CN207082851U - 一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电网装备技术领域，具体涉及一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置。本装置包括监控主机和换相装置，监控主机设置在主线路上，每个与用户的连接的分线路上设置有换相装置，所述的换相装置包括换相开关、放大电路、通讯电路和采集电路，所述的分线路为三相线，分为A相线、B相线和C相线，A相线、B相线和C相线上分别通过电流互感器与换相装置连接。本实用新型能提高功率因素，降低线路损耗，为配电网经济运行水平和供电质量提供选择。

Description

一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置

技术领域

本实用新型属于电网装备技术领域，具体涉及一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置。

背景技术

电能质量的监测是世界各国供电部门对低压配电网***评估的一个十分重要的组成部分，是评估一个***的运行水平、以及国家经济水平的重要举措。通过相关仪器设备对低压侧电能质量进行高精度、高密度的监测和分析，电力管理部门能够及时对影响电力***运行的诸多原因进行准确、高效的分析判断并做出合理的解决方案。方便人们及时发现并解决问题，及时的改善电网的电能质量，避免电能的浪费，使电网的运行更加经济。对电能的质量进行有效的管理和监督，使最大限度的将评估电能质量的各项参数控制在规定的范围，以保证用户用电的稳定性，供电部门也必须时刻防止干扰源对电能质量的影响，使其各项参数都能够保持在允许的范围内，这是世界各国电力公司适应市场竞争以及实现可持续发展都必须解决的重要难题。针对三相不平衡的危害，国内外很多学者都进行了大量的研究分析，变压器不平衡现象一旦发生，其对电力***造成的危害主要有：

①导致变压器单相或两相过负荷，因此变压器不平衡会降低变压器的利用率。

②绕组长时间处在过热状态，导致配电变压器的寿命缩短，甚至有可能会燃烧。

③变压器不平衡还会造成用户端的三相电压偏差较大，使用户端电压不稳定。

④变压器l0KV△形绕组中产生的环流和负荷电流不均匀的因素会造成变压器损耗大大增加。

近10年来，随着配网***中居民和商业负荷的大幅增加，配电线路中的三相电流不平衡问题越发严重，成为配网运行中亟待解决的突出问题。配网三相不平衡运行经常引起三相电压不对称，降低配电变压器的出力，增加线路损耗等问题，而且由三相不平衡电流分解出来的负序电流和零序电流也会对计量仪表的精度产生影响，这些都给电力***的安全、稳定运行带来负面影响。除此之外，不平衡***还可能会使中性线的电流超过容量限制，为解决此问题则需要投入巨大的成本升级中性线或者馈线。目前解决三相不平衡问题主要有3种方法：负载补偿、配网重构和换相策略。负载补偿的缺点是设备投入成本大、设备投入运行时间长、运行维护成本高、易与电网发生谐振和增加电网谐波；配网重构受可用分段开关数目的限制一般很难达到三相平衡，而且重构会改变原有网络的结构；换相能克服以上两种方法的缺点，能有效改善配电网的三相不平衡，提高电网的功率因素和降低电网损耗，对配电网的经济运行有重要意义。

针对不平衡问题进行无功补偿是目前世界各国在治理三相不平衡问题上主要采取的措施，因为采用无功补偿装置进行无功的补偿能够极大的改善***的功率因数，不仅可以降低线路及变压器损耗，还能增加***的稳定性。传统的补偿设备如同步调节相位装置、由开关调节参数的并联电抗等，它们虽在一定程度上能够满足无功补偿的需求，但有一个很致命的缺点就是响应速度过慢，运行过程中带来的损耗也较大，管理者不能连续的对其进行很好的调控并且容易与输电线路发生谐振，这会威胁到电网的安全运行。

自动转换器的特点主要是利用机械自动化原理，同时结合现代电力电子技术而研制出的一种自动化产品，具有过电压、欠电压、缺相/断相等比较普遍的电气故障的保护功能，除此之外，同时还具有对故障进行识别、对故障进行指示、合闸前对故障进行全面检测等功能。缺点是价格较贵，同时不能保证能够获取最优的负荷分配方案，后期还需不断完善。

