低壓三相負荷不平衡治理控制策略研究

張志華， 李今宋， 周捷， 蔡月明， 劉潤苗， 曾俊， 王俊仁

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京　211106)

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低壓三相負荷不平衡治理控制策略研究

張志華， 李今宋， 周捷， 蔡月明， 劉潤苗， 曾俊， 王俊仁

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106)

低壓電網(wǎng)中的三相不平衡問題直接影響電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，因此必須通過技術(shù)手段對低壓電網(wǎng)三相不平衡問題進行自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式是在線路上安裝一定數(shù)量的相間負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)，將這部分負荷作為調(diào)節(jié)負荷，主控單元采集臺區(qū)三相負荷情況并進行三相不平衡度分析，并根據(jù)相間負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)的相位及負荷情況給出最優(yōu)三相負荷轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)策略，然后根據(jù)調(diào)節(jié)策略控制對應(yīng)的相間負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)進行相間負荷轉(zhuǎn)移，使臺區(qū)三相負荷達到新的平衡狀態(tài)。

低電壓；配電網(wǎng)；相間負荷轉(zhuǎn)移；三相不平衡；控制策略

0　引　言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問題越來越突出[1]，在高壓電網(wǎng)中，因負載一般都是三相生產(chǎn)負載，三相負荷基本平衡，但是在低壓電網(wǎng)中，是三相生產(chǎn)用電與單相生活負載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)，而且配網(wǎng)中用電客戶以單相居民客戶為主，所以單相負荷接入的情況正在整個供電系統(tǒng)中占有很大的比例[2]，因條件和資金限制，單相低壓供電線路延伸過長，再加上單相用戶的不可控增容、大功率單相負載的接入及單相負載用電的不同時性等客觀原因，在配電網(wǎng)中極易造成配電臺區(qū)三相負荷分配不均衡，這就給低壓配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟運行帶來較大的負面影響，因此需要通過采取管理和技術(shù)手段，實現(xiàn)對三相不平衡情況的自動調(diào)節(jié)，降低三相不平衡度，減少電壓降落，改善供電電壓治理，降低線損。

1　三相不平衡調(diào)節(jié)原理

1.1三相不平衡度

電力系統(tǒng)中所描述的低壓配網(wǎng)的三相不平衡主要是指三相負荷不平衡的現(xiàn)象[3]，所以負荷電流三相不平衡度一般定義如下：

其中βx為x相的不平衡度;Imx為x相的最大電流;Iav為三相電流的平均值。

1.2智能換相開關(guān)

智能換相開關(guān)又稱相間負荷轉(zhuǎn)移型智能開關(guān)，通過短距離無線采集模塊與主控開關(guān)管理服務(wù)器組網(wǎng)運行，將工作電壓、負荷相序、負荷電流等數(shù)據(jù)上傳至主控單元或配變終端，并接受主控單元的換相控制指令，進行負荷相內(nèi)轉(zhuǎn)移調(diào)整，具有電流、電壓過零點快速投、切轉(zhuǎn)換的工作特性，快速實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)三相負荷之間的重新分配和調(diào)整，實現(xiàn)電網(wǎng)不平衡電流治理。

1.3三相不平調(diào)節(jié)

對于低壓三相不平衡治理，除了在前期線路建設(shè)規(guī)劃時盡量科學(xué)、合理的分配單相負荷的接入，還需要從技術(shù)上實現(xiàn)三相負荷的實時監(jiān)視并自動進行調(diào)整[4]，在運行過程中動態(tài)實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)移及調(diào)整，即建立三相平衡監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)三相不平衡監(jiān)測、控制與優(yōu)化。

三相平衡監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)低壓配電網(wǎng)接線方式、臺區(qū)負荷及用戶分布情況選擇一定數(shù)量的單相負荷分別安裝換相開關(guān)，該部分負荷作為可調(diào)節(jié)負荷。在變壓器低壓側(cè)每回出線處安裝控制終端，實時采集監(jiān)測此回出線三相運行情況，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行計算平衡度。當(dāng)控制終端監(jiān)測到三相不平衡率超過設(shè)定數(shù)值時，控制終端輪檢一遍臺區(qū)下開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)可控開關(guān)運行情況，進行一系列的控制策略分析，如選擇最優(yōu)動作開關(guān)、校驗是否滿足時間、人工設(shè)置等動作條件以及計算調(diào)整之后三相平衡率等。滿足動作條件則發(fā)出控制信號，通過控制終端對指定換相開關(guān)進行換相控制，將重載相負荷轉(zhuǎn)移到輕載相上，實現(xiàn)三相負荷平衡。

2　三相不平衡控制策略

2.1起調(diào)判據(jù)

