三相不平衡精細(xì)化治理方法探究

高家皓，蘇 程，孫立芳

（1.中電裝備山東電子有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.濰坊市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，山東 濰坊 261000）

在我國的電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中，低壓配電網(wǎng)絡(luò)是電力傳輸?shù)慕K端環(huán)節(jié)，相對于高壓和中壓輸電網(wǎng)絡(luò)，低壓配電網(wǎng)所涉及區(qū)域人口密度更大，服務(wù)范圍更廣，對供電安全以及電能質(zhì)量的要求更高。在低壓配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，單相負(fù)荷分配的不均衡和用電的隨機(jī)性造成了臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題，額外增加了配電變壓器和低壓配電線路的電能損耗?，F(xiàn)有的配用電信息采集系統(tǒng)難以完全解決線路負(fù)荷不平衡問題，尤其是各分支線路不平衡問題更是難以解決。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，基于臺(tái)區(qū)智能終端的用電信息采集方案應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)的電力抄表方案相比，該方案在低壓配變出線側(cè)、線路側(cè)以及用戶側(cè)增加了更多類數(shù)據(jù)變量的采集，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)臺(tái)區(qū)配用電設(shè)備的在線感知，對設(shè)備所處環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及對電能質(zhì)量的精細(xì)化分析等功能。本方案治理臺(tái)區(qū)三相不平衡問題是基于臺(tái)區(qū)智能終端，通過多種設(shè)備協(xié)同配合，完成對整個(gè)臺(tái)區(qū)的三相不平衡治理，在實(shí)現(xiàn)配電側(cè)負(fù)荷電流平衡的基礎(chǔ)上確保各個(gè)分支線路實(shí)現(xiàn)自平衡，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化治理。

1 三相不平衡治理概述

在低壓配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，單相負(fù)荷分配的不均衡和用電的不同時(shí)性造成了三相負(fù)荷不平衡，會(huì)導(dǎo)致三相電流不平衡，額外增加配電變壓器和低壓配電線路的電能損耗。三相負(fù)荷不平衡比較嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成低電壓問題甚至燒毀變壓器單相繞組。

目前，典型的解決方案有換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、電容型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。后兩種模式分別通過相間功率轉(zhuǎn)移和輸出補(bǔ)償電流以實(shí)現(xiàn)配變低壓出線處的三相負(fù)荷平衡，但不能從根本上解決實(shí)際負(fù)荷均衡分配問題，而換相開關(guān)型裝置能從線路側(cè)解決三相負(fù)荷不均衡問題，既能降低臺(tái)區(qū)的不平衡度，又能降低臺(tái)區(qū)線路的電能損耗[1]。

本方案是在不改動(dòng)當(dāng)前電網(wǎng)線路、分支箱、計(jì)量箱以及電表等電力設(shè)施的情況下，通過在分支側(cè)增加節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元，并在表箱側(cè)增加智能換相開關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶負(fù)荷的電流數(shù)據(jù)和各個(gè)分支線路上的三相電流數(shù)據(jù)。在該方案中，通過LoRa通信技術(shù)將電流數(shù)據(jù)上傳至配變側(cè)的臺(tái)區(qū)智能融合終端，臺(tái)區(qū)智能融合終端根據(jù)采集到的變壓器二次側(cè)出線處的電流情況判定此臺(tái)區(qū)的不平衡度，采用基于最小二乘法的換相算法計(jì)算出最佳換相開關(guān)動(dòng)作方案，下達(dá)給分布于臺(tái)區(qū)各處的智能換相開關(guān)，完成負(fù)荷帶電換相動(dòng)作，從而解決三相不平衡問題。

2 三相不平衡的原理

三相不平衡一般是指電力系統(tǒng)中三相負(fù)載不平衡，且不平衡度超過一定范圍的現(xiàn)象。三相不平衡度是衡量這一現(xiàn)象的一個(gè)指標(biāo)，它的計(jì)算公式為

