CN111244979B - 基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法,其包括:步骤一采集低压配电网功率数据,建立有功功率矩阵,根据有功功率矩阵计算A、B、C三相的各相平均有功功率、平均有功功率以及三相平均总功率;步骤二得到有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式;步骤三采用有功功率计算低压配电网总不平衡度;步骤四当总不平衡度大于设定阈值时,求解有功功率调整量;步骤五根据有功功率调整量,求解需调相的用户并对用户进行调相。本发明避免了采用现场检测负荷电流指导负荷调整时随机负荷接入或波动导致的误调整问题,提升了工作效率,可以为用户优化接入相别选择提供指导,从而抑制低压配电网的三相不平衡度。
Description
技术领域
本发明属于电力电网技术领域,特别涉及一种基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法。
背景技术
我国配电网网架薄弱,配电系统自动化和智能化程度较低,配电网中单相负荷居多,单、三相负荷交叉混合,特别是在农村配电网这种地域广、用户多且分散的地区,长期存在着严重的三相不平衡问题,配电台区三相负荷的长期不平衡,会增加配电变压器损耗和线路损耗,降低电能质量和配变出力,情况严重时会危及设备安全,对电网安全、经济运行和可靠供电产生严重的影响。
目前,对配电台区三相负荷不平衡问题的主要研究方向有,人工线路调整法、无功补偿法、不对称调补法和采用台区控制器等方法。其中,无功补偿法和不对称调补法是指在配电变压器的低压侧,通过补偿的方式调整三相负荷,通过改变配电变压器拓扑可以在一定程度上三相不平衡问题,但容易引入谐波,造成谐振,不能从源头上根本解决三相不平衡。对于台区控制器,由于每个台区控制器接入的用户有限,且台区控制器的价格昂贵,运行维护成本高,不适宜大范围推广使用。因此,人工线路调整法仍为在实际工程应用中的主流方法,以电流表检测三相负荷电流,以此为计算指标规划所需调整的用户数量时,容易受到瞬时负荷的影响,造成误调整。但是,目前电力系统低压配电网中的用户,电力系统只收集了用户用电量的电表数据,关口表即总表收集整个变压器供电台区的实时功率、电压及电流数据,单个用户实时功率数据现场无法实时采集。因此,需要一种基于配电台区历史各相功率数据和台区各用户用电量信息的三相不平衡调整方法,可以避免瞬时负荷随机接入或波动引起的误差,在调整次数最少的优化前提下,最大程度上保证台区三相负荷的动态平衡。
发明内容
传统的低压配网三相不平衡负荷在人工调整时,存在受瞬时检测电流波动影响大,为了避免采用现场检测负荷电流来规划负荷调整时,瞬时随机负荷接入或波动导致误调整,本发明公开了一种基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法,具体包括以下步骤:
步骤二,根据现有三相不平衡度算法和低压配电网台区特性,得到通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式为:
各相需要调整的有功功率量为ΔPk:
步骤五,根据有功功率调整量,求解需调相的用户并对用户进行调相,具体包括以下步骤:
S51、设定在低压配电网内不允许调整的用户合并为一个大三相用户记为u0,对于可调整的单相用户,低压配电网A、B、C三相接入的单相用户数分别r、s、t户,设A相用户为uAi(i=1,2,…,r),B相用户为uBj(j=1,2,…,s),C相用户为uCk(k=1,2,…,t);
S52、A相用户uAi的月度用电量为QAi(i=1,2,…,r),B相用户月度用电量为QBj(j=1,2,…,s),C相用户月度用电量为QCk(k=1,2,…,t),大三相用户的用电量为Q0,则总用电量为:
S53、用户时间t内的总用电量等于平均功率乘以时间t:
Q=Pt (20)
因此在采样周期T内,功率调整量ΔP用调整的用电量ΔQ来代替;
S54、由式(16)可得此时k相需要调整的用电量为ΔQk,
S55、根据用户用电量对用户进行调相,使得三相不平衡度最优:
设i,j和z分别为A、B、C三相中的一相,且i,j和z各不相同,调整用户分为两种情况:
1)当ΔQj>0,ΔQj>0,ΔQz<0时,即i和j相需要调整的用电量为正,z相需要调整的用电量为负时,从i和i相中选择需要调整的用户,使得i相选择的m1个用户的总用电量等于ΔQi,j相选择的m2个用户的总用电量等于ΔQj,将i相的m1个用户和j相的m2个用户都调整至z相。
2)当ΔQz>0,ΔQj<0,ΔQj<0时,即z相需要调整的用电量为正,j和i相需要调整的用电量为负时,从z相的可调整的单相用户中选择m个用户,所选择的m个用户用电量等于ΔQi,再从m个用户中选择m1个用户,使得m1个用户的总用电量等于ΔQj的绝对值,将选择的m1个用户调整到j相,将m个用户中剩余的m2个用户调整到i相,m1+m2=m。
优选地,所述步骤二根据现有三相不平衡度算法和低压配电网台区特性,得到通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式的具体步骤为:
S21、三相对称电源供电的三相四线制配电系统中,不平衡度gk:
S22、对于在低压配电网中正常运行的台区,配变低压侧的电流为配变变压器的关口总表电流,配变低压侧出口电压为配电变压器的关口总表电压,三相交流输电线路传输的有功功率为:
P=3UI cosθ (7)
式中,U为三相交流输电线路的相电压;I为三相交流输电线路的相电流;P为传输的有功功率;cos θ为功率因数;
S23、在正常运行的台区中,
uA≈uB≈uc (8)
cos θA≈cos θB≈cos θC (9)
式中,uA、uB、uc分别为A、B、C三相电压;cos θA、cos θB、cos θC分别A、B、C三相的功率因数值;cos θA、cos θB、cos θC分别为A、B、C三相的功率因数;
S24、把式(7)代入式(5)(6),根据式(8)、(9)的条件,可获得通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式如下:
优选地,所述步骤一的具体步骤为:
S11、通过SCADA系统采集低压配电网台区的A、B、C三相功率,设定采集周期T和采样频率f,则共有N个采样点,N=T/f;在第i个采样点,SCADA系统采集到台区的一组A、B、C三相功率piA,piB,piC,则在采样周期T内,有功功率矩阵为p为:
式中,piA、piB、piC(i=1,2,…,N)分别为第i个采样点时A、B、C各相的瞬时有功功率,N为采样点个数;
S12、A、B、C三相的平均有功功率为:
优选地,所述步骤三的具体步骤为:
S31、采用有功功率计算A、B、C三相在第i个采样点的不平衡度为:
式中:piA、piB、piC分别表示在第i个采样点的A、B、C相瞬时有功功率;为第i个采样点的A、B、C三相平均有功功率,giA、giB、giC分别为第i个采样点的A、B、C三相的瞬时不平衡度,i=1,2,…,N;
S32、根据有功功率矩阵p,以及式(12),获得采样周期T内低压配电网瞬时三相不平衡度矩阵g为:
式中,giA、giB、giC分别为第i个采样点采样的A、B、C三相的瞬时不平衡度,i=1,2,…,N;
在采样周期T内,A、B、C各相平均不平衡度为:
式中,GA、GB、Gc分别表示采样周期T内A、B、C三相负荷平均不平衡度,giA、giB、giC分别为第i个采样点采样的A、B、C三相的瞬时不平衡度,N为采样点个数;
S33、在采样周期T内,对于第i次采样以A、B、C三相中最大不平衡度作为第i次采样时刻不平衡度Gi,则
Gi=max(giA、giB、giC); (16)
式中,N为采样点个数,Gi为第i次采样时刻不平衡度。
优选地,所述步骤S55中,由于用户用电量都是离散数据且存在不可调整的用户,实际中按调整用户数的用电量之和最接近需要调整的用电量为约束条件调整用户。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、创新性提出以用户有功功率为指标实现三相不平衡的调整,以用电量调整量来表征有功功率调整量,得到基于低压配电网功率和用电量的最优三相不平衡负荷调整方案。
2、可以快速降低配电网三相不平衡度,该方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点。
3、本发明兼顾电力系统用户的时序特征和用电习惯,避免了采用现场检测负荷电流来规划负荷调整时,瞬时随机负荷接入或波动导致误调整。
附图说明
图1为基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法的流程图。
