基于大數(shù)據(jù)分析的低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法

吳 勝

（蘇州三新供電服務(wù)有限公司常熟分公司虞北業(yè)務(wù)所，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

在電力資源覆蓋面逐漸擴(kuò)大的環(huán)境下，電力用戶(hù)對(duì)其要求更高，低壓配電問(wèn)題成為電力企業(yè)亟待解決的問(wèn)題[1]。低壓配電過(guò)程中，三相功率、電壓、電流等方面的不均衡問(wèn)題是導(dǎo)致用戶(hù)電壓偏低的主要原因。不平衡的原因在于用電負(fù)荷時(shí)空分布不均衡，每個(gè)用電用戶(hù)的單向負(fù)荷均具有隨機(jī)性，無(wú)法保證負(fù)荷功率相同[2]。在接入電壓電流時(shí)，中性線上會(huì)存在較大的電流，對(duì)于母線的損傷較大[3]。除此之外，低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡現(xiàn)象還會(huì)使負(fù)荷重載，出現(xiàn)臺(tái)區(qū)變壓器線損增加的危害[4]。本文設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)分析的低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法，為電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供建議。

1 低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法設(shè)計(jì)

1.1 度量三相不平衡電壓基波分量

不均衡電壓、電流基波分量是三相不平衡度量的關(guān)鍵指標(biāo)[5]。本文將三相不平衡度用負(fù)序電壓與正序電壓的比值來(lái)表示，公式為

式中：Ua為電壓基波分量；U2為負(fù)序電壓值；U3為正序電壓值；U1為電壓的正序分量；χ為相量旋轉(zhuǎn)算子；ε為相角旋轉(zhuǎn)算子；δ為三相不平衡度指標(biāo)[6]。根據(jù)此度量公式，本文繪制出的三相負(fù)載等效電路如圖1所示。

圖1 三相負(fù)載等效電路

根據(jù)圖1，電壓的正序分量U1的相角為0°，負(fù)序電壓值U2的相角為-120°，正序電壓值U3的相角為120°[7]。此三相負(fù)載等效電路中的電阻R相同，在M=S1=S2=S3時(shí)，K與C為負(fù)載等效情況。此時(shí)，電路中電壓相位信息更容易獲取。

1.2 基于大數(shù)據(jù)分析計(jì)算三相不平衡周期平滑系數(shù)

三相不平衡平滑系數(shù)是在歷史電流周期數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)電流進(jìn)行預(yù)測(cè)的系數(shù)。在度量出三相不平衡電壓基波分量之后，利用大數(shù)據(jù)計(jì)算出三相不平衡周期平滑系數(shù)，可以有效地調(diào)配電壓負(fù)荷，使電流處于低壓平衡的狀態(tài)[8]。以配電變壓器運(yùn)行1周為1個(gè)周期計(jì)算，利用大數(shù)據(jù)分析深度挖掘出此周期下的平滑系數(shù)為

式中：Kiγ為第i個(gè)時(shí)刻的三相負(fù)荷平滑系數(shù)；γ為初始平滑系數(shù)；Iγn為第n個(gè)周期下的電流數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果；Iγ為配電變壓器負(fù)荷的預(yù)測(cè)電流值；Ki2γ為經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析之后形成下1周期的平滑系數(shù)[9]。當(dāng)三相含中性線的配電線路中存在零序分量時(shí)，線電壓的平衡時(shí)間為

考慮到三相負(fù)載電壓相差不多，各個(gè)線路的電壓大小偏差較小。在Kiγ=Ki2γ時(shí)，三相電壓處于平衡狀態(tài)時(shí)的有效值偏差較小，可以抑制三相電壓不平衡現(xiàn)象。

1.3 構(gòu)建低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡補(bǔ)償模型

為了實(shí)現(xiàn)低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡的高效治理，本文以三相不平衡平滑系數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡補(bǔ)償模型。低壓無(wú)功補(bǔ)償主要是對(duì)負(fù)載兩端進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，將三相負(fù)載同時(shí)接入補(bǔ)償裝置中，當(dāng)一個(gè)負(fù)載功率偏低時(shí)，電路中的功率通過(guò)換相的方式將電壓與電流平衡，保證三相平衡效果[10]。三相不平衡自動(dòng)換相簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 三相不平衡自動(dòng)換相簡(jiǎn)圖

