CN112803441B - 一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：包括，利用量测装置采集配电线路首端和末端的电压和电流，并构建线路阻抗计算模型；结合线路阻抗计算模型和配电线路首端、末端的电压与电流计算三相电压不平衡度；通过电网调度管理系统获取台区的换相开关负荷情况，并基于小波包分解函数构建负荷预测模型，获得负荷预测值；根据负荷预测值获取换相指令，若三相电流不平衡度不满足三相平衡条件，则根据换相指令更换负荷相别，直至三相电流不平衡度满足三相平衡条件时停止换相；本发明能够极大减少变压器单相过载故障的发生，可有效提高供电可靠性与安全性，减小换相的时间，降低损耗的效益。
Description
技术领域
本发明涉及电力的技术领域，尤其涉及一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法。
背景技术
电力系统是由发电、输电、配电和用电各个环节组成的统一整体，其中发电、输电和配电又称为供电环节；供电环节所涉及的三相元件有发电机、变压器和线路等。电力系统在正常运行方式下，供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统三相不平衡。
三相不平衡问题是电能质量问题之一，它早己被发现，但是具体三相不平衡对电力系统带来的危害有多大，会给系统带来多大的损失，这方面的研究还是欠缺，并且随着通信和电力电子等高新技术的发展和应用，使电力网络三相不平衡的原因更加复杂化。目前主要是通过调节无功的方式和加消弧线圈的方式控制三相不平衡，但这两种方式目前解决问题的效果不佳：通过调节无功的方式进行补偿时经常出现谐波放大等问题，使补偿效果不佳。加消弧线圈只能起到削减电容电流的作用，对解决三相不平衡问题没有实质的意义，有时反而使三相不平衡度增大。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，能够解决三相不平衡问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，利用量测装置采集配电线路首端和末端的电压和电流，并构建线路阻抗计算模型；结合所述线路阻抗模型和所述配电线路首端、末端的电压与电流计算不平衡度；通过电网调度管理系统获取台区历史负荷曲线，并基于小波包分解函数构建负荷预测模型，获得负荷预测值；根据所述负荷预测值获取换相指令，若所述不平衡度不满足三相平衡条件，则根据所述换相指令更换负荷相别，直至所述平衡度满足所述三相平衡条件时停止所述换相。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：所述线路阻抗模型包括，结合所述配电线路首端和末端的电压和电流并基于二次函数构建所述线路阻抗计算模型：
其中，z为所述线路阻抗，为a相的首端阻抗，ua为a相的电压降，/>为a相的首端电流，/>为a相的末端电流，/>为a相n-1端点和末端间的电流。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：还包括，根据电路原理，计算所述a相的电压降：
其中，P为负荷三相总功率，为a相的首端电压。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：计算所述不平衡度包括，根据所述配电线路首端和末端电流的正序分量和负序分量，分别定义首端序容量和末端序容量/>
根据所述首端序容量和末端序容量/>计算所述不平衡度，公式如下：
其中，Sd为配电线路短路容量。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：还包括，根据所述不平衡度计算公式计算三相电压不平衡度εu与三相电流不平衡度εi，获得所述三相电压不平衡度εu与所述三相电流不平衡度εi的关系：
其中，S为负荷总容量。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：所述平衡条件包括，若配电线路的平均电流大于100A且3秒内的不平衡度超过7.2％时，则三相不平衡，需要更换所述负荷相别；否则，则不需要更换所述负荷相别。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：构建所述负荷预测模型包括，采集历史负荷曲线，将所述历史负荷曲线划分为三组门限小波包wave(x,y,t,h)；其中，x为左门限，y为右门限，t为x，y中的任意一点，h为频谱基波号；设已知前k天的历史日负荷曲线分别为f1(t)，f2(t)，…，fk(t)，预测第k+1天的日负荷曲线，即所述负荷预测模型：
其中，c(h)为历史系数，wave()为所述小波包分解函数。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：获取所述换相指令包括，根据所述负荷预测数据，运用遗传优化算法进行优化计算得到所述最优换相指令。
作为本发明所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的一种优选方案，其中：还包括，根据更换负荷相别前后的状态向量定义换相开关次数T：
