配變?nèi)嗖黄胶庹尾呗苑治?/h1>
2017-12-06 11:27:52劉小江廖文龍龔奕宇
電氣技術(shù) 2017年11期
劉小江 廖文龍 姚 曉 龔奕宇
（國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072）
配變?nèi)嗖黄胶庹尾呗苑治?/p>
劉小江 廖文龍 姚 曉 龔奕宇
（國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072）
三相不平衡問題普遍存在于配電網(wǎng)中，直接增加配網(wǎng)線路損耗，降低經(jīng)濟(jì)運行水平。本文以實現(xiàn)三相負(fù)荷最優(yōu)調(diào)整為目標(biāo)，充分利用了配網(wǎng)用電采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，建立了三相不平衡實用化分析模型，深度分析配變低壓側(cè)三相電流特征。綜合得出三相不平衡調(diào)整的最優(yōu)方案，確定三相電流最佳調(diào)節(jié)系數(shù)，最大限度減少三相不平衡引起的額外損耗。本方法克服了以往經(jīng)驗法進(jìn)行三相不平衡調(diào)節(jié)效果不可控的缺點，解決了基層運維人員在進(jìn)行三相負(fù)荷調(diào)整時無據(jù)可依問題，可實現(xiàn)計算機大規(guī)模自動分析，臺區(qū)實例分析表明本方法具有較強的實用性。
三相不平衡；用電采集系統(tǒng)；最優(yōu)改接；計算機分析
隨著配電網(wǎng)在電網(wǎng)公司中的重要性不斷提高，此前一直未得到足夠重視的配變?nèi)嗖黄胶獾葐栴}被重新提起。造成配網(wǎng)三相不平衡的原因主要有：低壓接線隨意性大、單相用戶容量增長不可控、低壓單相負(fù)載運行隨機性高、負(fù)荷季節(jié)性變化等[1]。由此帶來的危害主要有：增加變壓器損耗[2-4]、降低變壓器利用率、影響變壓器壽命及供電質(zhì)量等[5-6]。
目前，國內(nèi)外針對三相不平衡問題的研究較少，主要集中在不平衡新型補償裝置方面[7-10]，而采用這類裝置往往需要較高的資金投入，且設(shè)備可靠性不佳，運維難度大，因此補償裝置適用范圍很小。對多數(shù)三相不平衡問題，負(fù)荷改接是最佳手段，但以往由于缺少針對配變低壓側(cè)數(shù)據(jù)的采集及分析，三相不平衡負(fù)荷改接往往僅憑運維人員經(jīng)驗進(jìn)行，調(diào)節(jié)效果不可控，難以實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)。
智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展將越來越多的傳感器、智能儀器儀表裝入供電網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)的各項運行數(shù)據(jù)得以實時回傳，實現(xiàn)配網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的用電采集系統(tǒng)在配網(wǎng)中得到大面積推廣應(yīng)用，為配電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運行提供了基礎(chǔ)。用電采集系統(tǒng)實現(xiàn)了對低壓側(cè)電壓、電流、功率等電氣信息的有效、可靠采集，這為三相不平衡的大規(guī)模在線分析提供了可能[11-13]。事實表明，配網(wǎng)三相不平衡現(xiàn)象普遍存在。然而目前少有基于用采系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析的實用化三相不平衡治理策略研究，導(dǎo)致一線運維人員難以根據(jù)不同臺區(qū)特點進(jìn)行針對性治理。本文充分利用了現(xiàn)階段用電采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源開展綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，針對不同臺區(qū)提供最優(yōu)三相不平衡整治策略，最大限度提高供電經(jīng)濟(jì)性。
1 配變損耗模型
1.1 三相不平衡對網(wǎng)損的影響
在三相平衡狀態(tài)下，三相電流向量和為零，即
三相負(fù)荷平衡時，三相電流幅值滿足 IA= IB=IC= I，則三相平衡時線路功率損耗為
式中，R為相線電阻。
三相不平衡時，三相負(fù)荷電流不相等，不平衡電流在中性線上流過，引起額外損耗，導(dǎo)致配變總損耗增加。
若三相不平衡，A、B、C三相電流分別為2I、0.5I、0.5I，則中性線電流為
此時功率損耗為
與三相平衡狀態(tài)相比，功率損耗增加1.25倍。
1.2 實用化分析模型
