一种基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统及方法

技术领域

本发明属于配电台区三相负荷自动调节技术领域，尤其涉及一种基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统及方法。

背景技术

配电台区普遍存用电分支多及负载多样性的现象，有三相用电支线、单相用电支线以及三相和单相混合的用电支线，除交流负载外，也存在多种直流负载和非线性负载，由于台区用户用电行为的随机性和阶段性，以及单相接地、单相断线或短路故障频有发生，造成配电变压器在运行过程中时刻存在低压侧三相不平衡的现象，严重影响了配电台区一、二次设备的安全运行和供电质量。配电台区三相不平衡问题引发的危害包括：增加线路的电能损耗、使配电变压器中产生零序电流、三相负载的运行效率降低、影响用电设备的安全运行、降低用电设备的使用寿命、增加低压配电网保护误动的风险等等。因此，三相不平衡问题是低压配电网改造与治理需要解决的关键问题。

目前低压配电网的三相不平衡治理主要有三种方式，包括电容调节补偿、换相开关调节和电力电子补偿。其中采用IGBT的电力电子型三相不平衡自动补偿装置由于补偿精度高、响应速度快，对一次系统造成的冲击小，是目前三相不平衡治理技术研究的重点方向。但由于在装置的控制模型及控制环节中的多种参数难以自适应地满足不同配电台区及不同运行时段的补偿需求，仍会造成补偿精度低、治理不彻底甚至补偿后产生高次谐波等影响电能质量的问题出现。

发明内容

本发明要解决的问题是：提供一种基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统及方法，以解决现有电力电子型三相不平衡补偿控制模型和相关参数缺乏自适应动态调整的缺陷，实现对配电台区的三相不平衡负荷、无功功率和高次谐波的精确补偿，并在配电台区拓扑结构发生改变时，三相不平衡补偿终端设备通过云平台下发的最优控制模型及参数自适应地修正控制策略，提高三相不平衡补偿控制的动态响应速度。

本发明技术方案是：

一种基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统，所述系统包括安装在配电变压器的供电台区重要分支节点上的三相不平衡补偿装置和剩余分支节点上的智能开关；所述三相不平衡补偿装置和智能开关通过电力泛在物联网与云平台连接；所述三相不平衡补偿装置和智能开关分别采集电压电流及开关位置信号，并进行数据的预处理形成所需参量；各边缘终端将采集到的电压电流信号及预处理参量经过电力泛在物联网传输到云平台，云平台计算出最优的控制模型及参数后下发到相应的三相不平衡补偿装置，三相不平衡补偿装置进行调节。

确定供电台区重要分支节点的方法为：该分支节点的供电容量大于分支前总容量的30%及供电容量大于配变额定容量的15%的节点为重要分支节点。

所述三相不平衡装置和智能开关均具有实时采集电压、电流和开关位置信号的功能，并可对采集数据通过边缘计算进行预处理的功能，预处理后的数据包括：电压和电流的有效值、基波值、谐波值、谐波畸变度THD以及负载阻抗值、有功功率、无功功率、功率因数和频率。

所述云平台上部署各种典型的三相不平衡补偿控制模型库并按照预先设定的各种控制方法进行在线仿真计算，预先设定的控制方法包括：三角载波线性控制、滞环电流控制、无差拍控制、特定消谐法SHEPWM控制、空间矢量SVPWM控制、组合变流器移相SPWM控制、单周控制又称积分复位控制、滑模控制、变结构控制、基于单位功率因数（UPF）的控制及模糊控制。

所述云平台根据接收到的数据实时更新所有三相不平衡补偿装置的在线仿真拓扑模型及一次参数。

云平台计算出最优的控制模型及参数的方法为：云平台逐个对各三相不平衡补偿装置的仿真模型进行在线仿真，云平台如果发现运用当前的控制模型和控制参数仿真后的三相不平衡补偿度、功率因素、谐波含量的暂态及稳态补偿效果超出误差指标，则选用不同的控制模型或者对同一控制模型按给定步长修改仿真模型中的相关参数进行迭代仿真，直至仿真后输出的各项误差在误差指标范围之内，确定最后仿真使用的控制模型及控制参数为最优控制模型及最优参数。