具体实施方式
本发明考虑到三相不平衡治理在实际低压配电网中的工程实践可行性,通过SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,即监视控制与数据采集)系统采集台区各相有功数据和台区内用户的电度表数据作为分析的基础数据。设定采样频率f,采集各相一个周期T内各采样时刻功率数据。采集各用户一个周期T内总用电量。根据周期T和采样频率的不同,采样点数不同,本实施例中设30天为一个周期,采样频率为15min/次(即每15分钟采样一次),因此一个周期内采样点为2880个,构建各相一个周期内采样功率矩阵。以有功功率为指标计算各相平均有功功率、总平均有功功率,并根据有功功率计算各相不平衡度,获得需要调整的有功功率,以用电量调整量来表征有功功率调整量,求解待调整用电量,得到基于低压配电网功率和用电量信息的最优三相不平衡负荷调整方案,最终达到降低低压配电网三相总体不平衡度的目标。本发明的一种基于低压配电网功率的三相不平衡度抑制方法,具体包括如下步骤:
步骤一,低压配电网功率数据采集;
S11、通过SCADA系统采集低压配电网台区的A、B、C三相功率,设定采集周期T和采样频率f,则共有N个采样点,N=T/f。在第i个采样点,SCADA系统采集到台区的一组A、B、C三相功率piA,piB,piC,则在采样周期T内,有功功率矩阵为p为:
式中,piA、piB、piC(i=1,2,…,N)分别为第i个采样点时A、B、C各相的瞬时有功功率,N为采样点个数。
S12、A、B、C三相的平均有功功率为:
步骤二,三相不平衡度的改进算法;
S21、在现有技术中,三相对称电源供电的三相四线制配电系统中,不平衡度gk:
S22、对于在低压配电网中正常运行的台区,配变低压侧的电流为配变变压器的关口总表电流,配变低压侧出口电压为配电变压器的关口总表电压。在电力系统中,台区指(一台)变压器的供电区域。
从传输电能的角度看,变压器连接方式通常为“Y”型连接,三相交流输电线路传输的有功功率为:
P=3UI cosθ (7)
式中,U为三相交流输电线路的相电压,单位为kV(千伏);I为三相交流输电线路的相电流,单位为kA(千安);P为传输的有功功率,单位为MW(兆瓦);cosθ为功率因数。
S23、因为台区的关口总表电压和总功率因数不会发生剧烈的波动,那么A、B、C三相的电压波动和功率因数都在很小的范围内变化,通常电压波动可以控制在5%以内,台区的总功率因数在0.8以上,因此,在正常运行的台区中,有功功率能够直观、较为准确地反映负荷电流的变化,此时
uA≈uB≈uc (8)
cosθA≈cosθB≈cosθC (9)
式中,uA、uB、uc分别为A、B、C三相电压;cosθA、cosθB、cosθC分别A、B、C三相的功率因数值;cosθA、cosθB、cosθC分别为A、B、C三相的功率因数。
S24、因此在实际低压配电网中,可以使用有功功率为计算指标表征,即把式(7)代入式(5)(6),根据式(8)、(9)的条件,可推导出通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式如下:
步骤三,低压配电网三相不平衡度计算;
S31、采用有功功率计算A、B、C三相在第i个采样点的不平衡度为:
式中:piA、piB、piC分别表示在第i个采样点(i=1,2,…,N)的A、B、C相瞬时有功功率;为第i个采样点(i=1,2,…,N)的A、B、C三相平均有功功率,giA、giB、giC分别为第i个采样点(i=1,2,…,N)的A、B、C三相的瞬时不平衡度。
S32、根据步骤一中式(1)采集的有功功率矩阵p,以及式(12),获得采样周期T内低压配电网瞬时三相不平衡度矩阵g为:
式中,giA、giB、giC分别为第i个采样点采样的A、B、C三相的瞬时不平衡度,i=1,2,…,N。
在采样周期T内,A、B、C各相平均不平衡度为:
式中,GA、GB、Gc分别表示采样周期T内A、B、C三相负荷平均不平衡度,giA、giB、giC(i=1,2,…,N)分别为第i个采样点(i=1,2,…,N)采样的A、B、C三相的瞬时不平衡度,N为采样点个数。
S33、在采样周期T内,对于第i次采样以A、B、C三相中最大不平衡度作为第i次采样时刻不平衡度Gi,则
Gi=max(giA、giB、giC) (16)
式中,N为采样点个数,Gi为第i次采样时刻不平衡度。