式中：σ為電流不平衡度；Imax為三相中最大電流；Imin為三相中最小電流。

導(dǎo)致線路中三相電流不平衡的原因主要是單相負(fù)荷的分配不均以及隨機(jī)性變化。第114頁圖1為三相四線制配電網(wǎng)絡(luò)等效圖，在A，B，C三相負(fù)載平衡的情況下，每相的等效阻抗一致，即Ra=Rb=Rc，此時(shí)三相電流IA，IB，IC相等，中性線路電流為0，配網(wǎng)中性線路中沒有損耗。當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)電壓偏移的情況，若電壓偏移過大，就有可能導(dǎo)致母線某相的相電壓增高至接近母線的線電壓[2]，這種高電壓會(huì)大大縮短單相設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的甚至?xí)斐呻娖髟O(shè)備損壞，引發(fā)火災(zāi)等。三相不平衡導(dǎo)致線路產(chǎn)生的零序電流增加了線損，同時(shí)線路長時(shí)間發(fā)熱會(huì)加速線路的老化，增加了老化線路出現(xiàn)安全隱患的概率。

圖1 三相四線制配電網(wǎng)絡(luò)等效圖

3 現(xiàn)代智能換相調(diào)節(jié)方案

自三相低壓配電網(wǎng)建立以來，三相不平衡問題就是客觀存在的，提升供電質(zhì)量和降低臺(tái)區(qū)線損一直是迫切需要解決的問題。早期治理三相不平衡問題就是通過人工改線的方式，結(jié)合臺(tái)區(qū)長期運(yùn)行的監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整用戶負(fù)荷，盡可能地實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷三相均勻分配，從而降低三相不平衡度，但是由于用電負(fù)荷的隨機(jī)性，無法長期保證三相平衡。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，更多的智能設(shè)備被用于解決此問題，目前三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置有3種類型的技術(shù)路線：換相開關(guān)型設(shè)計(jì)方案、電力電子型設(shè)計(jì)方案和電容型設(shè)計(jì)方案[3]。

相比其他兩種治理方案，基于智能換相開關(guān)的解決方案能從根本上解決臺(tái)區(qū)負(fù)荷分配不均衡問題。智能換相開關(guān)三相進(jìn)線，單相出線，使原有用戶負(fù)荷由固定負(fù)荷變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)負(fù)荷，在不停電的情況下實(shí)現(xiàn)負(fù)荷相位的切換并且利用晶閘管、繼電器等電子器件實(shí)現(xiàn)0 ms不停電換相，解決臺(tái)區(qū)三相不平衡問題。在低壓臺(tái)區(qū)配電變壓器二次側(cè)加裝控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測臺(tái)區(qū)三相電壓、電流，在用戶負(fù)荷處加裝智能換相開關(guān)，用于監(jiān)測負(fù)荷電流數(shù)據(jù)以及執(zhí)行負(fù)荷換相動(dòng)作，具體方案見圖2。

從圖2來看，在換相開關(guān)執(zhí)行控制策略進(jìn)行換相后，容易導(dǎo)致這種現(xiàn)象：配變側(cè)的控制器處能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流平衡，但是在一級分支1、分支2、分支3處，三相電流極度不平衡，不平衡度σ=根據(jù)現(xiàn)場情況，以農(nóng)網(wǎng)分支線路使用35 mm2鋁制導(dǎo)線為例，參考國際電工協(xié)會(huì)的導(dǎo)線載流量標(biāo)準(zhǔn)，35 mm2鋁制導(dǎo)線長期允許載流量為85 A[4]。由于一級分支需要連接多路用戶，此處三相電流不平衡極易導(dǎo)致分支處用電線路的載流量超過標(biāo)準(zhǔn)值，使溫度上升，加速老化，甚至有安全隱患。例如在分支1處，A相電流90 A，B相電流0 A，C相電流0 A，導(dǎo)致A相載流超過額定值，B相和C相線路則相對空閑，存在一定程度的資源浪費(fèi)，沒有達(dá)到資源合理分配使用的要求。

