渐进式策略调节低压配电网三相电压不平衡的方法与流程

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种渐进式策略调节低压配电网三相电压不平衡的方法。

背景技术

在低压配电网中，三相不平衡是指在电力系统中三相电压（或电流）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。三相不平衡会造成线路、配电变压器的电能损耗增加，配变出力减少、配变产生零序电流，电动机效率降低，影响用电设备的安全运行。因此，在现实供电过程中，电力部门尽量将单相和两相负荷均匀的分配到三相上，以保持三相平衡；而采用换相开关联网调节负荷分配是最常用的手段之一。

根据gb/t15543-2008《供电质量三相电压不平衡》所引用的三相电压不平衡度计算公式：

式中：——旋转算子，，，、分别为正序和负序分量；、、——a相、b相和c相电压向量。

中国专利公开号cn105846453a，公开日2016年08月10日，发明创造名称为一种治理低压配电网三相负荷不平衡的方法。该申请案公开了一种治理低压配电网三相负荷不平衡的方法，所述方法是采用台区控制器收集配电变压器低压侧的三相电流数据、出线漏电保护开关负荷数据、用户用电负荷数据以及换相开关的电流和相位数据，进行分析计算，得出各出线的不平衡度，当发现不平衡度大于设定的限值，且不平衡度维持时间超过设定的调整时间时，给出最优的“不平衡调节方法”，自动遥控换相开关，进行负荷调节，完成各出线三相负荷再分配，使各出线三相负荷处于基本平衡的状态，以此达到低压线路的三相负荷平衡状态。其不足之处在于，治理方法需要通过台区控制器与换相开关组成物理通讯网络，组网成本高；通讯网络受技术条件、环境和通信距离影响较大，易发生通讯信号故障，降低治理效果；硬件结构复杂，实施难度大成本高；需要参照变压器负载率大小分档调节，灵活性和适应性差；换相调整间隔时间长，不能精确实现低压配电网三相平衡的实时调整，降低线损效果不明显；网络内单台换相开关通故障，容易引发网络系统整体故障。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种组网方法更加简单合理，实时性、可靠性和精确度更高，通用性更强，设备投入成本更低的治理低压配电网三相不平衡的方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：渐进式策略调节低压配电网三相电压不平衡的方法，是台区内各换相开关依次进入其相应的工作时区内，换相开关以自身检测到的当前三相电压不平衡度为参照，与预设的三相电压不平衡度阈值和预估换相后三相电压不平衡度进行比较，判断是否执行和如何执行换相动作；当一个工作时区结束后，进入下一工作时区，且在时序时刻下一个换相开关进入工作状态，下一个换相开关根据新的低压配电网络三相不平衡状况，判断是否执行换相动作，依次类推，用渐进的方式逐步调整台区低压配电网三相电压不平衡度趋向设定的阈值范围。

所述方法包括如下步骤：

（1）根据台区内换相开关数量n设定换相开关编号1#、2#、3#……n#、分配工作时区及时序，设定电压不平衡度的阈值；

（2）m#换相开关在相应时区时段内，检测其入线端三相电压、相位角、相序和负载功率，并计算三相电压不平衡度；将和进行比较，当时，m#换相开关不动作；当时，m#换相开关根据包括负载功率在内的各项参数估算换相后三相电压不平衡度，将和进行比较，当时，m#换相开关不动作，当时，m#换相开关执行相应的换相动作；

（3）进入下一工作时区之前，m#换相开关进入休眠状态并等待下一循环周期m#开关对应时序的到来，当开关时刻为时序时，m+1#换相开关进入工作状态，m+1#换相开关在相应时区时段内重复步骤（2）和步骤（3）；

（4）当一个循环周期结束后，进入下一循环周期，1#、2#、3#……n#换相开关依次进入相应的工作时区，并重复步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）。

所述换相开关为电压检测型，具有自适应功能；换相开关通过y次采样，将采样数据根据gb/t15543-2008定义的方法计算获得三相电压不平衡度，在y次采样获得的三相电压不平衡度均大于三相电压不平衡度阈值的情况下，才预估换相后电压不平衡度。

所述的所有换相开关时钟时刻保持同步，且所有换相开关配备有时钟备用电池，在开关断电后，系统备用电池自行启用，为时钟晶振供电，保证换相开关在偶发断电和维修情况下，时钟时刻保持运转，重新恢复供电或者维修完成后，不需重新设定时钟顺序即可恢复使用；换相开关运行一定时间后，对时钟进行授时，校正时差。

