基于自決策換相技術(shù)的臺(tái)區(qū)三相不平衡綜合治理

傅 穎，楊成鋼，趙建文，金華芳，王曜飛，呂春美

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

我國低壓配電變壓器（以下簡(jiǎn)稱“配變”）臺(tái)區(qū)采用三相四線制供電，供電電壓為380 V/220 V，供電模式為臺(tái)區(qū)三相動(dòng)力負(fù)荷與單相居民負(fù)荷混合接線，這種供電模式使得低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問題長期存在。在低壓配電網(wǎng)中用電客戶以單相居民客戶為主，所以單相負(fù)荷接入的情況在整個(gè)供電系統(tǒng)中占有很大的比例。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(fù)載的接入及單相負(fù)載用電的不同時(shí)性等客觀原因，在配電網(wǎng)中極易造成配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)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(jì)運(yùn)行帶來較大的負(fù)面影響，因此需要通過采取管理和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相不平衡情況的自動(dòng)調(diào)節(jié)，降低三相不平衡度，減少電壓降落，改善供電電壓質(zhì)量，降低線損[1-3]。

本文基于智能換相開關(guān)治理三相不平衡的方法，研究適用于配變臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷自平衡控制決策，提出了分布控制型三相負(fù)荷不平衡調(diào)節(jié)方法，作為集中控制策略的補(bǔ)充和完善，可以解決配電線路部分支線上的換相開關(guān)因通信故障或信息缺失而無法動(dòng)作的問題，提高了換相開關(guān)動(dòng)作的有效性，為提高配變臺(tái)區(qū)供電可靠性和安全性提供理論支撐。

1 三相不平衡的治理措施

低壓線路三相負(fù)荷不平衡具有極其明顯的特點(diǎn)：具有可見性和可測(cè)算性；引起的線損超常大和造成嚴(yán)重危害；具有存在的頑固性、長期性及沿線分布較廣性。為了降低配電臺(tái)區(qū)電能損耗，提升配電網(wǎng)電能質(zhì)量，必須采取有效調(diào)整措施，治理或消除低壓三相負(fù)荷不平衡。除了提升規(guī)劃和管理水平外，常規(guī)的處理措施主要有以下幾種[4-5]。

（1）人工調(diào)整，均分負(fù)荷。結(jié)合歷史記錄并根據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過手動(dòng)調(diào)整接線的方式盡量均分負(fù)荷，加強(qiáng)三相負(fù)荷分布控制。該方式的缺點(diǎn)是：手動(dòng)調(diào)整效率低下，不便捷，且操作具有一定的危險(xiǎn)性；需要停電操作，影響供電可靠性；無法根據(jù)負(fù)荷變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（2）利用無功補(bǔ)償裝置治理三相不平衡。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，三相不平衡和無功功率經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)，因此可在傳統(tǒng)電力電子型SVC（靜止無功補(bǔ)償器）或SVG（靜止無功發(fā)生器）無功補(bǔ)償功能的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)控制算法使其同時(shí)具備無功補(bǔ)償和抑制三相不平衡的功能。但沿線路的三相負(fù)荷不平衡問題并沒有得到根本解決，線路損耗和終端負(fù)荷的電壓質(zhì)量問題，甚至是低電壓?jiǎn)栴}依然存在。

（3）自動(dòng)切換裝置調(diào)整三相不平衡。智能換相開關(guān)是調(diào)整供電電源相位的開關(guān)設(shè)備，三相輸入，單相輸出，導(dǎo)通情況下任何時(shí)刻只能有一相導(dǎo)通，其余兩相處于分?jǐn)酄顟B(tài)，可通過監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制或本地控制實(shí)現(xiàn)供電電源相位的調(diào)整。

因此，本文針對(duì)配變臺(tái)區(qū)供電特點(diǎn)，研究三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)平的換相模型，構(gòu)建適用于配變臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷自平衡控制決策，包括集中控制型和分布控制型2 種策略。集中控制型由幾種控制開關(guān)或配變終端進(jìn)行分析決策，下發(fā)命令至各支路上的換相開關(guān)完成換相過程；分布控制型是針對(duì)通信缺失情況下的分支線路，由單臺(tái)換相開關(guān)完成三相負(fù)荷分布式自動(dòng)調(diào)平控制，將2 種控制策略相結(jié)合實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)平。

