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      一種配電網臺區三相負荷自動均衡調節系統的制作方法

      文檔序號:11253265
      一種配電網臺區三相負荷自動均衡調節系統的制造方法與工藝

      本發明涉及配變低壓臺區三相負荷平衡控制領域,具體涉及一種配電網臺區三相負荷自動均衡調節系統。



      背景技術:

      變壓器三相負荷不平衡會帶來變壓器過載、增加變壓器損耗、影響用戶電能質量等問題,現有的解決方案分為人工負荷調整、在變壓器出線側加裝三相不平衡自動調節裝置和在每個單相出線側加換相開關三種方式。人工調整費時費力,且需要停電處理。而在變壓器出線側加裝調節裝置,適用范圍有限,不能應對用戶分布散,變壓器出線電纜數量少,而用戶側電纜分支箱較多的場合。目前的換相開關裝置采用每相負載通過三組雙向晶閘管和電磁式開關組合的方式,換相方法采用關斷一相、固定延時、開通另一相的方式,負荷存在電壓跳變和電流斷流。并且單相負荷調節沒有考慮分支箱在最初新裝設計過程中就已經將容量進行了均衡分配,可能會出現某個分支箱所有負荷均在某一相電源的極端情況,存在分支箱單相過負荷的隱患。

      本發明通過對分支箱負荷的采集分析,以終端分支箱作為一個有機整體進行考慮,根據各分支箱負荷大小和線路的長短實時計算出最優負荷交換相電源方案。并使用結構簡單、安全性高的智能分支箱實現負荷換相,在增加負荷調節的靈活性的同時,保持穩態情況下分支箱仍然帶載三相負荷,可有效解決負荷不平衡的問題,同時對于臺區線損管控起到了輔助作用,可快速定位線損點,并可縮小故障切除范圍。該換相策略采用開關器件分時復用的方式,相較于單相開關模塊組合,可顯著減少每相開關器件的平均配備數量,并通過主站控制單元的電壓鎖相信息,精準設置開關器件通斷時刻,通過雙向開關器件的獨立控制,實現負荷電壓無跳變、電流無斷流。

      該裝置實現器件高效利用,體積小,安全性高,非常適合用戶分散、負荷不平衡隨機性大的配電低壓臺區。



      技術實現要素:

      針對現有三相負荷不平衡調節方案存在適用范圍有限、所需器件較多、控制不夠簡便,本發明提供了一種一種配電網臺區三相負荷自動均衡調節系統,其目的在于利用一種簡單可靠的系統結構和負荷換相裝置,實現三相負荷的實時在線調節,從而實現變壓器達到平衡要求。

      一種配電網臺區三相負荷自動均衡調節系統,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荷平衡狀況,當三相負荷不平衡度達到系統既設閾值時,計算三相負荷分配策略,并向換相單元發送換相指令;換相單元根據換相指令進行負荷均衡調節;換相單元包括信息采集模塊、三相切換開關電路、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荷側相電壓、相電流和換相控制器開關狀態、換相橋接觸器組和公共接觸器組接觸器狀態,三相切換開關電路的輸入端分別與換相單元三相進線相連接,三相切換開關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線相連接,公共接觸器組的輸入端與三相切換開關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荷側相連接,換相控制器與三相切換開關電路連接并控制開關通斷狀態、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。

      上述主站控制單元實時監控配電網臺區關口三相負荷和換相單元負荷信息,并對關口電壓進行鎖相,采用遲滯比較器設定三相不平衡度的啟動調整閾值,當三相不平衡度達到閾值時,自動觸發調節系統。

      上述三相切換開關電路包括三組反并聯晶閘管,換相橋接觸器組和公共接觸器組均包括互鎖接觸器,三組反并聯晶閘管換相時采用分時復用的工作方式。

      上述換相單元接收到主站控制單元換相指令后,先將負荷電流從流經互鎖接觸器切換為流經反并聯晶閘管,通過控制反并聯晶閘管開關狀態實現換相,穩定運行后,再切回互鎖接觸器常態供電。

