基于智能換相策略的三相不平衡治理方法

王杰鋒

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南麗江，674100)

0 引言

配電網(wǎng)負(fù)荷復(fù)雜，特征多樣，伴隨而來的三相不平衡問題愈加突出，為電力系統(tǒng)的安全運行埋下了極大的隱患。同時，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，居民用電量大幅提升，其隨機(jī)性分散性和分布式發(fā)電的分散性使得低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問題更加嚴(yán)重[1]。因此，三相不平衡造成的電能質(zhì)量劣化問題愈加受到國內(nèi)外研究人員的重視，其治理方法也是近年來配網(wǎng)安全穩(wěn)定運行方向的重點。

對于三相不平衡電流，現(xiàn)有的治理方法主要包括：一是自動換相：直接從負(fù)荷側(cè)著手，切換單相負(fù)荷，以降低不平衡電流為目標(biāo)實現(xiàn)三相平衡[2]，但在換相設(shè)備的安裝上較為復(fù)雜，難以應(yīng)用在較大范圍，并極易由于經(jīng)常切換產(chǎn)生操作過電壓，降低配網(wǎng)可靠性；二是加裝電力電容器：利用電容器實現(xiàn)電容補(bǔ)償，有效控制三相不平衡，且設(shè)備安裝較簡便，但補(bǔ)償精確性較差[3,4]；三是安裝電力電子設(shè)備[5,6]：通過消除零序及負(fù)序電流使得變壓器三相平衡，設(shè)備運行精確度高、損耗低。通過綜合考慮用戶側(cè)負(fù)荷的多樣性與隨機(jī)性，三相不平衡程度需要時刻調(diào)節(jié)以保證電網(wǎng)穩(wěn)定性，采用以電力電子設(shè)備為基礎(chǔ)的智能換相方法，通過合適的智能換相策略重新分配各相負(fù)荷，即可完成對三相不平衡的治理，智能、安全、快速[7]。

本文首先分析了三相不平衡治理原理及換相開關(guān)設(shè)備的裝置組成，選擇了遺傳算法與爬山算法局部搜索相結(jié)合的智能換相策略。此后在某變臺區(qū)實現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)用并通過三相負(fù)荷電流曲線圖展示了治理效果，驗證了智能換相裝置實際應(yīng)用的可行性。

1 三相不平衡治理原理

1.1 三相不平衡度定義

基于電網(wǎng)規(guī)范對三相不平衡度的要求，三相電力系統(tǒng)中不平衡現(xiàn)象的測算可以使用三相不平衡度表示，如下式（1）所示。

其中，Aa1為三相電流或電壓正序分量的有效值，Aa2為三相電流或電壓負(fù)序分量的有效值[8]。

在現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合實際情況選擇最合適的計算量，目前配網(wǎng)存在的三相不平衡問題一般是電流情況，因此使用電流作為計算數(shù)據(jù)。

1.2 智能換相開關(guān)

智能換相開關(guān)一般是指由控制與執(zhí)行兩大模塊組成的智能換相系統(tǒng)。兩大模塊以控制終端為主導(dǎo)，相互聯(lián)結(jié)、通訊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的治理功能。

1.2.1 控制終端

控制終端是三相不平衡問題治理的重要模塊，通過系統(tǒng)設(shè)置的閾值實時判斷三相不平衡度的偏移，一旦超出立即向執(zhí)行模塊發(fā)布指令。首先，根據(jù)三相支路數(shù)據(jù)設(shè)定的最優(yōu)換相策略，計算換相方式并發(fā)出指導(dǎo)，達(dá)成三相電流平衡的目標(biāo)。當(dāng)換相完成，用戶端負(fù)荷已完成調(diào)節(jié)，再控制無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。

其中，控制終端包括無線通訊部分，電流、電壓互感器，A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)存儲、處理、算法部分，補(bǔ)償部分等[9]。

1.2.2 智能換相執(zhí)行模塊

智能換相執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及換相指令的執(zhí)行，它與控制模塊的通訊使用無線方式，由執(zhí)行模塊的數(shù)據(jù)采集端收集三相電流、負(fù)荷情況，結(jié)合設(shè)備信息由通訊部分傳達(dá)給控制模塊。經(jīng)由控制模塊算法計算獲得換相指令，執(zhí)行換相動作，調(diào)節(jié)不同相的負(fù)荷量，完成三相不平衡問題的整治。

