智能選相開關的低壓配電網臺區負荷不平衡控制技術

隨著社會經濟的不斷發展，人們對電能質量要求越來越高，如何滿足用戶對電能質量的需求，為用戶提供可選多樣的電能質量和價格方案成為了當前國內外智能電網建設的重要特征之一。在電力系統運行過程中，低壓配電網三相負荷不平衡不僅會增加線損率，而且會導致末端電壓過低，影響供電質量。因此，對低壓配電網的電能質量進行綜合控制，并采取措施進行節能降耗，是電網發展規劃和建設的必然趨勢。

【關鍵詞】智能選相開關 低壓配電網 負荷不平衡

目前國內對于配電網節能降耗的研究，尤其是配變臺區的節能降耗的研究，仍然停留在獨立的、對某區域電網的離線線損計算、無功優化控制，而且沒有考慮三相不平衡的治理。而當前配電網中現有的無功補償等節能設備和電能質量治理裝置只是單點分布，既沒有數據的上傳采集平臺，也沒有設備的綜合控制平臺，設備的運行狀態、故障信息、節能效果和電能質量治理效果等方面也無法得知。因此，隨著配電網的建設和發展亟需，非常有必要研究一種新型的面向配電網的基于三相不平衡治理綜合節能優化控制系統，逐步進行技術推廣，應用于配電網節能與提高電能質量改造項目的實踐中。

1 案例介紹

金華金東區部分臺區下存在三相不平衡問題，且由于此影響會引起用戶側的低電壓問題投訴，針對此問題需要采用科技創新的技術來綜合整治，通過理論研究解決三相不平衡的問題，對治理低電壓問題有切實的幫助。從滿足電壓合格率和供電可靠率的角度出發，解決用戶側因三相不平衡所引起的一系列問題。本項目擬研究應用于配變臺區三相不平衡治理綜合節能優化控制系統，項目實施后的研究成果將明顯改善區域配電網電能質量，有效降低配電網的電能損耗，達到節能的目的。

2 三相不平衡問題治理目標

2.1 有效解決配電網由于無功補償不足而造成的無功損耗問題

當前配電網所采取的降耗措施主要是電容補償，存在速度慢，不能動態平滑調節，容易造成欠補過補的問題，電網損耗問題依然嚴重。本項目的研究將有效解決該類問題，擬采用柔性動態無功功率調節設備，能夠實現平滑補償，補償效率高，補償度精準，最大程度上減小電網損耗。

2.2 解決現有的電容器補償裝置存在的安全隱患問題

配變網企業負荷和居民用電具有階段性，供電無功功率具有波動性。電容器是在企業與居民生產時投入，停產或休息時切除。電容器為固定補償，時而會造成系統過補、時而欠補，頻繁的投切電容器降低了電容器的使用壽命，并且在投切過程中容易出現電容器重燃的故障。頻繁的投切電容器還改變了系統的阻抗，容易使系統供電設備發生串、并聯諧振故障。另外，小型非線性電子式開關設備（變頻空調，節能燈具）的大量應用大大增加了配電網的諧波水平，諧波在電網流動，補償的并聯電容器容易對諧波產生放大情況，嚴重時達到數十倍，很容易燒毀設備，造成事故。

本項目研究擬采用新型的智能化統一電能質量綜合優化裝置，實現無功功率柔性輸出，補償能力精準，響應速度快，利用電力電子開關器件調節功率，不依賴電網阻抗，不會對電網系統阻抗產生影響，也不會造成諧振問題和諧波放大問題。

2.3 解決現有的節能設備諧波、三相不平衡等的問題

諧波污染和三相不平衡問題對電網和用戶設備造成嚴重的危害。但是，現有的節能設備不具備諧波污染治理的能力，傳統的電容器節能補償如果配置不當，將會造成諧波放大數10乃至數百倍，容易造成事故；SVC型的裝置本身更是一個諧波污染源，在節能的同時，造成新的電網污染。針對以上問題，本項目研究中擬采用最新的電網諧波污染治理技術，進行針對性的治理，有效減小因為電能質量問題造成的損失。

2.4 提高配網設備自動化水平

配變臺區三相不平衡治理綜合節能優化控制系統采用最新研究的成果，包含了電力電子功率變換技術、瞬時無功功率控制技術、網絡智能化技術以及無線通信技術，能夠對配電網進行離線與在線的智能化監控管理，使配電網始終處于安全、可靠、優質、經濟、高效的最優運行狀態，提高供電可靠性和供電質量，降低運行維護費用，提高整個配電系統的管理水平和工作效率。

