低壓電網三相負荷動態補償系統的設計

吳崇武楊耿杰劉用森王明輝

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108 2.國網福建電力有限公司南平市供電公司，福建 南平 353000）

低壓電網三相負荷動態補償系統的設計

吳崇武1楊耿杰1劉用森2王明輝2

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108 2.國網福建電力有限公司南平市供電公司，福建 南平 353000）

低壓電網三相負荷動態補償系統由三相不平衡調補裝置、智能換相開關和監控主站組成。三相不平衡調補裝置和智能換相開關實時采集配電臺區的負荷數據，并通過 GPRS上傳至監控主站。系統分兩級調整三相不平衡負荷，①通過智能算法計算最優換相策略，并通過遠程控制換相開關動作實現粗調，②通過三相不平衡調補裝置自動判斷臺區的負荷情況，改變電容補償量以及電容補償方式實現細調。

低壓電網；不平衡負荷；電容補償；換相開關

我國城鄉電網主要采用三相四線制配電方式。低壓配電網中由于單相負荷的用電不同時性與用電量增長不可控以及工作人員在接入單相負荷時的隨意性，可能導致配電臺區出現三相負荷不平衡現象[1]。

三相負荷不平衡，不僅增加了線路損耗，而且增加了配電變壓器的銅耗、鐵損，減少其運行出力，降低運行效率，影響變壓器的安全運行，并將造成臺區三相電壓不平衡，降低供電質量，這可能導致末端用戶出現無法用電的情況。

現有的三相負荷不平衡解決方案是通過手動調整單相負荷分布或無功補償來實現。通過停電后手動調整單相支路，就地平衡三相負荷。將單相線路換相，從重負荷相改接到輕負荷相，能暫時解決負荷不平衡問題，但是由于負荷的不可控增容和用戶用電的不同時性，不平衡現象還會存在，并且停電操作復雜，會造成停電損失。現有的電容補償方式很多，但是由于容量和成本限制，無法滿足穩定增長的用戶負荷，并且電容器組的頻繁動作容易產生故障。

本文采用換相開關與電容補償相結合的方式來解決三相負荷不平衡現象，將換相開關安裝在臺區的多個重負荷支路中，換相開關負責大幅度調整線路中的負荷分布，三相不平衡調補裝置安裝在變壓器的出口側，通過電容補償來小幅度調整負荷分布，從而消除不平衡現象，同時解決線路末端的低電壓問題。

1 設計方案

系統由三相不平衡調補裝置、智能換相開關（以下合稱為下位機）、監控主站組成。三相不平衡調補裝置采集母線的三相負荷數據，通過內部CPU計算后，改變電容器組的補償方式和補償容量，調整輸出的無功功率。智能換相開關安裝在單相支線位置，采集支線上的負荷數據并上傳。同時根據上位機下發的換相指令切換供電相序。監控主站匯集下位機所采集的負荷數據，通過智能算法決策最優換相策略，同時通過遙控智能換相開關動作實現負荷的動態粗調?？紤]到配電網系統通信條件的限制，系統支持GPRS通信方式。在與監控主站通信時，三相不平衡調補裝置和智能換相開關作為客戶機。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 下位機硬件介紹

本文的下位機包括三相不平衡調補裝置與智能換相開關。兩個硬件裝置相互配合動作，共同調整臺區的三相不平衡負荷。

三相不平衡調補裝置分為溫度監控器、GPRS通信模塊、核心控制器與電容器組4個模塊。溫度監控器監測裝置內部的溫度，控制散熱裝置的運行；核心控制器內含采樣分析模塊、投切策略控制算法；電容器組中設置了多組補償等級，其投切控制由核心控制器實現。裝置具有完整的數據采集分析系統，支持遠程參數設置，包括電容器組投切總量控制和主站IP地址設置。

智能換相開關用于調整單相線路負荷的分布，其換相斷電時間小于 0.2s，適用于三相四線制的220V配電網供電線路。裝置采集輸出端的電流、電壓值并上傳。支持遠程換相操作和現場手動調整。

3 監控主站設計

監控主站由通信服務器、數據庫及應用程序組成，各模塊之間完全獨立，相互之間通過 Socket、LabSQL工具包、TCP通信進行交互。

通信服務器分為通信主機和通信終端兩個模塊。通信主機收集下位機的數據，并與其直接進行交互，同時將數據轉發至各個通信終端。當通信終端要改變下位機的運行模式時，先將指令發至通信主機，指令將由通信主機轉發至下位機。

數據庫與通信服務器通過LabSQL工具包進行數據交互。應用程序通過TCP和LabSQL工具包遠程訪問數據庫。應用程序和通信終端通過Socket建立連接。圖2是監控主站的框架圖。

