基于多种群遗传算法的三相不平衡判据及调节策略研究_苏斌.pdf

SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术收稿日期：2022-07-26第一作者：苏斌（1974-01-），男，高级工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化通讯作者：张子夏（1996-08-），女，硕士研究生，主要研究方向为储能技术管理与应用基于多种群遗传算法的三相不平衡判据及调节策略研究苏斌1张子夏2李程1吕思濛3张健4李小军1廖强强21.国网汉中供电公司2.上海电力大学3.西安交通大学4.国网陕西电力科学研究院摘要：在低压配电网中，经常存在三相不平衡问题，这不仅增加了线损，而且威胁了配电网的安全。因此，基于改进的多种群遗传算法(IMPGA)，设计了一种适用于低压配电网的家用负荷转移装置。该装置可以通过改变负荷的连接相位来处理三相不平衡问题。它由三部分组成：换相用户控制器、信号处理中央控制器和策略计算监控平台。系统通过远程控制实现换相，实现减小三相不平衡的功能。通过MATLAB进行仿真实验，三组数据集的三相不平衡率分别从24.1%、21.7%、35.2%降到10.4%、11.6%、10.9%，该方法可以通过改变负载的连接相位来降低三相不平衡率，从而证实了该调节策略的可行性。关键词：三相不平衡；多种群遗传算法；低压配电网；自动换相DOI:10.13770/ki.issn2095-705x.2023.04.014Research on Three Phase Imbalance Criterion and Regula-tion Strategy Based on IMPGASU Bin1,ZHANG Zixia2,LI Cheng1,LYU Simeng3,ZHANG Jian4,LI Xiaojun1,LIAO Qiangqiang21.State Grid Hanzhong Power Supply Company2.Shanghai Electric Power University3.Xian Jiaotong University4.State Grid Shaanxi Electric Power Research InstituteAbstract:In low voltage distribution networks,there is often a problem of three phase imbalance,481SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.0820180 引言三相不平衡作为一种无法消除的现象长期存在于低压配网中。降低输电损耗、提高电能质量和供电可靠性是供电公司的长期任务。在电力系统中，三相负荷分布不平衡会导致三相电压和电流不平衡，从而导致零序电压的产生、零点偏移和电压差的增大。我们称之为三相不平衡。三相不平衡可能导致：1）电压不平衡，导致客户电气设备工作异常或损坏。2）变压器铁芯产生零序磁通，导致局部金属温升，可能导致变压器烧毁事故。3）中性点电流的增加导致功率损耗的增加，从而导致额外成本的增加1。由于三相负荷分布不均、用户用电量不可控以及大量大功率设备的使用，用户三相电压经常出现不平衡的状况2-3。因此，为了保护设备，保证供电质量，减少损耗，需要一种经济有效的解决方案来解决三相不平衡问题。在低压配电系统中，降低三相不平衡率的主要方法是无功补偿和换相降损。虽然无功补偿可以通过提高功率因数在一定程度减少三相不平衡，但是，当三相不平衡非常严重时，无功补偿并不能完全解决三相不平衡问题4，而且需要较高的成本。换相降损是处理负荷分布不平衡最直接有效的技术，它根据不平衡率动态改变单相用户的接线相位，使三相不平衡率在规定范围内。通常三相不平衡问题都是通过手动调整用户的相连接，但该方法会导致临时断电。而且由于用户用电量不可控，可能会在短时间内发生三相不平衡。手动调整需要很高的人工成本，用户体验较差。近年来，许多学者提出了新的解决方案，以更高的可靠性、更好的可视化和更高的自动化程度来解决三相不平衡问题。为了解决低压配电网的三相不平衡问题，文献 5提出了解决该问题的总体框架方案。为了实现自动负荷调整功能，需要设计一种算法来有效计算降低三相不平衡率的策略。胡正杨等6使用了 MAX-MIN准则的方式，能快速找出降低三相不平衡的有效策略，但是存在动作次数较多的问题。蒋紫薇等7用了多目标的方案，在使三相不平衡度最低的同时，实现换相开关动作次数最少。在文献 8中，设计了一种以最小化不平衡电流为目标函数的蚁群算法，并提出了一种利用继电器作为换相开关的方案。为了降低成本，提高可靠性和可见性，本文提出一种新的低压三相不平衡解决方案，采用多目标改进的多群遗传算法(IMPGA)进行相位交换策略计which not only increases line losses but also threatens the safety of the distribution network.Therefore,based on the improved Multi Population Genetic Algorithm(IMPGA),a household load transfer devicesuitable for low voltage distribution networks has been designed.This device can handle three phaseimbalance by changing the connection phase of the load.It