本發(fā)明涉及配變低壓臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷平衡控制領(lǐng)域,具體涉及一種配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自動(dòng)均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
背景技術(shù):
變壓器三相負(fù)荷不平衡會(huì)帶來(lái)變壓器過載、增加變壓器損耗、影響用戶電能質(zhì)量等問題,現(xiàn)有的解決方案分為人工負(fù)荷調(diào)整、在變壓器出線側(cè)加裝三相不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和在每個(gè)單相出線側(cè)加換相開關(guān)三種方式。人工調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且需要停電處理。而在變壓器出線側(cè)加裝調(diào)節(jié)裝置,適用范圍有限,不能應(yīng)對(duì)用戶分布散,變壓器出線電纜數(shù)量少,而用戶側(cè)電纜分支箱較多的場(chǎng)合。目前的換相開關(guān)裝置采用每相負(fù)載通過三組雙向晶閘管和電磁式開關(guān)組合的方式,換相方法采用關(guān)斷一相、固定延時(shí)、開通另一相的方式,負(fù)荷存在電壓跳變和電流斷流。并且單相負(fù)荷調(diào)節(jié)沒有考慮分支箱在最初新裝設(shè)計(jì)過程中就已經(jīng)將容量進(jìn)行了均衡分配,可能會(huì)出現(xiàn)某個(gè)分支箱所有負(fù)荷均在某一相電源的極端情況,存在分支箱單相過負(fù)荷的隱患。
本發(fā)明通過對(duì)分支箱負(fù)荷的采集分析,以終端分支箱作為一個(gè)有機(jī)整體進(jìn)行考慮,根據(jù)各分支箱負(fù)荷大小和線路的長(zhǎng)短實(shí)時(shí)計(jì)算出最優(yōu)負(fù)荷交換相電源方案。并使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高的智能分支箱實(shí)現(xiàn)負(fù)荷換相,在增加負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性的同時(shí),保持穩(wěn)態(tài)情況下分支箱仍然帶載三相負(fù)荷,可有效解決負(fù)荷不平衡的問題,同時(shí)對(duì)于臺(tái)區(qū)線損管控起到了輔助作用,可快速定位線損點(diǎn),并可縮小故障切除范圍。該換相策略采用開關(guān)器件分時(shí)復(fù)用的方式,相較于單相開關(guān)模塊組合,可顯著減少每相開關(guān)器件的平均配備數(shù)量,并通過主站控制單元的電壓鎖相信息,精準(zhǔn)設(shè)置開關(guān)器件通斷時(shí)刻,通過雙向開關(guān)器件的獨(dú)立控制,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷電壓無(wú)跳變、電流無(wú)斷流。
該裝置實(shí)現(xiàn)器件高效利用,體積小,安全性高,非常適合用戶分散、負(fù)荷不平衡隨機(jī)性大的配電低壓臺(tái)區(qū)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)現(xiàn)有三相負(fù)荷不平衡調(diào)節(jié)方案存在適用范圍有限、所需器件較多、控制不夠簡(jiǎn)便,本發(fā)明提供了一種一種配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自動(dòng)均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng),其目的在于利用一種簡(jiǎn)單可靠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷換相裝置,實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷的實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)變壓器達(dá)到平衡要求。