针对配电变压器带来的三相不平衡问题，通过对负荷量数据的统计分析，然后对负荷重和负荷轻的相序进行换相，使其尽可能的接近三相平衡，但是用户端单相用电设备同时率较低，同时用户的用电情况受季节因素影响较大，用电客户每个月或者每个季节的用电通常存在较大的差异，这将会进一步导致配电变压器的三相负荷更加处于一个不平衡的状态下，同时因为单相负荷的频繁间断，治理起来效果很不理想。人工换相是比较古老的一种解决三相不平衡问题的方法，使负荷的相尽可能平衡，它需要操作人员首先采集庞大数据，并且对数据进行无休止的计算，通过分析，最后根据计算结果和经验对负载轻、重的相序合理分配，对电力工作人员要求较高，必须具有非常丰富的实战经验。而单相用电设备比较随意，用电的同时率较低，受人员、天气、温度、季节等因素影响，每个用户的用电率存在非常大的差异，这必将导致***更加的不平衡，缺乏对各户人家负荷特征的分析了解，也没有规律可循，所以这种方法比较笨拙、繁琐，同时结果还不理想，管理起来非常不便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置包括监控主机和换相装置，监控主机设置在主线路上，每个与用户的连接的分线路上设置有换相装置，所述的换相装置包括换相开关、放大电路、通讯电路和采集电路，所述的分线路为三相线，分为A相线、B相线和C相线，A相线、B相线和C相线上分别通过电流互感器与换相装置连接。

所述的A相线、B相线和C相线同时与换相装置的采集电路连接，放大电路分别与采集电路、通讯电路连接，所述的换相开关包括U相开关、V相开关和W相开关；U相开关包括U相第一双向晶闸管、U相第二双向晶闸管、U相第三双向晶闸管，U相第一双向晶闸管一端连接A相线，U相第二双向晶闸管一端连接B相线,U相第三双向晶闸管一端连接C相线，U相第一双向晶闸管、U相第二双向晶闸管、U相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端；V相开关包括V相第一双向晶闸管、V相第二双向晶闸管、V相第三双向晶闸管，V相第一双向晶闸管一端连接A相线，V相第二双向晶闸管一端连接B相线,V相第三双向晶闸管一端连接C相线，V相第一双向晶闸管、V相第二双向晶闸管、V相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端；W相开关包括W相第一双向晶闸管、W相第二双向晶闸管、W相第三双向晶闸管，W相第一双向晶闸管一端连接A相线，W相第二双向晶闸管一端连接B相线,W相第三双向晶闸管一端连接C相线，W相第一双向晶闸管、W相第二双向晶闸管、W相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端。

所述的通讯电路包括LUFFT WS300-UMB芯片、MAX485芯片和STM32F103C8芯片，所述的LUFFT WS300-UMB芯片第一引脚接地，第二引脚连接12V电压，LUFFT WS300-UMB芯片的第四引脚与MAX485芯片的第七引脚连接，LUFFT WS300-UMB芯片的第三引脚与MAX485芯片的第六引脚连接；MAX485芯片的第五引脚接地，MAX485芯片的第八引脚阶5V电压；MAX485芯片的第二、三引脚短接后分布连接第一电阻R7和STM32F103C8芯片的DIR端；MAX485芯片的第四引脚和STM32F103C8芯片的TXD端连接；MAX485芯片的第一引脚和STM32F103C8芯片的RXD端连接；第一电阻的另一端接地；STM32F103C8芯片的输入端与放大电路的输入端连接。

所述的放大电路的组成为：12V电压与第一电容C8连接，第一电容的另一端接放大电路输入端连接；12V电压同时与线性稳压器7812连接，线性稳压器7812输出端分别连接第二电容C7和桥式整流器连接，桥式整流器与放大变压器连接，放大变压器连接输出端；桥式整流器和第二电容的另一端与放大电路输入端连接。

所述的采集电路为电压采集电路或电流采集电路。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型能提高功率因素，降低线路损耗，为配电网经济运行水平和供电质量提供选择。通过该***进行调整之后，***三相不平衡问题得到了极大的改善，调整之后各项评价电能质量的参数都得到了非常显著改善，最终更好的实现了三相负荷的平衡。目前世界各国针对三相不平衡问题比较普遍的解决办法主要是采用无功补偿装置来加以解决来降低***的不平衡度。但是电容无功补偿装置比较昂贵，另外后期维护成本也很高，所以投入成本很大，占地面积也大；而采用本装置，即可保证不购置昂贵的电容补偿器，又可以取代无功补偿器降低三相不平衡引起的一系列损耗，能够确保绝大部分时间配变运行参数保持在允许的范围之内。

附图说明

图1为本结构整体示意图；

图2为本结构换相开关图；

图3为本结构通讯电路图；

图4为本结构放大电路图；

图5为基于遗传算法的自动换相优化流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

如图1-5所示，一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置包括主变压器、监控主机和换相装置，主变压器通过主线路分为N束分线路与用户连接，监控主机设置在主线路上，每个与用户的连接的分线路上设置有换相装置，所述的换相装置包括换相开关、放大电路、通讯电路和采集电路，所述的分线路为三相线，分为A相线、B相线和C相线，A相线、B相线和C相线上分别通过电流互感器与换相装置连接。