用電采集系統(tǒng)具有同時采集并回傳配電變壓器低壓側(cè)三相電壓、電流、有功功率及功率因數(shù)等電氣信息的能力，設(shè)在時刻i配變低壓側(cè)出口測得的A相電流為IAi，采集周期為T，則三相不平衡狀態(tài)下功率損耗為
式中，P0i為中性線功率損耗。
不平衡電流為
式中，R0為中性線電阻，一般取R0=2R[11]。
三相平衡時功率損耗為
式中，Iavi為三相電流平均值。
故在n個采樣周期T內(nèi)由于三相不平衡造成的額外有功損耗為
2 負(fù)荷改接計算模型
若某三相不平衡配變臺區(qū)低壓側(cè)主干線為三相，則應(yīng)優(yōu)先考慮進(jìn)行負(fù)荷改接。由于三相負(fù)荷在時刻變化，因此負(fù)荷改接不應(yīng)僅考慮某個時刻的三相電流值。根據(jù)用電采集系統(tǒng)每天可定時采集配變低壓側(cè)三相電流的特點，本文將全部電流數(shù)據(jù)采集點均納入負(fù)荷改接分析范疇，假定該臺區(qū)有N組歷史數(shù)據(jù)，則可計算各相電流平均值為
同理
計算值為正則表明該增加相應(yīng)負(fù)荷，為負(fù)則減少相應(yīng)負(fù)荷，各相調(diào)節(jié)系數(shù)可用下式計算
在具體實施過程中，在調(diào)節(jié)系數(shù)為負(fù)的相合理選擇3～5個低壓支路測量三相電流，測量時間點選擇與用采系統(tǒng)測量時間一致，測量時間不少于24h，利用測量數(shù)據(jù)計算調(diào)節(jié)系數(shù)，若某支路或若干支路電流之和與式（14）中β值最接近，則對應(yīng)支路應(yīng)選為改接支路。同理，調(diào)節(jié)系數(shù)為正的相應(yīng)增加相應(yīng)負(fù)荷。
3 實例分析
對用電采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，四川省某縣城區(qū)配變存在長期三相不平衡現(xiàn)象。圖 1為該臺區(qū)低壓側(cè)出口三相電流日變化曲線，系統(tǒng)每15min采集一個數(shù)據(jù)點，全天共計96組點。該配變當(dāng)天最大三相不平衡度達(dá) 82.2%，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)公司15%的三相不平衡標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 某臺區(qū)低壓出口三相電流日變化曲線
該臺區(qū)配變型號為S11-315 10kV/0.4kV，零序電阻 R0=0.124Ω，低壓側(cè)繞組電阻 R=0.0084Ω，低壓線路電阻 0.078Ω。采用式（9）計算此臺區(qū)當(dāng)天由于三相不平衡造成額外功率損耗為 90.5kW·h，電費以0.5元/kW·h計算，該臺區(qū)一年因三相不平衡額外損失的電費為16516元。由于該臺區(qū)A相負(fù)荷長期大于 B、C相負(fù)荷，因此具備三相負(fù)荷改接的條件和需求。
根據(jù)式（10）至式（14），計算得到負(fù)荷改接方案見表1，即應(yīng)將A相負(fù)荷分別調(diào)整至B相和C相。
表1 負(fù)荷改接方案
根據(jù)表1的計算結(jié)果，最佳負(fù)荷改接方案應(yīng)為從A相負(fù)荷中選擇平均電流最接近65A的單相負(fù)荷（可為單個負(fù)荷，也可為多個負(fù)荷），將其改接至C相。用電流采集裝置采集A相5個單相負(fù)荷一天的數(shù)據(jù)，得到結(jié)果見表2。負(fù)荷點1、2、4、5的平均電流之和為62.7，與A相預(yù)期調(diào)整電流最接近，將這4個負(fù)荷接至C相后，得到配變低壓側(cè)出口電流日負(fù)荷曲線如圖2所示。
表2 A相負(fù)荷測量點平均電流
圖2 負(fù)荷改接后電流日變化曲線
表3對負(fù)荷改接前后三相不平衡情況及損耗情況做了對比，從表中可以看出，改接后，最大不平衡度、平均不平衡度及均出現(xiàn)大幅下降，平均不平衡度降至15%以內(nèi)。
表3 改接前后三相不平衡度及損耗對比
4 結(jié)論
本文提出了一種用于配電變壓器三相不平衡低壓側(cè)負(fù)荷改接的最優(yōu)調(diào)節(jié)算法。該算法在用電采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，算法同時加入了經(jīng)濟(jì)效益分析計算功能，可輕易實現(xiàn)計算機大規(guī)模分析。通過采集平均電流計算負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)的方法，克服了負(fù)荷波動大導(dǎo)致實際負(fù)荷不平衡度測量不準(zhǔn)確的問題。實例分析表明，本方法具有很強的實用性，可在配電網(wǎng)中大規(guī)模推廣。
[1] 葉偉杰. 江西電網(wǎng)配電變壓器三相不平衡綜合治理措施研究[D]. 南昌: 南昌大學(xué), 2013.
