CN110336306A - 一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法 - Google Patents

一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法 Download PDF

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Abstract

一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，属供配电领域。包括采用监控终端和智能换相开关来调整每个台变的三相不平衡度指标；其监控终端采用系统级控制方法来调整每个台变的三相不平衡度指标；其智能换相开关采用装置级控制方法来调整每条线路的三相不平衡度指标。通过对台区三相不平衡度分析，自动计算每相负荷数据，并根据具体数据计算调整三相负荷，实现自动调整的目的；其调整依据不仅仅是三相不平衡度指标，同时考虑电压、无功等指标，使台区处于一个更加稳定、电压合格率更高、功率因数更高的状态。能明显降低台变的运行噪声，提高顾客满意度，有明显的社会效益。可广泛用于电网运行质量的控制和调整领域。

Description

一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法
技术领域
本发明属于供配电装置或系统领域，尤其涉及一种用于在电网中平衡负载的控制方法。
背景技术
三相不平衡是电能质量的一个重要指标，虽然影响电力系统的因素有非常的多，但正常性不平衡的情况大多是因为三相的元器件、线路参数或负荷的不对称。三相负荷不平衡将增加台区线损，使配电台区三相负荷不平衡对配电网供电安全、供电质量和经济运行产生不良影响，是配电运行薄弱环节的主要体现之一。
三相负荷不平衡会会增加台区线路损耗、使变压器出力减少、损坏配网设备等一系列危害，所以治理台区三相负荷不平衡作为运维部门的一项重要工作，国家电网公司要求对三相负荷不平衡度超过《配电网运维规程》(Q/GDW 1519-2014)规定的不平衡度，必须通过工程或者技术手段进行台区三相负荷不平衡度治理。
目前三相负荷不平衡治理主要分为两大类，一类是以换相开关为代表的负荷调相法，另一类为以SVG为代表的补偿平衡法。
SVG补偿平法属于就地补偿平衡法，只改变变压器出口电压平衡，而不改变线路负荷的分配状态，线路中的三相负荷不平衡依然严重，又因其自身功耗很大，所以此类方法平衡不仅不会减少台区低压损耗，反而会增加台区低压损耗；再者SVG只改变变压器出口电压平衡，而三相三相负荷分配不均衡，末端电压依然会很低，根本达不到通过三相负荷调整来改善末端低电压的目的。
负荷调相平衡法，从根本上解决了配变台区的单相负荷分配不均衡造成的三相负荷不平衡，通过调整线路末端负荷相位，使配电线路三相负荷平衡，最大可能减少线路压降，提高末端电压，改善线路电能质量；负荷调相平衡法通过调整线路三相负荷平衡，达到变压器三相负荷平衡的目的的同时，降低了线路损耗和变压器损耗，真正做到了节能降损。
图1中，给出了台变低压出线的状况及设置三相负荷平衡自动调整系统的原理示意图(在电力系统中，台区是指一台变压器的供电范围或区域。台变是指该台区中的变压器，简称台变，下同)。
其中，变压器B出线后以四线架空线路的形式传输至用户侧。换相开关2安装在线路分支表箱前端，采用三相四线制输入，单相输出，具备手动、自动切换相线。亦即在三相四线转单相两线的位置，加装一个换相开关，并将三相四线同时引入换相开关，之后由换相开关两线出线。
换相开关内部通过电子转换开关的方式实现用户侧单相电接入三相的调整功能。
在换相开关内带有检测装置，用以检测换相开关所带负荷的电压、电流情况。
换相开关同时监测相线电压和表箱电源的电流及漏电信息，内置无线通讯接口和电力线载波接口，把监测信号上传到监控终端1。
换相开关将这些数据上传至监控终端后，再加上台区侧检测的变压器分支路三相电流值，监控终端就可以分析台区分支路三相负荷的不平衡情况，并根据不平衡程度和设定的调整目标对换相开关下达指令，使换相开关完成负荷接入相位的自动切换工作，以达到台区三相负荷平衡的目的。