需要调整的有功功率量为ΔPk取正数时表示对应k相有功功率需要调小的量,取负数表示对应k相有功功率需要调大的量。
步骤五,根据有功功率调整量,求解需调相的用户并对用户进行调相
由于在低压配电网中对于各个用户通常只采集用户用电量,因此需要将有功功率转换为用户用电量,以选择需要调整的用户。
S51、在低压配电网内存在有不允许调整的用户,将低压配电网内这样的用户合并为一个大三相用户记为u0,且用户不可调整。剩余用户为可调整的单相用户,低压配电网A、B、C三相接入的单相用户数分别r、s、t户,设A相用户为uAi(i=1,2,…,r),B相用户为uBj(j=1,2,…,s),C相用户为uCk(k=1,2,…,t)。
S52、A相用户uAi的月度用电量为QAi(i=1,2,…,r),B相用户月度用电量为QBj(j=1,2,…,s),C相用户月度用电量为QCk(k=1,2,…,t),大三相用户的用电量为Q0,则总用电量为:
S53、用户时间t内的总用电量等于平均功率乘以时间time:
Q=Ptime (20)
因此在采样周期T内,功率调整量ΔP可以用调整的用电量ΔQ来代替。
S54、由式(16)可得此时k相需要调整的用电量为ΔQk,
式中,Qt表示采样周期T内低压配电网总用电量;表示采样周期T内总平均功率;ΔPk为k相需要调整的有功功率量,k=A、B、C,k为A、B、C相中的其中一相,且ΔQA+ΔQB+ΔQC=0。需要调整的用电量ΔQk为正数时表示对应k相需要调出ΔQk的用电量,用电量ΔQk为负数时表示对应k相需要调入ΔQk的用电量。
S55、根据用户用电量对用户进行调相,使得三相不平衡度最优,
设i,j和z分别为A、B、C三相中的一相,且i,j和z各不相同,调整用户分为两种情况:
1)当ΔQz<0,ΔQi>0,ΔQj>0时,即i和j相需要调整的用电量为正,z相需要调整的用电量为负时,从i和j相中选择需要调整的用户,使得i相选择的m1个用户的总用电量等于ΔQi,j相选择的m2个用户的总用电量等于ΔQj,将i相的m1个用户和j相的m2个用户都调整至z相。
2)当ΔQz>0,ΔQi<0,ΔQj<0时,即z相需要调整的用电量为正,j和i相需要调整的用电量为负时,从z相的可调整的单相用户中选择m个用户,所选择的m个用户用电量等于ΔQi,再从m个用户中选择m1个用户,使得m1个用户的总用电量等于ΔQj的绝对值,将选择的m1个用户调整到j相,将m个用户中剩余的m2个用户调整到i相,m1+m2=m。
在实际中,由于用户用电量都是离散数据且存在不可调整的用户,实际中按调整用户数的用电量之和最接近需要调整的用电量为约束条件调整用户。
例如,通过步骤一到步骤四计算可以获得ΔPA、ΔPB和ΔPC,然后通过公式(24)将需要调整的有功功率值转换为用电量,假设此时ΔQA为正值,ΔQB、ΔQc为负值,因此按照第二种情况进行用户调整,此时z为A相,j为B相,i为C相。从A相用户uAi(i=1,2,…,r)中选择m个用户,m个用户的总用电量为ΔQ′A,由于用户用电量非连续,因此此时要求,选择的m个用户的总用电量满足|ΔQ′A-ΔQA|最小。再从m个用户选择m1个用户,m1个用户的的用量量相加为ΔQ′B,使得|ΔQ′B-ΔQB|最小,将所选择的m1个用户从A相调整到B相。此时m个用户中还剩余有m2个用户,将剩余的m2个用户调整到C相,完成低压配电网中三相不平衡调整。
本发明通过基于低压配电网台区历史各单相有功功率数据和台区各用户用电量信息的不平衡负荷调整,建立了三相不平衡情况下用户机械调整策略的模型。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法,其特征在于,其包括以下步骤:
S11、通过SCADA系统采集低压配电网台区的A、B、C三相功率,设定采集周期T和采样频率f,则共有N个采样点,N=T/f;在第i个采样点,SCADA系统采集到台区的一组A、B、C三相功率piA,piB,piC,则在采样周期T内,有功功率矩阵为p为:
式中,piA、piB、piC分别为第i个采样点时A、B、C各相的瞬时有功功率,i=1,2,…,N,N为采样点个数;
S12、A、B、C三相的平均有功功率为:
步骤二,根据现有三相不平衡度算法和低压配电网台区特性,得到通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式为:
S31、采用有功功率计算A、B、C三相在第i个采样点的不平衡度为:
