三相不平衡精細化治理方法探究

高家皓，蘇 程，孫立芳

（1.中電裝備山東電子有限公司，山東 濟南 250100；2.濰坊市農業機械研究所有限公司，山東 濰坊 261000）

在我國的電力系統規劃建設中，低壓配電網絡是電力傳輸的終端環節，相對于高壓和中壓輸電網絡，低壓配電網所涉及區域人口密度更大，服務范圍更廣，對供電安全以及電能質量的要求更高。在低壓配電網運行過程中，單相負荷分配的不均衡和用電的隨機性造成了臺區三相負荷不平衡問題，額外增加了配電變壓器和低壓配電線路的電能損耗。現有的配用電信息采集系統難以完全解決線路負荷不平衡問題，尤其是各分支線路不平衡問題更是難以解決。

隨著通信技術的發展，基于臺區智能終端的用電信息采集方案應運而生。與傳統的電力抄表方案相比，該方案在低壓配變出線側、線路側以及用戶側增加了更多類數據變量的采集，實現對整個臺區配用電設備的在線感知，對設備所處環境的實時監測，以及對電能質量的精細化分析等功能。本方案治理臺區三相不平衡問題是基于臺區智能終端，通過多種設備協同配合，完成對整個臺區的三相不平衡治理，在實現配電側負荷電流平衡的基礎上確保各個分支線路實現自平衡，從而實現精細化治理。

1 三相不平衡治理概述

在低壓配電網運行過程中，單相負荷分配的不均衡和用電的不同時性造成了三相負荷不平衡，會導致三相電流不平衡，額外增加配電變壓器和低壓配電線路的電能損耗。三相負荷不平衡比較嚴重時會造成低電壓問題甚至燒毀變壓器單相繞組。

目前，典型的解決方案有換相開關型三相負荷自動調節裝置、電容型三相負荷自動調節裝置和電力電子型三相負荷自動調節裝置。后兩種模式分別通過相間功率轉移和輸出補償電流以實現配變低壓出線處的三相負荷平衡，但不能從根本上解決實際負荷均衡分配問題，而換相開關型裝置能從線路側解決三相負荷不均衡問題，既能降低臺區的不平衡度，又能降低臺區線路的電能損耗[1]。

本方案是在不改動當前電網線路、分支箱、計量箱以及電表等電力設施的情況下，通過在分支側增加節點監測單元，并在表箱側增加智能換相開關，實時監測用戶負荷的電流數據和各個分支線路上的三相電流數據。在該方案中，通過LoRa通信技術將電流數據上傳至配變側的臺區智能融合終端，臺區智能融合終端根據采集到的變壓器二次側出線處的電流情況判定此臺區的不平衡度，采用基于最小二乘法的換相算法計算出最佳換相開關動作方案，下達給分布于臺區各處的智能換相開關，完成負荷帶電換相動作，從而解決三相不平衡問題。

2 三相不平衡的原理

三相不平衡一般是指電力系統中三相負載不平衡，且不平衡度超過一定范圍的現象。三相不平衡度是衡量這一現象的一個指標，它的計算公式為

式中：σ為電流不平衡度；Imax為三相中最大電流；Imin為三相中最小電流。

導致線路中三相電流不平衡的原因主要是單相負荷的分配不均以及隨機性變化。第114頁圖1為三相四線制配電網絡等效圖，在A，B，C三相負載平衡的情況下，每相的等效阻抗一致，即Ra=Rb=Rc，此時三相電流IA，IB，IC相等，中性線路電流為0，配網中性線路中沒有損耗。當三相負載不平衡時，就會出現中性點電壓偏移的情況，若電壓偏移過大，就有可能導致母線某相的相電壓增高至接近母線的線電壓[2]，這種高電壓會大大縮短單相設備的使用壽命，嚴重的甚至會造成電器設備損壞，引發火災等。三相不平衡導致線路產生的零序電流增加了線損，同時線路長時間發熱會加速線路的老化，增加了老化線路出現安全隱患的概率。