三相不平衡补偿装置进行调节的方法为：各三相不平衡补偿装置按最优控制模型及最优参数实现装置所在分支节点的三相不平衡、无功功率和高次谐波的精确补偿，并提高三相不平衡补偿装置在配电台区拓扑结构发生变化的情况下的调节响应速度，从而维持整个配电台区的电能质量。

一种基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统的调节方法，它包括下述步骤：

步骤S310：在配电台区重要分支节点安装三相不平衡补偿装置，在其余分支节点安装智能开关，分别采集电压电流及开关位置信号，并进行数据的预处理形成所需参量；

步骤S320：各边缘终端将采集到的电压电流信号及预处理参量经过电力泛在物联网传输到云平台，云平台实时更新各三相不平衡补偿装置所在的分支节点的在线仿真拓扑结构和一次参数；

步骤S330：云平台选用不同的控制模型和控制参数对各三相不平衡补偿装置的补偿效果进行在线仿真，选取最优的控制模型及参数通过电力泛在物联网下发到相应的三相不平衡补偿装置；

步骤S340：各三相不平衡补偿装置使用最优的控制模型及参数进行三相不平衡调节控制，实现三相不平衡、无功功率和高次谐波的精确补偿，并提高调节响应速度。

本发明有益效果：

本发明采用基于边云协同的配电台区三相不平衡补偿方法，可以通过边云系统的方式自适应选取最优补偿控制策略实现对配电台区的三相不平衡调节，其有益效果包括：

1、本发明利用电力泛在物联网，将分布式安装的三相不平衡补偿装置和智能开关所采集的数据实时上送到云平台，除具备自适应更新控制仿真所需要的配电台区拓扑结构和一次参数外，可为更多配电台区的边云协同业务应用提供有力的支撑。

2、本发明利用了云平台强大的云计算能力和多种典型控制模型的存储能力实现了最优控制策略的在线仿真和选取，降低了边缘终端装置对硬件资源的要求。

3、本发明的方法可以全面提高配电台区三相不平衡补偿、无功补偿和谐波抑制的精度，全面提高配电台区的供电质量。

解决了现有电力电子型三相不平衡补偿控制模型和相关参数缺乏自适应动态调整的缺陷，实现对配电台区的三相不平衡负荷、无功功率和高次谐波的精确补偿，并在配电台区拓扑结构发生改变时，三相不平衡补偿终端设备通过云平台下发的最优控制模型及参数自适应地修正控制策略，提高三相不平衡补偿控制的动态响应速度。

附图说明

图1是基于边云协同的配电台区三相不平衡调节方法流程框图；

图2是基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统结构图；

图3是云平台的三相不平衡补偿控制仿真模型示意图。

具体实施例

随着物联网、5G通讯技术、边缘计算、云计算的快速发展，电力泛在物联网的智能时代正在到来，各种边缘侧终端采集和预处理的数据可以广泛地接入云平台（包括边缘云和中心云），利用云平台的强大计算能力解决边缘设备资源有限的问题，通过边、云之间的协同优化，包括资源协同、应用协同、数据协同、智能协同等多种协同，可以实现高效、低成本、低时延的各类业务需求。