其中，N为配电台区装设换相开关用户数，|ΔSl|为更换所述负荷相别前后状态相序向量差的模值。
本发明的有益效果：本发明能够极大减少变压器单相过载故障的发生，可有效提高供电可靠性与安全性，减小换相的时间；通过优化三相不平衡电流，降低损耗的效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的流程示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法的量测装置放置位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图2，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，包括：
S1：利用量测装置采集配电线路首端和末端的电压和电流，并构建线路阻抗计算模型。
其中需要说明的是，量测装置为电压、电流互感器，其在配电线路中所处的位置参照图2，M1和M2为量测装置，Q1、Q2…Qm为配电线路段各节点连接的电力负荷。
由于配电线路首端电压、电流与末端电压、电流存在相关关系，因此结合配电线路首端和末端的电压和电流并基于二次线性回归函数构建线路阻抗计算模型：
其中，z为线路阻抗，为a相的首端阻抗，ua为a相的电压降，/>为a相的首端电流，为a相的末端电流，/>为a相n-1端点和末端间的电流，a相为A、B、C三相中的某一相。
根据电路原理，计算a相的电压降：
其中，P为负荷三相总功率，为a相的首端电压。
本实施例选取了某条配电线路进行计算测试，结果如下表：
表1：线路阻抗计算结果表。
| A相 | B相 | C相 | |
| 节点首端电流/A | 68.67∠15.23° | 67.25∠16.30° | 68.12∠16.48° |
| 节点首端电压/V | 1563.2∠-1.69° | 1648.8∠-0.75° | 1567.1∠-1.21° |
| 节点末端电流/A | 436.78∠16.24° | 428.69∠17.35° | 435.36∠16.92° |
| 节点末端电压/A | 1436.5∠-27.56° | 1398.9∠-27.56° | 1369.5∠-27.56° |
| A相阻抗/(Ω/km) | B相阻抗/(Ω/km) | C相阻抗/(Ω/km) | |
| 100组量测数据 | 0.73+j0.55Ω/km | 0.61+j0.49Ω/km | 0.72+j0.52Ω/km |
| 电阻误差 | 1.07％ | 0.98％ | 0.92％ |
| 电抗误差 | -1.25％ | -1.12％ | -0.97％ |
由上表可见采用本方法计算的线抗值误差较低。
S2：结合线路阻抗模型和配电线路首端和末端的电压和电流计算不平衡度。
根据配电线路首端和末端电流的正序分量和负序分量，分别定义首端序容量和末端序容量/>
在三相对称电源供电的三相三线制配电系统中，根据三相电流不平衡度的定义：
基于上式，根据首端序容量和末端序容量/>计算不平衡度，公式如下：
其中，Sd为配电线路短路容量。
进一步的，根据不平衡度计算公式计算三相电压不平衡度εu与三相电流不平衡度εi，获得三相电压不平衡度εu与三相电流不平衡度εi的关系：
其中，S为负荷总容量。
S3：通过电网调度管理系统获取台区的历史负荷曲线，并基于小波包分解函数构建负荷预测模型，获得负荷预测值。
其中需要说明的是，小波包分解能够为信号提供一种更加精细的分析方法，小波包分析将时频平面划分得更为细致，它对信号的高频部分的分辨率比二进小波要高；而且，它在小波分析理论的基础之上，引入了最优基选择的概念，即将频带经过多层次的划分之后，根据被分析信号的特征，自适应地选取最佳基函数，使之与信号相匹配，以提高信号的分析能力；因此采用小波包分解函数能更清晰的表现负荷曲线的周期性。
具体的，采集历史负荷曲线，将历史负荷曲线划分为三组门限小波包wave(x，y，t，h)；共分为三个时间区间(0：00～9：00，9：00～17：00，17：00～24：00)；因此，第一组：x＝0，y＝9；第二组：x＝9，y＝17；第三组：x＝17，y＝24；其中，x为左门限，y为右门限，t为x，y中的任意一点，h为频谱基波号。
设已知采集的前k天的历史日负荷曲线分别为f1(t)，f2(t)，…，fk(t)，预测第k+1天的日负荷曲线，即负荷预测模型如下：
其中，c(h)为历史系数，wave()为小波包分解函数。
S4：根据负荷预测值获取换相指令，若不平衡度不满足三相平衡条件，则根据换相指令更换负荷相别，直至平衡度满足三相平衡条件时停止换相。
基于《GB/T 15543-2008电能质量三相电压不平衡》规定设定平衡条件：
若配电线路的平均电流大于100A且3秒内的不平衡度超过7.2％时，则三相不平衡，需要更换负荷相别；否则，则不需要更换负荷相别。
根据负荷预测数据，运用遗传优化算法进行优化计算得到最优换相指令，根据该指令进行换相，具体的步骤如下：
(1)利用基因编码策略实现遗传编码，定义负荷开关投切至A、B、C相的基因为[001]T、[010]T、[100]T，将装设换相开关的N个用户按照配电线路的顺序排列基因，生成初始种群，即开关相序状态矩阵K。
其中，根据更换负荷相别前后的状态向量定义换相开关次数T：
其中，|ΔSl|为更换所述负荷相别前后状态相序向量差的模值。