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[3] 倪峰, 余健明, 潘忠美. 基于瞬時三相不平衡度的低壓電網(wǎng)線損理論計算[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報,2008, 24(3): 349-354.
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Analysis on the Regulation Strategy of Three Phase Unbalanced Distribution Transformers
Liu Xiaojiang Liao Wenlong Yao Xiao Gong Yiyu
(State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072)
The problem of three-phase unbalance exists in the distribution network, which increases the distribution line loss and decreases operational economy directly. This paper aims the goal of the implementation of three-phase load optimal adjustment, makes full use of the electricity distribution network data acquisition system resources, establishes an practical analysis model of three-phase unbalance, analyses the characteristics of distribution transformer of the low-voltage-side three-phase current deeply, and makes the optimal adjustment scheme, finally determines the three-phase optimum current adjustment coefficient, minimizes the loss caused by the additional unbalance. This method overcomes the shortcomings of previous empirical method for three-phase unbalance regulation which is uncontrollable, and provides a method of solving three-phase unbalance problem for the basic maintenance personnel. This method can make large-scale computer automatic analysis come trueThe final example shows that this method have good practicability.
three phase unbalance；power acquisition system；optimal modification；computer analysis
劉小江（1986-），男，四川達(dá)州人，工程師，碩士，主要研究方向為配網(wǎng)自動化、過電壓與接地技術(shù)。
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（國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都 610072）
三相不平衡問題普遍存在于配電網(wǎng)中，直接增加配網(wǎng)線路損耗，降低經(jīng)濟(jì)運行水平。本文以實現(xiàn)三相負(fù)荷最優(yōu)調(diào)整為目標(biāo)，充分利用了配網(wǎng)用電采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源，建立了三相不平衡實用化分析模型，深度分析配變低壓側(cè)三相電流特征。綜合得出三相不平衡調(diào)整的最優(yōu)方案，確定三相電流最佳調(diào)節(jié)系數(shù)，最大限度減少三相不平衡引起的額外損耗。本方法克服了以往經(jīng)驗法進(jìn)行三相不平衡調(diào)節(jié)效果不可控的缺點，解決了基層運維人員在進(jìn)行三相負(fù)荷調(diào)整時無據(jù)可依問題，可實現(xiàn)計算機大規(guī)模自動分析，臺區(qū)實例分析表明本方法具有較強的實用性。
三相不平衡；用電采集系統(tǒng)；最優(yōu)改接；計算機分析