一種配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自動(dòng)均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng),包括主站控制單元、換相單元和通信單元,主站控制單元通過通信單元與換相單元連接;主站控制單元獲取換相單元三相負(fù)荷平衡狀況,當(dāng)三相負(fù)荷不平衡度達(dá)到系統(tǒng)既設(shè)閾值時(shí),計(jì)算三相負(fù)荷分配策略,并向換相單元發(fā)送換相指令;換相單元根據(jù)換相指令進(jìn)行負(fù)荷均衡調(diào)節(jié);換相單元包括信息采集模塊、三相切換開關(guān)電路、換相控制器、換相橋接觸器組和公共接觸器組;信息采集模塊采集各負(fù)荷側(cè)相電壓、相電流和換相控制器開關(guān)狀態(tài)、換相橋接觸器組和公共接觸器組接觸器狀態(tài),三相切換開關(guān)電路的輸入端分別與換相單元三相進(jìn)線相連接,三相切換開關(guān)電路的輸出端相連接并形成公共端,換相橋接觸器組的輸入端分別與換相單元三相進(jìn)線相連接,公共接觸器組的輸入端與三相切換開關(guān)電路輸出端形成的公共端相連接,換相橋接觸器組與公共接觸器組的輸出端分別與負(fù)荷側(cè)相連接,換相控制器與三相切換開關(guān)電路連接并控制開關(guān)通斷狀態(tài)、換相控制器分別與換相橋接觸器組和公共接觸器組連接并控制各接觸器工作狀態(tài)。
上述主站控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)控配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)關(guān)口三相負(fù)荷和換相單元負(fù)荷信息,并對(duì)關(guān)口電壓進(jìn)行鎖相,采用遲滯比較器設(shè)定三相不平衡度的啟動(dòng)調(diào)整閾值,當(dāng)三相不平衡度達(dá)到閾值時(shí),自動(dòng)觸發(fā)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
上述三相切換開關(guān)電路包括三組反并聯(lián)晶閘管,換相橋接觸器組和公共接觸器組均包括互鎖接觸器,三組反并聯(lián)晶閘管換相時(shí)采用分時(shí)復(fù)用的工作方式。
上述換相單元接收到主站控制單元換相指令后,先將負(fù)荷電流從流經(jīng)互鎖接觸器切換為流經(jīng)反并聯(lián)晶閘管,通過控制反并聯(lián)晶閘管開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)換相,穩(wěn)定運(yùn)行后,再切回互鎖接觸器常態(tài)供電。
一種配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自動(dòng)均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)方法,包括以下步驟:
步驟一:設(shè)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)有3n個(gè)換相橋接觸器組,每個(gè)換相橋接觸器組連接一路負(fù)荷出線,則a、b、c三相負(fù)荷構(gòu)成n×3的矩陣dn×3:
其中,dia、dib、dic分別表示a、b、c三相電源上的負(fù)荷的大小,行矩陣di=[diadibdic],則配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的三相總負(fù)荷分別為:
設(shè)三相總負(fù)荷的平均值為lavg,通過矩陣每一行中三個(gè)數(shù)值之間互換位置,實(shí)現(xiàn)三相總負(fù)荷平均值的差值最小,即得到min(|la-lavg|+|lb-lavg|+|lc-lavg|);
步驟二:計(jì)算每一行di中三個(gè)數(shù)值之差的最大值fi_max,將得到的n個(gè)fi_max從大到小排序;
fi_max=max(diadibdic)-min(diadibdic)
步驟三:設(shè)有3個(gè)n×1的空數(shù)組h1、h2、h3,按照步驟二fi_max從大到小的順序,將對(duì)應(yīng)的n個(gè)1×3的行矩陣di中的值分別放進(jìn)空數(shù)組h1、h2、h3中;規(guī)則是:首先放fi_max最大的行矩陣dmax_1到空數(shù)組中,放進(jìn)去值的行數(shù)和dn×3中該值所處的行數(shù)一致,將第二個(gè)放的行矩陣dmax_2中最大值放入數(shù)值之和最小的hmin中,dmax_2中最小值放入數(shù)值之和最大的hmax中,實(shí)現(xiàn)dmax_1和dmax_2疊加之后的最優(yōu)平衡,以此類推,第i個(gè)數(shù)組dmax_i中最大值放入前i-1個(gè)數(shù)組疊加值之和最小的hmin中,最小值放入疊加值之和最大的hmax中,完成n-1次分配疊加之后,形成三個(gè)數(shù)據(jù)完整的數(shù)組,并按照數(shù)組內(nèi)值之和從大到小排列
