考虑负荷波动频率特性的三相不平衡负荷换相控制方法与流程

本发明涉及配电网三相不平衡治理，特别设计一种考虑负荷波动频率特性的三相不平衡负荷换相控制方法，尤指采用基于复合式开关的换相单元断路器和晶闸管的治理方案，降低配电网负荷侧三相不平衡程度。

背景技术：

1、我国低压配电网以三相四线制居多，但各个单相负荷常以不均衡的形式接入低压配电网。此外，在各个用户用电习惯以及季节变化等因素的影响，各个单相负荷的功率波动具有较高的随机性，这是致使低压配电网三相不平衡的主要原因。配电变压器作为向负荷供电的主要电气设备，其出力、损耗等特性受三相不平衡影响严重，甚至会出现局部烧毁等事故。

2、增加补偿装置、人工换相以及增加自动均衡装置是目前解决低压配电网三相不平衡的主要手段。增加补偿装置是利用有源滤波器等补偿装置对负载进行三相补偿，但其只能改善补偿点以上的线路的三相不平衡情况，补偿点以下线路的三相不平衡状态仍无法得到解决。人工换相以及增加自动均衡装置的手段虽然能够从源头上解决三相不平衡，但人工换相的方案需要较多人员同时进行操控，而增加自动均衡装置则是采用实时收集负荷侧电气量数据，依据平衡策略，得出平衡控制方案，并且采用自动控制能够节省大量的人力成本。

3、目前大部分已有研究仅将一台三相平衡控制器接在配电变压器低压出口位置，这种方法只能够保证控制器反馈至上级电网的数据是三相平衡的，但各个用户之间仍可能是三相不平衡的用电状态。亦存在部分研究引入了与各个负荷连接的下级控制器，以维持但各个用户之间的三相平衡，但由于未考虑负荷波动频率特性，经常将负荷波动频率较高的用户进行换相，这将导致三相平衡维持时间较短，短时间内仍需要进行换相，降低了换相开关的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明提供一种考虑负荷波动频率特性的三相不平衡负荷换相控制方法，以解决现有三相不平衡治理中存在效率低的问题。

2、本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

3、(1)、构建含负荷波动频率特性的换相式负荷自动均衡控制系统；

4、(2)、含负荷波动频率特性的换相式负荷自动均衡控制方法；

5、(3)、对上述步骤进行验证。

6、本发明所述步骤(1)中的含负荷波动频率特性的换相式负荷自动平衡控制系统包括配电变压器低压出口主控制器一台，各个用户均为单相用户，配备1个换相开关，依据各个用户的地理分布，可将距离较近的m个用户划为一个用户组，沿线共可能划分出n个用户组，各个用户组配备1台分布式控制器。

7、分布式控制器依据本用户组各个换相开关所反馈的电气量数据，实时计算描述不平衡度的不平衡因子μ，以及各个用户的负荷波动频率λ，计算公式为：

8、

9、

10、式中，im为abc各相电流峰值的最大值，i’为abc各相电流峰值的平均值，pmax和pmin分别为各个用户在1小时内用电功率的最大值和最小值，即负荷波动频率λ是各个用户1天内负荷变化百分比的平均值，分布式控制器依据计算值可独立对对所管理的负荷进行换相调整，保证区域的用户组三相平衡。

11、此外各个分布式控制器需要将所采集及计算的数据上传至主控制器，主控制器同时采集配电变压器低压三相电气量，分析配电变压器低压出口的不平衡因子μ，通过若得到的结果在三相不平衡因子规定阈值以外，主控制器则依据各个分布式控制器反馈的各个用户电气量的波动频率特性，进行负荷自动平衡控制，得到各个用户的最佳换相调整方案，并将宏观控制指令传递至各个分布式控制器，分布式控制器控制下辖的换相开关进行换相调整，使三相不平衡因子在规定阈值以内。

12、其中，各个换相开关的输入端子均与三相线路和零线进行连接，输出端子采用一火线一零线的方式接用户负载。通过换相开关管理各个负载连接的相别，使本地的各个用户负载均衡地接到三相线路上。