在實際工程應(yīng)用中，主控單元無需實時檢測三相負荷狀態(tài)及對其操作，一般以定時檢測的方式進行，定時時間最小為5 min或者其整數(shù)倍，可以按照實際需求及現(xiàn)場負荷波動情況靈活配置，在調(diào)節(jié)時，確定是否需要進行調(diào)節(jié)的判據(jù)主要如下：

a) 平均電流Iav大于設(shè)定值Inav；

b) 相間最大電流差值Iw大于設(shè)定值Inw；

其中兩個判據(jù)必須同時滿足時才對三相負荷進行轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)，否則需要等待下一個調(diào)節(jié)周期再進行判斷，假設(shè)變壓器出線側(cè)三相電流分別為Ia、Ib、Ic，則Iav和Iw計算方式如下：

Iw=max(|Ia-Iav|,|Ib-Iav|,|Ic-Iav|)

Inav的選取一般根據(jù)變壓器容量及其負載率來確定，如100 kVA配電變壓器的10%負載率(15 A)；Inw的選取一般也是綜合變壓器容量及其允許的不平衡度來確定，如100 kVA配電變壓器額定運行15%不平衡度(20 A)。

2.2負荷轉(zhuǎn)移原則

在進行三相不平衡調(diào)節(jié)時，總體調(diào)節(jié)原則是在綜合考慮控制單元所屬的所有換相開關(guān)目前的相位及其負荷信息的基礎(chǔ)上，以動作開關(guān)數(shù)量最少實現(xiàn)最優(yōu)的負荷轉(zhuǎn)移，在負荷轉(zhuǎn)移時，優(yōu)先選取負荷最接近待轉(zhuǎn)移負荷的換相開關(guān)進行調(diào)節(jié)。

在判斷負荷接近程度時，需要按照負荷接近原則進行判斷，只針對單相負荷大于待轉(zhuǎn)移負荷的情況，計算接近的方法是選定一個誤差I(lǐng)tq，當(dāng)單相最大負荷和待轉(zhuǎn)移負荷的差的絕對值小于選定的誤差I(lǐng)tq，單相負荷小于待轉(zhuǎn)移負荷則選取換相開關(guān)負荷最大相。2.3控制邏輯

為了保證調(diào)節(jié)的可靠性，在進行起調(diào)判據(jù)判定及生成具體的控制策略時所有的參考數(shù)據(jù)必須取自同一時間斷面，即保證變壓器三相出口電流及個換相開關(guān)的相位及負荷等數(shù)據(jù)必須取自同一時刻，進入處理進程后，首先判斷Iav、Iw與Inav、Inw關(guān)系是否滿足起調(diào)的條件，如果Iav>Inav及Iw>Inw這兩個判據(jù)同時滿足，開始進入下一步的控制策略分析及控制，否則直接返回等待下一個調(diào)節(jié)周期。

當(dāng)起調(diào)判據(jù)同時滿足時，分別計算三相需要轉(zhuǎn)移的負荷Itx，其計算公式如下：

A相待轉(zhuǎn)移負荷：Ita=Ia-Iav

B相待轉(zhuǎn)移負荷：Itb=Ib-Iav

C相待轉(zhuǎn)移負荷：Itc=Ic-Iav

然后根據(jù)Itx的值進行控制策略的生成，最終根據(jù)生成的控制策略控制確定換相開關(guān)及其目標相位進行負荷轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)三相負荷的重新平衡，整個系統(tǒng)的三相不平衡調(diào)節(jié)邏輯框圖如圖1所示。2.4控制策略

低壓三相負荷不平衡調(diào)節(jié)的重點在于如果根據(jù)實際的運行情況生成合理且最優(yōu)的負荷轉(zhuǎn)移方案，選擇合適的開關(guān)組合，在動作開關(guān)數(shù)量最少的情況下實現(xiàn)負荷的最優(yōu)調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)實現(xiàn)新的三相負荷平衡。

在進行負荷轉(zhuǎn)移控制時，首先需要根據(jù)目前所屬換相開關(guān)的相位狀態(tài)將其進行分類，形成A、B、C三相負荷原始隊列，隊列里包含換相開關(guān)身份標識及其負荷情況；然后再需要根據(jù)Itx的符號來確定負荷的轉(zhuǎn)移負荷，當(dāng)Itx>0時對應(yīng)的負荷相需要轉(zhuǎn)出負荷，Itx<0則對應(yīng)的負荷相需要接收負荷，在實際工程應(yīng)用中，Itx=0的情況當(dāng)作Itx<0來考慮，即對應(yīng)的負荷相需要接收負荷，其期待接收的負荷大小為0；因此三相不平衡調(diào)節(jié)共有兩大類負荷轉(zhuǎn)移情況，第一類為一相向兩相轉(zhuǎn)移(A→BC/B→AC/C→AB)，第二類為兩相向一相轉(zhuǎn)移(AC→B/AB→C/BC→A)。