圖2 監控主站框架圖

若用戶只想查看系統的歷史運行情況，則安裝應用程序模塊；若用戶需要實時監測配電臺區的運行狀態，并手動調整下位機的運行模式時，則安裝通信終端。

3.1 通信服務器設計

通信服務器采用C/S的結構，圍繞TCP/IP網絡協議構建服務器和客戶端之間一對多的通信方式[2]。通信主機為服務器，下位機和通信終端為客戶端。

1）通信服務器工作流程

通信主機安裝在主站上，負責匯集數據并實時監測系統的運行情況。為了方便用戶的使用，通信終端可安裝在任意位置，其功能與通信主機類似。

通信主機啟動后打開TCP偵聽，等待客戶端連接，若出現新的客戶端上連，則辨別通信鏈路的歸屬并存儲。若無新的客戶端連接，則輪詢各個通信鏈路是否出現數據。當數據出現在通信鏈路上，通信主機接收并解析數據。若數據為下位機上傳，則將數據存儲至數據庫并轉發至各個通信終端；否則將數據轉發至對應的下位機，控制其運行狀態。程序的具體流程如圖3所示。

圖3 通信主機工作流程圖

2）通信協議介紹

電力負荷管理系統數據傳輸規約采用 GB/T 18657.1的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式，其幀定義見表1。

表1 主站協議通信幀

長度L為兩個字節，包括規約標識和用戶數據長度，由2字節組成。規約標識由L中D0和D1兩位編碼表示，定義為規約使用時 D0=1、D1=0。控制域表示報文傳輸方向和所提供的傳輸服務類型的信息，地址域為下位機硬件編號。校驗和是用戶數據域的十六進制算術和，不考慮溢出位。

3）程序功能介紹

通信服務器有實時數據監測、換相管理兩大功能。

（1）實時數據監測

在軟件的顯示界面展示臺區的三相有功、無功、功率因數、電壓、電流等數據。

（2）換相管理

通過調用文獻[3]所用的算法，對臺區負荷進行計算，得到最優的換相策略。運行人員根據得到的換相策略，遠程控制換相開關切換供電相序，從而保證配電臺區的三相不平衡負荷得到調整。

3.2 數據庫設計

數據庫分為實時數據表和歷史數據表兩個部分。通信服務器在固定時間讀取實時數據表中的數據，并將其插入至歷史數據的相應表單中。

通信服務器和應用程序通過LabSQL工具訪問訪問數據庫。需要在操作系統中創建一個獨立數據源，并將其與數據庫建立連接。LabVIEW與數據庫的連接就是建立在數據源的基礎上[4]。

3.3 應用程序設計

應用程序是監控主站的核心之一，其主要功能有系統、歷史數據、臺賬三大功能。其結構圖如圖4所示。

圖4 應用程序功能結構圖

1）系統

系統中的用戶分為兩個等級，普通用戶和管理員。普通用戶只能進行基礎操作，管理員用戶除基礎操作外還可以進行用戶管理，修改臺賬數據等操作。

2）歷史數據

歷史數據功能中包含查看歷史數據、數據庫備份、恢復數據庫功能。在查看歷史數據界面中，選定篩選條件，即可選擇目標數據進行查看、分析。

3）臺賬

臺賬管理界面主要記錄當前臺區的位置信息以及臺區中下位機的硬件信息。通過臺賬界面可以了解臺區的下位機安裝位置以及運行情況。

4 三相負荷不平衡治理策略

本文采用分級調整的方式來進行三相負荷不平衡現象的治理。三相電流不平衡度的計算為

式中，Iav為三相電流平均值。本文設置兩級的電流不平衡度閾值δL%和δH%。當δ%＞δL%時，三相不平衡調補裝置通過內部算法自動改變補償模式，動態調整系統的有功負荷分布，同時補償無功負荷；當δ%＞δH%時，利用智能算法運算得到最優的換相策略，同時遠程操作換相開關，切換其供電相序，實現三相負荷不平衡度的調整。

4.1 電容補償模型

我國的低壓配電網一般采用三相四線制系統，但是目前絕大多數的不平衡補償方法是針對三相三線制的，通常只考慮負序分量的存在，而沒有考慮零序分量[5]。在三相四線制系統中，如果未對零序電流進行補償，將無法實現不平衡電流的完全補償。文獻[6]通過疊加原理和對稱分量法，推導出適合于三相四線制低壓配電網絡不平衡負荷的補償理論，并在此基礎上推導出了調補模型。

4.2 換相開關的配置原則

換相開關配置的數量原則是使開關所涵蓋的用戶表數為配電臺區負荷較重用戶的 1/3左右。換相開關必須安裝在負荷大的三相四線制的電纜分支箱或用戶表箱位置。

4.3 控制策略

系統的控制遵循“保證電壓不越限，最大限度地平衡三相電流”的原則[7]。本研究用三相電流不平衡度、無功功率和電壓三個量作為判據。在保證電壓合格的范圍內，實現三相不平衡負荷動態補償。