圖1 三相四線制配電網絡等效圖

3 現代智能換相調節方案

自三相低壓配電網建立以來，三相不平衡問題就是客觀存在的，提升供電質量和降低臺區線損一直是迫切需要解決的問題。早期治理三相不平衡問題就是通過人工改線的方式，結合臺區長期運行的監測數據調整用戶負荷，盡可能地實現用戶負荷三相均勻分配，從而降低三相不平衡度，但是由于用電負荷的隨機性，無法長期保證三相平衡。隨著電力電子技術的發展，更多的智能設備被用于解決此問題，目前三相負荷自動調節裝置有3種類型的技術路線：換相開關型設計方案、電力電子型設計方案和電容型設計方案[3]。

相比其他兩種治理方案，基于智能換相開關的解決方案能從根本上解決臺區負荷分配不均衡問題。智能換相開關三相進線，單相出線，使原有用戶負荷由固定負荷變為可調節負荷，在不停電的情況下實現負荷相位的切換并且利用晶閘管、繼電器等電子器件實現0 ms不停電換相，解決臺區三相不平衡問題。在低壓臺區配電變壓器二次側加裝控制器，實時監測臺區三相電壓、電流，在用戶負荷處加裝智能換相開關，用于監測負荷電流數據以及執行負荷換相動作，具體方案見圖2。

從圖2來看，在換相開關執行控制策略進行換相后，容易導致這種現象：配變側的控制器處能夠實現三相電流平衡，但是在一級分支1、分支2、分支3處，三相電流極度不平衡，不平衡度σ=根據現場情況，以農網分支線路使用35 mm2鋁制導線為例，參考國際電工協會的導線載流量標準，35 mm2鋁制導線長期允許載流量為85 A[4]。由于一級分支需要連接多路用戶，此處三相電流不平衡極易導致分支處用電線路的載流量超過標準值，使溫度上升，加速老化，甚至有安全隱患。例如在分支1處，A相電流90 A，B相電流0 A，C相電流0 A，導致A相載流超過額定值，B相和C相線路則相對空閑，存在一定程度的資源浪費，沒有達到資源合理分配使用的要求。

圖2 電氣連接示意圖

4 三相不平衡精細化治理方案

基于智能換相開關的設計方案在整體設計結構和換相策略上還有不足，雖然能夠降低配變側三相電流不平衡度，有效地調節變壓器出口電能質量，改善變壓器運行工況，但是分支處的三相負荷不平衡現象依然沒有得到有效調節。本文的設計方案能夠解決分支處三相不平衡的問題，實現配變層、分支層的三相電流平衡，真正實現三相不平衡的精細化治理。

4.1 總體架構

本設計方案是在配變二次側加裝智能融合終端，一級分支進、出線位置增加節點監測單元，用戶表箱前側加裝智能換相開關。本方案的電氣連接關系和換相平衡后的電流情況見圖3，其中，選取的電流數據尤為突出本方案的優勢。

圖3 精細化治理效果示意圖

智能融合終端通過高速電力線載波（Highspeed Power Line Carrier，HPLC）與節點監測單元和智能換相開關通信，通過畸變電流注入的方式，節點監測單元能夠識別到所在分支上的智能換相開關。智能融合終端作為整個配電臺區的控制器，能夠實時監測配變二次側低壓出線的電壓、電流等電氣數據，計算臺區的不平衡度，分配換相調節方案。節點監測單元安裝于所有分支進、出線處，具有計量及數據監測功能，能夠與智能融合終端通信，上報分支處的三相電流情況和下屬換相開關所在相位信息、電流信息。換相開關安裝于表箱前側，具備數據監測功能，通過HPLC與智能融合終端通信，上報相位與電流數據，在臺區三相不平衡度超標時，能夠根據智能融合終端計算出的調節方案進行負荷帶電換相。