2 三相負(fù)荷不平衡調(diào)節(jié)原理

2.1 集中控制型三相不平衡調(diào)節(jié)

低壓配電網(wǎng)的三相不平衡主要是指三相負(fù)荷不平衡的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致的三相電壓或三相電流不平衡，且三相不平衡對(duì)低壓配網(wǎng)以及配用電設(shè)備的正常工作造成了許多不良影響[6]。若想降低低壓配網(wǎng)的三相不平衡度，保證負(fù)荷的正常供電，則需根據(jù)配電母線各相的電流及各支路負(fù)荷電流的大小，在不影響單相負(fù)荷正常用電的同時(shí)，對(duì)單相負(fù)荷進(jìn)行合理、平穩(wěn)、無沖擊的換相操作，更改其所連接的相序，將單相負(fù)荷支路在三相間盡可能地平均分配，才能最大程度地降低低壓配網(wǎng)的三相不平衡度[7]?；谧詣?dòng)換相調(diào)節(jié)的配變臺(tái)區(qū)三相不平衡治理結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理結(jié)構(gòu)框圖

假設(shè)配電變壓器低壓側(cè)三相電流分別為Ia，Ib，Ic，則平均電流Iav為：

所以用以衡量三相負(fù)荷電流不平衡程度的電流不平衡度γφ一般定義如下：

式中：φ∈{A，B，C}；Imaxφ為最大相電流值。

Q/GDW 519—2010《配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定：變壓器的三相負(fù)荷應(yīng)力求平衡，其不平衡度不應(yīng)大于20%，否則需要調(diào)整負(fù)荷[8]。

配變低壓側(cè)的三相電流與平均電流的差值為：

理想情況下應(yīng)滿足ΔIa=0，ΔIb=0，ΔIc=0，要使三相電流的不平衡度最小，則使三相電流差值中的最大值為最小即可。相間最大電流差值如式（4）所示：

考慮到換相開關(guān)的使用壽命等因素，換相開關(guān)動(dòng)作次數(shù)應(yīng)盡可能少，其動(dòng)作次數(shù)可表示為：

式中：n 為換相開關(guān)的個(gè)數(shù)；yi為當(dāng)前換相開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，初始值為0，若進(jìn)行了換相切換操作，yi的值將累加1 次。由此可建立三相平衡控制策略的目標(biāo)函數(shù)：

求目標(biāo)函數(shù)J 的最小值，即在滿足三相不平衡度最小的同時(shí)保證換相開關(guān)的換相次數(shù)Y 最小[9-10]。

2.2 分布控制型三相不平衡調(diào)節(jié)

在配電線路較長或配電網(wǎng)較復(fù)雜等有可能出現(xiàn)通信條件不佳或通信缺失的低壓配網(wǎng)中使用三相負(fù)荷自平衡調(diào)節(jié)時(shí)，依賴通信的集中決策方法出現(xiàn)盲區(qū)，因此可以通過計(jì)算電壓偏差是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從而對(duì)該節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷進(jìn)行切換。

根據(jù)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》，220 V 單相供電電壓偏差的限值為標(biāo)稱電壓的-10%～7%。電壓偏差的計(jì)算公式為：

假設(shè)臺(tái)區(qū)低壓側(cè)三相電壓平衡（電源對(duì)稱），某一支路出現(xiàn)通信缺失的情況，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系及設(shè)備參數(shù)，可知每一相線路阻抗Zli，若用戶1的負(fù)荷電流為IL1，換相開關(guān)1 原始狀態(tài)不在A 相，隨后換相到A 相，且換相前后A 相電壓分別為UA1和則換相開關(guān)1 換相前后的電壓變化為：

則有，前第i 個(gè)換相開關(guān)換相前后的電壓變化為：

若換相前第i 個(gè)用戶側(cè)三相電壓中最大相電壓為Umaxi，電壓最小的相為Umini，換相后的最大相電壓為：

最后計(jì)算調(diào)整后的三相電壓的偏差，檢查本次換相是否達(dá)到預(yù)期。

3 三相負(fù)荷不平衡控制策略

三相不平衡治理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通常在臺(tái)區(qū)低壓側(cè)首段安裝一個(gè)總開關(guān)作為主控單元，在支路用戶側(cè)安裝若干個(gè)換相開關(guān)，由總開關(guān)對(duì)三相不平衡情況進(jìn)行分析并給出換相決策，由分支路開關(guān)執(zhí)行遙控命令；或者利用智能配變終端作為主控單元，對(duì)三相不平衡情況進(jìn)行分析并給出遙控命令，通過支路安裝的多個(gè)換相開關(guān)來完成三相負(fù)荷的調(diào)平[11-12]。