圖2 電氣連接示意圖

4 三相不平衡精細(xì)化治理方案

基于智能換相開關(guān)的設(shè)計(jì)方案在整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和換相策略上還有不足，雖然能夠降低配變側(cè)三相電流不平衡度，有效地調(diào)節(jié)變壓器出口電能質(zhì)量，改善變壓器運(yùn)行工況，但是分支處的三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象依然沒有得到有效調(diào)節(jié)。本文的設(shè)計(jì)方案能夠解決分支處三相不平衡的問題，實(shí)現(xiàn)配變層、分支層的三相電流平衡，真正實(shí)現(xiàn)三相不平衡的精細(xì)化治理。

4.1 總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案是在配變二次側(cè)加裝智能融合終端，一級分支進(jìn)、出線位置增加節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元，用戶表箱前側(cè)加裝智能換相開關(guān)。本方案的電氣連接關(guān)系和換相平衡后的電流情況見圖3，其中，選取的電流數(shù)據(jù)尤為突出本方案的優(yōu)勢。

圖3 精細(xì)化治理效果示意圖

智能融合終端通過高速電力線載波（Highspeed Power Line Carrier，HPLC）與節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元和智能換相開關(guān)通信，通過畸變電流注入的方式，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元能夠識(shí)別到所在分支上的智能換相開關(guān)。智能融合終端作為整個(gè)配電臺(tái)區(qū)的控制器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測配變二次側(cè)低壓出線的電壓、電流等電氣數(shù)據(jù)，計(jì)算臺(tái)區(qū)的不平衡度，分配換相調(diào)節(jié)方案。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元安裝于所有分支進(jìn)、出線處，具有計(jì)量及數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，能夠與智能融合終端通信，上報(bào)分支處的三相電流情況和下屬換相開關(guān)所在相位信息、電流信息。換相開關(guān)安裝于表箱前側(cè)，具備數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，通過HPLC與智能融合終端通信，上報(bào)相位與電流數(shù)據(jù)，在臺(tái)區(qū)三相不平衡度超標(biāo)時(shí)，能夠根據(jù)智能融合終端計(jì)算出的調(diào)節(jié)方案進(jìn)行負(fù)荷帶電換相。

從圖3可以看出，該方案在實(shí)現(xiàn)配變側(cè)三相電流平衡的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)一級分支線路上的電流平衡，保障分支線路載流量低于額定值，例如分支1處A相30 A，B相30 A，C相30 A，不平衡度本方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于加裝的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到節(jié)點(diǎn)處的電流情況，參與智能融合終端調(diào)節(jié)方案的計(jì)算，真正實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)各級線路的三相平衡，有利于降低臺(tái)區(qū)線損，提高末端電壓。

4.2 設(shè)備構(gòu)成

1）智能融合終端。智能融合終端依托邊緣計(jì)算的分布式運(yùn)算服務(wù)和臺(tái)區(qū)就地化分析決策，實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)“數(shù)據(jù)全量采集、狀態(tài)全面監(jiān)測、業(yè)務(wù)全面穿透”。采用“硬件模塊化、軟件容器化”的設(shè)計(jì)理念，硬件與軟件實(shí)現(xiàn)了最大程度的解耦。智能融合終端安裝于變壓器低壓出線側(cè)，能夠采集三相電流、電壓、有功、無功等數(shù)據(jù)，能夠與節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元、智能換相開關(guān)通信，采集各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。容器內(nèi)三相不平衡治理APP完成三相不平衡度及換相開關(guān)策略的計(jì)算，最終下達(dá)給各換相開關(guān)，完成三相不平衡治理。

