CN109842136A - 一种三相不平衡换相系统及其换相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相不平衡换相系统及其换相方法，其特征在于：包括控制模块和执行模块，所述控制模块包括数据处理及控制单元，所述数据处理及控制单元还连接有第一通讯单元及第一电流采集单元，第一电流采集单元用于采集支线侧的电流；所述执行模块包括与第一通讯单元进行通信的第二通讯单元，与第二通讯单元连接的执行控制单元和换相开关，执行控制单元还连接有第二电流采集单元，第二电流采集单元用于采集负荷侧的电流，所述换相开关在接收到数据处理及控制单元的换相控制命令后将执行在线自动换相。本发明提高了功率因素，降低了线路损耗，为配电网经济运行水平和供电质量提供了选择。

Description

一种三相不平衡换相系统及其换相方法

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，具体涉及一种三相不平衡换相系统及其换相方法。

背景技术

近10年来，随着配网系统中居民和商业负荷的大幅增加，配电线路中的三相电流不平衡问题越发严重，成为配网运行中亟待解决的突出问题。配网三相不平衡运行经常引起三相电压不对称，降低配电变压器的出力，增加线路损耗等问题，而且由三相不平衡电流分解出来的负序电流和零序电流也会对计量仪表的精度产生影响，这些都给电力系统的安全、稳定运行带来负面影响。除此之外，不平衡系统还可能会使中性线的电流超过容量限制，为解决此问题则需要投入巨大的成本升级中性线或者馈线。目前解决配电网三相不平衡问题主要有三种装置：电容器调补装置、静止无功发生器和换相装置。电容器调补装置及静止无功发生器一般安装在配变侧，无法解决支路电流不平衡引起的线损和低电压问题，因此前两者都不是解决三相不平衡问题的最佳选择。

当前的换相装置一般仅采用总线控制方法。总线控制策略是以配变总线三相电流平衡为目标，只在总线处安装电流互感器采集总线电流，当总线三相不平衡度大于系统设定值时，则执行在线自动换相决策。控制器读取配变侧三相电流和所有负荷换相开关各支路的电流、相序实时数据，进行分析、判断，执行平衡优化计算，发出最优换相控制指令，各换相开关按照规定换相流程执行换相操作。但这种控制方法缺乏对支线三相电流的监测，换相开关调整后总线电流得到了平衡，但支线电流不平衡程度却可能增大，支线线损会较大。因此，总线控制方法不能保证降低线损和解决低电压问题。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供了一种三相不平衡换相系统及其换相方法，可以选择解决总线不平衡问题，还可以选择解决支路不平衡引起的线损和低压问题。

本发明的技术方案为：

一种三相不平衡换相系统，其特征在于：包括控制模块和执行模块，所述控制模块包括数据处理及控制单元，所述数据处理及控制单元还连接有第一通讯单元及第一电流采集单元，第一电流采集单元用于采集支线侧的电流；所述执行模块包括与第一通讯单元进行通信的第二通讯单元，与第二通讯单元连接的执行控制单元和换相开关，执行控制单元还连接有第二电流采集单元，第二电流采集单元用于采集负荷侧的电流，所述换相开关设置在负荷侧，在接收到数据处理及控制单元的换相控制命令后将执行在线自动换相。

一种三相不平衡换相系统的换相方法，其特征在于：所述方法包括在采集支线侧三相电流的同时，采集负荷侧三相电流，当控制模块设置为总线控制策略时，并当总线三相不平衡度大于预先设定值时，则通过执行模块执行总线在线自动换相，当控制模块设置为支线控制策略时，并当支线三相不平衡度大于支线预先设定值时，则通过执行模块执行支线在线自动换相。

数据处理及控制单元存储有总线不平衡度预先设定值和各支线不平衡度预先设定值；

数据处理及控制单元接收第一电流采集单元采集到的各支线侧的电流值和每条支线下的所有负荷侧的第二电流采集单元的电流值。当控制模块设置为总线控制策略时，数据处理及控制单元通过第一电流采集单元采集的各支线侧电流情况计算总线不平衡度，当总线不平衡度大于预先设定值时，数据处理及控制单元将获取的所有支线下的第二电流采集单元采集的负荷侧的电流进行综合处理计算，得出负荷侧的换相开关的换相指令，然后数据处理及控制单元将该换相指令传输给第一通讯单元，第一通讯单元传输给第二通讯单元，第二通讯单元传输给执行控制单元，执行控制单元控制所有支线下安装在负荷侧的换相开关执行在线自动换相动作。