主控單元無需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相負(fù)荷狀態(tài)及對(duì)其操作，以定時(shí)監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行周期統(tǒng)計(jì)，定時(shí)時(shí)間Δt 最小為15 min 或其整數(shù)倍，可以按照實(shí)際需求及負(fù)荷波動(dòng)情況靈活配置。觸發(fā)條件如下：

（1）不平衡度超過限值γ。

（2）不平衡持續(xù)時(shí)長超過限值Δt。

同時(shí)滿足以上2 個(gè)條件，進(jìn)入換相策略環(huán)節(jié)。其中限值γ 和Δt 為可調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。

集中控制型三相不平衡調(diào)節(jié)邏輯框圖如圖2所示。其中，獲取換相開關(guān)信息成功的進(jìn)入集中控制邏輯。首先，主控單元每30 min 對(duì)三相電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算一次平均值，將24 h 內(nèi)的電流平均值進(jìn)行比較，記錄其中最小電流平均值出現(xiàn)的時(shí)刻，由于負(fù)載電流最小時(shí)進(jìn)行換相對(duì)電網(wǎng)影響最小，即每個(gè)時(shí)段的最小電流時(shí)刻將作為第二天換相開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻。同時(shí)，考慮臺(tái)區(qū)每天負(fù)荷曲線變化不大，將統(tǒng)計(jì)的上一個(gè)小時(shí)內(nèi)的平均電流作為下一個(gè)小時(shí)的負(fù)荷電流預(yù)估，與前一天相同時(shí)間段內(nèi)的平均電流進(jìn)行比較，得出當(dāng)天換相開關(guān)的動(dòng)作時(shí)刻及動(dòng)作優(yōu)先排序[13]。

圖2 集中控制邏輯框圖

其次，從換相開關(guān)處獲取其動(dòng)作次數(shù)值Y 并記錄，結(jié)合上述換相開關(guān)的動(dòng)作排序，將動(dòng)作次數(shù)少的開關(guān)優(yōu)先排序，使得重新組合后的三相負(fù)荷不平衡度最小，同時(shí)，減少換相開關(guān)動(dòng)作次數(shù)[14-15]。這樣可以保證臺(tái)區(qū)中換相開關(guān)以最少動(dòng)作次數(shù)，達(dá)到三相平衡的目的，減少對(duì)用戶的影響。

獲取換相開關(guān)信息時(shí)，若出現(xiàn)若干換相開關(guān)信息缺失，表示該段線路通信故障或中斷，周期內(nèi)未接收到遙控命令的換相開關(guān)記為通信中斷，并進(jìn)入分布控制模式，由換相開關(guān)自行計(jì)算本段分支的電壓偏差，從而作出換相決策。分布控制調(diào)節(jié)邏輯框圖如圖3 所示。

圖3 分布控制邏輯框圖

獲取第i 個(gè)換相開關(guān)所在的相位及該節(jié)點(diǎn)的三相電壓，計(jì)算三相電壓偏差是否達(dá)到觸發(fā)條件；若達(dá)到換相條件，將負(fù)荷從電壓低的一相調(diào)至電壓高的一相，換相操作為：換相開關(guān)相位在電壓最小相時(shí)，將負(fù)荷換相至電壓最大相；相位在電壓最大相或中間相，不進(jìn)行換相。