其中，換相部分使用反并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)[10]，為了構(gòu)建復(fù)合式換相開關(guān)，結(jié)合持續(xù)不間斷工作的磁保持繼電器先構(gòu)造單相開關(guān)，聯(lián)結(jié)三組單相開關(guān)即可達(dá)成換相功能。在三相平衡狀態(tài)，IGBT不工作，一旦發(fā)生三相不平衡度超越閾值的情況，控制模塊發(fā)出指令，立刻控制IGBT啟動完成相間負(fù)載調(diào)整，快速在線換相。其優(yōu)勢在于無沖擊，線損小，對用戶側(cè)的影響極小[11]。

1.3 智能換相策略

通過執(zhí)行模塊的數(shù)據(jù)采集裝置，即電流、電壓互感器等，實時在線收集的三相電流及負(fù)載數(shù)據(jù)，通過控制模塊合理的智能換相策略及算法計算，獲得換相指令是智能換相開關(guān)的技術(shù)核心。為了及時準(zhǔn)確調(diào)整用戶側(cè)波動的負(fù)荷實現(xiàn)不同相間的平衡，一個精準(zhǔn)靈活的智能換相策略極為重要。

本文采用智能算法獲得智能換相的最佳策略，使三相不平衡度最小的同時，換相次數(shù)最小。智能算法能夠計算依據(jù)實際設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)的最佳策略，且根據(jù)不同情況可以選取適合的不同特點算法，已在配電網(wǎng)得到了大量的應(yīng)用。為了達(dá)成智能換相開關(guān)及時、準(zhǔn)確、可靠的要求，在此選取速度快、精度高的智能算法，在應(yīng)用全局搜索獲得最優(yōu)解的遺傳算法時，結(jié)合使用爬山算法[12]。這一局部搜索算法雖然在大范圍內(nèi)存在一定的缺陷，卻可以和以全局為基礎(chǔ)的遺傳算法合理結(jié)合，且計算簡便，有效減少了計算量，為換相策略的實時在線計算打下了基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

為進(jìn)一步驗證智能換相在三相不平衡情況下的應(yīng)用效果，本文基于上文提及到的治理三相不平衡采用的方法，利用智能換相開關(guān)進(jìn)行負(fù)荷換相，降低三相不平衡度，并結(jié)合景區(qū)負(fù)載特性，制定安裝治理方案，完成安裝調(diào)試，在麗江某變臺區(qū)實現(xiàn)智能換相開關(guān)及智能算法獲得的最佳策略的現(xiàn)場應(yīng)用。解決了由于負(fù)荷波動太大，經(jīng)多次現(xiàn)場運維手段治理仍未能得到根本解決的三相不平衡問題。

其中，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備通過全球移動通信系統(tǒng)GSM向數(shù)據(jù)模塊上送電壓、電流，有功、無功、功率因數(shù)等電氣量以及環(huán)境溫度、濕度、無線測溫溫度等環(huán)境參數(shù)，實時在線獲知三相不平衡情況及治理情況。無線方式主要采用移動運營商的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，如：GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/EVDO以及更新的4G LTE網(wǎng)絡(luò)等。其優(yōu)點是成本低廉、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、維護(hù)方便并且擴(kuò)展容易。

3 效果展示

通過智能換相設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用，采集三相負(fù)荷電流數(shù)據(jù)，繪制加裝治理裝置前后曲線圖如下所示。

通過加裝三相不平衡治理裝置后的對比圖可以直觀地發(fā)現(xiàn)：6日加裝三相不平衡治理裝置前，系統(tǒng)由于接入負(fù)載不平衡，數(shù)據(jù)采集電路得到的波形情況如圖1，三相不平衡情況較嚴(yán)重，三相不平衡度大，尤其是在用電高峰期。6日15時加裝該裝置后的波形情況如圖2，波形明顯平穩(wěn)，說明了負(fù)荷的波動不會對用戶側(cè)用電造成影響，應(yīng)用效果顯著，達(dá)到了安裝三相不平衡治理裝置的目的，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 治理前三相負(fù)荷電流曲線圖

圖2 治理后三相負(fù)荷電流曲線圖

4 結(jié)論

本文通過介紹三相不平衡的現(xiàn)狀及治理方法，采用基于遺傳算法與爬山算法局部搜索的智能換相策略，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，獲得了治理前后三相不平衡負(fù)荷電流曲線圖，對比得到了有效的結(jié)果，證明了此智能換相算法的可行性。通過智能開關(guān)設(shè)備對配電臺區(qū)三相不平衡情況的改善，很好的治理了配電網(wǎng)的三相電流不平衡的問題，最終能夠使臺區(qū)的經(jīng)濟(jì)運行水平和供電質(zhì)量得到顯著的改善。