式中:piA、piB、piC分别表示在第i个采样点的A、B、C相瞬时有功功率;为第i个采样点的A、B、C三相平均有功功率,giA、giB、giC分别为第i个采样点的A、B、C三相的瞬时不平衡度,i=1,2,…,N;
S32、根据有功功率矩阵p,以及式(12),获得采样周期T内低压配电网瞬时三相不平衡度矩阵g为:
式中,giA、giB、giC分别为第i个采样点采样的A、B、C三相的瞬时不平衡度,i=1,2,…,N;
在采样周期T内,A、B、C各相平均不平衡度为:
式中,GA、GB、Gc分别表示采样周期T内A、B、C三相负荷平均不平衡度,giA、giB、giC分别为第i个采样点采样的A、B、C三相的瞬时不平衡度,N为采样点个数;
S33、在采样周期T内,对于第i次采样以A、B、C三相中最大不平衡度作为第i次采样时刻不平衡度Gi,则
Gi=max(giA、giB、giC) (16)
式中,N为采样点个数,Gi为第i次采样时刻不平衡度;
各相需要调整的有功功率量为ΔPk:
步骤五,根据有功功率调整量,求解需调相的用户并对用户进行调相,具体包括以下步骤:
S51、设定在低压配电网内不允许调整的用户合并为一个大三相用户记为u0,对于可调整的单相用户,低压配电网A、B、C三相接入的单相用户数分别r、s、t户,设A相用户为uAi,i=1,2,…,r,B相用户为uBj,j=1,2,…,s,C相用户为uCk,k=1,2,…,t;
S52、A相用户uAi的月度用电量为QAi,i=1,2,…,r,B相用户月度用电量为QBj,j=1,2,…,s,C相用户月度用电量为QCk,k=1,2,…,t,大三相用户的用电量为Q0,则总用电量为:
S53、用户时间t内的总用电量等于平均功率乘以时间time:
Q=Ptime (20)
在采样周期T内,功率调整量ΔP用调整的用电量ΔQ来代替;
S54、此时k相需要调整的用电量为ΔQk,
S55、根据用户用电量对用户进行调相,使得三相不平衡度最优:
设i,j和z分别为A、B、C三相中的一相,且i,j和z各不相同,调整用户分为两种情况:
1)当ΔQi>0,ΔQj>0,ΔQz<0时,即i和j相需要调整的用电量为正,z相需要调整的用电量为负时,从i和j相中选择需要调整的用户,使得i相选择的m1个用户的总用电量等于ΔQi,j相选择的m2个用户的总用电量等于ΔQj,将i相的m1个用户和j相的m2个用户都调整至z相;
2)当ΔQz>0,ΔQi<0,ΔQj<0时,即z相需要调整的用电量为正,j和i相需要调整的用电量为负时,从z相的可调整的单相用户中选择m个用户,所选择的m个用户用电量等于ΔQi,再从m个用户中选择m1个用户,使得m1个用户的总用电量等于ΔQj的绝对值,将选择的m1个用户调整到j相,将m个用户中剩余的m2个用户调整到i相,m1+m2=m。
2.根据权利要求1所述的基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法,其特征在于,所述步骤二根据现有三相不平衡度算法和低压配电网台区特性,得到通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式的具体步骤为:
S21、三相对称电源供电的三相四线制配电系统中,不平衡度gk:
S22、对于在低压配电网中正常运行的台区,配变低压侧的电流为配变变压器的关口总表电流,配变低压侧出口电压为配电变压器的关口总表电压,三相交流输电线路传输的有功功率为:
P=3UIcosθ (7)
式中,U为三相交流输电线路的相电压;I为三相交流输电线路的相电流;P为传输的有功功率;cosθ为功率因数;
S23、在正常运行的台区中,
uA≈uB≈uc (8)
cosθA≈cosθB≈cosθC (9)
式中,uA、uB、uc分别为A、B、C三相电压;cosθA、cosθB、cosθC分别为A、B、C三相的功率因数;
S24、把式(7)代入式(5)(6),根据式(8)、(9)的条件,可获得通过有功功率计算低压配电网中三相不平衡度的计算公式如下:
3.根据权利要求1所述的基于低压配电网功率和用电量的三相不平衡负荷调整方法,其特征在于,所述步骤S55中,由于用户用电量都是离散数据且存在不可调整的用户,实际中按调整用户数的用电量之和最接近需要调整的用电量为约束条件调整用户。
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