(國網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 276000)

0 引 言

隨著供電系統(tǒng)的工業(yè)化發(fā)展，三相不平衡在電能質(zhì)量問題中日益凸顯。復(fù)雜的電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，三相不平衡負(fù)荷時(shí)刻存在著，由此產(chǎn)生的負(fù)序會出現(xiàn)影響設(shè)備安全運(yùn)行、增大線路損耗及電動機(jī)效率低等諸多問題[1-2]。然而，國內(nèi)外對負(fù)序責(zé)任劃分的研究極少，一般對單污染源就只是通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對計(jì)算出的三相不平衡度進(jìn)行分析。當(dāng)公共連接點(diǎn)(point of common coupling，PCC)處連接有多個(gè)可能產(chǎn)生負(fù)序的用戶，并沒有明確的方案或標(biāo)準(zhǔn)解決該問題?？紤]負(fù)序和諧波在電力系統(tǒng)傳播機(jī)理的相似性，可以借鑒諧波分析方法對多負(fù)序源進(jìn)行責(zé)任分?jǐn)?。與諧波責(zé)任劃分對比，由于負(fù)序來源較為簡單，多負(fù)序責(zé)任分?jǐn)偟难芯扛鼮楹啽?，但對于各用戶?fù)序阻抗的確定仍然是一個(gè)問題，以致劃分各用戶負(fù)序責(zé)任難以得到令人滿意的結(jié)果。

現(xiàn)有負(fù)序源識別的研究很大程度依賴于等效負(fù)序阻抗，而由于電力系統(tǒng)的波動性較大，負(fù)序阻抗參數(shù)的確定是難以解決的問題[2]。下面所提方法避開了估算負(fù)序等效阻抗這個(gè)難題，建立等效電路并結(jié)合實(shí)際情況分析負(fù)序電流在系統(tǒng)中散布的原理，其結(jié)果很大程度上是依賴實(shí)測數(shù)據(jù)，并不依賴人為選取的參數(shù)，很具有實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，并且能夠快速簡單地得到各個(gè)負(fù)序源的責(zé)任劃分量化指標(biāo)并進(jìn)行對比。

1 理論分析

采用等效電路原理，忽略系統(tǒng)側(cè)出現(xiàn)負(fù)序的少數(shù)情況，將系統(tǒng)側(cè)等效為一個(gè)負(fù)序阻抗，將各個(gè)產(chǎn)生負(fù)序的用戶等效為負(fù)序阻抗并聯(lián)負(fù)序電流源[3]；結(jié)合實(shí)際電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對負(fù)序電流的散布進(jìn)行分析；最后，根據(jù)分析結(jié)論量化各個(gè)用戶各自的負(fù)序責(zé)任。

圖1 等效負(fù)序網(wǎng)絡(luò)

圖2 負(fù)序電流散布分析

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3 用戶單獨(dú)作用電路分析

(5)

(6)

將式(3)—式(6)分別代入式(1)、式(2)可得：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

由疊加原理可以得到：

(15)

(16)

由于系統(tǒng)側(cè)的等效短路阻抗為

(17)

式中：Un為額定電壓；Sn為短路容量。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，都是由系統(tǒng)側(cè)給各個(gè)用戶供電，因此系統(tǒng)側(cè)設(shè)定的短路容量肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任意用戶處的短路容量[8]，由式(17)可以得出結(jié)論：系統(tǒng)側(cè)的等效負(fù)序阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各不平衡用戶的等效負(fù)序阻抗；用戶側(cè)等效負(fù)序阻抗與系統(tǒng)等效負(fù)序阻抗并聯(lián)得到的阻抗值，與系統(tǒng)側(cè)的阻抗值在同一個(gè)數(shù)量級。