4 三相負(fù)荷自平衡決策仿真分析

4.1 仿真模型

依據(jù)上述三相負(fù)荷自平衡決策原理，結(jié)合浙江省麗水地區(qū)某配變臺(tái)區(qū)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、用戶負(fù)荷分布、用電量情況，構(gòu)建了一個(gè)含10 個(gè)用戶負(fù)荷的配變臺(tái)區(qū)仿真模型（分支線1 包括1—5號(hào)用戶，分支線2 包括6—10 號(hào)用戶），對(duì)臺(tái)區(qū)使用換相開關(guān)調(diào)節(jié)前后的線損情況、用戶電壓變化情況進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證三相負(fù)荷自平衡決策在治理低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡問題的可行性。選取配變低壓側(cè)一個(gè)月的電流、電壓、功率因數(shù)、用戶當(dāng)日用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照?qǐng)D1 的臺(tái)區(qū)配電結(jié)構(gòu)，運(yùn)用MATLAB/Simulink 建立臺(tái)區(qū)仿真模型，首端采用無窮大電源模擬配變（容量為630 kVA），假設(shè)臺(tái)區(qū)首段低壓側(cè)電壓保持不變，模型中的負(fù)載均采用恒功率模型，即保證切換前后用戶的功率保持不變。

搭建的臺(tái)區(qū)模型中，10 個(gè)單相用戶的負(fù)荷大小及所在相位如表1 所示。

表1 負(fù)荷電流數(shù)據(jù)及初始相位

4.2 仿真分析

切換之前，臺(tái)區(qū)的配變低壓側(cè)出口處A，B，C 三相電流分別為346.8 A，984.3 A，809.6 A（均為有效值），三相不平衡度為51.4%。

根據(jù)前述三相負(fù)荷自平衡控制策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以一組算例進(jìn)行說明。通過對(duì)三相負(fù)荷分布的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，A 相負(fù)荷最小，需將B 相、C 相的負(fù)荷切換部分至A 相，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的換相策略，調(diào)整方式為：用戶7 由B 相切換至A相，用戶1 由C 相切換至A 相。換相前后三相電流變化曲線及控制換相開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)時(shí)序如圖4 所示。在0.08 s 時(shí)第一個(gè)換相動(dòng)作信號(hào)發(fā)送，換相過后A，B，C 三相電流分別628 A，702.7 A，809.6 A；在0.16 s 時(shí)第二個(gè)換相動(dòng)作信號(hào)發(fā)送，換相過后A，B，C 三相電流分別764.9 A，703.1 A，672.7 A（均為有效值），三相不平衡度為7.2%。

假設(shè)用戶7 處的換相開關(guān)由于通信故障無法接收換相指令，在0.08 s 時(shí)未收到換相信號(hào)，之后0.02 s 內(nèi)啟動(dòng)分布控制策略，從離配變最遠(yuǎn)處的用戶開始計(jì)算，用戶6 由C 相換相至A 相，用戶5 由B 相換至C 相，最終完成了本次換相序列。換相前后三相電流變化曲線及控制換相開關(guān)的動(dòng)作信號(hào)時(shí)序如圖5 所示。成功切換后，配變低壓側(cè)A，B，C 三相電流分別為620.7 A，786.1 A，751.9 A（均為有效值），三相不平衡度為10.16%，達(dá)到三相不平衡標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 換相前后三相電流波形及動(dòng)作信號(hào)時(shí)序（通信正常時(shí)）

圖5 換相前后三相電流波形及動(dòng)作信號(hào)時(shí)序（通信故障時(shí)）

根據(jù)上述仿真分析可以看出，臺(tái)區(qū)支線配有分布控制功能的自決策型換相開關(guān)，對(duì)于提高臺(tái)區(qū)三相不平衡控制效率起到關(guān)鍵性作用。

仿真過程中，三相負(fù)荷換相前后臺(tái)區(qū)用戶的總功率保持不變，均為452.51 kW。換相之前臺(tái)區(qū)變壓器出口處總功率為516.75 kW，線路總損耗為64.24 kW，線損率為12.43%；換相之后臺(tái)區(qū)變壓器出口處總功率為478.38 kW，線路總損耗為25.87 kW，線損率為5.41%；調(diào)整后線臺(tái)區(qū)線損率降低7.02%，日節(jié)約電能約920 kWh，每年可提高供電公司收益約16.79 萬元。因此，換相前后不僅大大降低了三相不平衡度，同時(shí)也降低了線損率，達(dá)到了節(jié)約電能的實(shí)際效果，臺(tái)區(qū)的經(jīng)濟(jì)性技術(shù)指標(biāo)得到了顯著提高。