在实际工作中，监控终端如何通过系统级及装置级的控制方法来对换相开关下达指令，使换相开关完成负荷接入相位的自动切换工作，是影响整个台区配电线路三相负荷平衡和降低线路损耗及变压器损耗的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法。其通过对台区三相不平衡度分析，自动计算每相负荷数据，并根据具体数据计算调整三相负荷，实现自动调整的目的。其调整依据不仅仅是三相不平衡度指标，同时考虑电压、无功等指标，使台区处于一个更加稳定、电压合格率更高、功率因数更高的状态。
本发明的技术方案是：提供一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，包括采用监控终端和智能换相开关来调整每个台变的三相不平衡度指标；其特征是：
所述的监控终端采用系统级控制方法来调整每个台变的三相不平衡度指标；
所述的智能换相开关采用装置级控制方法来调整每条线路的三相不平衡度指标；
其中，所述的监控终端通过RS485或无线方式，采集台区内各个剩余电流断路器数据、电流模块数据和智能电表、换相开关等数据，并通过CPU芯片来分析运算各个分支三相负荷的不平衡率；通过无线或有线与带换相功能的剩余电流断路器连接，下发换相调节指令，进而实现整个台变供电区域三相负荷平衡的自动调整；
所述的智能换相开关安装在线路用户表箱前端，采用三相四线制输入，单相输出；其同时监测相线电压和表箱单元的电流。并通过内置的无线通讯接口，把监测信号上传到监控终端；同时通过下发换相指令，实现远程调整某条支路的三相负荷，达到基本平衡状态。
具体的，所述的系统级控制方法包括：
1)计算三相总电流有效值；
2)判断电流不平衡度是否大于15％；
3)如是，则计数器1计时开始；
4)持续X时间，其中的X可设置；
5)启动三相不平衡控制计数器计时清零；
6)装置级仲裁结果预测；
7)判断是否可以将不平衡度调节到15％以内，且不平衡度优于调节之前；
8)返回主循环程序。
具体的，所述的装置级控制方法包括：
1)选择默认相X，并闭合默认相上的接触器X；
2)检测接触器X是否闭合？
3)正常运行，并向主控制器上传信息；
4)是否接到换相命令？
5)按照换相命令切换到Y相，并导通默认相上的晶闸管X；
6)检测晶闸管X是否导通？
7)断开接触器X；
8)检测接触器X是否断开？
9)断开晶闸管X；
10)检测晶闸管X是否断开？
11)导通晶闸管Y；
12)开始计时，40mS内晶闸管Y是否导通？
13)闭合接触器Y；
14)检测接触器Y是否闭合？
15)关断晶闸管Y；
16)检测晶闸管Y是否关断？
17)完成换相操作。
进一步的，所述的监测终端是整个系统的控制终端，每套装置只有一个监测终端；其负责采集整个系统的各种状态信息和数据，通过逻辑运算发出各种指令完成整个装置的操控；检测配网总线的电压信号；接收换相开关上传的负载电流数据，计算负载平衡度及分布情况，通过分析计算给各个智能换相开关发出换相命令；接收智能换相开关上传的运行状态和故障信息，然后做出相应的控制操作。
进一步的，所述的智能换相开关是整个系统的分支和执行机构，根据配变的容量与负载的分布情况不同可灵活选择换相开关的容量和数量；负责采集负载电流数据，与自身的状态信息一起通过无线通讯上传给主控制器；接收主控制器的换相命令进行换相操作；接收主控制器的故障保护命令进行相应的操作；显示自身的运行状态信息。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.采用本技术方案后，通过对台区三相不平衡度分析，自动计算每相负荷数据，并根据具体数据计算调整三相负荷，实现自动调整的目的；其调整依据不仅仅是三相不平衡度指标，同时考虑电压、无功等指标，使台区处于一个更加稳定、电压合格率更高、功率因数更高的状态；
2.本技术方案的实施，能有效降低台区内的三相不平衡问题，降低了配电变压器的损耗，降低损坏用户用电设备的情况发生，有效改善了试点台区电能质量问题；