步驟四:為驗(yàn)證此時(shí)數(shù)組h是否為最優(yōu)平衡的數(shù)組,算出數(shù)組最大和最小的差值
步驟五:求最少換相次數(shù)的分配方案,經(jīng)過步驟四得到的三個(gè)數(shù)組h1、h2、h3,即為換相完成后三相負(fù)荷所處的狀態(tài),將三個(gè)n×1數(shù)組排列組合成6個(gè)n×3矩陣,和最初的三相負(fù)荷矩陣dn×3進(jìn)行配對(duì)比較,得出仍處在最初位置的負(fù)荷的數(shù)量,數(shù)量最大的矩陣,即設(shè)定為換相后應(yīng)得到的狀態(tài)矩陣,根據(jù)該矩陣制定切換指令實(shí)現(xiàn)換相次數(shù)最少。
總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,由于給出了合理結(jié)構(gòu)和控制方案,能夠安全高效解決公變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡的問題。
附圖說(shuō)明
圖1三相負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2主站控制單元工作流程圖
圖3換相單元結(jié)構(gòu)圖
圖4反向串聯(lián)igbt代替反并聯(lián)晶閘管示意圖
圖5換相控制器控制流程圖
圖6三相切換開關(guān)電路控制通斷圖
圖7阻感性負(fù)荷換相過程電壓電流仿真波形
圖8三相切換開關(guān)電路igbt組控制通斷圖
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
本發(fā)明首先分析普通公變臺(tái)區(qū)的結(jié)構(gòu),三相負(fù)荷不平衡越是到末端分支箱,可能出現(xiàn)的最高不平衡度越高?;诔杀竞凸芾矸奖?,配電變壓器出線通常并不會(huì)分很多股。如果將三相負(fù)荷均衡裝置執(zhí)行單元裝設(shè)在配電變壓器出線處,其調(diào)節(jié)能力受輸出電纜數(shù)量限制,若每個(gè)單相負(fù)荷安裝一個(gè)換相開關(guān)模塊,則需要大量開關(guān)器件,因此將負(fù)荷均衡的執(zhí)行單元設(shè)置在距用戶較近的電纜分支箱能夠提高控制的靈活性和三相負(fù)荷容量的穩(wěn)定性。
圖1為三相負(fù)荷均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。包括三大部分,主站控制單元1、換相單元2和通信單元3,主站控制單元1設(shè)置在配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)保計(jì)箱內(nèi),實(shí)現(xiàn)整個(gè)變壓器負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集、鎖相、分析判斷和指令生成,是整個(gè)負(fù)荷均衡系統(tǒng)的控制中心。換相單元2設(shè)置在電纜分支箱內(nèi),負(fù)責(zé)三相負(fù)荷電流和電壓的采集等,通信單元3采用gprs或者載波的方式實(shí)現(xiàn)主站控制單元1和換相單元2之間的數(shù)據(jù)通信。
圖2為主站控制單元工作流程圖。主站控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)控臺(tái)區(qū)關(guān)口三相負(fù)荷和換相單元負(fù)荷信息,并對(duì)關(guān)口電壓進(jìn)行鎖相,采用一個(gè)遲滯比較器設(shè)定三相不平衡度的啟動(dòng)調(diào)整閾值。設(shè)定的三相不平衡度啟動(dòng)調(diào)整閾值應(yīng)小于要求的三相不平衡度限值,當(dāng)達(dá)到閾值時(shí),會(huì)自動(dòng)觸發(fā)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的目標(biāo):1、調(diào)整后,三相負(fù)荷達(dá)到最優(yōu)平衡;2、換相次數(shù)最少。限制條件:由于每個(gè)電纜分支箱三相負(fù)荷在最初安裝的過程中就已經(jīng)根據(jù)容量進(jìn)行分配,為保證換相后電纜分支箱三相出線容量仍能均衡,三路負(fù)荷出線之間是交換相電源。根據(jù)要求進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,負(fù)荷分配步驟如下:
步驟一:設(shè)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)有3n個(gè)換相橋接觸器組,每個(gè)換相橋接觸器組連接一路負(fù)荷出線,則a、b、c三相負(fù)荷構(gòu)成n×3的矩陣dn×3:
其中,dia、dib、dic分別表示a、b、c三相電源上的負(fù)荷的大小,行矩陣di=[diadibdic],則配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的三相總負(fù)荷分別為:
設(shè)三相總負(fù)荷的平均值為lavg,通過矩陣每一行中三個(gè)數(shù)值之間互換位置,實(shí)現(xiàn)三相總負(fù)荷平均值的差值最小,即得到min(|la-lavg|+|lb-lavg|+|lc-lavg|)。
步驟二:計(jì)算每一行di中三個(gè)數(shù)值之差的最大值fi_max,將得到的n個(gè)fi_max從大到小排序;fi_max=max(diadibdic)-min(diadibdic)
為使本方法更容易理解,推出“細(xì)沙理論”:假如有一堆石頭和細(xì)沙,需要將其裝進(jìn)一個(gè)開口向上的容器,先放大塊的石頭盡量鋪勻,然后放更小的石頭盡量鋪勻,最后放細(xì)沙進(jìn)行均衡,才可能實(shí)現(xiàn)頂面最佳平整。假如順序反著來(lái),將造成剛開始很均勻,最后大石頭永遠(yuǎn)放不平整。
步驟三:設(shè)有3個(gè)n×1的空數(shù)組h1、h2、h3,按照步驟二fi_max從大到小的順序,將對(duì)應(yīng)的n個(gè)1×3的行矩陣di中的值分別放進(jìn)空數(shù)組h1、h2、h3中;規(guī)則是:首先放fi_max最大的行矩陣dmax_1到空數(shù)組中,放進(jìn)去值的行數(shù)和dn×3中該值所處的行數(shù)一致,將第二個(gè)放的行矩陣dmax_2中最大值放入數(shù)值之和最小的hmin中,dmax_2中最小值放入數(shù)值之和最大的hmax中,實(shí)現(xiàn)dmax_1和dmax_2疊加之后的最優(yōu)平衡,以此類推,第i個(gè)數(shù)組dmax_i中最大值放入前i-1個(gè)數(shù)組疊加值之和最小的hmin中,最小值放入疊加值之和最大的hmax中,完成n-1次分配疊加之后,形成三個(gè)數(shù)據(jù)完整的數(shù)組,并按照數(shù)組內(nèi)值之和從大到小排列
步驟四:為驗(yàn)證此時(shí)數(shù)組h是否為最優(yōu)平衡的數(shù)組,算出數(shù)組最大和最小的差值
步驟五:求最少換相次數(shù)的分配方案,經(jīng)過步驟四得到的三個(gè)數(shù)組h1、h2、h3,即為換相完成后三相負(fù)荷所處的狀態(tài),將三個(gè)n×1數(shù)組排列組合成6個(gè)n×3矩陣,和最初的三相負(fù)荷矩陣dn×3進(jìn)行配對(duì)比較,得出仍處在最初位置的負(fù)荷的數(shù)量,數(shù)量最大的矩陣,即設(shè)定為換相后應(yīng)得到的狀態(tài)矩陣,根據(jù)該矩陣制定切換指令實(shí)現(xiàn)換相次數(shù)最少。
分析指令算法后,對(duì)需要?jiǎng)幼鞯碾娎|分支箱發(fā)出換相指令,并實(shí)時(shí)監(jiān)控指令執(zhí)行情況及負(fù)荷不平衡度變化情況。
現(xiàn)以具體算法實(shí)施例進(jìn)行計(jì)算以說(shuō)明本算法的效果。設(shè)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)有39個(gè)換相橋接觸器組,n=13,隨機(jī)生成13組零到100之間的電流值,則負(fù)荷矩陣為:
臺(tái)區(qū)總的三相負(fù)荷分別為:
初始三相負(fù)荷不平衡率為27.1%。按照本算法得到換相后矩陣:
切換后三相負(fù)荷變?yōu)椋?/p>
換相成功后三相負(fù)荷不平衡率僅為2.5%。仍處在最初位置的負(fù)荷數(shù)量為15個(gè),需要更換相電源的單項(xiàng)負(fù)荷個(gè)數(shù)為24。
圖3為換相單元結(jié)構(gòu)圖。由三組反并聯(lián)晶閘管、四組互鎖接觸器組、信息采集模塊和換相控制器組成?;ユi接觸器組實(shí)現(xiàn)常態(tài)導(dǎo)通功能,開關(guān)器件只在切換流程中使用,信息模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜分支箱負(fù)荷情況。開關(guān)器件采用分時(shí)復(fù)用的方式,三路負(fù)荷出線可以通過接觸器組sn連接上換相橋,完成換相后切出。由于換相的時(shí)間尺度遠(yuǎn)小于負(fù)荷變化的時(shí)間,這樣三路負(fù)荷共需要三條開關(guān)器件通路。相比于現(xiàn)有的每路負(fù)荷均需要配置三條開關(guān)器件通路對(duì)應(yīng)三相電源,大大減少了開關(guān)器件的使用。由于半控器件晶閘管的過零關(guān)斷特性,可以在硬件上避免負(fù)荷電流的跳變。在有電壓鎖相的情況下,也可使用全控型開關(guān)器件igbt實(shí)現(xiàn)同樣的功能。圖4為反向串聯(lián)igbt代替反并聯(lián)晶閘管示意圖所示,用反向串聯(lián)igbt代替反并聯(lián)晶閘管,其換相過程因器件特性不同而不同。
