智能換相技術在配電網三相不平衡治理中的應用分析

國網江西省電力有限公司全南縣供電分公司 袁長亞 林永勝 陳 勇 溫建剛

國網江西省電力有限公司贛州供電分公司 謝曉帆

在配電系統的運行中容易出現三相不平衡問題，應采取合理的措施對三相不平衡問題進行治理，以提高配電網運行的安全性。本文首先分析了配電網出現三相不平衡的原理及由此造成的電能損耗，之后闡述了智能換相開關的設計技術，包括控制系統和執行部分的設計，最后分析了智能換相技術在配電網三相不平衡治理中的應用。

當配電網出現三相不平衡時，如果電力用戶接在負荷較大的某一單相時，則該電力用戶的用電電壓值可能不夠，難以滿足電氣設備的運行電壓要求，甚至還可能出現設備燒損的情況，故應提高對配電網三相電壓不平衡的重視程度。傳統的配電網三相不平衡治理方法主要是采用無功補償以及換相投切負荷的方法，其中換相包括人工換相和自動換相兩種方式。如果采用人工換相的方式，則所需要投入的人工成本較大，并且對負荷的調整也不夠準確，只能實現短暫性的三相負荷平衡。采用無功補償方式更難以實現有效的三相負荷平衡調節。為此，本文介紹了利用智能換相技術治理配電網三相不平衡的方法，通過對單相負荷接入進行有序的換相控制，能夠有效解決配電臺區內的三相不平衡問題，從而始終將中性線的電流控制在最小，確保配電網中的負荷最優分布。

1 智能換相技術

目前電力系統中的負荷正朝著多元化的方向發展，在此情形下，有必要采用智能自動負荷調控系統保證配電系統的安全穩定運行。當配電網運行在三相不平衡的狀態時，配電線路和配電變壓器中的電能損耗都會有所增加；此外，還會產生零序電流，使得配電變壓器出現過熱的現象，降低配電變壓器的使用壽命。采用智能換相技術能夠達到較好的節能降損增效目標，這樣不僅可以降低變壓器損耗，同時也能夠將線路的損耗降到最低。在智能換相技術中，應在交流過零時刻進行投切，以避免產生拉弧現象；同時，應能夠實現是否成功切除配電網當前連接相序的校驗。此外，還應在極短的時間內完成換相操作，達到負荷全時段無縫零毫秒換相的目的。

2 智能換相開關系統的設計

在智能換相開關系統中可以實現對相序的合理分配，主要包括硬件控制系統部分和軟件部分，兩者需要協調運行，以下分別進行分析。通過對智能換相開關中的軟件和硬件進行優化，能夠使得智能換相開關具備優異的連續調控能力，同時采用先進的控制策略，實現配電臺區各條支路的逐段平衡。

圖1 智能換相開關的總體結構圖

2.1 智能換相開關的硬件系統設計

在智能換相開關的硬件系統中，微處理器是硬件系統的核心，其負責數據的采集、處理和分析等。在對硬件系統進行設計時，應采用模塊化的設計思想，圖1為智能換相開關的總體結構圖。

從圖1中可以看出，信號調理模塊從配電母線中提取信息，并通過模數轉換模塊將模擬量轉換為數字量，之后再傳入到處理器中進行分析。處理器能夠通過人機交互模塊接收操作人員下發的指令，并通過通訊模塊將指令傳送到配電系統的換相執行終端，完成實際的換相操作。其中，換相執行終端一般安裝在變壓器的出口處，可以通過過零比較觸發啟動換相控制程序，并檢測配電開關換相之后的分合閘狀態。

2.2 智能換相開關的軟件執行部分設計

軟件系統是智能換相開關執行部分的關鍵，應設計好程序的邏輯流程，圖2為智能換相開關執行部分的軟件流程圖。

從圖2可以看出，智能換相開關的執行部分首先進行系統的初始化，檢查裝置是否運行正常，之后再采集配電網中的電力負荷大小和相別情況，并通過智能換相裝置中的通訊模塊將所采集到的數據信息上傳，同時接收裝置中的控制器所下發的指令。執行部分根據控制器的指令來采集負荷的瞬時電流，并判斷配電網的運行狀態是否符合換相條件，如果滿足條件則實施換相操作。

在軟件流程中判斷是否滿足換相條件時，主要是根據智能換相控制模型進行判斷，將此時采集的配電網運行數據信息傳輸到換相控制模塊中，在滿足換相控制模型的約束條件下，通過優化控制使得目標函數最優，達到智能換相的目的，以下對智能換相技術中的模型及算法進行分析。

圖2 智能換相開關執行部分的軟件流程圖

3 智能換相技術模型及應用分析

3.1 智能換相技術模型及算法

利用智能換相技術調整配電網中的三相負載是治理配電網三相不平衡問題的最經濟有效的方法。在開發智能換相開關時，需要建立智能換相模型。可以以總換相次數最小和三相不平衡度最小為目標函數建立智能換相技術模型，其中單相不平衡度的計算公式如式(1)：

式(1)中：βα為某一單相的不平衡度，Iα為所采集的某一時刻電流值，Iav為三相電流的平均值。將智能換相開關的總換相次數最小作為目標函數，主要是考慮到智能換相開關的動作次數越多則使用壽命越低，故應盡量降低智能換相開關的動作次數。

約束條件包括三相電流的大小不超過線路的載流量、最大不平衡度不超過預設的允許值等。對于智能換相技術模型的求解算法，可以采用粒子群優化算法進行求解。粒子群優化算法的求解速度較快，編程實現也較為簡單，能夠通過不斷迭代更新粒子的速度和位置達到求解最優解的目的，其在電力系統優化計算領域中也得到了廣泛應用。

3.2 智能換相技術的應用分析

智能換相開關裝置在投入實際應用之前，需要先進行嚴格的性能和功能測試，只有經過測試確認采用智能換相開關裝置能夠很好地解決配電網中存在的三相不平衡問題，才可以將該開關裝置投入到實際應用中。在對該智能換相開關裝置進行測試時，主要需要對信號調理電路、換相執行終端和通信模塊等方面進行測試。其中，在對換相執行終端進行仿真測試時，應分別在感性、阻性和電容性等場景下計算出負荷的斷電時間，一般在10 ms左右。當在各種負荷場景下負荷斷電時間都符合要求時，則表示該智能開關換相裝置的性能較為良好，可以掛網運行。

結論：配電系統如果長期運行在三相不平衡的狀態下，則會引起臺區內電能質量的降低，并且降低配電變壓器的運行安全水平和使用壽命。采用本文所述的智能換相開關技術，能夠很好地解決配電網中的三相不平衡問題，優化配電系統的運行，對于提高配電網運行的經濟性和安全性具有一定的價值。