基于低壓智能塑殼開關(guān)的低壓臺區(qū)三相不平衡換相治理方法

何俊杰，柯 潔

（廣州南方電力集團(tuán)電器有限公司，廣州 510285）

0 引言

配電網(wǎng)是電網(wǎng)傳輸電能的最后一個環(huán)節(jié)，直接影響到用戶用電體驗(yàn)的好壞，因此業(yè)界對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題十分關(guān)注，三相不平衡是電能質(zhì)量問題中具有代表性的一種，具有較長的歷史，但造成三相不平衡的原因眾多，且較為復(fù)雜，既有客觀因素，也有主觀因素，既有技術(shù)問題，也有管理問題，因此，徹底解決三相不平衡問題較為困難。且目前在提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)下，電源、電網(wǎng)、負(fù)荷都發(fā)生了較大變化，電網(wǎng)接入了大量的光伏、小水電、風(fēng)能等新能源，大量的電力電子元器件的接入以及新能源隨機(jī)的出力特性，均會造成電力網(wǎng)絡(luò)三相不平衡的原因更加復(fù)雜化。

為了改善三相不平衡現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者做了諸多研究，劉焱[1]依托電力載波通訊技術(shù)和智能電表的發(fā)展，提出了基于晶閘管復(fù)合式換相開關(guān)的新解決方案。Tung N X 等[2]、胡應(yīng)宏等[3]、雷翦[4]提出一種新的基于平衡分量法的無功補(bǔ)償導(dǎo)納計(jì)算方法，無論三相不平衡負(fù)荷是什么接線均可以用一等值電阻和電抗并聯(lián)表示，并可以根據(jù)負(fù)載導(dǎo)納性質(zhì)設(shè)計(jì)一個補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使得三相負(fù)荷平衡。該方法的缺點(diǎn)在于負(fù)載側(cè)各相補(bǔ)償導(dǎo)納參數(shù)難以求解。張歡[5]詳細(xì)闡述低壓配電網(wǎng)網(wǎng)損及三相不平衡度的計(jì)算方法。并推導(dǎo)得出計(jì)及三相不平衡度的低壓配網(wǎng)線損計(jì)算方法。陳超[6]采用瞬時無功功率理論對負(fù)荷電壓電流瞬時值進(jìn)行分析，基于三相不對稱負(fù)荷的平衡化原理，提出了對電弧爐等大型的三相不對稱負(fù)荷實(shí)行分相補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法運(yùn)用對稱分量法求出負(fù)荷各相的等效補(bǔ)償電納值，采用有理插值法，將等效電納值轉(zhuǎn)換成晶閘管的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)快速無功補(bǔ)償。還有研究人員[7-10]詳細(xì)闡述了如何用靜止無功補(bǔ)償器治理三相不平衡，在得到低壓負(fù)荷的三相等效導(dǎo)納測量值后利用插值法轉(zhuǎn)換成晶閘管觸發(fā)角，然后獨(dú)立每一相進(jìn)行功率控制從而達(dá)到降低三相不平衡度，但不足之處是響應(yīng)速度較慢，可能不能滿足系統(tǒng)動態(tài)的調(diào)節(jié)需求。隨著GTO 與IGBT 的出現(xiàn)與技術(shù)革新，以及PWM 調(diào)制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了基于電力電子逆變技術(shù)的靜止無功發(fā)生器（SVG）[11-12]，喬琨[13]、Majumder R[14]、Liu W 等[15]介紹了SVG應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)三相不平衡治理的思路。

2020 年南方電網(wǎng)公司印發(fā)了《數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)行動方案（2020 版）》，明確以數(shù)字化推動業(yè)務(wù)變革的戰(zhàn)略，全面推進(jìn)數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)。數(shù)字電網(wǎng)以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依托大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全狀態(tài)感知與智能化控制，提升電網(wǎng)運(yùn)行效益。低壓配電網(wǎng)中存在大量的低壓開關(guān)，可以為低壓數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行提供基礎(chǔ)支持。低壓智能塑殼開關(guān)的遠(yuǎn)方控制及分、合閘功能，可以滿足低壓數(shù)字電網(wǎng)的負(fù)荷控制需求，實(shí)現(xiàn)用戶停電、復(fù)電，以及用戶接入相序轉(zhuǎn)換，此功能也為解決三相不平衡問題提供條件。

