大小和关系，制定负荷投切的控制调整策略，再基于这种调整策略选择换相开关进行负荷的换相投切，进而使得重载相中的部分负荷或负荷组合投切至轻载项中。在基于一定的频率利用本发明方法和系统对配变台区进行监测、评估和控制时，可大大降低三相系统的动态不平衡度，提高配电台区的供电电压质量。

附图说明

图1所示为本发明方法的一种具体实施例流程示意图；

图2所示为低压负荷在线自动换相控制电路原理示意图；

图3所示为低压负荷在线自动换相控制策略流程示意图；

图4所示为含分布式电源的配电台区结构示意图；

图5所示为配变低压侧三相电流变化情况示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

本发明基于有功不平衡自动换相控制策略的三相不平衡治理方法，包括步骤：

S1，根据三相系统中负荷的有功大小和正负，计算三相系统的不平衡度；

S2，根据三相系统的不平衡度，确定是否需要换相投切，以及需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量；

S3，选择接入相别与待投切相别相应，且接入负荷量与换相容量相适应的换相开关，进行负荷投切，使得三相有功趋于平衡。

本发明对三相系统不平衡的治理可基于一定的频率，即每隔一定时间对三相系统的不平衡度进行评估一次，每次评估后根据需要进行负荷的换相投切。本发明所基于的治理频率可根据具体应用本发明方法的配变台区的运行状况和需要进行设定。

参考图2、图3和图4，本发明基于上述方法的三相不平衡换相系统，包括终端控制器和接入同一配变台区的多个换相装置，各换相装置包括多个换相开关，多个单相负荷通过换相装置的换相开关连接三相线路中的其中一相；

终端控制器包括逻辑控制单元，逻辑控制单元获取三相系统中各相的实时有功功率以及三相平均功率，根据三相之间有功功率的大小，计算三相系统的有功不平衡度，并根据三相系统的有功不平衡度确定是否需要负荷投切；若需要负荷投切，则逻辑控制单元根据三相之间有功功率的大小和大小关系，确定需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量，进而通过控制相应换相开关的投切，使得重载相中的部分负荷投切至轻载项中。

本发明系统中，终端控制器可采用计算机或现有控制器产品实现，其逻辑控制单元可从现有线路监测系统或者采集系统中获取三相系统中各相的有功功率，并基于获取的有功功率进行计算，进而获取三相平均功率，有功功率和平均功率的具体获取方法为现有技术。

三相不平衡换相系统中，终端控制器还包括存储单元，接入同一配变台区的多个换相装置的各换相开关分别设有动态变化的编号；编号的动态变化时间点在每次换相投切后，变化时根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号；存储单元存储各换相开关的当前编号；每次换相投切时，逻辑控制单元从存储单元中获取当前编号在前十位的换相开关，从中选择接入重载相，且负荷量与调整量相适应的负荷或负荷组合进行换相投切。

实施例一

本方法实施例中，步骤S1包括步骤：

S11，测量三相系统每一相的有功功率P_A、P_B、P_C；

S12，计算三相系统的三相平均功率P_aver：

P_aver＝(P_A+P_B+P_C)/3

S13，计算三相系统的有功不平衡度ε_P：

步骤S2包括以下步骤：

S21，定义三相系统的有功不平衡度阈值，判断当前三相系统的有功不平衡度是否满足阈值，若满足则不进行换相投切操作，若不满足则转至步骤S22；

S22，计算A、B、C三相的有功功率分别与三相平均功率之间的差值ΔP_A、ΔP_B、ΔP_C：

ΔP_A＝P_A-P_aver

ΔP_B＝P_B-P_aver

ΔP_C＝P_C-P_aver (2)；

S23，根据A、B、C三相之间的有功功率大小关系，确定负荷调整量ΔP：

若P_A>P_B>P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切到轻载C相上，调整量为

若P_A＝P_B>P_C，则需从A相或B相中选择部分单相负荷投切到C相上，调整量为或者

若负荷P_A>P_B＝P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切至B相或C相，调整量为或者

步骤S21中，所述三相系统的有功不平衡度阈值为：ε_P<25％。

步骤S3中，各换相开关分别设有动态变化的编号；各换相开关的初始编号为根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号；各换相开关的动态变化时间点在每次换相投切后；换相开关的编号变化有两种方案，一种为：变化时，将最后一次参与换相投切的换相开关的编号排在其它开关之后，另一种为：各换相开关在每次换相投切后的变化编号，依然为根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号，且每次换相投切后，最后一次参与换相投切的换相开关的编号排在当前允许换相间隔时间与其相同的其它换相开关的编号之后。