隨著配電網(wǎng)在電網(wǎng)公司中的重要性不斷提高，此前一直未得到足夠重視的配變?nèi)嗖黄胶獾葐栴}被重新提起。造成配網(wǎng)三相不平衡的原因主要有：低壓接線隨意性大、單相用戶容量增長不可控、低壓單相負(fù)載運行隨機性高、負(fù)荷季節(jié)性變化等[1]。由此帶來的危害主要有：增加變壓器損耗[2-4]、降低變壓器利用率、影響變壓器壽命及供電質(zhì)量等[5-6]。
目前，國內(nèi)外針對三相不平衡問題的研究較少，主要集中在不平衡新型補償裝置方面[7-10]，而采用這類裝置往往需要較高的資金投入，且設(shè)備可靠性不佳，運維難度大，因此補償裝置適用范圍很小。對多數(shù)三相不平衡問題，負(fù)荷改接是最佳手段，但以往由于缺少針對配變低壓側(cè)數(shù)據(jù)的采集及分析，三相不平衡負(fù)荷改接往往僅憑運維人員經(jīng)驗進(jìn)行，調(diào)節(jié)效果不可控，難以實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)節(jié)。
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1 配變損耗模型
1.1 三相不平衡對網(wǎng)損的影響
在三相平衡狀態(tài)下，三相電流向量和為零，即
三相負(fù)荷平衡時，三相電流幅值滿足 IA= IB=IC= I，則三相平衡時線路功率損耗為
式中，R為相線電阻。
三相不平衡時，三相負(fù)荷電流不相等，不平衡電流在中性線上流過，引起額外損耗，導(dǎo)致配變總損耗增加。
若三相不平衡，A、B、C三相電流分別為2I、0.5I、0.5I，則中性線電流為
此時功率損耗為
與三相平衡狀態(tài)相比，功率損耗增加1.25倍。
1.2 實用化分析模型
用電采集系統(tǒng)具有同時采集并回傳配電變壓器低壓側(cè)三相電壓、電流、有功功率及功率因數(shù)等電氣信息的能力，設(shè)在時刻i配變低壓側(cè)出口測得的A相電流為IAi，采集周期為T，則三相不平衡狀態(tài)下功率損耗為
式中，P0i為中性線功率損耗。
不平衡電流為
式中，R0為中性線電阻，一般取R0=2R[11]。
三相平衡時功率損耗為
式中，Iavi為三相電流平均值。
故在n個采樣周期T內(nèi)由于三相不平衡造成的額外有功損耗為
2 負(fù)荷改接計算模型
若某三相不平衡配變臺區(qū)低壓側(cè)主干線為三相，則應(yīng)優(yōu)先考慮進(jìn)行負(fù)荷改接。由于三相負(fù)荷在時刻變化，因此負(fù)荷改接不應(yīng)僅考慮某個時刻的三相電流值。根據(jù)用電采集系統(tǒng)每天可定時采集配變低壓側(cè)三相電流的特點，本文將全部電流數(shù)據(jù)采集點均納入負(fù)荷改接分析范疇，假定該臺區(qū)有N組歷史數(shù)據(jù)，則可計算各相電流平均值為
同理
計算值為正則表明該增加相應(yīng)負(fù)荷，為負(fù)則減少相應(yīng)負(fù)荷，各相調(diào)節(jié)系數(shù)可用下式計算
在具體實施過程中，在調(diào)節(jié)系數(shù)為負(fù)的相合理選擇3～5個低壓支路測量三相電流，測量時間點選擇與用采系統(tǒng)測量時間一致，測量時間不少于24h，利用測量數(shù)據(jù)計算調(diào)節(jié)系數(shù)，若某支路或若干支路電流之和與式（14）中β值最接近，則對應(yīng)支路應(yīng)選為改接支路。同理，調(diào)節(jié)系數(shù)為正的相應(yīng)增加相應(yīng)負(fù)荷。
3 實例分析
對用電采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，四川省某縣城區(qū)配變存在長期三相不平衡現(xiàn)象。圖 1為該臺區(qū)低壓側(cè)出口三相電流日變化曲線，系統(tǒng)每15min采集一個數(shù)據(jù)點，全天共計96組點。該配變當(dāng)天最大三相不平衡度達(dá) 82.2%，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)公司15%的三相不平衡標(biāo)準(zhǔn)。
圖1 某臺區(qū)低壓出口三相電流日變化曲線
該臺區(qū)配變型號為S11-315 10kV/0.4kV，零序電阻 R0=0.124Ω，低壓側(cè)繞組電阻 R=0.0084Ω，低壓線路電阻 0.078Ω。采用式（9）計算此臺區(qū)當(dāng)天由于三相不平衡造成額外功率損耗為 90.5kW·h，電費以0.5元/kW·h計算，該臺區(qū)一年因三相不平衡額外損失的電費為16516元。由于該臺區(qū)A相負(fù)荷長期大于 B、C相負(fù)荷，因此具備三相負(fù)荷改接的條件和需求。
根據(jù)式（10）至式（14），計算得到負(fù)荷改接方案見表1，即應(yīng)將A相負(fù)荷分別調(diào)整至B相和C相。
表1 負(fù)荷改接方案