13、本发明所述步骤(2)包括下列步骤：

14、1)换相式负荷自动均衡控制流程

15、首先，根据分布式控制器上传的各用户组的电气量以及配电变压器低压出口电气量，计算配电变压器低压出口不平衡因子，并判断该因子是否超过阈值，该阈值为10％为理想值，以此确定主控制器确定是否需要下发宏观三相不平衡治理指令，通过宏观三相不平衡治理指令确定要调相的换相开关；

16、此外，较高的换相次数将增加开关损耗，降低换相开关寿命，主控制器应充分考虑负荷波动频率特性λ，选择负荷波动频率最小的负荷对应换相开关进行动作，并判断该换相开关分布式控制器的作用下是否已经存在开关动作次数越限的风险，若存在风险，则需要选择其他符合动作条件的换相开关，以避免开关动作频率过高而降低寿命；

17、2)换相策略

18、在考虑负荷波动频率特性的换相式负荷自动均衡控制中，主控制器选择调整的换相开关需要考虑分布式控制器此前的控制命令，以及各个负荷波动频率特性；

19、将三相负荷电流的平均值设定为目标电流值，主控制器计算各相的电流值与目标电流值之差分别记为ia0、ib0、ic0，同时各个分布式控制器分别各自用户组的各相的电流值与目标电流值之差分别记为ian0、ibn0、icn0；将主控制器和以及各个分布式控制器所计算出的三个电流差值中最大值和最小值标分别命名为imax0、imin0或imaxn0、iminn0，在主控制器和各个分布式控制器储存器中对上述两种电流对应的相别分别命名为max相和min相，对于分布式控制器，命令换相开关将max相负荷转移至min相，完成一次换相；对于主控制器将max相中的各负荷电流分别与imin0作差，为避免前文所述的开关动作频率过高的风险，选取最小的1/3差值数据为备选，依据往期负荷波动频率特性数据，最终在最小的1/3差值数据中选择负荷波动频率最低的用户，将控制指令下发至其对应的分布式控制器，使换相开关将负荷从max相换相至min相，完成第一次换相。主控制器和各个分布式控制器继续交互所负责的电气量数据，若三相不平衡因子仍然不在阈值范围内，则继续按照上述流程进行换相，如此循环，直到三相不平衡因子在阈值范围内；

20、3)换相开关

21、为防止换相过程中出现用户电力中断的现象，采用复合式开关的换相单元结构，该结构采用机械开关与晶闸管并联的形式，当被下发换相命令后，开断机械断路器开关，并向其并联的晶闸管施加触发脉冲，依据负荷的电压相位以及电流的正负，向待切换相的晶闸管施加触发脉冲，利用相间电压差，实现强迫换相，避免换相过程中供电中断；

22、以a相换到b相为例，其控制策略是，首先打开a相的机械开关sa，触发a相的晶闸管v1和v2；在用户接入b相前，确认a相机械开关电流完全降为0，否则将产生相间环流；根据a相电流ia的正负性和ua、ub的相位，确定动作b相的晶闸管和机械开关，具体有以下几种工况：

23、1)若ia>0，ua>ub，v3处于反向电压下，无法导通；此时若触发v4，将形成相间环流。故该阶段不可触发v3和v4；

24、2)若ia>0，ua<ub，触发v3，同时切断v1和v2的触发脉冲；检测ia过零，触发v4；延时合上sb，切断v4的触发脉冲；

25、3)若ia<0，ua<ub，不触发v3和v4；

26、4)若ia<0，ua>ub，触发v4，同时切断v1和v2的触发脉冲；检测ia过零，触发v3；延时合上sb，切断v4的触发脉冲。

27、本发明所述步骤(3)采用15用户的380v三相四线制配电网，对所发明的考虑负荷波动频率特性的三相不平衡负荷换相控制方法进行验证，得到了该方法能够有效降低三相不平衡程度的结论。

28、本发明的优点是详细分析了考虑负荷波动频率特性的换相式不平衡负荷自动均衡控制系统的结构，并设计了其换相流程及控制策略，系统性地说明了基于复合式开关的换相单元的断路器和晶闸管的控制流程。通过构建低压配电网三相不平衡模型，证明了本发明能够高效地实现三相不平衡治理，通过考虑负荷波动频率特性的负载自动平衡方法进行换相后，有效降低了三相不平衡程度，低压配电网能够以较为优良的状态运行。