基于智能终端和换相开关的台区三相不平衡治理方法研究_马志斌.pdf

第39卷 第6期2023年6月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.6Jun.2023智能电网Smart Grid基金项目：国家电网有限公司科技项目（低压配电设备数字化提升与智能化应用技术研究）（5700-202099525A-0-0-00）。Project Supported by Science and Technology Program of SGCC（Research on Digitalization Upgrading and Intelligent ApplicationTechnologyofLow-VoltageDistributionEquipment）（5700-202099525A-0-0-00）.ABSTRACT：This paper proposes a method for controllingthree-phase unbalance in the distribution network by combiningintelligent terminals with commutation switch.An optimizedmodel for layout of the commutation switch in the distributionnetwork is constructed，and an optimization method based ondifferential evolution algorithm is proposed to calculate theoptimal layout of switches.Based on the model，historicaloperation data of the transformer area and ultra-short-termpower prediction data，a dynamic optimization method for three-phase unbalance in the distribution network considering loadfluctuations is proposed.Finally，the optimization method forlayout of the commutation switch is verified by simulation usinghistorical operation data of a testing transformer area，and theresults show that the optimal layout calculated based on themodel can meet the requirement of controlling three-phaseunbalance in the distribution network.In addition，consideringthe number of switches participating in phase-changing，phase-changing cycle and the service life of the commutation switch，five scenarios of dynamic optimization experiments for three-phase unbalance are conducted in the test distribution network，and the results show that the dynamic optimization strategy forthe commutation switch under the optimal layout can reduce thenumber of phase-changing actions and lower the average three-phase unbalance degree of the distribution network below thetarget level，and can also reduce the number of the commutationswitch participating in phase-changing close to the upper limit oftheir service life.The applicability of the method for dynamicoptimization of three-phase unbalance in the distribution networkusing intelligent terminals and commutation switch is verified.KEY WORDS：intelligent terminal equipment；commutationswitch；three-phaseunbalance；layoutoptimizationofcommutation switch；dynamic optimization of three-phaseunbalance in the distribution station area摘要：提出了智能终端结合换相开关的台区三相不平衡治理方法。构建了台区换相开关布局优化模型，提出了基于差分进化算法的计算台区换相开关最优布局的优化方法。基于模型、台区历史运行数据以及超短期功率预测数据，提出了计及负荷波动性的台区三相不平衡动态优化方法。最后，利用某测试台区历史运行数据对换相开关布局优化方法进行模拟验证，验证结果表明基于台区换相开关布局优化模型计算得到的最优布局，可以满足台区三相不平衡治理的要求。