根據(jù)表1的計算結(jié)果，最佳負(fù)荷改接方案應(yīng)為從A相負(fù)荷中選擇平均電流最接近65A的單相負(fù)荷（可為單個負(fù)荷，也可為多個負(fù)荷），將其改接至C相。用電流采集裝置采集A相5個單相負(fù)荷一天的數(shù)據(jù)，得到結(jié)果見表2。負(fù)荷點1、2、4、5的平均電流之和為62.7，與A相預(yù)期調(diào)整電流最接近，將這4個負(fù)荷接至C相后，得到配變低壓側(cè)出口電流日負(fù)荷曲線如圖2所示。
表2 A相負(fù)荷測量點平均電流
圖2 負(fù)荷改接后電流日變化曲線
表3對負(fù)荷改接前后三相不平衡情況及損耗情況做了對比，從表中可以看出，改接后，最大不平衡度、平均不平衡度及均出現(xiàn)大幅下降，平均不平衡度降至15%以內(nèi)。
表3 改接前后三相不平衡度及損耗對比
4 結(jié)論
本文提出了一種用于配電變壓器三相不平衡低壓側(cè)負(fù)荷改接的最優(yōu)調(diào)節(jié)算法。該算法在用電采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，算法同時加入了經(jīng)濟(jì)效益分析計算功能，可輕易實現(xiàn)計算機大規(guī)模分析。通過采集平均電流計算負(fù)荷調(diào)節(jié)系數(shù)的方法，克服了負(fù)荷波動大導(dǎo)致實際負(fù)荷不平衡度測量不準(zhǔn)確的問題。實例分析表明，本方法具有很強的實用性，可在配電網(wǎng)中大規(guī)模推廣。
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Analysis on the Regulation Strategy of Three Phase Unbalanced Distribution Transformers
Liu Xiaojiang Liao Wenlong Yao Xiao Gong Yiyu
(State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072)
The problem of three-phase unbalance exists in the distribution network, which increases the distribution line loss and decreases operational economy directly. This paper aims the goal of the implementation of three-phase load optimal adjustment, makes full use of the electricity distribution network data acquisition system resources, establishes an practical analysis model of three-phase unbalance, analyses the characteristics of distribution transformer of the low-voltage-side three-phase current deeply, and makes the optimal adjustment scheme, finally determines the three-phase optimum current adjustment coefficient, minimizes the loss caused by the additional unbalance. This method overcomes the shortcomings of previous empirical method for three-phase unbalance regulation which is uncontrollable, and provides a method of solving three-phase unbalance problem for the basic maintenance personnel. This method can make large-scale computer automatic analysis come trueThe final example shows that this method have good practicability.
three phase unbalance；power acquisition system；optimal modification；computer analysis
劉小江（1986-），男，四川達(dá)州人，工程師，碩士，主要研究方向為配網(wǎng)自動化、過電壓與接地技術(shù)。
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