所述的A相线、B相线和C相线同时与换相装置的采集电路连接，放大电路分别与采集电路、通讯电路连接，所述的换相开关包括U相开关、V相开关和W相开关；U相开关包括U相第一双向晶闸管、U相第二双向晶闸管、U相第三双向晶闸管，U相第一双向晶闸管一端连接A相线，U相第二双向晶闸管一端连接B相线,U相第三双向晶闸管一端连接C相线，U相第一双向晶闸管、U相第二双向晶闸管、U相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端；V相开关包括V相第一双向晶闸管、V相第二双向晶闸管、V相第三双向晶闸管，V相第一双向晶闸管一端连接A相线，V相第二双向晶闸管一端连接B相线,V相第三双向晶闸管一端连接C相线，V相第一双向晶闸管、V相第二双向晶闸管、V相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端；W相开关包括W相第一双向晶闸管、W相第二双向晶闸管、W相第三双向晶闸管，W相第一双向晶闸管一端连接A相线，W相第二双向晶闸管一端连接B相线,W相第三双向晶闸管一端连接C相线，W相第一双向晶闸管、W相第二双向晶闸管、W相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端。

所述的通讯电路包括LUFFT WS300-UMB芯片、MAX485芯片和STM32F103C8芯片，所述的LUFFT WS300-UMB芯片第一引脚接地，第二引脚连接12V电压，LUFFT WS300-UMB芯片的第四引脚与MAX485芯片的第七引脚连接，LUFFT WS300-UMB芯片的第三引脚与MAX485芯片的第六引脚连接；MAX485芯片的第五引脚接地，MAX485芯片的第八引脚阶5V电压；MAX485芯片的第二、三引脚短接后分布连接第一电阻(R7)和STM32F103C8芯片的DIR端；MAX485芯片的第四引脚和STM32F103C8芯片的TXD端连接；MAX485芯片的第一引脚和STM32F103C8芯片的RXD端连接；第一电阻的另一端接地；STM32F103C8芯片的输入端与放大电路的输入端连接。

所述的放大电路的组成为：12V电压与第一电容(C8)连接，第一电容的另一端接放大电路输入端连接；12V电压同时与线性稳压器7812连接，线性稳压器7812输出端分别连接第二电容(C7)和桥式整流器连接，桥式整流器与放大变压器连接，放大变压器连接输出端；桥式整流器和第二电容的另一端与放大电路输入端连接。

所述的采集电路为电压采集电路或电流采集电路。

本专利提出的换相装置包括换相开关和基于遗传算法的监控主机。监控主机实时监测配电网变压器低压侧的三相电流不平衡情况，如果在一定时间的监测周期内，三相不平衡度超过设定值，则执行在线自动换相决策。监控主机读取变压器低压侧三相电流和所有负荷换相开关各支路的电流、相序实时数据，进行分析、判断、基于遗传算法的优化计算，发出最优换相控制指令，各换相开关按照规定换相流程执行换相操作。

现有的换相优化算法有基于模拟结晶算法的长效三相平衡优化换相策略及基于向量基因遗传算法的单相平衡优化换相策略，可参考相关文献。本文是把换相连接方案用1、2、3表示，根据遗传算法在[1,3]范围内生成种群，进行交叉、变异和选择实现三相不平衡优化换相。另外，换相开关采用的是双向晶闸管，速度较快，对电网的影响较小，可以提高供电可靠性。

本专利的关键技术在于：三相不平衡换相装置包括基于遗传算法的监控主机和换相开关。三相不平衡换相***由监控主机和换相装置组成。监控主机包括算法处理电路和通讯电路。换相装置包括换相开关和处理电路、通讯电路和采集电路。采集电路通过电流互感器采集负荷侧的三相电流。

监控主机实时监测配电网变压器低压侧的三相电流不平衡情况，如果在一定时间的监测周期内，三相不平衡度超过设定值，则执行在线自动换相决策。监控主机读取变压器低压侧三相电流和所有负荷换相开关各支路的电流、相序实时数据，进行分析、判断、基于遗传算法的优化计算，发出最优换相控制指令，各换相开关按照规定换相流程执行换相操作。

监控主机内部建立以三相电流不平衡度最小和换相过程中三相负荷换相开关切换次数最少为目标的多目标最优换相模型，使用遗传算法得到最优换相指令，下发给换相开关。

基于遗传算法的自动换相开关优化算法如下：

换相节点的连接方案有三种，1(U-A，V-B,W-C)、2(U-C，V-A，W-B)和3(U-B，V-C，W-A)。(U-A，V-B,W-C)表示相线U连接A相，相线V连接B相，相线W连接C相。遗传算法优化中，种群中的每一个个体为在[1,3]间随机产生的整数，代表换相节点的连接方案号。遗传算法主要步骤包括种群初始化、交叉、变异和选择操作。