3.本技术方案的实施，能明显降低台变的运行噪声，因偏磁问题带来的噪声会给周边居民带来很大的困扰，而配变三相平衡时噪声最小，从而避免配变附近客户因配变噪音大而投诉，提高顾客满意度，有明显的社会效益。
附图说明
图1是三相负荷平衡调整系统的原理示意图；
图2是换相开关的组成示意图；
图3是本发明的软件控制系统示意图；
图4是本发明的系统级控制流程方框图；
图5是本发明的换相操作流程示意图。
图中，1为监控终端，2为换相开关，B为变压器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图2中，智能换相开关用于监测表箱单元的负荷电流、电压和相位，永磁开关式换相开关通过过零切换，可进行快速相位切换，切换时间在5ms以内，真正实现带负荷不断电切换。
1)机械互锁功能：
开关采用永磁式开关换相开关，确保换相开关在任何情况下都不会发生相间短路事故；
2)标准开关机构：
具有灭弧机构，消弧快，尤其在换相时间小于10ms时，优势更加突出。通流量大，分断能力强。
3)电气寿命延延长设计：
机械寿命大于10万次，电气寿命大于1.5万次。
所述的智能换相开关安装在线路用户表箱前端，采用三相四线制输入，单相输出。可实现自动、手动换相线。同时监测相线电压和表箱单元的电流。内置475MHz无线通讯接口，把监测信号上传到监控终端。并通过系统软件下发换相指令，实现远程调整支路三相负荷，达到基本平衡状态。
换相开关的安装与接线：
目前，供电公司架空线路分支线主要分为三相四线结构和单相两线结构两种接线形式。对于第一种接线形式，换相开关可安装于接户线的两线出线的位置，其进线接线需将原来的两线引出改为四线引出，通过电缆(可以是单根四芯电缆，也可以是四根单芯电缆)和电缆管将接线引下，在进户表箱前将电缆先引入换相开关。换相开关出线后，可仍通过电缆管的方式接入用户表箱。
对于第二种接线，换相开关需要安装在分支杆上。在加装换相开关时需拆除原有的分支线联络线。主线路四线引出依然通过电缆方式接入换相开关。换相开关出线后，通过电缆的方式将相线和零线引入到分支线路之中。条件若允许，尽量进出线都在这一根电杆上完成。
换相开关的开关个数：一般以台区用户表箱的一半为安装数量，选取换相开关数量少了，负荷调整时不容易出效果；
换相开关为无线传输时，空旷地带有效传输距离为1200米，有障碍阻隔或环境恶劣时，传输距离减小，为了保证换相开关与终端通讯畅通，换相开关安装位置不能离台区太远，有效距离在200米以内。
所有换相开关以自组网形式组网，换相开关点对点有效距离在200米以内。
图3中，给出了发明的软件控制系统示意图。其中，本技术方案采用了基于LoRa无线技术的应用。
其中，决策单元(监控终端，简称终端)基于LoRa无线技术，和智能换相开关组网，在保持了低功耗的同时，增加了通信距离和网络效率，并消除了干扰，达到即使使用相同频率同时发送也不会产生相互干扰。
由图3所示可知，整套换相装置的控制程序由控制主程序(简称主控程序)和换相程序组成。
其中，主控程序与换相程序属于主从关系，主控程序发出命令，接收换相程序上传信息。换相程序接受命令，上传信息。它们之间分工不同互相配合，共同完成装置的运行控制。
主控程序是装置的核心控制部分，它负责装置的核心算法与控制策略、信息的汇总与分析运算。
换相程序是装置的具体执行部分，它负责换相开关的换相逻辑控制；检测负载电流信号与装置运行状态信息并上传给主控程序。
一、主控程序的具体功能：
1、信息采集功能：
总线电压信号采集功能，检测配电变压器低压侧电网电压信号。
总线电流信号采集功能，检测配电变压器三相输出电流。
通过GPRS无线通讯接收各换相开关上传的负载电流信息、物理地址信息、运行状态信息(含当前运行相)、故障信息。
可根据外部编码器电路输入的信号来设置换相等待时间。
2、控制计算功能：
装置的主控功能。管理控制装置的正常运行。
三相电流不平衡度计算功能。
各换相开关支路负载电流计算功能。
各支路负载重新分配再平衡计算功能。通过专门的计算方法计算当前所接支路负载并重新分配到各单相，给需要调整的换相开关发出换相命令，使电网三项电流达到平衡。
根据换相开关上传的物理地址，对各换相开关进行分组定义功能。