当控制模块设置为支线控制策略时，数据处理及控制单元监测到某一条支线的电流不平衡度超出预先设定值后，数据处理及控制单元接收某一支线下的所有负荷电流，通过综合处理计算，得到换相指令，会将该换相指令传输给第一通讯单元，第一通讯单元传输给第二通讯单元，第二通讯单元传输给执行控制单元，执行控制单元控制该条支线下的安装在负荷侧的所有换相开关执行在线自动换相动作。

进一步地，所述总线在线自动换相和支线在线自动换相的方法具体包括步骤：

S1，计算理想情况下,n个负载电流值均衡分配在三相上,每一相应分配的理想电流值I_ideal；

然后将采集到的n个负载电流值平均地分成三组，使得每一组电流之和I_ideal的差平方最小；

S2，找到第k组的所有组合k＝1,2,3，具体方法为：

1)，将未被分配的所有负载电流值按从大到小的顺序进行排序；

2)，找到最大的负载电流值I_Lmax，如果I_Lmax>＝I_ideal，则直接将I_Lmax单独分成一组，加入分组结束；如果I_Lmax<I_ideal，按以下步骤i，ii，iii为A组选择是否有新的负载电流值可以加入：

i)令i＝0,delta_i＝I_ideal和sqrt_i＝(I_ideal)²；

ii)在未被分到第k组的负载电流内找到比delta_i大的最近的电流I_d和比delta_i小或等于的最近电流I_x，此时，计算(delta_i-I_d)²和(delta_i-I_x)²；

若(delta_i-I_d)²〉(delta_i-I_x)²，则I_x分到第A组，i自增1；

若(delta_i-1-I_d)²<＝(delta_i-1-I_x)²，则将I_d和当前A组下的电流值加入同时把I_x分到第A组，i自增1，继续计算delta_i＝delta_i-1-I_x和sqrt_i＝(delta_i-1-I_x)²；

按照ii计算下去，直至不能同时找到I_x和I_d，转到iii；

iii)若只找到Ix,则将Ix加入到第A组；

若只找到Id，计算(delta_i-I_d)²和(delta_i)²,若(delta_i-I_d)²<＝(delta_i)²,则将I_d和当前A组下的电流值加入若(delta_i-I_d)²>(delta_i)²,则将当前的A组加入

若不存在Id和Ix,则将当前的A组加入

最后得到第A组的所有可能组合

S3，除去第A1组的电流，剩下的电流按步骤S2的方法继续分组，产生第B组的电流组合可能有k₁种B11，B12，B13，…,B1k₁。

S4，对里其它元素A2，，，，Am，分别执行一次S3这样的步骤，产生第B组的电流组合可能有k₂,…,k_m种，分别是B21，B22，B23，…,B2k₁,…,Bm1,Bm2,…，Bmk_m，加上S3产生的k₁种电流组合，第B组的所有电流组合

其中，和产生的组合电流为已分配的电流，剩下的电流就组成第C组的电流，根据和的所有组合，就可以产生第C组的所有电流组合

比较上述步骤中产生的所有组的(∑I_A-I_ideal)^2+(∑I_B-I_ideal)^2+(∑I_C-I_ideal)^2，选择值最小的组作为结果组，其中∑I_A为第A组里的所有电流之和，∑I_B为第B组里的所有电流之和，∑I_C为第C组里的所有电流之和；

S5，将第A组每个电流下对应的换相开关切换到A相，第B组中每个电流下对应的换相开关切换到B相，第C组中每个电流下对应的换相开关切换到C相，最终实现三相电流平衡。

本发明的有益效果为：本发明具有总线控制策略和支线控制策略，解决了配电网三相不平衡的问题，提高了功率因素，降低了线路损耗，为配电网经济运行水平和供电质量提供了更多更好的选择。