2）節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元。節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元安裝于分支箱側(cè)，能夠精準(zhǔn)地采集三相電壓、電流等數(shù)據(jù)，能夠通過HPLC與智能融合終端進(jìn)行通信。智能融合終端在進(jìn)行換相開關(guān)調(diào)節(jié)策略運(yùn)算時(shí)會(huì)對各個(gè)分支處的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元進(jìn)行輪抄，從而實(shí)現(xiàn)分支的三相平衡。

3）智能換相開關(guān)。智能換相開關(guān)安裝于表箱前側(cè)，與智能融合終端通過無線或HPLC通信，接收換相指令進(jìn)行換相動(dòng)作。換相開關(guān)三相進(jìn)線，單相出線，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶負(fù)荷的自動(dòng)切換，利用晶閘管加繼電器模組的方式進(jìn)行負(fù)荷換相動(dòng)作，換相時(shí)間為0 ms，不影響用戶正常用電。

4.3控制策略

控制策略使用全局最優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)。智能融合終端在計(jì)算換相調(diào)節(jié)方案時(shí)，首先確保配變側(cè)的三相電流平衡，保證變壓器正常運(yùn)行，然后結(jié)合各個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元上報(bào)的分支電流信息與下屬換相開關(guān)的相位、電流信息，選擇最優(yōu)的換相策略，下達(dá)給智能換相開關(guān)，完成三相不平衡治理的一次調(diào)節(jié)，換相流程見圖4。

圖4 換相方案示意圖

4.4 應(yīng)用案例

陜西省某試點(diǎn)臺(tái)區(qū)變壓器相間負(fù)載不均衡情況比較嚴(yán)重，該臺(tái)區(qū)變壓器容量為800 kVA，用戶289戶，從變壓器檢測數(shù)據(jù)來看，出線電流不平衡情況比較明顯，尤其是在中午和晚上用電高峰時(shí)段。該問題是由負(fù)荷分配不均導(dǎo)致的三相電流不平衡，各相電流差值最大可達(dá)177．6 A，不平衡度超過64．61%，變壓器偏載情況十分嚴(yán)重，電流曲線見圖5。

圖5 安裝前配變側(cè)三相電流

經(jīng)過實(shí)地勘測，該臺(tái)區(qū)一級分支點(diǎn)為3處。應(yīng)用本方案，在配變側(cè)加裝智能融合終端，分支處加裝節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元，表箱側(cè)加裝換相開關(guān)，每個(gè)分支后的換相執(zhí)行點(diǎn)確保在8個(gè)以上。安裝后，臺(tái)區(qū)配變側(cè)、分支側(cè)的三相不平衡度小于15%，第116頁圖6為該臺(tái)區(qū)全天時(shí)刻的配變側(cè)三相電流曲線。

圖6 安裝后配變側(cè)三相電流

通過分析其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可以看出臺(tái)區(qū)分支處同樣實(shí)現(xiàn)了三相電流平衡，不平衡度小于10%，見圖7。應(yīng)用該方案后，該臺(tái)區(qū)實(shí)現(xiàn)三相動(dòng)態(tài)檢測，實(shí)時(shí)在線調(diào)整三相負(fù)荷，有效降低因三相不平衡導(dǎo)致的線損，臺(tái)區(qū)線損下降5%以上，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)三相不平衡的精細(xì)化治理。

圖7 安裝后分支側(cè)三相電流

5 結(jié)束語

針對低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡的問題，本文優(yōu)化原有基于智能換相開關(guān)的治理方案，實(shí)現(xiàn)了對臺(tái)區(qū)分支側(cè)三相不平衡的治理。相對于基于智能換相開關(guān)的治理方案，本方案在分支處增加了節(jié)點(diǎn)監(jiān)測單元，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測分支進(jìn)、出線處的電流情況，通過優(yōu)化的算法計(jì)算換相調(diào)節(jié)方案，能夠在換相開關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少的條件下實(shí)現(xiàn)配變側(cè)和分支側(cè)的三相電流平衡，真正意義上實(shí)現(xiàn)了低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡的精細(xì)化治理。