基于智能選相技術(shù)的配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡控制裝置

張奕濤

摘 要：配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡是配電網(wǎng)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行有效的控制具有十分重要的意義。本文對(duì)智能選相技術(shù)展開(kāi)了詳細(xì)的介紹，并提出了一種基于智能選相技術(shù)的配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡控制裝置，以期能為有關(guān)需要提供參考。

關(guān)鍵詞：智能選相技術(shù)；配電網(wǎng)；負(fù)荷不平衡

引言

1.智能選相技術(shù)

配電網(wǎng)負(fù)荷平衡智能控制系統(tǒng)主要由智能配電變壓器控制終端和多個(gè)智能選相開(kāi)關(guān)組成，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算臺(tái)區(qū)三相不平衡度，判斷當(dāng)前臺(tái)區(qū)負(fù)荷的接入使用情況，及時(shí)調(diào)整負(fù)荷的接入相別，從而保證了三相負(fù)荷間的平衡性。

1.1智能配電變壓器控制終端

智能配電變壓器控制終端采用電壓互感器、電流互感器CT、模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D、數(shù)字信號(hào)處理DSP、控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN等模塊組成，安裝于臺(tái)區(qū)變壓器和電纜分接箱，主要用于配電變壓器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、負(fù)荷調(diào)整策略選擇、智能選相開(kāi)關(guān)控制、參數(shù)查詢(xún)及設(shè)置。其工作過(guò)程為：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電變壓器出線和各電纜分接箱的電流、電壓以及開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)分析判斷后，根據(jù)負(fù)荷調(diào)整策略下達(dá)各出線選相開(kāi)關(guān)的控制命令。智能配電變壓器控制終端的調(diào)整計(jì)算模型綜合考慮了臺(tái)區(qū)的負(fù)載率情況，其參數(shù)設(shè)置包括不平衡度閥值、調(diào)整時(shí)間等，如設(shè)置臺(tái)區(qū)三相不平衡度小于10%，每小時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整一次。參數(shù)設(shè)置可以在系統(tǒng)后臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。智能配電變壓器控制終端數(shù)字信號(hào)處理原理如圖1所示。

1.2智能選相開(kāi)關(guān)

智能選相開(kāi)關(guān)是負(fù)荷切換控制的核心組件，由控制模塊（SCU）、接觸器（J1、J3、J5）、繼電器（J2、J4、J6）、二極管（D1、D2、D3）等器件組成，安裝在電纜分接箱內(nèi)，主要作用是檢測(cè)當(dāng)前負(fù)荷所在的相別、電流值并上傳到智能配電變壓器控制終端，接收智能配變控制終端下發(fā)的調(diào)整命令并執(zhí)行選相操作。智能選相開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

智能選相開(kāi)關(guān)在相間負(fù)荷切換時(shí)需要選擇合適的切換時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間點(diǎn)的選擇由智能配電變壓器控制終端確定，L1相負(fù)荷切換到L2相的時(shí)間區(qū)域如圖3所示。

結(jié)合圖2、圖3，L1相負(fù)荷切換到L2相過(guò)程如下。L1相負(fù)荷斷開(kāi)過(guò)程：

L1相電壓在正半周過(guò)零點(diǎn)P前，智能配電變壓器控制終端發(fā)出控制信號(hào)，控制接觸器J1斷開(kāi)，此時(shí)二極管D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，J1兩端的電壓控制在0.7V，確保其無(wú)弧斷開(kāi)。電壓過(guò)零點(diǎn)后D1關(guān)斷，智能配電變壓器控制終端控制繼電器J2斷開(kāi)，確保L1相負(fù)荷徹底從L1相斷開(kāi)。

負(fù)荷接入L2相過(guò)程：L1相負(fù)荷斷開(kāi)瞬間，L2相電壓正處于負(fù)半周，智能配電變壓器控制終端發(fā)出控制信號(hào)，控制繼電器J4接通。在L2相電壓過(guò)零點(diǎn)Q后，二極管D2導(dǎo)通，接觸器J3兩端電壓控制在0.7V。此時(shí)智能配電變壓器控制終端控制接觸器J3接通，由于D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此J3接通時(shí)不會(huì)發(fā)生電弧。從L1相電壓正半周過(guò)零點(diǎn)P到L2相電壓從負(fù)半周過(guò)零Q的時(shí)間約為3.3ms，智能選相開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)在5ms內(nèi)完成L1相負(fù)荷切換到L2相，由于二極管的單向?qū)щ娦砸约扒袚Q時(shí)間點(diǎn)的選擇控制，保證了相間負(fù)荷在切換期間不發(fā)生短路現(xiàn)象。

1.3負(fù)荷不平衡調(diào)整策略

負(fù)荷不平衡控制策略的約束條件包括不平衡度閥值、臺(tái)區(qū)負(fù)載率閥值、調(diào)整時(shí)間窗和基于最少動(dòng)作的優(yōu)化控制算法。負(fù)荷不平衡度閥值、臺(tái)區(qū)負(fù)載率閥值是啟動(dòng)負(fù)荷不平衡度控制策略的前提條件。如設(shè)置臺(tái)區(qū)負(fù)荷不平衡度為10%、臺(tái)區(qū)負(fù)載率為15%。智能控制終端只有監(jiān)測(cè)計(jì)算到臺(tái)區(qū)負(fù)荷不平衡度值大于10%、臺(tái)區(qū)負(fù)載率大于15%才啟動(dòng)調(diào)整操作。

