一种配电网台区三相负荷自动均衡调节系统的制作方法
本发明涉及配变低压台区三相负荷平衡控制领域，具体涉及一种配电网台区三相负荷自动均衡调节系统。
背景技术：
变压器三相负荷不平衡会带来变压器过载、增加变压器损耗、影响用户电能质量等问题，现有的解决方案分为人工负荷调整、在变压器出线侧加装三相不平衡自动调节装置和在每个单相出线侧加换相开关三种方式。人工调整费时费力，且需要停电处理。而在变压器出线侧加装调节装置，适用范围有限，不能应对用户分布散，变压器出线电缆数量少，而用户侧电缆分支箱较多的场合。目前的换相开关装置采用每相负载通过三组双向晶闸管和电磁式开关组合的方式，换相方法采用关断一相、固定延时、开通另一相的方式，负荷存在电压跳变和电流断流。并且单相负荷调节没有考虑分支箱在最初新装设计过程中就已经将容量进行了均衡分配，可能会出现某个分支箱所有负荷均在某一相电源的极端情况，存在分支箱单相过负荷的隐患。
本发明通过对分支箱负荷的采集分析，以终端分支箱作为一个有机整体进行考虑，根据各分支箱负荷大小和线路的长短实时计算出最优负荷交换相电源方案。并使用结构简单、安全性高的智能分支箱实现负荷换相，在增加负荷调节的灵活性的同时，保持稳态情况下分支箱仍然带载三相负荷，可有效解决负荷不平衡的问题，同时对于台区线损管控起到了辅助作用，可快速定位线损点，并可缩小故障切除范围。该换相策略采用开关器件分时复用的方式，相较于单相开关模块组合，可显著减少每相开关器件的平均配备数量，并通过主站控制单元的电压锁相信息，精准设置开关器件通断时刻，通过双向开关器件的独立控制，实现负荷电压无跳变、电流无断流。
该装置实现器件高效利用，体积小，安全性高，非常适合用户分散、负荷不平衡随机性大的配电低压台区。
技术实现要素：
针对现有三相负荷不平衡调节方案存在适用范围有限、所需器件较多、控制不够简便，本发明提供了一种一种配电网台区三相负荷自动均衡调节系统，其目的在于利用一种简单可靠的系统结构和负荷换相装置，实现三相负荷的实时在线调节，从而实现变压器达到平衡要求。
一种配电网台区三相负荷自动均衡调节系统，包括主站控制单元、换相单元和通信单元，主站控制单元通过通信单元与换相单元连接；主站控制单元获取换相单元三相负荷平衡状况，当三相负荷不平衡度达到系统既设阈值时，计算三相负荷分配策略，并向换相单元发送换相指令；换相单元根据换相指令进行负荷均衡调节；换相单元包括信息采集模块、三相切换开关电路、换相控制器、换相桥接触器组和公共接触器组；信息采集模块采集各负荷侧相电压、相电流和换相控制器开关状态、换相桥接触器组和公共接触器组接触器状态，三相切换开关电路的输入端分别与换相单元三相进线相连接，三相切换开关电路的输出端相连接并形成公共端，换相桥接触器组的输入端分别与换相单元三相进线相连接，公共接触器组的输入端与三相切换开关电路输出端形成的公共端相连接，换相桥接触器组与公共接触器组的输出端分别与负荷侧相连接，换相控制器与三相切换开关电路连接并控制开关通断状态、换相控制器分别与换相桥接触器组和公共接触器组连接并控制各接触器工作状态。
上述主站控制单元实时监控配电网台区关口三相负荷和换相单元负荷信息，并对关口电压进行锁相，采用迟滞比较器设定三相不平衡度的启动调整阈值，当三相不平衡度达到阈值时，自动触发调节系统。
上述三相切换开关电路包括三组反并联晶闸管，换相桥接触器组和公共接触器组均包括互锁接触器，三组反并联晶闸管换相时采用分时复用的工作方式。
上述换相单元接收到主站控制单元换相指令后，先将负荷电流从流经互锁接触器切换为流经反并联晶闸管，通过控制反并联晶闸管开关状态实现换相，稳定运行后，再切回互锁接触器常态供电。
一种配电网台区三相负荷自动均衡调节系统的负荷均衡调节方法，包括以下步骤：
步骤一：设配电网台区有3n个换相桥接触器组，每个换相桥接触器组连接一路负荷出线，则a、b、c三相负荷构成n×3的矩阵dn×3：
其中，dia、dib、dic分别表示a、b、c三相电源上的负荷的大小，行矩阵di＝[diadibdic]，则配电网台区的三相总负荷分别为：
设三相总负荷的平均值为lavg，通过矩阵每一行中三个数值之间互换位置，实现三相总负荷平均值的差值最小，即得到min(|la-lavg|+|lb-lavg|+|lc-lavg|)；
步骤二：计算每一行di中三个数值之差的最大值fi_max，将得到的n个fi_max从大到小排序；
fi_max＝max(diadibdic)-min(diadibdic)