      一種配電網臺區三相負荷自動均衡調節系統的負荷均衡調節方法,包括以下步驟:

      步驟一:設配電網臺區有3N個換相橋接觸器組,每個換相橋接觸器組連接一路負荷出線,則A、B、C三相負荷構成N×3的矩陣dN×3

      其中,dia、dib、dic分別表示A、B、C三相電源上的負荷的大小,行矩陣di=[dia dibdic],則配電網臺區的三相總負荷分別為:

      設三相總負荷的平均值為Lavg,通過矩陣每一行中三個數值之間互換位置,實現三相總負荷平均值的差值最小,即得到Min(|LA-Lavg|+|LB-Lavg|+|LC-Lavg|);

      步驟二:計算每一行di中三個數值之差的最大值fi_Max,將得到的N個fi_Max從大到小排序;

      fi_Max=Max(dia dib dic)-Min(dia dib dic)

      步驟三:設有3個N×1的空數組H1、H2、H3,按照步驟二fi_Max從大到小的順序,將對應的N個1×3的行矩陣di中的值分別放進空數組H1、H2、H3中;規則是:首先放fi_Max最大的行矩陣dMax_1到空數組中,放進去值的行數和dN×3中該值所處的行數一致,將第二個放的行矩陣dMax_2中最大值放入數值之和最小的HMin中,dMax_2中最小值放入數值之和最大的HMax中,實現dMax_1和dMax_2疊加之后的最優平衡,以此類推,第i個數組dMax_i中最大值放入前i-1個數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,形成三個數據完整的數組,并按照數組內值之和從大到小排列

      步驟四:為驗證此時數組H是否為最優平衡的數組,算出數組最大和最小的差值將數組H1中的每個值減去H3中對應行的值,得到N個差值,篩選出處在(0,X)之間的值,該類值對應的數據交換使得交換后H1和H3的差值變小,篩選出的值越接近X/2越好,重復步驟四直到找不到處在(0,X)之間的值為止;

      步驟五:求最少換相次數的分配方案,經過步驟四得到的三個數組H1、H2、H3,即為換相完成后三相負荷所處的狀態,將三個N×1數組排列組合成6個N×3矩陣,和最初的三相負荷矩陣dN×3進行配對比較,得出仍處在最初位置的負荷的數量,數量最大的矩陣,即設定為換相后應得到的狀態矩陣,根據該矩陣制定切換指令實現換相次數最少。

      總體而言,通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比,由于給出了合理結構和控制方案,能夠安全高效解決公變臺區三相負荷不平衡的問題。

      附圖說明

      圖1三相負荷均衡調節系統結構圖

      圖2主站控制單元工作流程圖

      圖3換相單元結構圖

      圖4反向串聯IGBT代替反并聯晶閘管示意圖

      圖5換相控制器控制流程圖

      圖6三相切換開關電路控制通斷圖

      圖7阻感性負荷換相過程電壓電流仿真波形

      圖8三相切換開關電路IGBT組控制通斷圖

      具體實施方式

      為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。此外,下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

      本發明首先分析普通公變臺區的結構,三相負荷不平衡越是到末端分支箱,可能出現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分很多股。如果將三相負荷均衡裝置執行單元裝設在配電變壓器出線處,其調節能力受輸出電纜數量限制,若每個單相負荷安裝一個換相開關模塊,則需要大量開關器件,因此將負荷均衡的執行單元設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荷容量的穩定性。

      圖1為三相負荷均衡調節系統結構圖。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設置在配電網臺區保計箱內,實現整個變壓器負荷數據的采集、鎖相、分析判斷和指令生成,是整個負荷均衡系統的控制中心。換相單元2設置在電纜分支箱內,負責三相負荷電流和電壓的采集等,通信單元3采用GPRS或者載波的方式實現主站控制單元1和換相單元2之間的數據通信。

