基于自決策換相技術的臺區三相不平衡綜合治理

傅 穎，楊成鋼，趙建文，金華芳，王曜飛，呂春美

（國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

我國低壓配電變壓器（以下簡稱“配變”）臺區采用三相四線制供電，供電電壓為380 V/220 V，供電模式為臺區三相動力負荷與單相居民負荷混合接線，這種供電模式使得低壓配電網的三相不平衡問題長期存在。在低壓配電網中用電客戶以單相居民客戶為主，所以單相負荷接入的情況在整個供電系統中占有很大的比例。因條件和資金限制，單相低壓供電線路延伸過長，再加上單相用戶的不可控增容、大功率單相負載的接入及單相負載用電的不同時性等客觀原因，在配電網中極易造成配電臺區三相負荷分配不均衡，這就給低壓配電網的安全、穩定及經濟運行帶來較大的負面影響，因此需要通過采取管理和技術手段，實現對三相不平衡情況的自動調節，降低三相不平衡度，減少電壓降落，改善供電電壓質量，降低線損[1-3]。

本文基于智能換相開關治理三相不平衡的方法，研究適用于配變臺區的三相負荷自平衡控制決策，提出了分布控制型三相負荷不平衡調節方法，作為集中控制策略的補充和完善，可以解決配電線路部分支線上的換相開關因通信故障或信息缺失而無法動作的問題，提高了換相開關動作的有效性，為提高配變臺區供電可靠性和安全性提供理論支撐。

1 三相不平衡的治理措施

低壓線路三相負荷不平衡具有極其明顯的特點：具有可見性和可測算性；引起的線損超常大和造成嚴重危害；具有存在的頑固性、長期性及沿線分布較廣性。為了降低配電臺區電能損耗，提升配電網電能質量，必須采取有效調整措施，治理或消除低壓三相負荷不平衡。除了提升規劃和管理水平外，常規的處理措施主要有以下幾種[4-5]。

（1）人工調整，均分負荷。結合歷史記錄并根據實時在線監測數據，通過手動調整接線的方式盡量均分負荷，加強三相負荷分布控制。該方式的缺點是：手動調整效率低下，不便捷，且操作具有一定的危險性；需要停電操作，影響供電可靠性；無法根據負荷變化實時動態調整。

（2）利用無功補償裝置治理三相不平衡。在實際電力系統中，三相不平衡和無功功率經常同時出現，因此可在傳統電力電子型SVC（靜止無功補償器）或SVG（靜止無功發生器）無功補償功能的基礎上，通過改進控制算法使其同時具備無功補償和抑制三相不平衡的功能。但沿線路的三相負荷不平衡問題并沒有得到根本解決，線路損耗和終端負荷的電壓質量問題，甚至是低電壓問題依然存在。

（3）自動切換裝置調整三相不平衡。智能換相開關是調整供電電源相位的開關設備，三相輸入，單相輸出，導通情況下任何時刻只能有一相導通，其余兩相處于分斷狀態，可通過監控系統遠程控制或本地控制實現供電電源相位的調整。

因此，本文針對配變臺區供電特點，研究三相負荷自動調平的換相模型，構建適用于配變臺區的三相負荷自平衡控制決策，包括集中控制型和分布控制型2 種策略。集中控制型由幾種控制開關或配變終端進行分析決策，下發命令至各支路上的換相開關完成換相過程；分布控制型是針對通信缺失情況下的分支線路，由單臺換相開關完成三相負荷分布式自動調平控制，將2 種控制策略相結合實現臺區三相負荷自動調平。

2 三相負荷不平衡調節原理

2.1 集中控制型三相不平衡調節

低壓配電網的三相不平衡主要是指三相負荷不平衡的現象，從而導致的三相電壓或三相電流不平衡，且三相不平衡對低壓配網以及配用電設備的正常工作造成了許多不良影響[6]。若想降低低壓配網的三相不平衡度，保證負荷的正常供電，則需根據配電母線各相的電流及各支路負荷電流的大小，在不影響單相負荷正常用電的同時，對單相負荷進行合理、平穩、無沖擊的換相操作，更改其所連接的相序，將單相負荷支路在三相間盡可能地平均分配，才能最大程度地降低低壓配網的三相不平衡度[7]。基于自動換相調節的配變臺區三相不平衡治理結構框圖如圖1 所示。