綜上可以得出結(jié)論：每個(gè)負(fù)序源產(chǎn)生的負(fù)序電流大部分流向阻抗小的一側(cè)，即系統(tǒng)側(cè)；那么，可以直接用監(jiān)測到的負(fù)序量代替各用戶單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際量來評估各個(gè)用戶的負(fù)序責(zé)任。此結(jié)論適用于有兩個(gè)及以上不平衡用戶的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中存在兩個(gè)責(zé)任相當(dāng)且不平衡度嚴(yán)重的負(fù)序源用戶時(shí)，在這兩個(gè)用戶處監(jiān)測到的負(fù)序電流可以近似于自身單獨(dú)產(chǎn)生的實(shí)際負(fù)序電流相等，絕大部分負(fù)序電流都流向系統(tǒng)側(cè)，相互抵消的反向電流是微乎其微的；當(dāng)系統(tǒng)中存在一個(gè)責(zé)任較大和一個(gè)責(zé)任相對較小的兩個(gè)用戶，采用監(jiān)測電流直接評判使得責(zé)任大的一方所得責(zé)任更大，而責(zé)任小的一方受到的責(zé)任更小，這樣更加凸顯責(zé)任大一方的負(fù)序責(zé)任。因此，可以直接將實(shí)際監(jiān)測到的負(fù)序電流作為多負(fù)序源責(zé)任分?jǐn)偟脑u判標(biāo)準(zhǔn)[9-13]。

(18)

(19)

式中：θ為PCC處電壓和電流的相位角。

在這里，負(fù)序電壓責(zé)任指標(biāo)HVk與負(fù)序電流責(zé)任指標(biāo)HIk結(jié)果一樣，因此只需考察負(fù)序電流責(zé)任指標(biāo)HIk。負(fù)序責(zé)任指標(biāo)大于0時(shí)，代表該用戶對總負(fù)序起促進(jìn)作用，且值越大責(zé)任越大，并結(jié)合PCC處負(fù)序分量大小判斷是否需要及時(shí)治理；負(fù)序責(zé)任指標(biāo)小于0時(shí)，代表該用戶對總負(fù)序起抵消作用，應(yīng)給予獎(jiǎng)勵(lì)[14-15]。

圖4 單用戶判定原理

(20)

綜上所述，基于實(shí)際電路理論分析的多負(fù)序源責(zé)任分?jǐn)偡椒ǖ耐暾襟E為[17-20]：

1)由電網(wǎng)參數(shù)確定系統(tǒng)側(cè)等效負(fù)序阻抗；

2)監(jiān)測PCC處的電壓和電流以及各個(gè)不平衡用戶處的電流，將各監(jiān)測值進(jìn)行對稱分量處理得到各負(fù)序分量。

3)根據(jù)圖4原理以及式(20)，先初步排除非負(fù)序源用戶或者對系統(tǒng)負(fù)序影響極小的用戶。

4)取各負(fù)序電流量，由式(18)計(jì)算得到除步驟3所排除用戶以外的用戶負(fù)序電流責(zé)任指標(biāo)，通過比較可以直觀地了解到各個(gè)負(fù)序源的責(zé)任劃分。

5)對負(fù)序責(zé)任嚴(yán)重的用戶加以治理，治理后再次對各用戶的責(zé)任進(jìn)行評估，直到整個(gè)系統(tǒng)沒有三相不平衡度超標(biāo)的現(xiàn)象。

2 仿真分析

建立了一個(gè)35 kV電壓等級的三相系統(tǒng)，帶有兩個(gè)不平衡用戶L1和L2。從這個(gè)系統(tǒng)可以得到等效電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)等效電路

表1 用戶阻抗信息

圖6 用戶L1指標(biāo)對比

圖7 用戶L2指標(biāo)對比

圖6和圖7中藍(lán)色線為用戶L1和用戶L2分別單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序電流，即實(shí)際產(chǎn)生的負(fù)序電流所得的指標(biāo)；紅色線為直接在網(wǎng)絡(luò)里面監(jiān)測到的負(fù)序電流所得指標(biāo)，兩者趨勢一致。顯而易見，用戶L1的負(fù)序責(zé)任大于用戶L2，用戶L1為主要負(fù)序承擔(dān)者；用戶L2的責(zé)任不僅較小，還呈負(fù)值，表示用戶L2對PCC的總負(fù)序分量起抵消作用。直接使用監(jiān)測值判別，使得責(zé)任大的一方所分?jǐn)偟玫降呢?zé)任更大、責(zé)任小的一方所分?jǐn)偟玫降呢?zé)任更小。這樣更凸現(xiàn)責(zé)任大的用戶，以便對主導(dǎo)源加以治理。