consists of three parts:commutation usercontroller,signal processing central controller,and policy calculation monitoring platform.The systemachieves commutation through remote control,achieving the function of reducing three phase imbal-ance.Through MATLAB simulation experiments,the three phase imbalance rates of the three datasetswere reduced from 24.1%,21.7%,and 35.2%to 0.4%,11.6%,and 10.9%,respectively.This methodcan reduce the three phase imbalance rate by changing the connection phase of the load,thus confirm-ing the feasibility of this adjustment strategy.Key words:Three Phase Imbalance;Improved Multi Population Genetic Algorithm;Low Voltage Distri-bution Network;Automatic Commutation482SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023SHANGHAI ENERGY SAVING2023年第 04 期SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018SHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能SHANGHAI ENERGY CONSERVATION2018 年第 08 期 ENERGY SAVING TECHNOLOGY节能技术算，设计了一种适用于低压配电网的家用负荷转移装置。该装置可以通过改变负荷的连接相位来处理三相不平衡问题。它由三部分组成：换相用户控制器、信号处理中央控制器和策略计算监控平台。系统通过远程控制实现换相，可以快速有效地计算出减少不平衡和切换次数的策略，不仅延长了开关的寿命，并使电源更加可靠，实现减小三相不平衡的功能。1 三相不平衡计算及判断依据三相不平衡度的计算涉及它的定义。国内相关国标GB/T 15543-2008规定：三相不平衡度的计算需先对三相电流或电压进行序分量的分解，定义负序与正序分量的比值为负序不平衡度；零序与正序分量的比为零序不平衡度。这一方法与国际电工委员会提出的方法相同。表1 为不同标准来源的不平衡近似算法归纳表。但在实际的工程应用中，测得所有线路电流的有效值已经是一个较大的工程，然而基于序分量分解的方法还需要单独对矢量进行测量，造成了操作过程的过度烦琐。所以在实际工程中，常用三相电流、电压有效值的最大值、最小值或者均值进行数值计算，在实际应用时，可以结合现场情况和实际条件，选择最合适的表征方法。我国低压馈线通常为三相四线制，有单相和三相供电方式。在三相系统中，系统平衡需要同时满足幅值、频率相等，互差120 的条件。有其中一点不满足则为三相不平衡系统。如式(1)和图1所示，当三相幅值UA、UB、UC不相等，或者是相位A、B、C不满足互差120 的条件时，则为三相电压的不平衡。此时三相系统的电压基波分量是不对称的向量。表1 不同标准来源的不平衡近似算法归纳表标准来源CIGRE定义IEEE定义NEMA定义公式备注相对精确，无法体现相位信息在三相四线制和三相三线制系统中计算误差大结果变化在0,1区间内(1)图1 三相平衡电流相位图国标GB/T 15543-2009 电能质量三相电压不平衡 规定用电压或者电流基波信号的负序分量与正序分量的比值为负序不平衡度。本文根据标准（SD）292-1988 架空配电线路和设备操作规程，不平衡率不应小于15%，三相不平衡率的公式为：(2)(3)(4)式中：B(K)线路的三相不平衡率；Imax，Imin低压配电网三相母线上IMA，IMB，IMC的基于多种群遗传算法的三相不平衡判据及调节策略研究483SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能No.042023ENERGY SAVING TECHNOLOGYSHANGHAI ENERGY CONSERVATION上海节能No.082018最大值和最小值。2 基于多种群遗传算法的换相策略2.1 模型设计对于三相不平衡问题，通过电流来判断。采用改进的多种群遗传算法计算控制策略，实现负载均衡分配。该算法将同时满足以下要求：1）将三相不平衡量降至规定要求。2）切换动作次数少，运行时不影响用户电能质量。低压系统相变的数学模型可以用以下两个目标函数表示：（1）目标函数一：最低三相不平衡量假设系统中有n个用户控制器，其中流到每个用户i的支路电流为i，所有子单元的电流数据构成当前向量：(5)在监控平台上调用算法时，需要输入用户的连接相位状态。因此，为了编辑输入数据并确定开关动作的次数，每个用户的连接相位用三进制进行编码9。例如，当用户换相开关连接到相位A时，它由k=1表示。当用户连接到相位B和相位C时，分别由k=2、k=3表示。ki表示用户i的连接状态。因此，所有用户的连接状态由向量K表示：(6)为了计算相位交换操作后连接到用户控制器