圖1 配變臺區三相負荷不平衡治理結構框圖

假設配電變壓器低壓側三相電流分別為Ia，Ib，Ic，則平均電流Iav為：

所以用以衡量三相負荷電流不平衡程度的電流不平衡度γφ一般定義如下：

式中：φ∈{A，B，C}；Imaxφ為最大相電流值。

Q/GDW 519—2010《配電網運行規程》規定：變壓器的三相負荷應力求平衡，其不平衡度不應大于20%，否則需要調整負荷[8]。

配變低壓側的三相電流與平均電流的差值為：

理想情況下應滿足ΔIa=0，ΔIb=0，ΔIc=0，要使三相電流的不平衡度最小，則使三相電流差值中的最大值為最小即可。相間最大電流差值如式（4）所示：

考慮到換相開關的使用壽命等因素，換相開關動作次數應盡可能少，其動作次數可表示為：

式中：n 為換相開關的個數；yi為當前換相開關動作次數，初始值為0，若進行了換相切換操作，yi的值將累加1 次。由此可建立三相平衡控制策略的目標函數：

求目標函數J 的最小值，即在滿足三相不平衡度最小的同時保證換相開關的換相次數Y 最小[9-10]。

2.2 分布控制型三相不平衡調節

在配電線路較長或配電網較復雜等有可能出現通信條件不佳或通信缺失的低壓配網中使用三相負荷自平衡調節時，依賴通信的集中決策方法出現盲區，因此可以通過計算電壓偏差是否符合標準要求，從而對該節點的負荷進行切換。

根據GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》，220 V 單相供電電壓偏差的限值為標稱電壓的-10%～7%。電壓偏差的計算公式為：

假設臺區低壓側三相電壓平衡（電源對稱），某一支路出現通信缺失的情況，依據網絡拓撲關系及設備參數，可知每一相線路阻抗Zli，若用戶1的負荷電流為IL1，換相開關1 原始狀態不在A 相，隨后換相到A 相，且換相前后A 相電壓分別為UA1和則換相開關1 換相前后的電壓變化為：

則有，前第i 個換相開關換相前后的電壓變化為：

若換相前第i 個用戶側三相電壓中最大相電壓為Umaxi，電壓最小的相為Umini，換相后的最大相電壓為：

最后計算調整后的三相電壓的偏差，檢查本次換相是否達到預期。

3 三相負荷不平衡控制策略

三相不平衡治理系統的設計，通常在臺區低壓側首段安裝一個總開關作為主控單元，在支路用戶側安裝若干個換相開關，由總開關對三相不平衡情況進行分析并給出換相決策，由分支路開關執行遙控命令；或者利用智能配變終端作為主控單元，對三相不平衡情況進行分析并給出遙控命令，通過支路安裝的多個換相開關來完成三相負荷的調平[11-12]。

主控單元無需實時監測三相負荷狀態及對其操作，以定時監測的方式進行周期統計，定時時間Δt 最小為15 min 或其整數倍，可以按照實際需求及負荷波動情況靈活配置。觸發條件如下：

（1）不平衡度超過限值γ。

（2）不平衡持續時長超過限值Δt。

同時滿足以上2 個條件，進入換相策略環節。其中限值γ 和Δt 為可調節參數，根據實際需求設定。

集中控制型三相不平衡調節邏輯框圖如圖2所示。其中，獲取換相開關信息成功的進入集中控制邏輯。首先，主控單元每30 min 對三相電流實時數據計算一次平均值，將24 h 內的電流平均值進行比較，記錄其中最小電流平均值出現的時刻，由于負載電流最小時進行換相對電網影響最小，即每個時段的最小電流時刻將作為第二天換相開關動作時刻。同時，考慮臺區每天負荷曲線變化不大，將統計的上一個小時內的平均電流作為下一個小時的負荷電流預估，與前一天相同時間段內的平均電流進行比較，得出當天換相開關的動作時刻及動作優先排序[13]。