根據(jù)用戶(hù)的用電特性以及臺(tái)區(qū)負(fù)荷曲線，本文對(duì)負(fù)荷不平衡性質(zhì)按照發(fā)生的時(shí)間特性進(jìn)行了分類(lèi)，調(diào)整時(shí)間窗是指按照不平衡發(fā)生的時(shí)間特性確定調(diào)整時(shí)間間隔?；诓黄胶忸?lèi)型的時(shí)間窗設(shè)置規(guī)則如表1所示。

按照設(shè)置的約束條件，系統(tǒng)進(jìn)行不平衡度優(yōu)化控制算法如下。

采用列舉法。列舉出臺(tái)區(qū)內(nèi)各選相開(kāi)關(guān)的所有組合，分別計(jì)算臺(tái)區(qū)不平衡度，在滿(mǎn)足臺(tái)區(qū)不平衡度閥值的條件下，按照臺(tái)區(qū)內(nèi)開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少原則發(fā)出調(diào)整控制信號(hào)進(jìn)行選相調(diào)整。

最小差值法。假設(shè)配變出口處的電流有效值為IL1、IL2和IL3，各相電流與相應(yīng)相電壓的相位差為0。監(jiān)測(cè)計(jì)算電流有效值的平均值IV。

IV=（IL1+IL2+IL3）/3

計(jì)算各相電流與IV的差：將{ΔIL1、ΔIL2、ΔIL3}從大到小排序，記為{ΔImax、ΔImid、ΔImin}，確定從ΔImax相減負(fù)荷，加到ΔImin相。設(shè)ΔImax相有k個(gè)可調(diào)整的負(fù)荷，每個(gè)負(fù)荷電流代入下式得到k個(gè)值Qi

Qi=∣ΔImax-Ii∣+∣ΔImin+Ii∣

其中，i=1，2，…k。k個(gè)負(fù)荷中，使得Qi最小的那個(gè)負(fù)荷即為調(diào)整負(fù)荷。如果Qi≥∣ΔImax+ΔImin∣，則不調(diào)整最小的那個(gè)負(fù)荷。這時(shí)采用枚舉方法，把三相中最大電流相中的最大負(fù)荷與三相中最小電流相中的最小負(fù)荷進(jìn)行交換。

2.智能選相開(kāi)關(guān)型式試驗(yàn)

智能選相開(kāi)關(guān)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為：額定電壓220V±15%（相電壓）；額定電流：150A；負(fù)荷切換失電時(shí)間小于5ms；額定短時(shí)耐受電流：2kA，10ms。

本裝置于2016年3月在國(guó)家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)。檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：承載額定短時(shí)耐受電流能力、負(fù)荷轉(zhuǎn)換試驗(yàn)、恒定濕熱、電氣間隙與爬電距離、介電性能、溫升、靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、通信性能、低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、外觀檢查共計(jì)13項(xiàng)。檢驗(yàn)依據(jù)為：GB14048.1—2012《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：總則》、《負(fù)荷轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)技術(shù)條件》。

裝置的檢驗(yàn)結(jié)果顯示，所檢驗(yàn)的13個(gè)項(xiàng)目全部合格，其中負(fù)荷選相、切換時(shí)間為3.4ms，三相承載額定短時(shí)耐受電流能力分別為：L1相2.01kA10.3ms，L2相2.03kA10.2ms，L3相2.03kA10.3ms，能夠保障負(fù)荷的可靠連續(xù)供電。

3.負(fù)荷不平衡控制裝置應(yīng)用

負(fù)荷不平衡控制裝置于2016年7月應(yīng)用于某三相負(fù)荷不平衡比較嚴(yán)重的小區(qū)。該臺(tái)區(qū)由1路10kV供電，配電變壓器為630kvar，低壓用戶(hù)數(shù)量為372個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)選擇5臺(tái)電纜分接箱安裝了智能選相開(kāi)關(guān)。裝置運(yùn)行以來(lái)，臺(tái)區(qū)的三相不平衡度取得了良好的智能調(diào)節(jié)效果。

投運(yùn)前后臺(tái)區(qū)代表日運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。裝置運(yùn)行1年來(lái)取得的效果有以下幾方面。

（1）運(yùn)行期間該臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡度一直小于10%，線損平均降低2.4%，年度節(jié)約用電4.56萬(wàn)kW·h，節(jié)能降耗效果明顯。

（2）實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)三相不平衡電流的智能調(diào)整，降低了變壓器因過(guò)負(fù)荷燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，提高了配電網(wǎng)設(shè)備智能化運(yùn)行維護(hù)水平，避免了以前人為操作可能造成的漏調(diào)或未調(diào)的情況，減輕了一線員工的工作負(fù)擔(dān)。

（3）通過(guò)對(duì)裝置調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的匯總分析，可以分類(lèi)總結(jié)用戶(hù)的用電特性，便于科學(xué)安排以后的大修和技改工作，提高了管理部門(mén)的分析決策能力。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能選相技術(shù)具有無(wú)沖擊、低功耗、高壽命等優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡控制中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。本文介紹了一種基于智能選相技術(shù)的配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡控制裝置，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，該裝置能夠有效解決配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡問(wèn)題，對(duì)提高配電網(wǎng)的安全性和運(yùn)行效益起到重要的作用。

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