在所述时区时段内，最多有一台换相开关执行换相动作，且最多产生一次换相动作，其余换相开关处于休眠状态并等待对应时序的到来。

所述换相后三相电压不平衡度的影响因素包括、和k，其中为换相开关负载功率，为电压不平衡度的影响系数，由历史数据计算产生，k为时段参数，是按照时钟时刻和台区负荷曲线特性划分的时段；换相开关记录换相前后的三相电压不平衡度变化情况，将负载功率、换相前后的三相电压不平衡度变化量与时段形成对应关系存储，记录最近的x次换相前后的数据，分析出负载功率和三相电压不平衡度的相关性系数，作为换相开关同时段内下次执行换相动作的参考量。

首次使用换相开关，应根据台区最近几天的负荷曲线图，设置初始值；换相开关进入工作状态后，自动采集入户处包括三相电压、相位角、相序、负载功率在内的各项参数，计算并记录换相前三相电压不平衡度，若，则读取时钟时时间，判别其所处时段k，根据、和k的值估算出换相后三相电压不平衡度，若，则执行相应的换相动作，换相完成后的瞬间，换相开关采集数据，计算新的三相电压不平衡度，并记录存储到相应参数的集合内。

台区内换相开关按照时间序列编制编号、时序和时区，为每台换相开关分配独立的工作时区，电网三相电压、相位差值的动态变化，对每台换相开关的动作产生影响；时间序列的变化和台区低压配电网三相电压、相位差值的变化，共同影响台区内所有换相开关的动作，是台区换相开关得以组成网络的基础。

所述换相开关安装在单相负荷的户表箱和分电箱之前，台区内换相开关的个数n与户表总数的比例应小于1/3。

所述换相开关应选择安装于单相负荷的户表箱和分电箱之前，且安装位置便于施工和负荷分配。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明打破常规的三相不平衡的治理方法，按照时间序列为台区内每台换相开关分配独立的工作时区，低压配电网三相电压、相位差值的动态变化，对每台换相开关的动作产生影响；时间序列的变化和台区低压配电网三相电压、相位差值的变化，共同影响台区内所有换相开关的动作，是台区换相开关得以组成网络的基础；换相开关根据检测到的三相电压、相序、相位角，计算三相电压不平衡度并且和设定的不平衡度阈值比较，判断是否执行换相动作，按逐级渐进方式调整三相电负荷至平衡状态；此方法不需上位机和换相开关组建物理连接网络，不需设立专门的物理通讯网络传输换相开关控制信号和电网数据，从而避免了使用通讯模块和上位机模块，精简了产品结构，节约了制造成本。避免了恶劣环境和远距离通讯带来的负面影响，提高了换相开关工作的可靠性和台区网络运行效率。

附图说明

图1是换相开关工作循环示意表；

图2是换相开关治理三相不平衡组网原理示意图；

图3是换相开关台区网络安装示意图；

图4是换相开关与户表箱的连接安装示意图；

图5是换相开关内部运行程序的流程图。

图中：t：时钟时刻，tn：换相开关起始工作时刻，km：时段参数，：a相当前电压向量，：b相当前电压向量，：c相当前电压向量，：a相换相后电压向量，：b相换相后电压向量，：c相换相后电压向量，ix：换相开关当前负载电流，ix′：换相开关换相后负载电流，：当前电压不平衡度，：预估换相后电压不平衡度，：实测换相后电压不平衡度，v1：当前正序分量，v2：当前负序分量，v1′：换相后正序分量，v2′：换相后负序分量，：换相开关负载功率，：电压不平衡度阈值，：电压不平衡度的影响系数。

具体实施方式

下面对本发明进行详细的描述。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

如图1至图5所示，渐进式策略调节低压配电网三相电压不平衡的方法，是台区内各换相开关依次进入其相应的工作时区内，换相开关以自身检测到的当前三相电压不平衡度为参照，与预设的三相电压不平衡度阈值和预估换相后三相电压不平衡度进行比较，判断是否执行和如何执行换相动作；当一个工作时区结束后，进入下一工作时区，且在时序时刻下一个换相开关进入工作状态，下一个换相开关根据新的低压配电网络三相不平衡状况，判断是否执行换相动作，依次类推，用渐进的方式逐步调整台区低压配电网三相电压不平衡度趋向设定的阈值范围。