此外，考虑参与换相的开关数量、换相周期和换相开关寿命，在测试台区中进行了 5 种场景下的三相不平衡动态优化实验，实验结果表明：在最优布局条件下的换相开关动态优化策略，可以在降低换相动作次数的前提下，将台区的平均三相不平衡度降到治理目标之下，并且减少动作次数接近使用寿命上限的换相开关参与换相。验证了智能终端+换相开关动态优化台区三相不平衡的适用性。关键词：智能终端设备；换相开关；三相不平衡；换相开关布文章编号：1674-3814（2023）06-0039-10中图分类号：TM76文献标志码：A基于智能终端和换相开关的台区三相不平衡治理方法研究马志斌1，2，侯哲帆1，2，张瑞雪1，2（1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏 南京211106；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京100192）Research on the Three-Phase Unbalance Control Method in the TransformerArea Based on Intelligent Terminal Equipment and Commutation SwitchMA Zhibin1，2，HOU Zhefan1，2，ZHANG Ruixue1，2（1.NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.Beijing Kedong Electric Power Control System Co.，Ltd.，Beijing 100192，China）智能电网Smart Grid局优化；台区三相不平衡动态优化三相不平衡能够引起三相电压或电流的不对称，从而造成其他电能质量指标的变化1-6。三相不平衡度是衡量电能质量好坏的重要指标7-13。三相不平衡度过大会危害配电网安全，增加电能损耗，还可能导致变压器励磁电流增大，损坏变压器，危害用户设备，造成经济损失14-19。以换相开关负荷换相的方法解决三相不平衡问题简单有效，可以降低线路损耗，从根本上解决负荷分配不均导致的三相不平衡20。近几年，国内外学者均对使用换相开关进行三相不平衡治理的方法进行了相关研究。主要通过智能装置采集配电变压器和用电终端的负荷数据，通过智能化逻辑判断，对配电网部分用电户相序进行调整，从而解决三相负荷不平衡问题21-23。国外研究中换相开关控制策略的计算侧大多需要额外的控制终端23-26，而国内随着台区智能融合终端的应用，开展了直接将控制单元集成在台区智能融合终端中的研究。治理方法可以概括为基于负荷实时数据计算得到当前最佳的换相策略27-30，换相开关根据换相策略进行换相动作调节三相负荷。在实际情况中，由于成本和工程实践的问题，难以在所有的负荷安装换相开关，因此首先考虑换相开关的布局问题是至关重要的31。并且在换相开关动作时仅依赖于某一时刻数据进行动作策略制定，会导致换相开关频繁动作。因此，除台区当前时刻的负荷外，还需考虑未来一段时间的负荷波动，确定最优动作时机进行换相动作。本文以台区智能终端为控制指令核心，以换相开关为执行单元的三相不平衡治理，实现从台区换相开关优化布局到三相不平衡的动态调节的全流程治理方法。具体包括：1）基于差分进化算法的换相开关布局优化方法；2）计及负荷波动性的台区三相不平衡动态优化方法；3）设计了智能终端上的三相不平衡 APP，在测试台区进行了换相开关最优布局和动态优化的算例测试。1换相开关布局优化方法1.1换相开关布局优化模型基于配电区域负荷历史数据，统计区域内各配电台区关口三相电流不平衡度，三相电流不平衡度的计算公式如下32：unb=mmax(IA,IB,IC)-min(IA,IB,IC)max(IA,IB,IC)100%（1）式中：IA、IB、IC分别代表台区关口的 A、B、C 三相电流。以一年内三相电流不平衡度大于 15%持续的时长作为配电台区三相不平衡运行状态的评判依据。对于每个三相不平衡情况较为严重的配电台区，配置智能终端 1 台+换相开关若干台进行台区三相不平衡治理。其中智能终端安装在台区关口处，换相开关的安装位置需要基于台区历史负荷数据，采用布局优化模型进行优化。换相开关布局优化模型考虑采用换相的方式优化台区在某一时刻的三相不平衡状态，使用最少的换相次数，优化三相负荷。因此，模型包括个优化目标：台区三相电流不平衡度最小；参与换相的负荷最少。使用 3N 的矩阵K=k1,k2,k3,L,kN-1,kN表示台区每个负荷的相序，每个负荷的相序 ki用1,0,0、0,1,0、0,0,1分别代表 ABC 三相33，因此台区关口的电流表示为：IA,IB,IC=KI。赋予三相不平衡度和换相次数个优化目标不同的权重，构建目标函数，将三相不平衡换相问题转换为整数规划问题。因此，换相开关布局优化模型可表示为34|=min(1max(IA,IB,IC)-min(IA,IB,IC)max(IA,IB,IC)+2D(K)max(IA,IB,IC)Ilmax（2）式中：IA，IB，IC表示台区关口三相电流；D（K）表示换相负荷的个数；Ilmax表示台区关口线路电流限值。求解模型目标函数最小时的 K，即可得到最优换相指令。由于模型为整数规划问题，将优化变量K 每一列的1，0，0，0，1，0，0，0，1松弛转化为0，3）连续范围内的连续变量，其中0，1）代表 A 相，1，2）代表 B 相，2，3）代表 C 相。采用差分进化算法求松弛化问题的最优解35-36，差分进化算法和遗传算法类似，即通过变异、交叉和选择个关键操作来不断地迭代计算。但差分进化算法的变异操作是通过种群内不同个体的向量差和待变异个体合成，在保留全局搜索能力的前提下，算法稳定性更好。差分进化算法的迭代公式如下：马志斌，等：基于智能终端和换相开关的台区三相不平衡治理方法研究Vol.39No.6