1) 一相向兩相轉(zhuǎn)移策略

以C相負荷需要分別轉(zhuǎn)移至A、B相為例，在控制策略運算時，實現(xiàn)使Itat=Ita、Itbt=Ib，然后執(zhí)行如下步驟：

第一步：判斷Itat、Itbt是否均小于Itq，是則轉(zhuǎn)到第八步；否則轉(zhuǎn)到第二步；

第二步：查找C相原始隊列，找出Imax；

第三步：判斷Itat是否大于Itbt，是則轉(zhuǎn)到第四步，否則轉(zhuǎn)到第六步；

第四步：判斷Imax是否大于Itat，是則轉(zhuǎn)到第五步，否則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到A相隊列，同時將該換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，并置Itat=Itat-Imax，返回第一步；

第五步：Itat與Imax接近范圍是否滿足接近范圍Itq的要求，滿足則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到A相隊列，同時將該換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，置Itat=0，返回第一步；不滿足則將將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，返回第一步；

第六步：判斷Imax是否大于Itbt，是則轉(zhuǎn)到第七步，否則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到B相隊列，同時將該換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，并置Itbt=Itbt-Imax，返回第一步；

第七步：Itbt與Imax接近范圍是否滿足接近范圍Itq的要求，滿足則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到B相隊列，同時將該換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，置Itbt=0，返回第一步；不滿足則將將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，返回第一步；

第八步：策略生成結(jié)束，A、B相動作隊列所包含的換相開關(guān)對象就是從C相需要轉(zhuǎn)移至A、B相的組合；

至此，負荷轉(zhuǎn)移策略結(jié)束。

2) 兩相向一相轉(zhuǎn)移策略

以BC相負荷需要轉(zhuǎn)移至A相為例，在控制策略運算時，實現(xiàn)使Itbt=Ib、Itct=Ic，然后執(zhí)行如下步驟：

第一步：判斷判斷Itbt是否小于Itq，是則轉(zhuǎn)到第二步；否則轉(zhuǎn)到第三步；

第二步：判斷判斷Itct是否小于Itq，是則轉(zhuǎn)到第七步；否則轉(zhuǎn)到第五步；

第三步：查找B相原始隊列，找出Imax，并判斷Imax是否大于Itbt，是則轉(zhuǎn)到第四步，否則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到A相隊列，同時將該換相開關(guān)從B相原始隊列刪除，并置Itbt=Itbt-Imax，返回第一步；

第四步：Itbt與Imax接近范圍是否滿足接近范圍Itq的要求，滿足則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到A相隊列，同時將該換相開關(guān)從B相原始隊列刪除，置Itbt=0，返回第一步；不滿足則將將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)從B相原始隊列刪除，返回第一步；

第五步：查找C相原始隊列，找出Imax，并判斷Imax是否大于Itct，是則轉(zhuǎn)到第六步，否則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到A相隊列，同時將該換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，并置Itct=Itct-Imax，返回第二步；

第六步：Itct與Imax接近范圍是否滿足接近范圍Itq的要求，滿足則將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)加入到A相隊列，同時將該換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，置Itct=0，轉(zhuǎn)到第七步；不滿足則將將Imax對應(yīng)的換相開關(guān)從C相原始隊列刪除，返回第二步；

第七步：策略生成結(jié)束，A相動作隊列所包含的換相開關(guān)對象就是從B、C相需要轉(zhuǎn)移至A相的組合。

至此，負荷轉(zhuǎn)移策略結(jié)束。

3　案例分析

3.1案例現(xiàn)有條件

在特定時間斷面上，統(tǒng)計單元現(xiàn)有Ia= 5 A，Ib=20 A，Ic=50 A，統(tǒng)計單元所屬換相開關(guān)總數(shù)為20臺，編號分別為1至20，且Inav=15 A，Inw=20 A，換相開關(guān)目前的狀態(tài)及電流值如表1所示。

表1　換相開關(guān)當(dāng)前狀態(tài)及電流值

3.2起調(diào)判據(jù)滿足情況

通過計算得Iav=25 A，Iw=45 A，所以Iav>Inav且Iw>Inw，故需要進行調(diào)節(jié)。

3.3負荷轉(zhuǎn)移方案

Ita= -20 A，Itb=-5 A，Itc=25 A，故It計算結(jié)果是兩負一正，按照一正向兩負轉(zhuǎn)移的原則，需要將C相負荷相A、B相轉(zhuǎn)移。3.4控制結(jié)果