(2)计算初始种群中每个个体的适应度，筛选个体。
(3)将筛选的个体进行遗传操作生成新一代种群：
①交叉操作采用相同位置向量基因行置换的方式，随机在两个染色体相同位置处选择断点，将断点左段相互交换，形成两个新染色体；②变异操作在随机选择出需要变异的基因后，根据基因间依赖互斥的关系以及算法的变异率使每个基因在[001]T、[010]T、[100]T三个向量之间变异，形成不同的染色体。
进一步的，设定迭代次数为500，若达到该迭代次数，则输出结果，获得负荷相别的最优调整指令。
实施例2
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择基于无功调节的三相平衡控制方法和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
基于无功调节的三相平衡控制方法经常出现谐波放大等问题，使补偿效果不佳，对于平衡度的优化不明显。
为验证本方法相对基于无功调节的三相平衡控制方法能有效地降低平衡度和降低损耗的效益，本实施例中将基于无功调节的三相平衡控制方法和本方法分别对某台区的三相负荷进行调节对比。
采用基于无功调节的三相平衡控制方法对某配电台区的变压器进行调节，而后根据下式计算调节后的平衡度：
β＝(Imax-Ip)/Ip×100％
用本方法进行换相调节操作，设定迭代次数为70，种群数为100，变异率为0.01，计算调节后的平衡度，结果如表1所示。
表1：变压器三相平衡调节结果对比表。
由表1可见，本方法能够极大地降低平衡度，不平衡度可控制至5％左右，最大单相负载率可降低至62％，变压器剩余容量可达68％，可间接增加变压器40％以上的出力，极大减少变压器单相过载故障的发生。
另外，经调整后低压线损能够降低75％左右，根据配电台区的年用电量为150万kWh计算，低压线损按10％计算，降低到2％左右，预计每年可减少线损为13万kWh,节能效益按0.43元/kWh计算，每年节约5.59万元，10年可以节省费用约为55.9万元。
本方法消耗的换相平均时间为13.6ms，相比现有的换相技术方案所消耗的换相时间提升了32％。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：包括，
利用量测装置采集配电线路首端和末端的电压和电流，并构建线路阻抗计算模型；
所述线路阻抗计算模型包括，
结合所述配电线路首端和末端的电压和电流并基于二次函数构建所述线路阻抗计算模型：
其中，z为所述线路阻抗，为a相的首端阻抗，ua为a相的电压降，/>为a相的首端电流，为a相的末端电流，/>为a相n-1端点和末端间的电流；
结合所述线路阻抗计算模型和所述配电线路首端、末端的电压与电流计算不平衡度；
通过电网调度管理系统获取台区历史负荷曲线，并基于小波包分解函数构建负荷预测模型，获得负荷预测值；
根据所述负荷预测值获取换相指令，若所述不平衡度不满足三相平衡条件，则根据所述换相指令更换负荷相别，直至所述平衡度满足所述三相平衡条件时停止更换所述负荷相别。
2.如权利要求1所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：还包括，
根据电路原理，计算所述a相的电压降：
其中，P为负荷三相总功率，为a相的首端电压。
3.如权利要求2所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：所述平衡条件包括，
若配电线路的平均电流大于100A且3秒内的不平衡度超过7.2％时，则三相不平衡，需要更换所述负荷相别；
否则，则不需要更换所述负荷相别。
4.如权利要求3所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：构建所述负荷预测模型包括，
采集历史负荷曲线，将所述历史负荷曲线划分为三组门限小波包wave(x,y,t,h)；其中，x为左门限，y为右门限，t为x，y中的任意一点，h为频谱基波号；
设已知前k天的历史日负荷曲线分别为f1(t)，f2(t)，…，fk(t)，预测第k+1天的日负荷曲线，即所述负荷预测模型：
其中，c(h)为历史系数，wave()为所述小波包分解函数。
5.如权利要求4所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：获取所述换相指令包括，
根据负荷预测数据，运用遗传优化算法进行优化计算得到最优换相指令。
6.如权利要求4所述的三相自平衡负荷切换的自决策控制方法，其特征在于：还包括，
根据更换负荷相别前后的状态向量定义换相开关次数T：
其中，N为配电台区装设换相开关用户数，|ΔSl|为更换所述负荷相别前后状态相序向量差的模值，d＝1代表配电台区更换负荷相别的第一个用户。
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- 2021-02-20 CN CN202110195297.1A patent/CN112803441B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112803441A (zh) | 2021-05-14 |
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