附图说明

图1为系统结构示意图；

图2为A、B和C相负荷侧在线自动切换开关原理图；

图3为计算每一组负载电流集合流程图；

图4为A、B和C相负载电流组合图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种三相不平衡换相系统，包括控制模块和执行模块，所述控制模块包括数据处理及控制单元，所述数据处理及控制单元还连接有第一通讯单元及第一电流采集单元，第一电流采集单元用于采集支线侧的电流；所述执行模块包括与第一通讯单元进行通信的第二通讯单元，与第二通讯单元连接的执行控制单元，与执行控制单元连接的换相开关1，执行控制单元还连接有第二电流采集单元，第二电流采集单元用于采集负荷侧的电流。

一种三相不平衡换相系统的换相方法，所述方法包括在采集支线侧三相电流的同时，采集负荷侧三相电流，当控制模块设置为总线控制策略时，并当总线三相不平衡度大于预先设定值时，则通过执行模块执行总线在线自动换相，当控制模块设置为支线控制策略时，并当支线三相不平衡度大于支线预先设定值时，则通过执行模块执行支线在线自动换相。

数据处理及控制单元存储有总线不平衡度预先设定值和各支线不平衡度预先设定值；

数据处理及控制单元接收第一电流采集单元采集到的各支线侧的电流值和每条支线下的所有负荷侧的第二电流采集单元的电流值。当控制模块设置为总线控制策略时，数据处理及控制单元通过第一电流采集单元采集的各支线侧电流情况计算总线不平衡度，当总线不平衡度大于预先设定值时，数据处理及控制单元将获取的所有支线下的第二电流采集单元采集的负荷侧的电流进行综合处理计算，得出负荷侧的换相开关的换相指令，然后数据处理及控制单元将该换相指令传输给第一通讯单元，第一通讯单元传输给第二通讯单元，第二通讯单元传输给执行控制单元，执行控制单元控制所有支线下安装在负荷侧的换相开关执行在线自动换相动作。

当控制模块设置为支线控制策略时，数据处理及控制单元监测到某一条支线的电流不平衡度超出预先设定值后，数据处理及控制单元接收某一支线下的所有负荷电流，通过综合处理计算，得到换相指令，会将该换相指令传输给第一通讯单元，第一通讯单元传输给第二通讯单元，第二通讯单元传输给执行控制单元，执行控制单元控制该条支线下的安装在负荷侧的所有换相开关执行在线自动换相动作。

如图1所示，示出了在一条总线下的3条支线，不限于3条支线，每条支线上的负载通过各自的换相开关与该支线连接，总线的电流平衡通过调整所有支线下的换相开关，来调整总线的电流平衡,支线上的电流平衡通过调整所在支线下的换相开关调整支线的三相电流平衡，如图2所示，有三条引出线从双向晶闸管引出分别接线路的A、B、C相。双向晶闸管的另一端引出到负荷侧，通过数据处理及控制单元发出控制信号给G1，G2，G3,使负荷与其中一条线路(A相，或B相，或C相)连通。数据处理及控制单元还包括与所述数据处理及控制单元连接的开关模块，通过开关模块选择是总线控制还是支线控制。

所述总线在线自动换相和支线在线自动换相的换相方法具体包括步骤：

S1，计算理想情况下,n个负载电流值均衡分配在三相上,每一相应分配的理想电流值I_ideal；

要使三相电流尽可能平衡,就要将采集到的n个负载电流值尽可能平均地分成三组，使得每一组电流之和I_ideal的差平方最小。因为,假设A相、B和C相的电流之和分别是∑I_A,∑I_B,∑I_C,则当(∑I_A-I_ideal)^2+(∑I_B-I_ideal)^2+(∑I_C-I_ideal)^2的值最小时，三组电流分组最均匀,也就是会使三相电流更平衡。

S2，按如下步骤找到第A组的所有组合

1)，将未被分配的所有负载电流值按从大到小的顺序进行排序；

2)，找到最大的负载电流值I_Lmax，如果I_Lmax>＝I_ideal，则直接将I_Lmax单独分成一组，加入分组结束；如果I_Lmax<I_ideal，如图3所示，按以下步骤i，ii，iii为A组选择是否有新的负载电流值可以加入：

i)令i＝0,delta_i＝I_ideal和sqrt_i＝(I_ideal)²；

ii)在未被分组的负载电流内找到比delta_i大的最近的电流I_d和比delta_i小或等于的最近电流I_x，此时，计算(delta_i-I_d)²和(delta_i-I_x)²。

