基于換相開關與能源控制器的三相不平衡治理研究

于振超，朱德良，孟令欣，滕培青

（中電裝備山東電子有限公司，山東 濟南 250109）

隨著泛在電力物聯網的發展，電力設備也在朝著智能化、移動化、大數據化方向發展，物聯網技術在電力方面的應用給予了終端設備新的生命力。未來的中國電力必將是各種電力設備之間、用戶與智能終端之間、電網企業與設備之間的互聯互通、信息共享，同時電力工作人員可以在任何時間、任何地點快速地排障檢修所轄范圍內的電力設備[1]。

配電臺區三相負荷不平衡對配電網供電安全、供電質量和經濟運行產生不良影響，是配電網運行的薄弱環節之一。為了加快推進泛在電力物聯網的建設，促進傳統電力向智能電力轉型，推進落實各電力公司對配電網精益化管理的需要，治理低壓臺區三相負荷不平衡已經成了迫在眉睫的工作。能源控制器具備信息采集、物聯代理及邊緣計算功能，支撐營銷、配電及新興業務。需要采用硬件平臺化、功能軟件化、結構模塊化、軟硬件解耦、通信協議自適配設計，滿足高性能高并發、大容量存儲、多對象采集需求，集配電臺區供用電信息采集、各采集終端或電能表數據收集、設備狀態監測及通訊組網、就地化分析決策、協同計算等功能于一體的智能化終端設備[2]。將換相開關與能源控制器結合是解決以上問題的關鍵所在。

本文首先介紹換相開關的功能特點及應用，再將能源控制器與換相開關結合應用到三相負荷不平衡的臺區治理中；然后進行整個三相負荷不平衡治理系統出廠前的試驗驗證分析；最后將換向開關與三相不平衡能源控制器應用到現實場景中去檢驗整套三相調節系統的實際效果。

1 換相開關的功能及應用

在三相負荷不平衡的治理中，換相開關具有至關重要的作用，它能夠從整個臺區根源部解決三相負荷不平衡的問題。相比其他的調節設備，換相開關是裝在用戶的表箱側，能夠實時監控臺區邊緣的用電情況并進行實時調節。換相開關在換相過程中能夠無時延切換，不會放大諧波，具有工作噪音小、帶電功耗低等特點。

換相開關是由三相繼電器組成的換相切換器。在接收到能源控制器的換相指令后，開關會將原有的繼電器狀態改變，切換至目標繼電器的命令狀態[3]。如何保證換相過程中不對相關電器造成影響是一個關鍵性的問題，為此，通過實驗來檢驗換相開關的可靠性。

在電力設備正常給各種家用電器供電的過程中，所有電器的用電波形是一種正弦波。在裝上換相開關后，換相開關在切換過程中能夠在坐標的零點位置將相位切換，是最佳時刻，既可以保證用電安全，又不會被用戶覺察[4]。第63 頁圖1 為換相時的電壓波動。

圖1 負載端電壓波形圖

以上實驗結果證明，換相開關在相序之間的切換零誤差都小于一個周波，能夠在10 ms 內完成切換。同時，在開關換相過程中需要做到的就是過零投切，即過零投切誤差不應該大于1 ms。通過波形檢測的結果見圖2。

圖2 過零切相時間波形圖

由上可得，換相開關在相位切換過程中能夠無視覺感受地帶電工作，準確無誤地根據換相指令進行換相，給用戶一個良好的用電體驗。

智能控制器部分相當于監控整個臺區用電情況的匯集單元，能夠與臺區的換相開關通過LoRa 或者載波等通信方式進行通信，通過嵌入的換相策略實時監控實時調節[5]。智能控制器共有7 個部分，分別是交采模塊、換相策略模塊、數據匯集模塊、微控制單元（Microcontroller Unit，MCU） 模塊、顯示模塊、下行通信模塊和4G 通信模塊[6]。

按照此方案類推，對于其他復雜臺區的設備安裝，需要根據現場的環境特點有針對性地確定換相開關的安裝數量和位置，通過與智能控制器的協調，將臺區負載率和不平衡度控制在要求范圍內。

2 系統驗證分析

通過上述安裝設備的方法可以解決三相負荷不平衡的問題，但是整個調節系統在出廠前需要做大量的試驗分析來驗證方案的可行性，包括通信、換相、采集等。換相調試和檢驗無法滿足輸出不同負載的要求，尤其在大負載下進行調節，在實驗室及生成過程中會存在設備及作業人員操作不當等不安全因素。為確保不因設備及人為故障導致不合格產品流出及保護人身、設備的安全，規范合理地用電，可通過三相調節測試臺來模擬各種大負載和動態化不平衡的情況，其中試驗的條件是三相負荷不平衡不是由線路嚴重接線不均導致的。實驗中所用的負載多為容性白熾燈[7]，能源控制器所采集的電流是通過放大電流互感器后采集而來[8]。表1 為換相后三相不平衡度統計表。

表1 換相后三相不平衡度統計表

通過表1 可知，在模擬臺區安裝換相開關的前提下，在臺區的固定負載數量固定的情況下，可將整個臺區的三相負載不平衡度降到規定標準的20%以下。由此可知整套調節系統是可以安裝掛試的。

3 實際案例應用

以2019 年棗木欄臺區為例。該臺區位于農村地區，用電情況復雜，長期以來存在嚴重三相不平衡現象而導致以下問題：一是負載率短時內高低落差大；二是變壓器最大輸出容量和利用率嚴重降低；三是低電壓和停電等問題經常發生；四是臺區過載能力降低。在臺區設備安裝之前，首先將相關的數據進行采集匯總，根據現場實際統計一日不同時間段的三相電流的動態曲線，并制作安裝方案。安裝前的三相不平衡度見圖3。

圖3 安裝前（2019 年9 月4 日）的供電所三相不平衡度

通過換相開關與能源控制器相結合的三相負荷不平衡治理方案，現場施工安裝后，三相負荷不平衡、線損率等都得到了明顯的改善，臺區精益化管理能力得到了明顯提升，見圖4。

圖4 安裝后（2020 年7 月26 日）的供電所三相電流動態圖

同此，其他臺區的治理情況也得到了驗證，不同試點不同時間的復雜情況均得到了改善，得到相關電力公司的好評，有助于此方案的推廣完善。

4 結束語

換相開關與能源控制器相結合的三相不平衡治理方案能夠降低三相不平衡，進而降低線損率。整體的換相調節系統對于隨機性、動態化的臺區三相負載不平衡治理具有顯著成效。但是，由于存在臺區用電復雜多樣化、用電設備種類復雜化、現場施工繁瑣化等問題，對換相開關和能源控制器提出了不少考驗。

后期將會針對實際情況，對換相策略模塊和換相模塊進行產品升級，圍繞運維管控為主、技術改造為輔的策略，為配電臺區的精益化管理作出應有的貢獻。