從圖3可以看出，該方案在實現配變側三相電流平衡的基礎上能夠實現各個一級分支線路上的電流平衡，保障分支線路載流量低于額定值，例如分支1處A相30 A，B相30 A，C相30 A，不平衡度本方案的關鍵點在于加裝的節點監測單元能夠實時監測到節點處的電流情況，參與智能融合終端調節方案的計算，真正實現臺區各級線路的三相平衡，有利于降低臺區線損，提高末端電壓。

4.2 設備構成

1）智能融合終端。智能融合終端依托邊緣計算的分布式運算服務和臺區就地化分析決策，實現低壓臺區“數據全量采集、狀態全面監測、業務全面穿透”。采用“硬件模塊化、軟件容器化”的設計理念，硬件與軟件實現了最大程度的解耦。智能融合終端安裝于變壓器低壓出線側，能夠采集三相電流、電壓、有功、無功等數據，能夠與節點監測單元、智能換相開關通信，采集各節點數據。容器內三相不平衡治理APP完成三相不平衡度及換相開關策略的計算，最終下達給各換相開關，完成三相不平衡治理。

2）節點監測單元。節點監測單元安裝于分支箱側，能夠精準地采集三相電壓、電流等數據，能夠通過HPLC與智能融合終端進行通信。智能融合終端在進行換相開關調節策略運算時會對各個分支處的節點監測單元進行輪抄，從而實現分支的三相平衡。

3）智能換相開關。智能換相開關安裝于表箱前側，與智能融合終端通過無線或HPLC通信，接收換相指令進行換相動作。換相開關三相進線，單相出線，能夠實現用戶負荷的自動切換，利用晶閘管加繼電器模組的方式進行負荷換相動作，換相時間為0 ms，不影響用戶正常用電。

4.3控制策略

控制策略使用全局最優化算法來實現。智能融合終端在計算換相調節方案時，首先確保配變側的三相電流平衡，保證變壓器正常運行，然后結合各個節點監測單元上報的分支電流信息與下屬換相開關的相位、電流信息，選擇最優的換相策略，下達給智能換相開關，完成三相不平衡治理的一次調節，換相流程見圖4。

圖4 換相方案示意圖

4.4 應用案例

陜西省某試點臺區變壓器相間負載不均衡情況比較嚴重，該臺區變壓器容量為800 kVA，用戶289戶，從變壓器檢測數據來看，出線電流不平衡情況比較明顯，尤其是在中午和晚上用電高峰時段。該問題是由負荷分配不均導致的三相電流不平衡，各相電流差值最大可達177．6 A，不平衡度超過64．61%，變壓器偏載情況十分嚴重，電流曲線見圖5。

圖5 安裝前配變側三相電流

經過實地勘測，該臺區一級分支點為3處。應用本方案，在配變側加裝智能融合終端，分支處加裝節點監測單元，表箱側加裝換相開關，每個分支后的換相執行點確保在8個以上。安裝后，臺區配變側、分支側的三相不平衡度小于15%，第116頁圖6為該臺區全天時刻的配變側三相電流曲線。

圖6 安裝后配變側三相電流

通過分析其中一個節點監測單元監測的數據，可以看出臺區分支處同樣實現了三相電流平衡，不平衡度小于10%，見圖7。應用該方案后，該臺區實現三相動態檢測，實時在線調整三相負荷，有效降低因三相不平衡導致的線損，臺區線損下降5%以上，實現了臺區三相不平衡的精細化治理。

圖7 安裝后分支側三相電流

5 結束語

針對低壓臺區三相不平衡的問題，本文優化原有基于智能換相開關的治理方案，實現了對臺區分支側三相不平衡的治理。相對于基于智能換相開關的治理方案，本方案在分支處增加了節點監測單元，能夠實時監測分支進、出線處的電流情況，通過優化的算法計算換相調節方案，能夠在換相開關動作次數最少的條件下實現配變側和分支側的三相電流平衡，真正意義上實現了低壓臺區三相不平衡的精細化治理。