本文基于低壓智能塑殼開關(guān)的功能，提出一種低壓臺區(qū)三相負(fù)荷的自動換相方法，以解決單相負(fù)荷接入不均衡和用戶用電時間差異引起的臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題。

1 低壓智能塑殼開關(guān)

1.1 低壓智能塑殼開關(guān)功能

低壓智能塑殼開關(guān)主要功能包括：（1）電流監(jiān)測；（2）電壓監(jiān)測；（3）開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測；（4）開關(guān)分閘/合閘控制；（5）數(shù)據(jù)上傳；（6）遠(yuǎn)方/就地控制；（7）本地狀態(tài)顯示。

低壓智能塑殼開關(guān)通過電流互感器和電壓互感器，采集一次系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)；通過開關(guān)觸點(diǎn)來監(jiān)測開關(guān)分、合狀態(tài)，并經(jīng)過光電隔離電路和繼電器電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分、合閘操作。智能開關(guān)具備本地顯示屏，利于運(yùn)維人員現(xiàn)場人機(jī)交互與維護(hù)。智能開關(guān)具備通信模塊，可將采集的電氣量與非電氣量數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)方后臺，實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的可觀可測，同時遠(yuǎn)方后臺可以下發(fā)分、合閘指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)方控制。

1.2 低壓智能塑殼開關(guān)應(yīng)用

低壓智能塑殼開關(guān)由于其智能化與信息化特性，可以成為低壓數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的一類支撐設(shè)備，在低壓數(shù)字電網(wǎng)運(yùn)行場景中發(fā)揮其功能作用，具體包括以下幾個應(yīng)用。

（1）低壓拓?fù)鋽?shù)據(jù)支撐。低壓智能開關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及上傳交互，可以為低壓數(shù)字電網(wǎng)自動拓?fù)渥R別提供數(shù)據(jù)源，更好地生成低壓臺區(qū)拓?fù)鋱D。

（2）負(fù)荷遙控。低壓智能開關(guān)的遠(yuǎn)方控制及分、合閘功能，可以滿足低壓數(shù)字電網(wǎng)的負(fù)荷控制需求，實(shí)現(xiàn)用戶停電、復(fù)電，以及用戶接入相序轉(zhuǎn)換。

（3）輔助運(yùn)維。低壓智能開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測，可以方便運(yùn)維人員了解到各個線路的分段點(diǎn)，進(jìn)而對需維護(hù)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)開關(guān)控制及停電，同時可實(shí)現(xiàn)故障自動隔離。

2 三相不平衡評價指標(biāo)

根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，本文采用三相電流不平衡度作為臺區(qū)三相不平衡的評價指標(biāo)。

三相電流不平衡度為三相電流最大差值與最大電流值之比[16]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：Imax為三相電流中的最大值；Imin為三相電流中的最小值。

3 三相不平衡解決方法分析

到現(xiàn)在為止，針對三相不平衡的解決方案或緩解措施主要有以下幾種[17]：

（1）增加負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷的轉(zhuǎn)移切割；

（2）使用換相的方法，轉(zhuǎn)移較重負(fù)荷相至其他相，降低三相不平衡度；

（3）使用電容器、SVC、SVG 等無功功率補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償；

（4）針對不同的負(fù)載情況設(shè)計(jì)出補(bǔ)償導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)，利用補(bǔ)償導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)改變?nèi)嗖黄胶庳?fù)載的外特性。

上述針對三相不平衡的解決方案或緩解措施中，方案（1）需要進(jìn)行電網(wǎng)升級改造，投入成本較高；方案（2）使用人工換相投切需要停電操作，且由于換相投切的流程較長，因此停電時間也會很久，容易受到客戶的投訴；方案（3）與方案（4）增加補(bǔ)償導(dǎo)納網(wǎng)絡(luò)及采用無功功率補(bǔ)償裝置雖能解決低壓配電網(wǎng)中普遍存在的三相不平衡的問題，但是需要新增設(shè)備增加投資，且后續(xù)還有大量的運(yùn)維工作，耗費(fèi)人力。

4 基于周期平滑系數(shù)的換相方法

針對當(dāng)前配電網(wǎng)三相不平衡治理問題，本文提出一種考慮電流周期平滑系數(shù)的換相方法，以下從該方法的周期平滑系數(shù)計(jì)算、換相模型、實(shí)現(xiàn)流程等方面進(jìn)行闡述。