步骤三：设有3个n×1的空数组h1、h2、h3，按照步骤二fi_max从大到小的顺序，将对应的n个1×3的行矩阵di中的值分别放进空数组h1、h2、h3中；规则是：首先放fi_max最大的行矩阵dmax_1到空数组中，放进去值的行数和dn×3中该值所处的行数一致，将第二个放的行矩阵dmax_2中最大值放入数值之和最小的hmin中，dmax_2中最小值放入数值之和最大的hmax中，实现dmax_1和dmax_2叠加之后的最优平衡，以此类推，第i个数组dmax_i中最大值放入前i-1个数组叠加值之和最小的hmin中，最小值放入叠加值之和最大的hmax中，完成n-1次分配叠加之后，形成三个数据完整的数组，并按照数组内值之和从大到小排列
步骤四：为验证此时数组h是否为最优平衡的数组，算出数组最大和最小的差值
步骤五：求最少换相次数的分配方案，经过步骤四得到的三个数组h1、h2、h3，即为换相完成后三相负荷所处的状态，将三个n×1数组排列组合成6个n×3矩阵，和最初的三相负荷矩阵dn×3进行配对比较，得出仍处在最初位置的负荷的数量，数量最大的矩阵，即设定为换相后应得到的状态矩阵，根据该矩阵制定切换指令实现换相次数最少。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于给出了合理结构和控制方案，能够安全高效解决公变台区三相负荷不平衡的问题。
附图说明
图1三相负荷均衡调节系统结构图
图2主站控制单元工作流程图
图3换相单元结构图
图4反向串联igbt代替反并联晶闸管示意图
图5换相控制器控制流程图
图6三相切换开关电路控制通断图
图7阻感性负荷换相过程电压电流仿真波形
图8三相切换开关电路igbt组控制通断图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明首先分析普通公变台区的结构，三相负荷不平衡越是到末端分支箱，可能出现的最高不平衡度越高。基于成本和管理方便，配电变压器出线通常并不会分很多股。如果将三相负荷均衡装置执行单元装设在配电变压器出线处，其调节能力受输出电缆数量限制，若每个单相负荷安装一个换相开关模块，则需要大量开关器件，因此将负荷均衡的执行单元设置在距用户较近的电缆分支箱能够提高控制的灵活性和三相负荷容量的稳定性。
图1为三相负荷均衡调节系统结构图。包括三大部分，主站控制单元1、换相单元2和通信单元3，主站控制单元1设置在配电网台区保计箱内，实现整个变压器负荷数据的采集、锁相、分析判断和指令生成，是整个负荷均衡系统的控制中心。换相单元2设置在电缆分支箱内，负责三相负荷电流和电压的采集等，通信单元3采用gprs或者载波的方式实现主站控制单元1和换相单元2之间的数据通信。
图2为主站控制单元工作流程图。主站控制单元实时监控台区关口三相负荷和换相单元负荷信息，并对关口电压进行锁相，采用一个迟滞比较器设定三相不平衡度的启动调整阈值。设定的三相不平衡度启动调整阈值应小于要求的三相不平衡度限值，当达到阈值时，会自动触发调节系统。调节系统的目标：1、调整后，三相负荷达到最优平衡；2、换相次数最少。限制条件：由于每个电缆分支箱三相负荷在最初安装的过程中就已经根据容量进行分配，为保证换相后电缆分支箱三相出线容量仍能均衡，三路负荷出线之间是交换相电源。根据要求进行数学建模，负荷分配步骤如下：
步骤一：设配电网台区有3n个换相桥接触器组，每个换相桥接触器组连接一路负荷出线，则a、b、c三相负荷构成n×3的矩阵dn×3：
其中，dia、dib、dic分别表示a、b、c三相电源上的负荷的大小，行矩阵di＝[diadibdic]，则配电网台区的三相总负荷分别为：
设三相总负荷的平均值为lavg，通过矩阵每一行中三个数值之间互换位置，实现三相总负荷平均值的差值最小，即得到min(|la-lavg|+|lb-lavg|+|lc-lavg|)。
步骤二：计算每一行di中三个数值之差的最大值fi_max，将得到的n个fi_max从大到小排序；fi_max＝max(diadibdic)-min(diadibdic)
为使本方法更容易理解，推出“细沙理论”：假如有一堆石头和细沙，需要将其装进一个开口向上的容器，先放大块的石头尽量铺匀，然后放更小的石头尽量铺匀，最后放细沙进行均衡，才可能实现顶面最佳平整。假如顺序反着来，将造成刚开始很均匀，最后大石头永远放不平整。
步骤三：设有3个n×1的空数组h1、h2、h3，按照步骤二fi_max从大到小的顺序，将对应的n个1×3的行矩阵di中的值分别放进空数组h1、h2、h3中；规则是：首先放fi_max最大的行矩阵dmax_1到空数组中，放进去值的行数和dn×3中该值所处的行数一致，将第二个放的行矩阵dmax_2中最大值放入数值之和最小的hmin中，dmax_2中最小值放入数值之和最大的hmax中，实现dmax_1和dmax_2叠加之后的最优平衡，以此类推，第i个数组dmax_i中最大值放入前i-1个数组叠加值之和最小的hmin中，最小值放入叠加值之和最大的hmax中，完成n-1次分配叠加之后，形成三个数据完整的数组，并按照数组内值之和从大到小排列
