基于智能換相策略的三相不平衡治理方法

王杰鋒

(云南電網有限責任公司麗江供電局，云南麗江，674100)

0 引言

配電網負荷復雜，特征多樣，伴隨而來的三相不平衡問題愈加突出，為電力系統的安全運行埋下了極大的隱患。同時，隨著經濟的高速發展，居民用電量大幅提升，其隨機性分散性和分布式發電的分散性使得低壓配電網的三相不平衡問題更加嚴重[1]。因此，三相不平衡造成的電能質量劣化問題愈加受到國內外研究人員的重視，其治理方法也是近年來配網安全穩定運行方向的重點。

對于三相不平衡電流，現有的治理方法主要包括：一是自動換相：直接從負荷側著手，切換單相負荷，以降低不平衡電流為目標實現三相平衡[2]，但在換相設備的安裝上較為復雜，難以應用在較大范圍，并極易由于經常切換產生操作過電壓，降低配網可靠性；二是加裝電力電容器：利用電容器實現電容補償，有效控制三相不平衡，且設備安裝較簡便，但補償精確性較差[3,4]；三是安裝電力電子設備[5,6]：通過消除零序及負序電流使得變壓器三相平衡，設備運行精確度高、損耗低。通過綜合考慮用戶側負荷的多樣性與隨機性，三相不平衡程度需要時刻調節以保證電網穩定性，采用以電力電子設備為基礎的智能換相方法，通過合適的智能換相策略重新分配各相負荷，即可完成對三相不平衡的治理，智能、安全、快速[7]。

本文首先分析了三相不平衡治理原理及換相開關設備的裝置組成，選擇了遺傳算法與爬山算法局部搜索相結合的智能換相策略。此后在某變臺區實現了現場應用并通過三相負荷電流曲線圖展示了治理效果，驗證了智能換相裝置實際應用的可行性。

1 三相不平衡治理原理

1.1 三相不平衡度定義

基于電網規范對三相不平衡度的要求，三相電力系統中不平衡現象的測算可以使用三相不平衡度表示，如下式（1）所示。

其中，Aa1為三相電流或電壓正序分量的有效值，Aa2為三相電流或電壓負序分量的有效值[8]。

在現場應用時，應結合實際情況選擇最合適的計算量，目前配網存在的三相不平衡問題一般是電流情況，因此使用電流作為計算數據。

1.2 智能換相開關

智能換相開關一般是指由控制與執行兩大模塊組成的智能換相系統。兩大模塊以控制終端為主導，相互聯結、通訊，實現整個系統的治理功能。

1.2.1 控制終端

控制終端是三相不平衡問題治理的重要模塊，通過系統設置的閾值實時判斷三相不平衡度的偏移，一旦超出立即向執行模塊發布指令。首先，根據三相支路數據設定的最優換相策略，計算換相方式并發出指導，達成三相電流平衡的目標。當換相完成，用戶端負荷已完成調節，再控制無功補償設備進行補償。

其中，控制終端包括無線通訊部分，電流、電壓互感器，A/D轉換器，數據存儲、處理、算法部分，補償部分等[9]。

1.2.2 智能換相執行模塊

智能換相執行模塊負責數據采集及換相指令的執行，它與控制模塊的通訊使用無線方式，由執行模塊的數據采集端收集三相電流、負荷情況，結合設備信息由通訊部分傳達給控制模塊。經由控制模塊算法計算獲得換相指令，執行換相動作，調節不同相的負荷量，完成三相不平衡問題的整治。

其中，換相部分使用反并聯的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)[10]，為了構建復合式換相開關，結合持續不間斷工作的磁保持繼電器先構造單相開關，聯結三組單相開關即可達成換相功能。在三相平衡狀態，IGBT不工作，一旦發生三相不平衡度超越閾值的情況，控制模塊發出指令，立刻控制IGBT啟動完成相間負載調整，快速在線換相。其優勢在于無沖擊，線損小，對用戶側的影響極小[11]。

1.3 智能換相策略

通過執行模塊的數據采集裝置，即電流、電壓互感器等，實時在線收集的三相電流及負載數據，通過控制模塊合理的智能換相策略及算法計算，獲得換相指令是智能換相開關的技術核心。為了及時準確調整用戶側波動的負荷實現不同相間的平衡，一個精準靈活的智能換相策略極為重要。

本文采用智能算法獲得智能換相的最佳策略，使三相不平衡度最小的同時，換相次數最小。智能算法能夠計算依據實際設定的目標函數的最佳策略，且根據不同情況可以選取適合的不同特點算法，已在配電網得到了大量的應用。為了達成智能換相開關及時、準確、可靠的要求，在此選取速度快、精度高的智能算法，在應用全局搜索獲得最優解的遺傳算法時，結合使用爬山算法[12]。這一局部搜索算法雖然在大范圍內存在一定的缺陷，卻可以和以全局為基礎的遺傳算法合理結合，且計算簡便，有效減少了計算量，為換相策略的實時在線計算打下了基礎。

2 現場應用

為進一步驗證智能換相在三相不平衡情況下的應用效果，本文基于上文提及到的治理三相不平衡采用的方法，利用智能換相開關進行負荷換相，降低三相不平衡度，并結合景區負載特性，制定安裝治理方案，完成安裝調試，在麗江某變臺區實現智能換相開關及智能算法獲得的最佳策略的現場應用。解決了由于負荷波動太大，經多次現場運維手段治理仍未能得到根本解決的三相不平衡問題。

其中，數據傳輸設備通過全球移動通信系統GSM向數據模塊上送電壓、電流，有功、無功、功率因數等電氣量以及環境溫度、濕度、無線測溫溫度等環境參數，實時在線獲知三相不平衡情況及治理情況。無線方式主要采用移動運營商的無線網絡數據接入業務，如：GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/EVDO以及更新的4G LTE網絡等。其優點是成本低廉、建設工程周期短、適應性強、擴展性好、維護方便并且擴展容易。

3 效果展示

通過智能換相設備的現場應用，采集三相負荷電流數據，繪制加裝治理裝置前后曲線圖如下所示。

通過加裝三相不平衡治理裝置后的對比圖可以直觀地發現：6日加裝三相不平衡治理裝置前，系統由于接入負載不平衡，數據采集電路得到的波形情況如圖1，三相不平衡情況較嚴重，三相不平衡度大，尤其是在用電高峰期。6日15時加裝該裝置后的波形情況如圖2，波形明顯平穩，說明了負荷的波動不會對用戶側用電造成影響，應用效果顯著，達到了安裝三相不平衡治理裝置的目的，提高了電力系統的穩定性。

圖1 治理前三相負荷電流曲線圖

圖2 治理后三相負荷電流曲線圖

4 結論

本文通過介紹三相不平衡的現狀及治理方法，采用基于遺傳算法與爬山算法局部搜索的智能換相策略，經過現場應用，獲得了治理前后三相不平衡負荷電流曲線圖，對比得到了有效的結果，證明了此智能換相算法的可行性。通過智能開關設備對配電臺區三相不平衡情況的改善，很好的治理了配電網的三相電流不平衡的問題，最終能夠使臺區的經濟運行水平和供電質量得到顯著的改善。