圖2中：U0為初始電壓；I0為初始電流。本文將換相后的三相不平衡度作為最小目標(biāo)函數(shù)，由此得出補(bǔ)償模型表達(dá)式為

式中：I1、I2為換相過(guò)程中的負(fù)荷電流。在三相不平衡補(bǔ)償過(guò)程中，配電變壓器的低壓側(cè)采取不接地的形式，三相負(fù)載的電流負(fù)荷直接從I1轉(zhuǎn)移至I2，再?gòu)腎2轉(zhuǎn)移至I0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不平衡補(bǔ)償?shù)男Ч?，提高三相不平衡治理水平?/p>

2 實(shí)例分析

2.1 臺(tái)區(qū)概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的治理方法是否具有實(shí)用價(jià)值，本文以S臺(tái)區(qū)為例對(duì)上述方法進(jìn)行實(shí)例分析驗(yàn)證。S臺(tái)區(qū)公變?nèi)萘繛?20 kVA，供電用戶(hù)約180戶(hù)，供電半徑約440 m。S臺(tái)區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)變壓器低壓供電的情況，三相不平衡問(wèn)題嚴(yán)重，影響了周?chē)用竦恼Ｓ秒娚?。因此，使用本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)分析的低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法，對(duì)S臺(tái)區(qū)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行治理。本文隨機(jī)選取全天的10:00 —22:00的配電變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)，電容器電容投切情況如表1所示。

表1 電容器電容投切情況表

如表1所示，全天10:00 — 22:00的配電變壓器運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生三相不平衡的動(dòng)作共7次，分別為10:00、12:00、14:00、16:00、18:00、20:00 以 及 22:00。其中，全天中存在有功負(fù)荷與無(wú)功負(fù)荷2種曲線，如圖3所示。

圖3 負(fù)荷曲線

圖3中有功負(fù)荷曲線的負(fù)荷容量在1.3×104～2.8×104kVA的范圍內(nèi)波動(dòng)，無(wú)功負(fù)荷曲線的負(fù)荷容量在1.0×104～2.2×104kVA的范圍內(nèi)波動(dòng)。在10:00與21:00處，有功負(fù)荷曲線與無(wú)功負(fù)荷曲線出現(xiàn)融合。也就是說(shuō)，10:00與21:00處電容補(bǔ)償量進(jìn)行了等值融合。由此得出，10:00與21:00時(shí)刻的配電變壓器損耗與投切次數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)圖4，10:00與21:00時(shí)刻的配電變壓器損耗量均會(huì)隨著投切次數(shù)的增加而減少。在投切次數(shù)為35次時(shí)，配電變壓器的損耗在1 000～1 500 kVA左右，可以符合電容器配置需求。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文選取1 000～8 000 kVA的無(wú)功補(bǔ)償容量。計(jì)算出低壓臺(tái)區(qū)治理前的三相不平衡度和使用本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)分析的低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法后的三相不平衡度，將二者進(jìn)行對(duì)比，具體應(yīng)用結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)用結(jié)果

在長(zhǎng)時(shí)間的低壓配電過(guò)程中，低壓臺(tái)區(qū)的三相不平衡度在42.18%～75.43%的范圍內(nèi)波動(dòng)，并且隨著無(wú)功補(bǔ)償容量的增加，三相不平衡度隨之減少。當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償容量為1 000 kVA時(shí)，三相不平衡度為75.43%；當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償容量為8 000 kVA時(shí)，三相不平衡度為42.18%。無(wú)功補(bǔ)償容量越多，三相不平衡治理效果越好。

使用本文設(shè)計(jì)的基于大數(shù)據(jù)分析的低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法，對(duì)S臺(tái)區(qū)進(jìn)行綜合治理。使用本文設(shè)計(jì)的治理方法之后，不平衡度大幅度下降。在長(zhǎng)時(shí)間的低壓配電過(guò)程中，不平衡度在12.16%～22.61%的范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償容量為1 000 kVA時(shí)，三相不平衡度為22.61%；當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償容量為8 000 kVA時(shí)，三相不平衡度為12.16%。治理之后的三相不平衡度均在30%以?xún)?nèi)，低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡情況可以忽略不計(jì)。因此，使用本文設(shè)計(jì)的治理方法，三相不平衡治理效果較佳，符合本文研究目的。

3 結(jié) 論

近年來(lái)，電能能源的整體需求量持續(xù)增加，能源利用率與能源開(kāi)采率不成正比，電能能源出現(xiàn)了大量的浪費(fèi)。其中，三相不平衡現(xiàn)象日益嚴(yán)重，嚴(yán)重危害了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。利用大數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)低壓臺(tái)區(qū)三相不平衡治理方法，綜合降低三相不平衡度，為電力運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提供基礎(chǔ)保障。