3 實(shí)測算例

實(shí)測數(shù)據(jù)來自于成都某地鐵主變電站35 kV母線。該母線一側(cè)通過變壓器連接110 kV，一側(cè)接有3個(gè)供電分區(qū)。利用城軌電能質(zhì)量測試儀PQSAS獲取電能質(zhì)量過程數(shù)據(jù)。測試周期為24 h，采樣頻率為 6400 Hz，測點(diǎn)分布如圖8所示。圖中：測點(diǎn)a0為電壓測點(diǎn)；測點(diǎn)a1、a2、a3、a4分別為對應(yīng)饋線電流測點(diǎn)。基于獲得的實(shí)測錄波數(shù)據(jù)，PCC處部分原始波形見圖9。

圖8 某地鐵主變電站35 kV母線測量等效

圖9 PCC處原始錄波數(shù)據(jù)波形

為了驗(yàn)證所提算法的準(zhǔn)確性，在PCC處仿真抽取了1800個(gè)采樣點(diǎn)，在個(gè)別采樣點(diǎn)加入異常值，迭代過程中將采樣點(diǎn)分段成60為一組的數(shù)組，則可以得到1741組回歸系數(shù)解，分別得到3個(gè)供電分區(qū)的負(fù)序阻抗和負(fù)序壓源，如圖10—圖12所示。

圖10—12中，藍(lán)色線代表實(shí)際測量值，紅色線代表使用所提算法計(jì)算得到的曲線，黑色直線標(biāo)示出理論參考值。可以明顯看出實(shí)際測量值和所提算法得到的計(jì)算值都很接近理論參考值。得到各個(gè)用戶參數(shù)后，再利用負(fù)序分?jǐn)傇碛?jì)算各指標(biāo)；最后，將理論、實(shí)測值、所提方法計(jì)算得到的負(fù)序責(zé)任指標(biāo)做對比，如表2所示。

圖10 供電分區(qū)1負(fù)序參數(shù)估算結(jié)果

圖11 供電分區(qū)2負(fù)序參數(shù)估算結(jié)果

圖12 供電分區(qū)3負(fù)序參數(shù)估算結(jié)果

很明顯地看出，作為不平衡度最大的L1分?jǐn)傌?zé)任最大，且對PCC處的負(fù)序電壓和負(fù)序電流起促進(jìn)作用，因此為主要承擔(dān)者；L2對PCC處的負(fù)序起抵消作用，應(yīng)該受到嘉獎(jiǎng)；L3對PCC處的負(fù)序貢獻(xiàn)較小，可以先對L1進(jìn)行適當(dāng)治理后再對系統(tǒng)負(fù)序分量進(jìn)行評估。

表2 負(fù)序責(zé)任指標(biāo)對比

4 結(jié) 論

基于實(shí)際電路理論分析的多負(fù)序源責(zé)任分?jǐn)?，從等效電路的理論分析并根?jù)實(shí)際電力系統(tǒng)中供電系統(tǒng)側(cè)等效負(fù)序阻抗遠(yuǎn)小于用戶側(cè)等效負(fù)序阻抗得出。該方法直接比較監(jiān)測到的負(fù)序分量來劃分各個(gè)用戶的負(fù)序責(zé)任，這樣可以避開確定負(fù)序阻抗這一大難題。并且，理論分析出幾乎所有負(fù)序電流都流向了阻抗小的一側(cè)，即系統(tǒng)側(cè)或者等效系統(tǒng)側(cè)，這樣各用戶處單獨(dú)產(chǎn)生的負(fù)序量實(shí)際與監(jiān)測量接近。因此，直接將監(jiān)測量代替單用戶實(shí)際量進(jìn)行多負(fù)序源責(zé)任分?jǐn)偸强尚械?，將?shí)際系統(tǒng)中的波動都通過監(jiān)測量反映，也不用顧及參數(shù)選擇不當(dāng)帶來的影響。