如图2和图5所示，所述方法包括如下步骤：

（1）根据台区内换相开关数量n设定换相开关编号1#、2#、3#……n#、分配工作时区及时序，设定电压不平衡度的阈值；

（2）m#换相开关在相应时区时段内，检测其入线端三相电压、相位角、相序和负载功率，并计算三相电压不平衡度；将和进行比较，当时，m#换相开关不动作；当时，m#换相开关根据包括负载功率在内的各项参数估算换相后三相电压不平衡度，将和进行比较，当时，m#换相开关不动作，当时，m#换相开关执行相应的换相动作；

（3）进入下一工作时区之前，m#换相开关进入休眠状态并等待下一循环周期m#开关对应时序的到来，当开关时刻为时序时，m+1#换相开关进入工作状态，m+1#换相开关在相应时区时段内重复步骤（2）和步骤（3）；

（4）当一个循环周期结束后，进入下一循环周期，1#、2#、3#……n#换相开关依次进入相应的工作时区，并重复步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）。

所述换相开关为电压检测型，具有自适应功能；换相开关通过y次采样，将采样数据根据gb/t15543-2008定义的方法计算获得三相电压不平衡度，在y次采样获得的三相电压不平衡度均大于三相电压不平衡度阈值的情况下，才预估换相后电压不平衡度。

所述的所有换相开关时钟时刻保持同步，且所有换相开关配备有时钟备用电池，在开关断电后，系统备用电池自行启用，为时钟晶振供电，保证换相开关在偶发断电和维修情况下，时钟时刻保持运转，重新恢复供电或者维修完成后，不需重新设定时钟顺序即可恢复使用；换相开关运行3～6个月后，对时钟进行授时，校正时差。

在所述时区时段内，最多有一台换相开关执行换相动作，且最多产生一次换相动作，其余换相开关处于休眠状态并等待对应时序的到来。

所述换相后三相电压不平衡度的影响因素包括、和k，其中为换相开关负载功率，为电压不平衡度的影响系数，由历史数据计算产生，k为时段参数，是按照时钟时刻和台区负荷曲线特性划分的时段；换相开关记录换相前后的三相电压不平衡度变化情况，将负载功率、换相前后的三相电压不平衡度变化量与时段形成对应关系存储，记录最近的x次换相前后的数据，分析出负载功率和三相电压不平衡度的相关性系数，作为换相开关同时段内下次执行换相动作的参考量。

首次使用换相开关，应根据台区最近几天的负荷曲线图，设置初始值；换相开关进入工作状态后，自动采集入户处包括三相电压、相位角、相序、负载功率在内的各项参数，计算并记录换相前三相电压不平衡度，若，则读取时钟时时间，判别其所处时段k，根据、和k的值估算出换相后三相电压不平衡度，若，则执行相应的换相动作，换相完成后的瞬间，换相开关采集数据，计算新的三相电压不平衡度，并记录存储到相应参数的集合内。

台区内换相开关按照时间序列编制编号、时序和时区，为每台换相开关分配独立的工作时区，电网三相电压、相位差值的动态变化，对每台换相开关的动作产生影响；时间序列的变化和台区低压配电网三相电压、相位差值的变化，共同影响台区内所有换相开关的动作，是台区换相开关得以组成网络的基础。

如图3和图4所示，所述换相开关安装在单相负荷的户表箱和分电箱之前，台区内换相开关的个数n与户表总数的比例应小于1/3。所述换相开关应选择安装于单相负荷的户表箱和分电箱之前，且安装位置便于施工和负荷分配。

如图1至图5所示，本发明是基于时间序列，编制台区内换相开关的工作时序和工作时区，以为一个循环周期，每完成一个循环，所有开关重新读取时钟时间，开始新的循环周期。换相开关根据时间序列和低压配电网三相电压不平衡度判断是否执行换相动作以及如何执行换相动作。台区内每个换相开关独立采集入户处包括三相电电压、相序、相位角、负载功率在内的各项参数，计算当前和换相后的三相电压不平衡度，判断是否换相和如何换相，并按照时间顺序逐个进入和退出工作状态，每执行一次换相动作，均使得低压配电网三相电压不平衡度更趋向于设定的不平衡度阈值范围。