若(delta_i-I_d)²〉(delta_i-I_x)²，则I_x分到第A组，i自增1；

若(delta_i-1-I_d)²<＝(delta_i-1-I_x)²，则将I_d和当前A组下的电流值加入同时把I_x分到第A组，i自增1，继续计算delta_i＝delta_i-1-I_x和sqrt_i＝(delta_i-1-I_x)²。

按照ii这样计算下去，直至不能同时找到这样的I_x和I_d，转到iii；

iii)只找到Ix,则将Ix加入到第A组；

只找到Id，计算(delta_i-I_d)²和(delta_i)²,若(delta_i-

I_d)²<＝(delta_i)²,则将I_d和当前A组下的电流值加入若(delta_i-I_d)²>(delta_i)²,则将当前的A组加入

不存在这样的Id和Ix,将当前的A组加入

最后得到第A组的所有可能组合

S3，除去第A1组的电流，剩下的电流按流程S2分组，产生第B组的电流组合可能有k₁种B11，B12，B13，…,B1k₁。

S4，对里其它元素A2，，，，Am，分别执行一次S3这样的步骤，产生第B组的电流组合可能有k₂,…,k_m种，分别是B21，B22，B23，…,B2k₁,…,Bm1,Bm2,…，Bmk_m。加上S3产生的k1种电流组合，第B组的所有电流组合

和产生的组合电流为已分配的电流，剩下的电流就组成第C组的电流。根据和的所有组合，就可以产生第C组的所有电流组合

比较上述步骤中产生的所有组的(∑I_A-I_ideal)^2+(∑I_B-I_ideal)^2+(∑I_C-I_ideal)^2，选择值最小的组作为结果组。其中∑I_A为第A组里的所有电流之和，∑I_B为第B组里的所有电流之和，∑I_C为第C组里的所有电流之和。

例如若采集到的n个电流为32，25，20，11，10，9，6，3，3，2，1，1(n＝12),则根据上述方法可以分成如下：

最后(32，9)，(25，11，3，2)，(20，10，6，3，1，1)是(∑I_A-I_ideal)^2+(∑I_B-I_ideal)^2+(∑I_C-I_ideal)^2最小的一个组合，取其为所求结果。

S5，将结果组中第A组每个电流下对应的换相开关切换到A相，第B组中每个电流下对应的换相开关切换到B相，第C组中每个电流下对应的换相开关切换到C相，这样三相电流就会平衡。

对于总线在线自动换相的n个电流是指所有支线下的换相开关采集到的负载电流，执行一次上述方法，得到总线的换相指令，使得总线处的三相电流平衡。对于支线在线自动换相的n个电流是指安装在该支线下的所有换相开关的负载电流。每条支线分别执行一次上述方法，得到每条支线的换相指令，使得每条支线的三相电流平衡。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种三相不平衡换相系统，其特征在于：包括控制模块和执行模块，所述控制模块包括数据处理及控制单元，所述数据处理及控制单元还连接有第一通讯单元及第一电流采集单元，第一电流采集单元用于采集支线侧的电流；所述执行模块包括与第一通讯单元进行通信的第二通讯单元，与第二通讯单元连接的执行控制单元和换相开关，执行控制单元还连接有第二电流采集单元，第二电流采集单元用于采集负荷侧的电流，所述换相开关设置在负荷侧，在接收到数据处理及控制单元的换相控制命令后将执行在线自动换相。

2.一种根据权利要求1所述的三相不平衡换相系统的换相方法，其特征在于：所述方法包括在采集支线侧三相电流的同时，采集负荷侧三相电流，当控制模块设置为总线控制策略时，并当总线三相不平衡度大于预先设定值时，则通过执行模块执行总线在线自动换相，当控制模块设置为支线控制策略时，并当支线三相不平衡度大于支线预先设定值时，则通过执行模块执行支线在线自动换相。