圖2 集中控制邏輯框圖

其次，從換相開關處獲取其動作次數值Y 并記錄，結合上述換相開關的動作排序，將動作次數少的開關優先排序，使得重新組合后的三相負荷不平衡度最小，同時，減少換相開關動作次數[14-15]。這樣可以保證臺區中換相開關以最少動作次數，達到三相平衡的目的，減少對用戶的影響。

獲取換相開關信息時，若出現若干換相開關信息缺失，表示該段線路通信故障或中斷，周期內未接收到遙控命令的換相開關記為通信中斷，并進入分布控制模式，由換相開關自行計算本段分支的電壓偏差，從而作出換相決策。分布控制調節邏輯框圖如圖3 所示。

圖3 分布控制邏輯框圖

獲取第i 個換相開關所在的相位及該節點的三相電壓，計算三相電壓偏差是否達到觸發條件；若達到換相條件，將負荷從電壓低的一相調至電壓高的一相，換相操作為：換相開關相位在電壓最小相時，將負荷換相至電壓最大相；相位在電壓最大相或中間相，不進行換相。

4 三相負荷自平衡決策仿真分析

4.1 仿真模型

依據上述三相負荷自平衡決策原理，結合浙江省麗水地區某配變臺區的實際拓撲結構、用戶負荷分布、用電量情況，構建了一個含10 個用戶負荷的配變臺區仿真模型（分支線1 包括1—5號用戶，分支線2 包括6—10 號用戶），對臺區使用換相開關調節前后的線損情況、用戶電壓變化情況進行仿真分析，驗證三相負荷自平衡決策在治理低壓臺區三相不平衡問題的可行性。選取配變低壓側一個月的電流、電壓、功率因數、用戶當日用電量數據進行統計分析，按照圖1 的臺區配電結構，運用MATLAB/Simulink 建立臺區仿真模型，首端采用無窮大電源模擬配變（容量為630 kVA），假設臺區首段低壓側電壓保持不變，模型中的負載均采用恒功率模型，即保證切換前后用戶的功率保持不變。

搭建的臺區模型中，10 個單相用戶的負荷大小及所在相位如表1 所示。

表1 負荷電流數據及初始相位

4.2 仿真分析

切換之前，臺區的配變低壓側出口處A，B，C 三相電流分別為346.8 A，984.3 A，809.6 A（均為有效值），三相不平衡度為51.4%。

根據前述三相負荷自平衡控制策略進行仿真試驗，以一組算例進行說明。通過對三相負荷分布的統計分析發現，A 相負荷最小，需將B 相、C 相的負荷切換部分至A 相，根據本文設計的換相策略，調整方式為：用戶7 由B 相切換至A相，用戶1 由C 相切換至A 相。換相前后三相電流變化曲線及控制換相開關的動作信號時序如圖4 所示。在0.08 s 時第一個換相動作信號發送，換相過后A，B，C 三相電流分別628 A，702.7 A，809.6 A；在0.16 s 時第二個換相動作信號發送，換相過后A，B，C 三相電流分別764.9 A，703.1 A，672.7 A（均為有效值），三相不平衡度為7.2%。

假設用戶7 處的換相開關由于通信故障無法接收換相指令，在0.08 s 時未收到換相信號，之后0.02 s 內啟動分布控制策略，從離配變最遠處的用戶開始計算，用戶6 由C 相換相至A 相，用戶5 由B 相換至C 相，最終完成了本次換相序列。換相前后三相電流變化曲線及控制換相開關的動作信號時序如圖5 所示。成功切換后，配變低壓側A，B，C 三相電流分別為620.7 A，786.1 A，751.9 A（均為有效值），三相不平衡度為10.16%，達到三相不平衡標準要求。