通過計算，策略決策結(jié)果如下：需要從C相切換到A相的開關(guān)編號為9、12、6；需要從C相切換到B相的開關(guān)編號為10，即A相從C相得到的負荷為 10+6+4=20 A，B相從C相得到的負荷為5 A，負荷轉(zhuǎn)移后換相開關(guān)狀態(tài)及電流值如表2所示。

表2　負荷轉(zhuǎn)移后換相開關(guān)狀態(tài)及電流值

調(diào)節(jié)后，各相的電流分別為：Ia=20 A+5 A=25 A，Ib=5 A+20 A=25 A，Ic=50 A-5 A-20 A=25 A，達到新的平衡。

5　結(jié)束語

在我國低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于單相負荷用戶接入的不可控增容、單相大功率負載的接入及單相負荷接入不同時性等因素的存在[5]，使得低壓配電網(wǎng)三相不平衡問題在保障系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟運行中的影響較為突出，特別是農(nóng)村低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為明顯，這就導(dǎo)致變壓器損耗加大、低壓配電線路線損增加以及導(dǎo)致用戶側(cè)出現(xiàn)壓降等，嚴重者甚至可能造成事故，影響系統(tǒng)的安全、可靠及經(jīng)濟運行[6]，國家電網(wǎng)公司目前已經(jīng)提出了加大低壓配電系統(tǒng)低電壓綜合治理的戰(zhàn)略，而在低電壓治理的諸多解決方案中，低壓三相負荷不平衡的治理是其中的重要環(huán)節(jié)，即根據(jù)低壓配電網(wǎng)接線方式、臺區(qū)負荷及用戶分布情況選擇一定數(shù)量的單相負荷分別安裝換相開關(guān)，該部分負荷作為可調(diào)節(jié)負荷，核心控制單元定時對線路三相負荷情況進行監(jiān)測及判斷，當(dāng)三相不平衡度超過設(shè)定的范圍時，按照負荷轉(zhuǎn)移相關(guān)原則對系統(tǒng)負荷轉(zhuǎn)移策略進行運算，得到最優(yōu)控制策略并控制換相開關(guān)進行負荷轉(zhuǎn)移，換相開關(guān)采用的是先進電力電子技術(shù)，能快速實現(xiàn)在電流或者電壓過零點進行換相操作，實現(xiàn)負荷的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)負荷的重新分配，在新的平衡狀態(tài)下繼續(xù)運行，從而保障了低壓配電系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行。

[1] 田一焜.農(nóng)村低壓電網(wǎng)三相負荷不平衡運行的危害及其防范措施[J].科技展望，2014，24(18):28.

[2] 肖萬駿. 單相配電技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].北京:北京交通大學(xué)，2010.

[3] 張明，謝珊珊，羅云峰. 低壓配電網(wǎng)三相負荷不平衡優(yōu)化模型的研究[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，41(1):59-62.

[4] 張歡. 基于用戶分類的低壓配網(wǎng)三相平衡化降損研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2013.

[5] 王彬宇. 城市中低壓配電網(wǎng)損耗分析與降損技術(shù)選擇方法[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[6] 王敏. 配電線路損耗淺析[J].電力與能源,2011，32(15):396-397.

A Study on the Control Strategy of Low-voltage Three-phase Load Imbalance

ZHANG Zhi-hua, LI Jin-song, ZHOU Jie, CAI Yue-ming, LIU Run-miao, ZENG Jun, WANG Jun-ren

(State Grid NARI Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

As three-phase imbalance in the low-voltage power grid directly affects safe and economic operation of the grid, it is necessary to take technical measures to automatically adjust three-phase imbalance in the low-voltage grid, by installing a number of inter-phase load transfer switches on the line to use this part of load as regulating load. The main control unit collects information about three-phase imbalance in the transformer area, gives an optimal three-phase load transfer strategy according to the phase and load situation of the inter-phase load transfer switches, and then, based on the adjustment strategy, controls corresponding inter-phase load transfer switches for load transfer between phases so that the three-phase load in the transformer area may reach a new equilibrium.

low-voltage; power distribution network; inter-phase load transfer; three-phase imbalance; control strategy

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.022

TM76

A

1000-3886(2016)02-0069-03

張志華(1987-)，云南人，現(xiàn)就職于國電南瑞科技股份有限公司農(nóng)電分公司，主要從事配電自動化系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用軟件、系統(tǒng)安全防護、嵌入式linux操作系統(tǒng)內(nèi)核裁剪及設(shè)備驅(qū)動開發(fā)工作。

定稿日期: 2015-08-08