本发明中编制循环周期的方法是，根据台区内换相开关数量n，确定循环周期时间长度为，每经过24小时，所有换相开关重新开始计时，从1#开关开始新的工作循环。

本发明依时钟时间顺序渐进式触发换相开关工作，不断循环检测台区低压配电网不平衡度并调整负荷分配，实现实时智能控制台区低压配电网三相电压不平衡度维持在设定阈值范围内，即采用的是渐进式策略来治理低压配电网三相不平衡问题。

本发明中换相开关根据入户处三相电压不平衡度、负载功率、时钟时刻等因素调节负荷分配，不需要参照变压器负载率大小分档调节，灵活性和适应性更好。换相开关采集时钟时间，当所属的时序到来时触发进入工作模式，在工作模式时间区间内，根据入户处当前三相电压不平衡度和估算的换相后三相电压不平衡度判断是否换相。

所述换相开关通过3～8次采样，将采样数据根据gb/t15543-2008定义的方法计算获得三相电压不平衡度，在3～8次采样获得的三相电压不平衡度均大于三相电压不平衡度阈值的情况下，才预估换相后三相电压不平衡度。

本发明中，每个换相开关独立调节对应支路的负荷分配；且所述换相开关，可根据国家标准gb/t15543-2008设定台区内三相电压不平衡度阈值，智能换相开关的接入可使低压配电网三相电压不平衡度远低于gb/t15543-2008中不大于2%，短时不大于4%的规定。三相电压不平衡度设定值可达到0.8%甚至更低；单台换相开关控制的负荷越小，则调节低压配电网三相电压不平衡度的精度越高。

根据同一台区用电规律统计数据显示，同一台区用电负荷在一年四季和一天24小时之内，都呈规律变化，相邻几天的负荷曲线基本相同；因此本发明基于台区用电负荷规律，将每天划分为k个时段，能消除台区配电变压器负荷功率变化产生的影响；例如根据某台区用电负荷规律将一天划分为16个时段，9点至12点和17点至22点，为用电高峰段，台区用电功率波动明显，按照每小时一个时段，划分为8个时段；从8点至9点、12点至17点和22点至23点，为用电的平段，台区用电功率波动相对明显，也按照每一小时一个时段，划分为7个时段；从23点至次日8点为用电低谷段，台区台区负载总功率较低且基本维持不变，可作为一个时段；每个时段内台区用电总负荷变化不大，最近几天的同时段内，台区用电总负荷也基本一致，因此在每个时段内，可将台区负荷总功率视作基本不变，以此作为换相前数据分析的基础，可不用考虑台区变压器总负荷变化对换相造成的三相电压不平衡度变化量的影响，更加方便的测算换相开关负载功率和所处时段内三相电压不平衡度变化量的关系。台区换相开关网络通过对最近对应时段电压不平衡度的多次采样分析自动适应一年四季和一天24小时的负荷变化，而不用对整个台区低压配电网络运行参数进行采样、通信、分析和控制。所以组网方法更加简单合理、实时性、可靠性和精确度更高，通用性更强，投入成本更低。

本发明区别于常规台区组网方法，部分支路安装换相开关，部分支路不安装换相开关，配电台区内安装换相开关的数量与户表总数的比例不应大于1/3，即可满足三相平衡调节需求；常规台区组网安装方式需要在台区内所有支路均安装换相开关，且台区内需安装上位机；相比较常规的组网方法本发明的组网方法节约投资50-70%；换相开关与户表箱连接关系如图3和图4所示。

下面以台区的总户表数户，户表额定电流为40a，每4户一个表箱为实施例对本发明作更进一步的详细描述。

（1）首先在台区安装前确定安装智能换相开关的数量n，具体计算方法如下：

4只户表所带负荷，其中0.8为用户负荷的同时率系数。选用150a容量的换相开关，台区内最多安装换相开关的数量，台区内安装换相开关的最小数量取中间值；其中为一台换相开关可携带的户表数。台区内换相开关安装如图3所示。