运行状态指示功能。发出电平信号控制LED灯的亮、灭，指示电源供电、正常运行、故障报警三种状态。
故障信息发送功能，发送故障代码到手机和电脑中。
3、通讯功能：
485通讯、无线通讯。
装置内控制器与各换相开关采用通讯传输数据。
设备检修、重新设置参数或更新软件程序时采用485通讯。
二)换相程序的功能：
1、信息采集功能：
负载电流采集功能。
硬件地址编码功能。根据外部输入编码器信号定义开关的物理地址
手动换相功能。接收外部手动控制信号，控制开关进行换相操作。
通过无线通讯接收控制器发送的信息。
2、控制计算功能：
换相开关换相操作的逻辑控制功能。
晶闸管和接触器的驱动控制功能。
晶闸管和接触器的状态信息检测功能。
3、运行状态指示功能。发出电平信号控制LED灯的亮、灭，指示电源供电、正常运行、故障报警三种状态。
4、工作相指示功能。发出电平信号控制LED灯的亮、灭，指示负载接通在哪一相。
数据上传给控制器功能，实时上传运行的状态信息和电流参数。
5、通讯功能：
485通讯，无线通讯。
装置内与控制器间采用无线通讯输出信息。
设备检修、重新设置参数或更新软件程序时采用485通讯。
进一步的，在本技术方案中，系统级控制方法的流程如图4中所示。
具体的，所述的系统级控制策略(控制方法)包括：
1)计算三相总电流有效值；
2)判断电流不平衡度是否大于15％；
3)如是，则计数器1计时开始；
4)持续X时间，其中的X可设置；
5)启动三相不平衡控制计数器计时清零；
6)装置级仲裁结果预测；
7)判断是否可以将不平衡度调节到15％以内，且不平衡度优于调节之前；
8)返回主循环程序。
具体的，所述的装置级控制策略(控制方法)包括：
换相开关采集的每一路电流，I1….In，控制器采集的配电变压器出口总电流，然后按各相总电流大小排序，由大到小分别为x，y，z；
求总平均值：
Δx＝x-k
Δy＝y-k
Δz＝z-k
其中Δx大于零，Δz小于零；
若Δy大于零，则x、y相的换相开关中分别找出与Δx、Δy接近的负荷切换到z相，在动作之前，先进线预判，如果预判结果比动作之前要差，则维持不动作；
若Δy小于零，则x找出与Δy、Δz接近的负荷切换到y、z相，在动作之前，先进线预判，如果预判结果比动作之前要差，则维持不动作；
若Δy等于零，则x找出与Δz接近的负荷切换到y、z相，在动作之前，先进线预判，如果预判结果比动作之前要差，则维持不动作；
当变压器轻载时，不进行不平衡调节，轻载定义为负载率小于等于30％。
3)控制算法：
3.1)不平衡判断依据和计算方法：
以三相电流不平衡度超过15％作为动作判据；
3.2)不平衡度计算：
三相四线制系统中：电流不平衡度其中IX为三相电流IA、IB、IC，取自总进线电流CT，为三相总进线电流有效值的平均值。计算电流不平衡度时三相电流都需要计算，要保证三相电流不平衡度均不超过15％。
本技术方案的换相操作流程如图5中所示。
具体的，在换相过程中，按照下列步骤进行换相主程序的执行：
1)选择默认相X，并闭合默认相上的接触器X；
2)检测接触器X是否闭合？
3)正常运行，并向主控制器上传信息；
4)是否接到换相命令？
5)按照换相命令切换到Y相，并导通默认相上的晶闸管X；
6)检测晶闸管X是否导通？
7)断开接触器X；
8)检测接触器X是否断开？
9)断开晶闸管X；
10)检测晶闸管X是否断开？
11)导通晶闸管Y；
12)开始计时，40mS内晶闸管Y是否导通？
13)闭合接触器Y；
14)检测接触器Y是否闭合？
15)关断晶闸管Y；
16)检测晶闸管Y是否关断？
17)完成换相操作。
如图所示，在所有判断环节(图中以菱形框代表)均有Y(是)和N(否)两种判断结果，并会引导主程序的不同走向；换句话说，所有的判断环节都对应有两个结果，一是继续按原走向向下进行，二是调用对应的子程序进行执行，该改变相应主程序的执行方向。
由于所涉及到的各个子程序较多，且均已清楚地标注在图中，由于其采用业内通用的绘制模式和标注方法，对本领域的技术人员而言，均可毫无异义地明白和得知其准确含义，故在此不再详述。