每次换相投切后，可获取当前编号在前n位的换相开关，从中选择接入重载相，且接入负荷量与负荷调整量相适应的负荷或负荷组合进行换相投切。

实施例二

如图1所示，本实施例具体步骤对应方法步骤如下：

首先，根据三相系统中负荷的有功大小和正负，计算三相系统的不平衡度：即通过负荷有功大小和正负来定义三相不平衡度。分别测量每一相的有功P_A、P_B、P_C，功率有正负之分，电源发出的有功为负，负载消耗的有功为正。要满足三相负载平衡，即每相负载的有功大小和属性都相同。

定义有功的不平衡度为

其中：P_aver＝(P_A+P_B+P_C)/3，即P_aver为三相有功的平均值。

基于有功功率的负荷不平衡度定义更有利于基于换相操作的三相不平衡治理。在实际系统中，虽然用户的有功、无功无法分开独立控制，但是考虑到负荷和分布式电源的功率因数一般较高，换相操作时可以只考虑三相有功平衡。可以直接计算每一相的有功功率与平均功率之差，明确需要调整的负荷量，为负荷的在线换相调整提供依据。

ΔP_A＝P_A-P_aver

ΔP_B＝P_B-P_aver

ΔP_C＝P_C-P_aver (2)

然后，根据三相有功不平衡度是否满足要求，判断是否需要换相投切实现负荷调整：

配电台区一般应安装有多个换相开关，每个换相开关接入一定容量的负荷，要实现负荷的均匀化分布，则需要将重负荷相的负荷，部分切换至轻负荷相。理论上，达到负荷均衡需要进行多轮多组切换，但在实际工程中，每个换相开关后接的负荷是不确定的并且不一定满足调整量公式的要求。为了方便快速地确定和适配所需的换相容量，考虑到负荷换相由智能配电终端指挥换相开关进行，其计算不应过于复杂。同时考虑到负荷的不断变化以及开关的持续投切，提出每轮只进行一次投切，在综合考虑系统不平衡调整量和负荷大小之间关系的基础上进行投切。具体的如下：

若P_A>P_B>P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切到轻载C相上，调整量为

若P_A＝P_B>P_C，则需从A相或B相中选择部分单相负荷投切到C相上，调整量为或者

若负荷P_A>P_B＝P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切至B相或C相，调整量为或者

最后，选择接入相别与待投切相别相应，且接入负荷量与换相容量相适应的换相开关，进行负荷投切，使得三相有功趋于平衡：

在选择换相开关时，利用本发明可合理控制开关的操作频率以及开关的循环使用。在实际工程中，换相开关的使用年限和换相次数成正比，换相开关的投切应尽可能均匀分布，可以保证设备具有一致理想的使用寿命。故换相操作需要在降低负荷的不平衡度的频繁操作和延长设备使用寿命降低操作频度间取得平衡。

设开关的使用时限为T，允许换相操作次数为N。则单个换相开关操作的间隔考虑到实践系统中存在M个开关，并且在运行过程中，负荷有部分时段很轻或较接近平衡，不需要调整，实际换相开关的操作间隔可以大大缩短。由于不同配电台区的负荷变化率和负载率相差较大，操作间隔的设定需要根据台区的运行情况具体调整。

多个换相开关存在于同一个配电台区，为保证开关的操作次数相近，采用排序的方法进行换相开关选择，即取前n个换相开关进行负荷匹配，后面的不参加本次匹配。刚操作过的开关，排在最末尾。这样保证了开关操作次数的均匀化分布。

实施例三

参考图2和图3所示，本发明三相不平衡换相系统具体为：在配电台区合理配置适量的低压负荷自动换相装置，并增加低压负荷自动换相终端控制器。终端控制器采用计算机实现，其从现有的三相线路监测系统(即图中监测模块与电脑终端)中获取三相线路中配电变压器低压侧三相负荷的实时有功功率和相序实时数据，从而根据获取到的数据，实时监测配电变压器低压侧三相负荷不平衡的情况，在一定时间的监测周期内，三相负载不平衡则执行自动换相的决策，终端控制器通过基于三相实时功率数据进行分析、判断和优化计算，发出最优换相控制指令，各低压负荷自动换相装置按照换相策略执行换相操作，信号流如图3所示。