3.如权利要求2所述的三相不平衡换相系统的换相方法，其特征在于：数据处理及控制单元存储有总线不平衡度预先设定值和各支线不平衡度预先设定值；数据处理及控制单元接收第一电流采集单元采集到的各支线侧的电流值和每条支线下的所有负荷侧的第二电流采集单元的电流值，当控制模块设置为总线控制策略时，数据处理及控制单元通过第一电流采集单元采集的各支线侧电流情况计算总线不平衡度，当总线不平衡度大于预先设定值时，数据处理及控制单元将获取的所有支线下的第二电流采集单元采集的负荷侧的电流进行综合处理计算，得出负荷侧的换相开关的换相指令，然后数据处理及控制单元将该换相指令传输给第一通讯单元，第一通讯单元传输给第二通讯单元，第二通讯单元传输给执行控制单元，执行控制单元控制所有支线下安装在负荷侧的换相开关执行在线自动换相动作；

当控制模块设置为支线控制策略时，数据处理及控制单元监测到某一条支线的电流不平衡度超出预先设定值后，数据处理及控制单元接收某一支线下的所有负荷电流，通过综合处理计算，得到换相指令，会将该换相指令传输给第一通讯单元，第一通讯单元传输给第二通讯单元，第二通讯单元传输给执行控制单元，执行控制单元控制该条支线下的安装在负荷侧的所有换相开关执行在线自动换相动作。

4.如权利要求2或3所述的三相不平衡换相系统的换相方法，其特征在于：所述总线在线自动换相和支线在线自动换相的方法具体包括步骤：

S1，计算理想情况下,n个负载电流值均衡分配在三相上,每一相应分配的理想电流值I_ideal；

然后将采集到的n个负载电流值平均地分成三组，使得每一组电流之和I_ideal的差平方最小；

S2，找到第k组的所有组合k＝1,2,3，具体方法为：

1)，将未被分配的所有负载电流值按从大到小的顺序进行排序；

2)，找到最大的负载电流值I_Lmax，如果I_Lmax>＝I_ideal，则直接将I_Lmax单独分成一组，加入分组结束；如果I_Lmax<I_ideal，按以下步骤i，ii，iii为A组选择是否有新的负载电流值可以加入：

i)令i＝0,delta_i＝I_ideal和sqrt_i＝(I_ideal)²；

ii)在未被分到第k组的负载电流内找到比delta_i大的最近的电流I_d和比delta_i小或等于的最近电流I_x，此时，计算(delta_i-I_d)²和(delta_i-I_x)²；

若(delta_i-I_d)²〉(delta_i-I_x)²，则I_x分到第A组，i自增1；

若(delta_i-1-I_d)²<＝(delta_i-1-I_x)²，则将I_d和当前A组下的电流值加入同时把I_x分到第A组，i自增1，继续计算delta_i＝delta_i-1-I_x和sqrt_i＝(delta_i-1-I_x)²；

按照ii)计算下去，直至不能同时找到I_x和I_d，转到iii)；

iii)若只找到Ix,则将Ix加入到第A组；

若只找到Id，计算(delta_i-I_d)²和(delta_i)²,若(delta_i-I_d)²<＝(delta_i)²,则将I_d和当前A组下的电流值加入若(delta_i-I_d)²>(delta_i)²,则将当前的A组加入

若不存在Id和Ix,则将当前的A组加入

最后得到第A组的所有可能组合

S3，除去第A1组的电流，剩下的电流按步骤S2的方法继续分组，产生第B组的电流组合可能有k₁种B11，B12，B13，…,B1k₁。

S4，对里其它元素A2，，，，Am，分别执行一次S3这样的步骤，产生第B组的电流组合有k₂,…,k_m种，分别是B21，B22，B23，…,B2k₁,…,Bm1,Bm2,…，Bmk_m，第B组的所有电流组合

其中，和产生的组合电流为已分配的电流，剩下的电流就组成第C组的电流，根据和的所有组合，就可以产生第C组的所有电流组合

比较上述步骤中产生的所有组的(∑I_A-I_ideal)^2+(∑I_B-I_ideal)^2+(∑I_C-I_ideal)^2，选择值最小的组作为结果组，其中∑I_A为第A组里的所有电流之和，∑I_B为第B组里的所有电流之和，∑I_C为第C组里的所有电流之和；

S5，将第A组每个电流下对应的换相开关切换到A相，第B组中每个电流下对应的换相开关切换到B相，第C组中每个电流下对应的换相开关切换到C相，最终实现三相电流平衡。