此外，采用智能自動(dòng)控制調(diào)整三相不平衡，還節(jié)約了人力成本。按照每人每天人工費(fèi)200 元，每車每天車輛費(fèi)用450 元計(jì)算，則年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用約1.74 萬元。可見，三相不平衡的自決策控制策略在保證正常供電的情況下降低了資源的消耗。投資回報(bào)比方面，按批產(chǎn)后7 萬元/套計(jì)算，預(yù)計(jì)0.38 年收回成本。

當(dāng)該臺(tái)區(qū)負(fù)荷處均配置分布控制功能的換相開關(guān)時(shí)，針對(duì)分支線與首端通信全部斷開形成信息孤島的情況，對(duì)分布控制功能的換相開關(guān)的分配和動(dòng)作情況進(jìn)行了進(jìn)一步的仿真試驗(yàn)。設(shè)計(jì)2種換相開關(guān)配置方案，分別對(duì)2 條分支線路和臺(tái)區(qū)首端的三相電流不平衡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（1）僅在三相中負(fù)荷較大的相安裝分布控制型換相開關(guān)。此算例中在B 相和C 相各安裝4 個(gè)分布控制型換相開關(guān)。

按照分布控制型三相不平衡調(diào)節(jié)策略，進(jìn)行一個(gè)周期的換相調(diào)節(jié)，換相開關(guān)依次動(dòng)作過程及三相電流不平衡度的變化如圖6 所示。

圖6 首端及分支線電流不平衡度變化曲線

可以看出，首端、分支線1、分支線2 的三相電流不平衡度隨著換相開關(guān)序列的動(dòng)作而變化，每次動(dòng)作過后三相不平衡度呈整體下降趨勢(shì)，首端不平衡度從51.4%下降至18.32%，最終達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）根據(jù)A，B，C 三相所帶的負(fù)荷比例分配換相開關(guān)。此算例中在A，B，C 相分別安裝2 臺(tái)、4臺(tái)、4 臺(tái)分布控制型換相開關(guān)，即所有負(fù)荷處均安裝。按照分布控制型三相不平衡調(diào)節(jié)策略，進(jìn)行一個(gè)周期的換相調(diào)節(jié)，依次動(dòng)作過程及三相電流不平衡度的變化如圖7 所示。

圖7 首端及分支線電流不平衡度變化曲線

可以看出，當(dāng)臺(tái)區(qū)所有負(fù)荷均具備換相開關(guān)，并且參與動(dòng)作數(shù)量達(dá)到最大后，首端不平衡度從51.4%下降至9.66%，三相不平衡度改善幅度更大。另外，從分支線的三相不平衡度變化曲線可以看出，換相開關(guān)依次動(dòng)作后，分支線的三相不平衡度可能會(huì)小于首端的三相不平衡度。因此，分布控制型換相開關(guān)不僅能改善臺(tái)區(qū)首端的三相不平衡問題，同時(shí)還可以改善分支線的三相不平衡問題，使得分支線和首端同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過多個(gè)仿真分析，驗(yàn)證了分布控制型換相策略的可行性，并且三相負(fù)荷平衡后可以使得臺(tái)區(qū)線損率大大降低，不但解決了三相不平衡問題，同時(shí)大幅改善了線損率這一重要考核指標(biāo)，達(dá)到了臺(tái)區(qū)電壓質(zhì)量治理、降低線損的目的，具有實(shí)用化的價(jià)值。

5 結(jié)語

本文提出了配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自動(dòng)平衡綜合控制策略，基于智能換相開關(guān)的功能，研究配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷自平衡控制決策，構(gòu)建三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)平的多目標(biāo)最優(yōu)換相模型，形成一套適用于低壓配變臺(tái)區(qū)的三相不平衡治理方法。三相負(fù)荷自平衡控制決策采用集中控制和分布控制2 種方法相結(jié)合的方式，可以解決臺(tái)區(qū)因條件不足無法建設(shè)通信環(huán)境或當(dāng)換相開關(guān)出現(xiàn)通信故障時(shí)無法及時(shí)動(dòng)作的問題，實(shí)現(xiàn)了配變臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)平。通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所研究?jī)?nèi)容的可行性及實(shí)用性，不僅有效改善了三相不平衡現(xiàn)象，還降低了臺(tái)區(qū)線損率，節(jié)約運(yùn)行成本，為有效提高配變臺(tái)區(qū)供電安全性和經(jīng)濟(jì)性提供了理論支撐。