参考图4所示，某个含分布式电源的配电台区中，该配电台区低压出线一回，负荷主要集中在线路末端，A相接入分布式电源10kW，三相负荷不平衡严重。经测量得，某时刻配变低压侧A相负载80kW，但由于接入10kW的电源，考虑到有功的方向，故A相总有功为70kW，负载功率B相负载约为30kW，C相负载为50kW。为了治理该配电台区三相负荷不平衡问题，在低压线路末端配置有2套永磁开关自动换相装置，共有30条负荷支路。

由此可见，A相为重负荷相，B相为轻负荷相，依据控制策略，利用公式(2)计算得出需从A相投切20kW的单相负荷到B相。每次换相投切前，将接入该配电台区所有的换相开关进行编号，终端控制器读取每个开关的编号及其所对应的负荷量，存入存储单元中。换相时，每轮只进行一次投切，每一次投切仅取前n个换相开关进行负荷匹配。一般取当前允许换相间隔时间ΔT不小于15min的换相开关，n可为10，即从编号前10的开关所对应的负载中匹配容量最接近的值。显然图4的实施例中，最匹配的是对开关序号8对应的18kW负荷进行投切，换相投切操作后将该换相开关置末尾，则一次治理过程完毕。

换相前后配电变压器低压侧三相电流的变化情况分别如图5所示，配电变压器低压侧三相电流由严重不平衡达到了几乎完全平衡状态。同时配电台区的低压线路的三相不平衡度由53.3％下降到2.6％。可见换相前后配电台区供电电压质量大大提升，三相不平衡度大大降低。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于有功不平衡自动换相控制策略的三相不平衡治理方法，其特征是，包括步骤：

S1，根据三相系统中负荷的有功大小和正负，计算三相系统的不平衡度，包括步骤：

S11，测量三相系统每一相的有功功率P_A、P_B、P_C；

S12，计算三相系统的三相平均功率：

S13，计算三相系统的有功不平衡度：

（1）

S2，根据三相系统的不平衡度，确定是否需要换相投切，以及需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量，包括步骤：

S21，定义三相系统的有功不平衡度阈值，判断当前三相系统的有功不平衡度是否满足阈值，若满足则不进行换相投切操作，若不满足则转至步骤S22；

S22，计算A 、B、C三相的有功功率分别与三相平均功率之间的差值、：

（2）

S23，根据A 、B、C三相之间的有功功率大小关系，确定负荷调整量：

若P_A> P_B > P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切到轻载C相上，调整量为；

若P_A= P_B > P_C，则需从A相或B相中选择部分单相负荷投切到C相上，调整量为或者；

若负荷P_A> P_B = P_C，则需从A相中选择部分单相负荷投切至B相或C相，调整量为或者；

S3，选择接入相别与待投切相别相应，且接入负荷量与换相容量相适应的换相开关，进行负荷投切，使得三相有功趋于平衡；

各换相开关分别设有动态变化的编号；各换相开关的初始编号为根据各换相开关当前允许换相的间隔时间由大到小进行编号；各换相开关的动态变化时间点在每次换相投切后，变化时，将最后一次参与换相投切的换相开关的编号排在其它开关之后；

每次换相投切后，获取当前编号在前十位的换相开关，从中选择接入重载相，且接入负荷量与负荷调整量相适应的负荷或负荷组合进行换相投切。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤S21中，所述三相系统的有功不平衡度阈值为：<25%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，每次换相投切所选择的参与换相投切的开关，其当前允许操作时间间隔大于15min。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述方法的三相不平衡换相系统，其特征是，包括终端控制器和接入同一配变台区的多个换相装置，各换相装置包括多个换相开关，多个单相负荷通过换相装置的换相开关连接三相线路中的其中一相；

终端控制器包括逻辑控制单元，逻辑控制单元获取三相中各相的实时有功功率以及三相平均功率，根据三相之间有功功率的大小，计算三相系统的有功不平衡度，并根据三相系统的有功不平衡度确定是否需要负荷投切；若需要负荷投切，则逻辑控制单元根据三相之间有功功率的大小和大小关系，确定需要负荷投切的相别，并适配所需的换相容量，进而通过控制相应换相开关的投切，使得重载相中的部分负荷投切至轻载项中。