采用本技术方案后，通过对台区三相不平衡度进行分析，自动计算每相负荷数据，并根据具体数据计算调整三相负荷，实现自动调整的目的。其调整的依据，不仅仅是三相不平衡度指标，同时还要考虑电压、无功等指标，使台区处于一个更加稳定、电压合格率更高、功率因数更高的状态。
本技术方案的实施，能有效降低台区内的三相不平衡问题，降低了配电变压器的损耗，降低损坏用户用电设备的情况发生，有效改善了试点台区电能质量问题。
本技术方案的实施，能明显降低台变的运行噪声，因偏磁问题带来的噪声会给周边居民带来很大的困扰，而配变三相平衡时噪声最小，从而避免配变附近客户因配变噪音大而投诉，提高顾客满意度，有明显的社会效益。
本发明可广泛用于电网运行质量的控制和调整领域。

Claims (5)

1.一种智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，包括采用监控终端和智能换相开关来调整每个台变的三相不平衡度指标；其特征是：
所述的监控终端采用系统级控制方法来调整每个台变的三相不平衡度指标；
所述的智能换相开关采用装置级控制方法来调整每条线路的三相不平衡度指标；
其中，所述的监控终端通过RS485或无线方式，采集台区内各个剩余电流断路器数据、电流模块数据和智能电表、换相开关等数据，并通过CPU芯片来分析运算各个分支三相负荷的不平衡率；通过无线或有线与带换相功能的剩余电流断路器连接，下发换相调节指令，进而实现整个台变供电区域三相负荷平衡的自动调整；
所述的智能换相开关安装在线路用户表箱前端，采用三相四线制输入，单相输出；其同时监测相线电压和表箱单元的电流。并通过内置的无线通讯接口，把监测信号上传到监控终端；同时通过下发换相指令，实现远程调整某条支路的三相负荷，达到基本平衡状态。
2.按照权利要求1所述的智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，其特征是所述的系统级控制方法包括：
1)计算三相总电流有效值；
2)判断电流不平衡度是否大于15％；
3)如是，则计数器1计时开始；
4)持续X时间，其中的X可设置；
5)启动三相不平衡控制计数器计时清零；
6)装置级仲裁结果预测；
7)判断是否可以将不平衡度调节到15％以内，且不平衡度优于调节之前；
8)返回主循环程序。
3.按照权利要求1所述的智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，其特征是所述的装置级控制方法包括：
1)选择默认相X，并闭合默认相上的接触器X；
2)检测接触器X是否闭合？
3)正常运行，并向主控制器上传信息；
4)是否接到换相命令？
5)按照换相命令切换到Y相，并导通默认相上的晶闸管X；
6)检测晶闸管X是否导通？
7)断开接触器X；
8)检测接触器X是否断开？
9)断开晶闸管X；
10)检测晶闸管X是否断开？
11)导通晶闸管Y；
12)开始计时，40mS内晶闸管Y是否导通？
13)闭合接触器Y；
14)检测接触器Y是否闭合？
15)关断晶闸管Y；
16)检测晶闸管Y是否关断？
17)完成换相操作。
4.按照权利要求1所述的智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，其特征是所述的监测终端是整个系统的控制终端，每套装置只有一个监测终端；其负责采集整个系统的各种状态信息和数据，通过逻辑运算发出各种指令完成整个装置的操控；检测配网总线的电压信号；接收换相开关上传的负载电流数据，计算负载平衡度及分布情况，通过分析计算给各个智能换相开关发出换相命令；接收智能换相开关上传的运行状态和故障信息，然后做出相应的控制操作。
5.按照权利要求1所述的智能负荷换相的系统级及装置级控制方法，其特征是所述的智能换相开关是整个系统的分支和执行机构，根据配变的容量与负载的分布情况不同可灵活选择换相开关的容量和数量；其负责采集负载电流数据，与自身的状态信息一起通过无线通讯上传给主控制器；接收主控制器的换相命令进行换相操作；接收主控制器的故障保护命令进行相应的操作；显示自身的运行状态信息。
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