步骤四：为验证此时数组h是否为最优平衡的数组，算出数组最大和最小的差值
步骤五：求最少换相次数的分配方案，经过步骤四得到的三个数组h1、h2、h3，即为换相完成后三相负荷所处的状态，将三个n×1数组排列组合成6个n×3矩阵，和最初的三相负荷矩阵dn×3进行配对比较，得出仍处在最初位置的负荷的数量，数量最大的矩阵，即设定为换相后应得到的状态矩阵，根据该矩阵制定切换指令实现换相次数最少。
分析指令算法后，对需要动作的电缆分支箱发出换相指令，并实时监控指令执行情况及负荷不平衡度变化情况。
现以具体算法实施例进行计算以说明本算法的效果。设配电网台区有39个换相桥接触器组，n＝13，随机生成13组零到100之间的电流值，则负荷矩阵为：
台区总的三相负荷分别为：
初始三相负荷不平衡率为27.1％。按照本算法得到换相后矩阵：
切换后三相负荷变为：
换相成功后三相负荷不平衡率仅为2.5％。仍处在最初位置的负荷数量为15个，需要更换相电源的单项负荷个数为24。
图3为换相单元结构图。由三组反并联晶闸管、四组互锁接触器组、信息采集模块和换相控制器组成。互锁接触器组实现常态导通功能，开关器件只在切换流程中使用，信息模块实时监控电缆分支箱负荷情况。开关器件采用分时复用的方式，三路负荷出线可以通过接触器组sn连接上换相桥，完成换相后切出。由于换相的时间尺度远小于负荷变化的时间，这样三路负荷共需要三条开关器件通路。相比于现有的每路负荷均需要配置三条开关器件通路对应三相电源，大大减少了开关器件的使用。由于半控器件晶闸管的过零关断特性，可以在硬件上避免负荷电流的跳变。在有电压锁相的情况下，也可使用全控型开关器件igbt实现同样的功能。图4为反向串联igbt代替反并联晶闸管示意图所示，用反向串联igbt代替反并联晶闸管，其换相过程因器件特性不同而不同。
图5为换相控制器工作流程图。当接收到主站换相指令后，先将负荷电流从流经接触器转为流经开关管，通过控制开关管实现换相并稳定运行后，再切回接触器常态供电。
图6为三相切换开关电路晶闸管组控制通断图(以负荷从a相切换到b相为例)。根据主站控制单元的切换指令和锁相信息，定位换相时段。设接受指令后的第一个a相电压过零点为0时刻。晶闸管的导通上升沿为1ms左右。初始状态时，t1、t2导通状态，t3、t4关断状态。在t1时段(0，5)ms，关断t2导通信号，若是阻感性电流，负荷电流会在t1时段内有一个从负到正的过零点，t2会在过零点断流；若是阻容性电流，在此时段内，电流为正，流过t1管，t2管处于关断状态。在t2时段(5，8.33)ms，5ms时刻关断t1导通信号，开通t3信号，若是阻感性电流，在t2时段，电流一直为正，t1继续流过负荷电流，a相电压大于b相电压，t3反向截止；若是容性电流，可能会在该时段出现从正到负的过零点，即使是纯容性负荷，也最多出现3.33ms的断流。在8.33ms时刻，开通t4信号，此时uba从负到正，t3导通，t1必然截止。在t3时段，t1、t2全部关断状态，t3、t4导通信号，负荷实现从a相电源切换到b相电源。图7为阻感性负荷换相过程电压电流仿真波形，电压无跳变、电流无断流。
图8三相切换开关电路igbt组控制通断图。控制过程和半控型开关器件有所不同。初始状态时，t1、t2导通状态，t3、t4关断状态。在(0，5)ms时段，若是阻感性负载，会出现前一段时间负荷电流经过t2和t1的反并联二极管导通，后一段时间经过t2和t1的反并联二极管导通，因此保持0ms前通断信号。在5ms时刻，关断t2，此时不论阻感性负荷还是阻容性负荷，电流都为正，t1继续导通。在t1时段(5，8.33)ms，导通t3信号，由于此时段uab为正，t4的反并联二极管截止，不会形成相间短路。在8.33ms时刻，uab由正到负，t2的反并联二极管截止，此时关段t1信号。在t2时段(8.33，11.67)ms，开通t4的信号。t1、t2全部关断状态，t3、t4导通，切换完成。以上都是b相滞后a相2π/3的过程，如果需要负荷从a相换到c相，则在开关桥中先换到b相，再从b相换到c相，重复一次开关器件通断过程，以此类推可以实现负荷换到任意相电源。
本发明提供反并联晶闸管和反向串联igbt两种解决方案，具体实施综合考虑成本、驱动、器件寿命等因素进行配备。
由于负荷切换后改变了原有相电源，因此三相动力用户，特别是三相异步电机，不适合接在负荷换相模块之后。而普通三相动力用户三相负荷基本平衡，对台区三相平衡无影响，可不在均衡系统考虑范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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