（2）安装前，应给换相开关输入换相开关数量n，输入换相开关编号，输入工作时区和时序，输入三相电压不平衡度阈值、同步换相开关时钟、设定起始工作时刻，根据台区最近几天的负荷曲线图为相关性系数赋初始值。一般情况下，三相电压不平衡度阈值设置为0.8%以下为宜，工作时区设置为0.5至3分钟为宜。以步骤（1）中台区内有20台换相开关为例说明，则安装前应对20台换相开关按照1#、2#、3#···20#进行编号，统一换相开关的时钟时刻处于同步状态，设定换相开关的工作时区为1分钟，则台区内20台换相开关的循环周期为分钟，依次设定每台换相开关的时序即起始工作时间、、……，由此1#换相开关在时刻开启进入工作状态，在时刻00:00:59进入休眠状态，2#换相开关在时刻开启进入工作状态，在时刻00:01:59进入休眠状态，依次类推，第20#换相开关在时刻开启进入工作状态，在时刻00:19:59进入休眠状态；1#换相开关在时钟时刻00:20:00开启进入工作状态，新一循环周期开始；若台区换相开关投入使用时间为00:19:25，则1#至19#不工作，20#换相开关读取时钟时间后，判断到达工作时区，首先开始进入工作状态；如图1所示。

在本实施例中，换相开关进入工作状态后，首先采集入户处包括三相电的相序、电压、相位角、负载功率在内的各项参数，计算当前三相电压不平衡度，若经过3至8次采样计算后的结果均有，则换相开关根据负载功率、所处时段，估算换相后的三相电压不平衡度，若，则执行相应的换相动作；反之，则换相开关不动作。经过多次采样和计算三相电压不平衡度，可有效避免换相开关因低压配电网电压短时波动引起的换相动作，增加换相的有效性；估算换相后三相电压不平衡度，对换相后三相电压不平衡度做出预先判断，避免换相后三相电压不平衡度大于换相前的值，产生过调整。

在本实施例中，换相后三相电压不平衡度，其中换相开关负载功率，为电压不平衡度的影响系数；反应的是三相电压不平衡度的变化量与换相开关负载功率变化量的近似比例关系，计算公式为，这里、、为k时段内换相开关中存储的10条最新历史记录，将其进行加权平均后，依据上述公式计算出值，作为下次换相前预估三相电压不平衡度的基础数据，当k时段集合得到新的一组、和，自动清除相应k时段集合内最早的一条记录，保证k集合内10组记录始终为最新的、和的值；换相开关根据最新的10组数据，重新进行加权平均计算，得出新的值，作为下次换相前预估三相电压不平衡度的基础数据。此外，在首次使用换相开关时，应根据台区最近几天的负荷曲线图，设置初始值；换相开关进入工作状态后，自动采集入户处包括三相电的电压、相位角、相序、负载功率在内的各项参数，计算并记录换相前三相电压不平衡度、换相后三相电压不平衡度、换相时刻负载功率。

本发明打破常规的三相不平衡的治理方法，按照时间序列编制若干换相开关为一组，为每台换相开关分配独立的工作时区，低压配电网三相电压、相位差值的动态变化，对每台换相开关的动作产生影响；时间序列的变化和台区低压配电网三相电压、相位差值的变化，共同影响台区内所有换相开关的动作，是台区换相开关得以组成网络的基础；换相开关根据检测到的三相电压、相位角，计算三相电压不平衡度并且和设定的不平衡度阈值比较，判断是否执行换相动作，按逐级渐进方式调整三相电负荷至平衡状态；此方法不需专门的上位机和换相开关组建物理连接网络，不需设立专门的物理通讯网络传输换相开关控制信号和电网数据，从而避免了使用通讯模块和上位机模块，精简了产品结构，节约了制造成本。避免了恶劣环境和远距离通讯带来的负面影响，提高了换相开关工作的可靠性和台区网络运行效率。

本发明的低压配电网内单台换相开关故障，不影响网络系统整体运行，可仅仅对产生故障的换相开关检修，台区网络运行基本不受影响。

采用本发明中的低压配电网三相不平衡的方法后，可根据换相开关数量调整台区低压配电网三相电压不平衡度，三相电压不平衡度可控制在1％以内，目前国内大多数三相不平衡治理的方案一般都只能控制在1％以上，因此本发明调节三相负荷不平衡度的精度更高，调整效果更明显，可取得较好的治理效果和经济效益。

本发明实时监控和调整台区内负荷分配，响应时间在0.5至3分钟，大大优于现有技术的20至30分钟的调整周期，能够更加及时调整台区低压配电网三相平衡，调节低压配电网三相平衡的实时性更强，降低线路损耗效果更明显，社会效益更佳。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述具体实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述具体实施方式，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应落入本发明的保护范围内。