3 低壓配電網臺區負荷不平衡控制系統設計

低壓配電網臺區負荷不平衡控制系統主要由安裝在電纜分接箱的多臺智能選相開關和一臺安裝在臺區變壓器的智能配變控制終端構成。

低壓配電網臺區一般會利用一臺10kV/380V的變壓器進行供電，低壓側和多個電纜分接箱進行連接，每個電纜分接箱都設置了多路單相輸出和一路三相輸入。臺區中的低壓負荷分別連接電纜分接箱的出線側，為了提升智能化水平，可以將智能選項開關設置到電纜分接箱中，智能配變控制終端通過使用現代數字信號技術可以實現高智能化控制、無功補償控制、負荷不平衡控制、遠方系統通訊高集成等，可以利用電力載波對各個電纜分接箱開關狀態和各出線電流進行收集，檢測配電變壓器出線位置的電流和電壓，并根據不平衡調整策略對各出線選項開關換相明了進行判斷。

4 智能選項開關的安裝

通常情況下，智能選項開關安裝過程中，可以使用智能選項開關替換電纜分接箱中的低壓開關，進而實現電纜分接箱的改造。智能選項開關主要由接觸器（KM1、KM2、KM3）、控制電路SCU、二級管（V1、V2、V3）、電流互感器（TA）等模塊化結構組成。

智能選相開關工作時，首先按照優化控制算法和負荷平衡原則進行計算，然后發出臺區各個選項開關的切換命令，并利用電力載通信模塊對下發的選相切換命令進行接收，然后利用電流互感器TA對負荷電流進檢測，從而判定系統狀態。控制電路SCU產生控制信號操作輔助繼電器和接觸器，結合二級管自然導通關斷特點，達到選項操作的目的。

智能選相開管一般使用接觸器、二極管、固態繼電器組成電力電子開關，閉合開關時二級管正向電壓超過0.7V以后就會自動導通，不需要發送附加的觸發信號，控制電路得到了簡化，與此同時也保證了設備穩定運行，二級開關只在斷開和接通的一瞬間會工作，當關閉開關時，接觸器會承受電流，在開關打開時輔助繼電器會承受耐壓，產生的電量耗損非常小，不需要增設散熱電路。開關閉合切換時，二極管起著保護接觸器觸點和輔助繼電器觸點的作用，接觸器和輔助繼電器之間可以互相保護，可以達到無弧切換的目的，延長輔助繼電器和接觸器的使用年限，而且二極管的體積和成本優勢也非常明顯。

5 應用效果

為了對基于智能選相開關低壓配電網臺區不平衡控制技術的可行性進行驗證，本文使用電氣結構的智能選相開關安裝到電纜分接箱中，如圖1所示。

在圖1中一共安裝了兩臺智能換相開關，每個開關的設計參數如下：三路單相220V輸出、一路三相380V輸入，設計各路輸出額定電流為200A，可以實現無弧頻繁切換，切換時間一般<20ms，可以達到普通低壓供電用戶的用電需求。在低壓供電環境下開展負荷不平衡控制試驗后，得出試驗波形見圖2。

從圖2可以看出，波形1代表智能換向開關的切換控制命令，波形2代表進行環向操作時產生的負荷電壓，根據試驗結果可以看出，換相切換操作在5ms內就可以實現換相切換操作，在不影響供電的情況下，對三相負荷平衡性進行了調整，具有瞬時切換、損耗低、成本低等優點，是一種解決低壓配電網負荷不平衡的有效措施。

6 結論

綜上所述，基于智能選項開關的低壓配電網臺區負荷不平衡控制技術對三相負荷不平衡問題進行調整切換速度非常快，而且控制電路比較簡單，達到了無弧切換的目的，有效延長了輔助繼電器和接觸器的使用年限，保證了設備的可靠性，可以結合用戶的具體需求設置多個優化控制目標，可以從網絡拓撲結構上對相間負荷分配進行調整，具有較高的應用價值。

（通訊作者：葉慶和 方平）

參考文獻

[1]程利軍.智能配電網[M].北京：中國水利水電出版社，2013：23.

[2]張明，謝珊珊，羅云峰.低壓配電網三相負荷不平衡優化模型的研究[J].武漢科技大學學報：自然科學版，2015（01）：59-62.

作者簡介

陳崇敬（1978-），男，浙江省浦江縣人。大學本科學歷。現為國網浙江省電力公司金華供電公司高級工程師，從事配網管理工作。

作者單位

國網浙江省電力公司金華供電公司 浙江省金華市 321000