      圖2為主站控制單元工作流程圖。主站控制單元實時監控臺區關口三相負荷和換相單元負荷信息,并對關口電壓進行鎖相,采用一個遲滯比較器設定三相不平衡度的啟動調整閾值。設定的三相不平衡度啟動調整閾值應小于要求的三相不平衡度限值,當達到閾值時,會自動觸發調節系統。調節系統的目標:1、調整后,三相負荷達到最優平衡;2、換相次數最少。限制條件:由于每個電纜分支箱三相負荷在最初安裝的過程中就已經根據容量進行分配,為保證換相后電纜分支箱三相出線容量仍能均衡,三路負荷出線之間是交換相電源。根據要求進行數學建模,負荷分配步驟如下:

      步驟一:設配電網臺區有3N個換相橋接觸器組,每個換相橋接觸器組連接一路負荷出線,則A、B、C三相負荷構成N×3的矩陣dN×3

      其中,dia、dib、dic分別表示A、B、C三相電源上的負荷的大小,行矩陣di=[dia dibdic],則配電網臺區的三相總負荷分別為:

      設三相總負荷的平均值為Lavg,通過矩陣每一行中三個數值之間互換位置,實現三相總負荷平均值的差值最小,即得到Min(|LA-Lavg|+|LB-Lavg|+|LC-Lavg|)。

      步驟二:計算每一行di中三個數值之差的最大值fi_Max,將得到的N個fi_Max從大到小排序;fi_Max=Max(dia dib dic)-Min(dia dib dic)

      為使本方法更容易理解,推出“細沙理論”:假如有一堆石頭和細沙,需要將其裝進一個開口向上的容器,先放大塊的石頭盡量鋪勻,然后放更小的石頭盡量鋪勻,最后放細沙進行均衡,才可能實現頂面最佳平整。假如順序反著來,將造成剛開始很均勻,最后大石頭永遠放不平整。

      步驟三:設有3個N×1的空數組H1、H2、H3,按照步驟二fi_Max從大到小的順序,將對應的N個1×3的行矩陣di中的值分別放進空數組H1、H2、H3中;規則是:首先放fi_Max最大的行矩陣dMax_1到空數組中,放進去值的行數和dN×3中該值所處的行數一致,將第二個放的行矩陣dMax_2中最大值放入數值之和最小的HMin中,dMax_2中最小值放入數值之和最大的HMax中,實現dMax_1和dMax_2疊加之后的最優平衡,以此類推,第i個數組dMax_i中最大值放入前i-1個數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,形成三個數據完整的數組,并按照數組內值之和從大到小排列

      步驟四:為驗證此時數組H是否為最優平衡的數組,算出數組最大和最小的差值將數組H1中的每個值減去H3中對應行的值,得到N個差值,篩選出處在(0,X)之間的值,該類值對應的數據交換使得交換后H1和H3的差值變小,篩選出的值越接近X/2越好,重復步驟四直到找不到處在(0,X)之間的值為止。

      步驟五:求最少換相次數的分配方案,經過步驟四得到的三個數組H1、H2、H3,即為換相完成后三相負荷所處的狀態,將三個N×1數組排列組合成6個N×3矩陣,和最初的三相負荷矩陣dN×3進行配對比較,得出仍處在最初位置的負荷的數量,數量最大的矩陣,即設定為換相后應得到的狀態矩陣,根據該矩陣制定切換指令實現換相次數最少。

      分析指令算法后,對需要動作的電纜分支箱發出換相指令,并實時監控指令執行情況及負荷不平衡度變化情況。

      現以具體算法實施例進行計算以說明本算法的效果。設配電網臺區有39個換相橋接觸器組,N=13,隨機生成13組零到100之間的電流值,則負荷矩陣為:

      臺區總的三相負荷分別為:

      初始三相負荷不平衡率為27.1%。按照本算法得到換相后矩陣:

      切換后三相負荷變為:

      換相成功后三相負荷不平衡率僅為2.5%。仍處在最初位置的負荷數量為15個,需要更換相電源的單項負荷個數為24。

      圖3為換相單元結構圖。由三組反并聯晶閘管、四組互鎖接觸器組、信息采集模塊和換相控制器組成?;ユi接觸器組實現常態導通功能,開關器件只在切換流程中使用,信息模塊實時監控電纜分支箱負荷情況。開關器件采用分時復用的方式,三路負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。由于換相的時間尺度遠小于負荷變化的時間,這樣三路負荷共需要三條開關器件通路。相比于現有的每路負荷均需要配置三條開關器件通路對應三相電源,大大減少了開關器件的使用。由于半控器件晶閘管的過零關斷特性,可以在硬件上避免負荷電流的跳變。在有電壓鎖相的情況下,也可使用全控型開關器件IGBT實現同樣的功能。圖4為反向串聯IGBT代替反并聯晶閘管示意圖所示,用反向串聯IGBT代替反并聯晶閘管,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。當接收到主站換相指令后,先將負荷電流從流經接觸器轉為流經開關管,通過控制開關管實現換相并穩定運行后,再切回接觸器常態供電。

      圖6為三相切換開關電路晶閘管組控制通斷圖(以負荷從A相切換到B相為例)。根據主站控制單元的切換指令和鎖相信息,定位換相時段。設接受指令后的第一個A相電壓過零點為0時刻。晶閘管的導通上升沿為1ms左右。初始狀態時,T1、T2導通狀態,T3、T4關斷狀態。在t1時段(0,5)ms,關斷T2導通信號,若是阻感性電流,負荷電流會在t1時段內有一個從負到正的過零點,T2會在過零點斷流;若是阻容性電流,在此時段內,電流為正,流過T1管,T2管處于關斷狀態。在t2時段(5,8.33)ms,5ms時刻關斷T1導通信號,開通T3信號,若是阻感性電流,在t2時段,電流一直為正,T1繼續流過負荷電流,A相電壓大于B相電壓,T3反向截止;若是容性電流,可能會在該時段出現從正到負的過零點,即使是純容性負荷,也最多出現3.33ms的斷流。在8.33ms時刻,開通T4信號,此時UBA從負到正,T3導通,T1必然截止。在t3時段,T1、T2全部關斷狀態,T3、T4導通信號,負荷實現從A相電源切換到B相電源。圖7為阻感性負荷換相過程電壓電流仿真波形,電壓無跳變、電流無斷流。

      圖8三相切換開關電路IGBT組控制通斷圖??刂七^程和半控型開關器件有所不同。初始狀態時,T1、T2導通狀態,T3、T4關斷狀態。在(0,5)ms時段,若是阻感性負載,會出現前一段時間負荷電流經過T2和T1的反并聯二極管導通,后一段時間經過T2和T1的反并聯二極管導通,因此保持0ms前通斷信號。在5ms時刻,關斷T2,此時不論阻感性負荷還是阻容性負荷,電流都為正,T1繼續導通。在t1時段(5,8.33)ms,導通T3信號,由于此時段UAB為正,T4的反并聯二極管截止,不會形成相間短路。在8.33ms時刻,UAB由正到負,T2的反并聯二極管截止,此時關段T1信號。在t2時段(8.33,11.67)ms,開通T4的信號。T1、T2全部關斷狀態,T3、T4導通,切換完成。以上都是B相滯后A相2π/3的過程,如果需要負荷從A相換到C相,則在開關橋中先換到B相,再從B相換到C相,重復一次開關器件通斷過程,以此類推可以實現負荷換到任意相電源。

      本發明提供反并聯晶閘管和反向串聯IGBT兩種解決方案,具體實施綜合考慮成本、驅動、器件壽命等因素進行配備。

      由于負荷切換后改變了原有相電源,因此三相動力用戶,特別是三相異步電機,不適合接在負荷換相模塊之后。而普通三相動力用戶三相負荷基本平衡,對臺區三相平衡無影響,可不在均衡系統考慮范圍。

      本領域的技術人員容易理解,以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

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