1、本发明提出的基于边云协同的配电台区三相不平衡调节系统结构如图2所示。在一个配电变压器的供电台区，首先在重要的分支节点上安装三相不平衡补偿装置，在剩下的分支节点上安装智能开关；上述重要的分支节点需要同时满足以下两个条件：（1）本分支的供电容量大于分支前总容量的30%；（2）本分支的供电容量大于配变额定容量的15%。所安装的三相不平衡装置和智能开关均具有实时采集电压、电流和开关位置信号的功能，并可对采集数据通过边缘计算进行预处理的功能，预处理后的数据包括：电压和电流的有效值、基波值、谐波值、谐波畸变度THD以及负载阻抗值、有功功率、无功功率、功率因数和频率等。在云平台上部署各种典型的三相不平衡补偿控制模型库并按照预先设定的各种控制方法进行在线仿真计算，预先设定的控制方法包括：三角载波线性控制、滞环电流控制、无差拍控制、特定消谐法SHEPWM控制、空间矢量SVPWM控制、组合变流器移相SPWM控制、单周控制（又称积分复位控制）、滑模控制、变结构控制、基于单位功率因数（UPF）的控制、模糊控制等。

2、各终端装置（包括三相不平衡补偿装置和智能开关）通过电力泛在物联网（有线通讯或无线通讯方式）将所有采集的信号及预处理后的新数据上传到云平台，云平台根据接收到的数据实时更新所有三相不平衡补偿装置的在线仿真拓扑模型及一次参数（例如利用接收到的开关位置和负载阻抗值实时刷新各负载支路参数，利用接收到的电压电流信息更新源端参数）。

3、云平台逐个对各三相不平衡补偿装置的仿真模型（如图3所示）进行在线仿真，一个典型的仿真控制模型包括如下控制元件：Clark变换及逆变换、Park变换及逆变换、锁相环（PLL）、比例积分（PI）控制器、比例谐振控制器等、电压外环控制、电流内环控制、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等。不同的控制模型由不同的控制元件组成，同一控制模型的控制效果也因各控制元件的参数不同而异。云平台如果发现运用当前的控制模型和控制参数仿真后的三相不平衡补偿度、功率因素、谐波含量的暂态及稳态补偿效果超出误差指标，则可以选用不同的控制模型（例如选用不用的锁相环PLL元件、对给定值的计算增加比例谐振控制元件、或者选用不同的调制策略和三角载波频率等），或者对同一控制模型按给定步长修改仿真模型中的相关参数（例如PI控制器的比例系数和积分常数等）进行迭代仿真，直至仿真后输出的各项误差在误差指标范围之内，确定最后仿真使用的控制模型及控制参数为最优控制模型及最优参数。

4、云平台将各三相不平衡补偿装置的最优控制模型及最优控制参数通过电力泛在物联网下发至各三相不平衡补偿装置，各三相不平衡补偿装置按最优控制策略实现装置所在分支节点的三相不平衡、无功功率和高次谐波的精确补偿，并提高三相不平衡补偿装置在配电台区拓扑结构发生变化的情况下的调节响应速度，从而维持整个配电台区的电能质量，形成一套边云协同的三相不平衡调节的闭环控制方法。

5、综合上述步骤，本发明提出的基于边云协同的三相不平衡调节方法的流程框图如图1所示：

步骤S310：在配电台区重要分支节点（本分支的供电容量大于分支前总容量的30%；本分支的供电容量大于配变额定容量的15%。）安装三相不平衡补偿装置，在其余分支节点安装智能开关，分别采集电压电流及开关位置信号，并进行数据的预处理形成所需参量。

步骤S320：各边缘终端（包括三相不平衡补偿装置和智能开关，以及智能断路器、智能微断、智能电表和其他采集终端）将采集到的电压电流信号及预处理参量经过电力泛在物联网传输到云平台，云平台实施更新各三相不平衡补偿装置所在的分支节点的在线仿真拓扑结构和一次参数。

步骤S330：云平台选用不同的控制模型和控制参数对各三相不平衡补偿装置的补偿效果进行在线仿真，选取最优的控制模型及参数通过电力泛在物联网下发到相应的三相不平衡补偿装置。

步骤S340：各三相不平衡补偿装置使用最优的控制模型及参数进行三相不平衡调节控制，实现三相不平衡、无功功率和高次谐波的精确补偿，并提高调节响应速度。