a.种群初始化

在[1,3]间产生初始种群，种群大小为N。

b.交叉操作

将种群两两分组，随机产生两个整数r1、r2，确定两个位置，对两位置的中间数据进行交叉。假设r1<r2，则

a(i)＝round(c*a(i)+(1-c)*b(i))；

b(i)＝round(c*b(i)+(1-c)*a(i))；

i＝r1,r1+1,r1+2，...r2

c＝rand,round指取整。

c.变异操作

对种群中的每一个个体，随机选择一个位置，计算该位置分别取1、2、3数值时的适应度值，该位置变异为使适应度值大的那个数值。

d.选择操作，在原种群，经交叉和变异的种群内选择N个适应度值最大的个体，作为新一代种群。如此迭代，直到满足迭代次数。

换相开关是基于双向晶闸管的电力电子开关器件，能快速完成换相功能，对用户负荷无冲击，不影响供电可靠性。***示意图和换相开关装置图如图1、2所示。

本实用新型提高功率因素，降低线路损耗，为配电网经济运行水平和供电质量提供选择。通过该***进行调整之后，***三相不平衡问题得到了极大的改善，调整之后各项评价电能质量的参数都得到了非常显著改善，最终更好的实现了三相负荷的平衡。目前世界各国针对三相不平衡问题比较普遍的解决办法主要是采用无功补偿装置来加以解决来降低***的不平衡度。但是电容无功补偿装置比较昂贵，另外后期维护成本也很高，所以投入成本很大，占地面积也大；而采用本装置，即可保证不购置昂贵的电容补偿器，又可以取代无功补偿器降低三相不平衡引起的一系列损耗，能够确保绝大部分时间配变运行参数保持在允许的范围之内。

需要指出的是本专利旨在保护发明内容所述的各部分的具体结构和连接方式，而对于监控主机的相关算法和流程控制方法，应当属于本领域技术人员的公知技术，本领域技术人员可以根据三相不平衡的相关文献得到控制***的算法和流程。

Claims (5)

1.一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置，包括监控主机和换相装置，其特征在于：主变压器通过主线路分为N束分线路与用户连接，监控主机设置在主线路上，每个与用户的连接的分线路上设置有换相装置，所述的换相装置包括换相开关、放大电路、通讯电路和采集电路，所述的分线路为三相线，分为A相线、B相线和C相线，A相线、B相线和C相线上分别通过电流互感器与换相装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置，其特征在于：所述的A相线、B相线和C相线同时与换相装置的采集电路连接，放大电路分别与采集电路、通讯电路和换相开关连接，所述的换相开关包括U相开关、V相开关和W相开关；U相开关包括U相第一双向晶闸管、U相第二双向晶闸管、U相第三双向晶闸管，U相第一双向晶闸管一端连接A相线，U相第二双向晶闸管一端连接B相线,U相第三双向晶闸管一端连接C相线，U相第一双向晶闸管、U相第二双向晶闸管、U相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端；V相开关包括V相第一双向晶闸管、V相第二双向晶闸管、V相第三双向晶闸管，V相第一双向晶闸管一端连接A相线，V相第二双向晶闸管一端连接B相线,V相第三双向晶闸管一端连接C相线，V相第一双向晶闸管、V相第二双向晶闸管、V相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端；W相开关包括W相第一双向晶闸管、W相第二双向晶闸管、W相第三双向晶闸管，W相第一双向晶闸管一端连接A相线，W相第二双向晶闸管一端连接B相线,W相第三双向晶闸管一端连接C相线，W相第一双向晶闸管、W相第二双向晶闸管、W相第三双向晶闸管的输出端同时连接放大电路输出端。

3.根据权利要求2所述的一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置，其特征在于：所述的通讯电路包括LUFFT WS300-UMB芯片、MAX485芯片和STM32F103C8芯片，所述的LUFFTWS300-UMB芯片第一引脚接地，第二引脚连接12V电压，LUFFT WS300-UMB芯片的第四引脚与MAX485芯片的第七引脚连接，LUFFT WS300-UMB芯片的第三引脚与MAX485芯片的第六引脚连接；MAX485芯片的第五引脚接地，MAX485芯片的第八引脚阶5V电压；MAX485芯片的第二、三引脚短接后分布连接第一电阻(R7)和STM32F103C8芯片的DIR端；MAX485芯片的第四引脚和STM32F103C8芯片的TXD端连接；MAX485芯片的第一引脚和STM32F103C8芯片的RXD端连接；第一电阻的另一端接地；STM32F103C8芯片的输入端与放大电路的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置，其特征在于：所述的放大电路的组成为：12V电压与第一电容(C8)连接，第一电容的另一端接放大电路输入端连接；12V电压同时与线性稳压器7812连接，线性稳压器7812输出端分别连接第二电容(C7)和桥式整流器连接，桥式整流器与放大变压器连接，放大变压器连接输出端；桥式整流器和第二电容的另一端与放大电路输入端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于遗传算法的三相不平衡换相装置，其特征在于：所述的采集电路为电压采集电路或电流采集电路。