圖5為換相控制器工作流程圖。當(dāng)接收到主站換相指令后,先將負(fù)荷電流從流經(jīng)接觸器轉(zhuǎn)為流經(jīng)開關(guān)管,通過控制開關(guān)管實(shí)現(xiàn)換相并穩(wěn)定運(yùn)行后,再切回接觸器常態(tài)供電。
圖6為三相切換開關(guān)電路晶閘管組控制通斷圖(以負(fù)荷從a相切換到b相為例)。根據(jù)主站控制單元的切換指令和鎖相信息,定位換相時(shí)段。設(shè)接受指令后的第一個(gè)a相電壓過零點(diǎn)為0時(shí)刻。晶閘管的導(dǎo)通上升沿為1ms左右。初始狀態(tài)時(shí),t1、t2導(dǎo)通狀態(tài),t3、t4關(guān)斷狀態(tài)。在t1時(shí)段(0,5)ms,關(guān)斷t2導(dǎo)通信號(hào),若是阻感性電流,負(fù)荷電流會(huì)在t1時(shí)段內(nèi)有一個(gè)從負(fù)到正的過零點(diǎn),t2會(huì)在過零點(diǎn)斷流;若是阻容性電流,在此時(shí)段內(nèi),電流為正,流過t1管,t2管處于關(guān)斷狀態(tài)。在t2時(shí)段(5,8.33)ms,5ms時(shí)刻關(guān)斷t1導(dǎo)通信號(hào),開通t3信號(hào),若是阻感性電流,在t2時(shí)段,電流一直為正,t1繼續(xù)流過負(fù)荷電流,a相電壓大于b相電壓,t3反向截止;若是容性電流,可能會(huì)在該時(shí)段出現(xiàn)從正到負(fù)的過零點(diǎn),即使是純?nèi)菪载?fù)荷,也最多出現(xiàn)3.33ms的斷流。在8.33ms時(shí)刻,開通t4信號(hào),此時(shí)uba從負(fù)到正,t3導(dǎo)通,t1必然截止。在t3時(shí)段,t1、t2全部關(guān)斷狀態(tài),t3、t4導(dǎo)通信號(hào),負(fù)荷實(shí)現(xiàn)從a相電源切換到b相電源。圖7為阻感性負(fù)荷換相過程電壓電流仿真波形,電壓無(wú)跳變、電流無(wú)斷流。
圖8三相切換開關(guān)電路igbt組控制通斷圖??刂七^程和半控型開關(guān)器件有所不同。初始狀態(tài)時(shí),t1、t2導(dǎo)通狀態(tài),t3、t4關(guān)斷狀態(tài)。在(0,5)ms時(shí)段,若是阻感性負(fù)載,會(huì)出現(xiàn)前一段時(shí)間負(fù)荷電流經(jīng)過t2和t1的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通,后一段時(shí)間經(jīng)過t2和t1的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通,因此保持0ms前通斷信號(hào)。在5ms時(shí)刻,關(guān)斷t2,此時(shí)不論阻感性負(fù)荷還是阻容性負(fù)荷,電流都為正,t1繼續(xù)導(dǎo)通。在t1時(shí)段(5,8.33)ms,導(dǎo)通t3信號(hào),由于此時(shí)段uab為正,t4的反并聯(lián)二極管截止,不會(huì)形成相間短路。在8.33ms時(shí)刻,uab由正到負(fù),t2的反并聯(lián)二極管截止,此時(shí)關(guān)段t1信號(hào)。在t2時(shí)段(8.33,11.67)ms,開通t4的信號(hào)。t1、t2全部關(guān)斷狀態(tài),t3、t4導(dǎo)通,切換完成。以上都是b相滯后a相2π/3的過程,如果需要負(fù)荷從a相換到c相,則在開關(guān)橋中先換到b相,再?gòu)腷相換到c相,重復(fù)一次開關(guān)器件通斷過程,以此類推可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷換到任意相電源。
本發(fā)明提供反并聯(lián)晶閘管和反向串聯(lián)igbt兩種解決方案,具體實(shí)施綜合考慮成本、驅(qū)動(dòng)、器件壽命等因素進(jìn)行配備。
由于負(fù)荷切換后改變了原有相電源,因此三相動(dòng)力用戶,特別是三相異步電機(jī),不適合接在負(fù)荷換相模塊之后。而普通三相動(dòng)力用戶三相負(fù)荷基本平衡,對(duì)臺(tái)區(qū)三相平衡無(wú)影響,可不在均衡系統(tǒng)考慮范圍。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。