圖4 換相前后三相電流波形及動作信號時序（通信正常時）

圖5 換相前后三相電流波形及動作信號時序（通信故障時）

根據上述仿真分析可以看出，臺區支線配有分布控制功能的自決策型換相開關，對于提高臺區三相不平衡控制效率起到關鍵性作用。

仿真過程中，三相負荷換相前后臺區用戶的總功率保持不變，均為452.51 kW。換相之前臺區變壓器出口處總功率為516.75 kW，線路總損耗為64.24 kW，線損率為12.43%；換相之后臺區變壓器出口處總功率為478.38 kW，線路總損耗為25.87 kW，線損率為5.41%；調整后線臺區線損率降低7.02%，日節約電能約920 kWh，每年可提高供電公司收益約16.79 萬元。因此，換相前后不僅大大降低了三相不平衡度，同時也降低了線損率，達到了節約電能的實際效果，臺區的經濟性技術指標得到了顯著提高。

此外，采用智能自動控制調整三相不平衡，還節約了人力成本。按照每人每天人工費200 元，每車每天車輛費用450 元計算，則年運行維護費用約1.74 萬元。可見，三相不平衡的自決策控制策略在保證正常供電的情況下降低了資源的消耗。投資回報比方面，按批產后7 萬元/套計算，預計0.38 年收回成本。

當該臺區負荷處均配置分布控制功能的換相開關時，針對分支線與首端通信全部斷開形成信息孤島的情況，對分布控制功能的換相開關的分配和動作情況進行了進一步的仿真試驗。設計2種換相開關配置方案，分別對2 條分支線路和臺區首端的三相電流不平衡度進行統計分析。

（1）僅在三相中負荷較大的相安裝分布控制型換相開關。此算例中在B 相和C 相各安裝4 個分布控制型換相開關。

按照分布控制型三相不平衡調節策略，進行一個周期的換相調節，換相開關依次動作過程及三相電流不平衡度的變化如圖6 所示。

圖6 首端及分支線電流不平衡度變化曲線

可以看出，首端、分支線1、分支線2 的三相電流不平衡度隨著換相開關序列的動作而變化，每次動作過后三相不平衡度呈整體下降趨勢，首端不平衡度從51.4%下降至18.32%，最終達到了標準要求。

（2）根據A，B，C 三相所帶的負荷比例分配換相開關。此算例中在A，B，C 相分別安裝2 臺、4臺、4 臺分布控制型換相開關，即所有負荷處均安裝。按照分布控制型三相不平衡調節策略，進行一個周期的換相調節，依次動作過程及三相電流不平衡度的變化如圖7 所示。

圖7 首端及分支線電流不平衡度變化曲線

可以看出，當臺區所有負荷均具備換相開關，并且參與動作數量達到最大后，首端不平衡度從51.4%下降至9.66%，三相不平衡度改善幅度更大。另外，從分支線的三相不平衡度變化曲線可以看出，換相開關依次動作后，分支線的三相不平衡度可能會小于首端的三相不平衡度。因此，分布控制型換相開關不僅能改善臺區首端的三相不平衡問題，同時還可以改善分支線的三相不平衡問題，使得分支線和首端同時滿足標準要求。

通過多個仿真分析，驗證了分布控制型換相策略的可行性，并且三相負荷平衡后可以使得臺區線損率大大降低，不但解決了三相不平衡問題，同時大幅改善了線損率這一重要考核指標，達到了臺區電壓質量治理、降低線損的目的，具有實用化的價值。

5 結語

本文提出了配變臺區三相負荷自動平衡綜合控制策略，基于智能換相開關的功能，研究配變臺區三相負荷自平衡控制決策，構建三相負荷自動調平的多目標最優換相模型，形成一套適用于低壓配變臺區的三相不平衡治理方法。三相負荷自平衡控制決策采用集中控制和分布控制2 種方法相結合的方式，可以解決臺區因條件不足無法建設通信環境或當換相開關出現通信故障時無法及時動作的問題，實現了配變臺區三相負荷的自動調平。通過仿真試驗驗證了所研究內容的可行性及實用性，不僅有效改善了三相不平衡現象，還降低了臺區線損率，節約運行成本，為有效提高配變臺區供電安全性和經濟性提供了理論支撐。