當臺區上傳負荷數據時，先計算三相電流不平衡度δ%，判斷δ%是否越限。若越限則調用智能算法計算當前負荷情況下的最優換相策略，并遙控換相開關，實施換相策略；否則判斷臺區的三相電壓是否在正常范圍。本文設置了 4個電壓界限：UHM、ULM分別為高電壓界限、低電壓界限；UH、UL分別為過電壓界限、欠電壓界限。電容器組控制策略圖如圖5所示。

圖5 控制策略圖

下面對控制策略圖的各個區域進行說明。

區域1：電網電壓U高于過電壓界限UH，為了避免電容器組在高電壓下工作，引起電容器組的過熱和絕緣損壞，快速切除電容器組。

區域2：電網電壓U高于高電壓界限UHM但是低于過電壓界限UH，表示電網中不缺乏無功功率，此時采取“少量缺無功不投，過補則切”的控制策略。

區域3：電網電壓U高于低電壓界限ULM，卻低于高電壓界限UHM時，可采取“缺無功則投，過補則切”的控制策略。

區域4：電網電壓U高于欠電壓界限UL，卻低于低電壓界限ULM時，表示電網中缺乏無功功率，此時采取“缺無功則投，少量過補不切”的控制策略。

區域5：電網電壓U低于欠電壓界限UL時，考慮到電網電壓過低，低于控制器的正常工作范圍，快速切除電容器組。

LabVIEW 中的程序執行實現流程圖如圖 6所示。|QY|為臺區當前無功越限值，Qs為設定的少量無功越限界限。

5 實測波形分析

本文的系統安裝在某市后甲垅II號臺區，圖7是現場臺區在系統投入運行前后三相電流對比數據，下位機每隔15min上傳一次數據。

后甲垅Ⅱ號臺區屬于農村臺區，由于單相用戶用電時間的不同時性以及線路規劃不合理存在了三相負荷不平衡問題。從圖7可以明顯看到，在用電高峰期，即圖7中的10∶00—12∶00，系統未投入前，三相電流出現不平衡現象，在系統投入后，成功的將有功負荷均分至三相，有效解決了三相不平衡問題。

圖6 控制策略程序執行流程圖

圖7 臺區電流負荷對比圖

6 結論

本系統解決了大多數農村臺區存在的三相負荷不平衡問題，通過安裝智能換相開關和三相不平衡調補裝置，動態調整臺區的三相負荷分布，就地補償無功功率，不僅降低了系統的三相負荷不平衡度，提升了末端電壓，而且還保護了變壓器，降低了臺區用電損耗。在臺區出現不平衡問題時，系統自動控制投切電容器組，保證臺區的正常運行，減少了運維人員的工作量。本系統具有良好的經濟效益，目前已在現場運行數月，穩定可靠。

[1]楊云龍,王鳳清.配電變壓器三相不平衡運行帶來的附加損耗、電壓偏差及補償方法[J].電網技術,2004,28(8):73-76.

[2]李偉,陳國明,張傳榮,等.基于 LabVIEW 的ACFM 網絡實驗平臺開發與測試[J].實驗技術與管理,2013,30(3):65-67,73.

[3]傅軍棟,喻勇,劉晶.低壓配電網三相不平衡節能算法研究[J].華東交通大學學報,2014,31(3):110-114,136.

[4]馮乙倫.基于 OpenPIant實時數據庫的廠級監控信息系統的實現[D].大連:大連理工大學,2013.

[5]吳松濤,龔家偉.在LabVIEW中利用LabSQL實現數據庫訪問[J].國外電子測量技術,2006,25(4):53-56.

[6]Lee S Y,Wu C J.On-line reactive power compensation schemes for unbalanced three phase four wire distribution feeders[J].Power Delivery,IEEE Transactions on,1993,8(4):1958-1965.

[7]單鐵銘.磁飽和可控電抗器及不平衡無功補償的研究[D].北京:中國農業大學,2005.

Design of Dynamic Compensation System for Low-Voltage Grid

Wu Chongwu1Yang Gengjie1Liu Yongsen2Wang Minghui2
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108;2.Nanping Power Supply Company,State Grid Fujian Electrical Company,Nanping,Fujian 353000)

This paper designed a dynamic compensation system for the low-voltage grid,which is composed of three phase unbalanced compensator,intelligent Switching-Phase switch and monitoring master station.The compensator and switch can gather the load data of distribution network in real time,and transfer it to the monitoring station via GPRS.The system adjusts the three-phase unbalanced load by two stages.First the system applies the intelligent algorithm to compute the optimal commutation strategy,then changes switch status adjustment by remote control to realize the coarse.Second the three-phase unbalanced compensator determine the load automatically,then change compensation amount and the mode of itself to realize the fine adjustment.

low-voltage grid;unbalanced load;capacitance compensator;switching-phase switch