4.1 周期平滑系數(shù)

周期平滑系數(shù)是指基于歷史電流周期數(shù)據(jù)，進(jìn)行同一時刻下未來電流預(yù)測所用的計(jì)算系數(shù)，其以兩周14 天為預(yù)測周期，包括兩個預(yù)測系數(shù)，前7 天為第一平滑系數(shù)，后7天為第二平滑系數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

基于周期平滑系數(shù)，可計(jì)算第i時刻配變電壓側(cè)負(fù)荷的預(yù)測電流為IXi=，同時可用同樣方法預(yù)測換相開關(guān)的電流，在此不做贅述。

4.2 自動換相模型

自動換相以換相后三相不平衡度最小為目標(biāo)函數(shù)，約束包括第i相換相開關(guān)電流大小約束，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：g為換相開關(guān)數(shù)量；IAq,IBq,ICq為第q時刻A 相、B相、C相電流。

4.3 實(shí)現(xiàn)步驟流程

基于上述提出的周期平滑系數(shù)指標(biāo)和自動換相模型，本文提出基于周期平滑系數(shù)的換相方法流程如下。

（1）獲取配電變壓器（下簡稱“配變”）低壓側(cè)各相序歷史負(fù)荷電流、換相開關(guān)側(cè)負(fù)荷相序及歷史負(fù)荷電流；配變低壓側(cè)各相序歷史負(fù)荷電流是指配變低壓側(cè)連續(xù)n天一天96 個時刻A、B、C 三相的負(fù)荷電流、、；換相開關(guān)側(cè)負(fù)荷相序及歷史負(fù)荷電流包括：第k個換相開關(guān)的接入相序X；第k個換相開關(guān)連續(xù)n天一天96個時刻X相的負(fù)荷電流；令n=1, 2, …,h；令i=1,2,…,96；k=1,2,…,g。

（2）根據(jù)歷史負(fù)荷電流進(jìn)行配電變壓器低壓側(cè)和換相開關(guān)側(cè)未來一天96時刻的負(fù)荷電流預(yù)測。

（3）構(gòu)建負(fù)荷轉(zhuǎn)移模型并計(jì)算，將結(jié)果下發(fā)至換相開關(guān)進(jìn)行換相，流程結(jié)束。

5 算例分析

本文選擇了南方電網(wǎng)某一實(shí)際臺區(qū)一天的運(yùn)行情況進(jìn)行算例展示驗(yàn)證所提控制方法的有效性。換相前電流以及三相不平衡情況如圖1所示。

圖1 換相前臺區(qū)三相不平衡度曲線Fig.1 Three-phase unbalanced index after control

應(yīng)用本文方法換相后，效果如圖2所示。由圖可知，換相前三相不平衡度區(qū)間為0%～70%之間，換相后三相不平衡度區(qū)間為0%～40%左右，最大三相不平衡度下降約30%，換相前換相后三相不平衡度大幅下降。

圖2 換相后臺區(qū)三相不平衡度曲線Fig.2 Three-phase unbalanced index after control

換相前后結(jié)果對比如表1 所示，由表可知，本文的方法可以較好地改善臺區(qū)的三相不平衡情況，與換相的情況相比較，其三相不平衡度下降了21.8%。

表1 換相前后結(jié)果對比Tab.1 Comparison of results

6 結(jié)束語

本文基于低壓智能塑殼開關(guān)的功能應(yīng)用，在對比了目前國內(nèi)外低壓配電網(wǎng)三相不平衡問題解決方案的優(yōu)劣勢后提出了一種低壓臺區(qū)三相負(fù)荷的自動換相方法，構(gòu)建了負(fù)荷轉(zhuǎn)移模型。最后運(yùn)用南方電網(wǎng)某實(shí)際臺區(qū)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行了本文方法的效果驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文所提方法可以有效地降低配電臺區(qū)運(yùn)行的三相不平衡度，與原運(yùn)行狀態(tài)相比，臺區(qū)整體運(yùn)行的三相不平衡度下降了21.8%。本文方法可為配電網(wǎng)低壓臺區(qū)三相不平衡的換相治理提供重要的參考價值。