配電網三相負荷不平衡的優化調度治理技術分析

蘭州工業學院 高 迪 范 靜 山西兆光發電有限責任公司 李海全 中國人民解放軍78156部隊 南康杰

1 引言

我國各地區電力用戶數量多、分布分散，再加上地區負荷特性復雜，造成了大量單相負荷在時間和空間上的非均衡分布，從而造成了大部分配電臺出現了不同程度的三相負荷不平衡。當配變不對稱運行時，會在配網中形成與之對應的零序、負序，這不僅會使變壓器額外損耗增大，對功率輸出有一定的影響，還會使線損增大，使電機轉矩減小[1]。此外，由于負序電流的存在，會對電能表計的測量精度產生一定的影響，從而對電力系統帶來一定的經濟損失。

2 配電網三相負荷不平衡的影響

在低電壓配電網絡中，單相負荷所占比重很大，且具有很強的隨機特性，常造成三相負荷不平衡。隨著負荷類型、功率的不斷增長，以及非線性負荷、單相負荷以及沖擊負荷所占比例的不斷提高，三相不平衡問題日益突出，對配電系統安全、經濟、可靠運行造成了極大的威脅[2]。低壓配電網三相不平衡的長時間不平衡會導致變壓器出力下降，變壓器損耗增大，電網保護元件誤動作，異步電動機有功功率下降，線路損耗增大，配電網終端“低電壓”等一系列問題。

2.1 對變壓器的危害

配變的功耗分為空載功耗和負荷功耗。在這兩種情況下，空載損失基本上是常數，而負荷損失是與負荷電流的平方成比例的。在配電網絡中，由于三相負荷的不平衡，使變壓器的損失增大，并且隨著不平衡程度的增大，額外損失也隨之增大[3]。這種損失不僅會引起變壓器的高溫，而且還會引起變壓器的損壞。因為變壓器的繞組結構是根據三相對稱運行來進行的，因此，在三相負荷不平衡的情況下（一相重載、兩相輕載或者兩相重載、一相輕載），重載相不可避免地會首先到達設計的額定容量，而輕載相則會有一定的容量裕度，這就會導致變壓器的出力下降，從而影響到變壓器的工作效率。

2.2 增加線路損耗

在配電網絡中，線損失與通過導線的電流的平方和線路阻抗成比例。在低壓配電網絡中，三相負荷是均衡的，三相電流是均衡的，而中性點是零點。該方法不計中性線損失，其損失與變壓器負荷損失的計算方法基本一致。由于三相負荷不平衡時，中性線電流非零值，所以在不平衡情況下，除了三相線損之外，還包含了中性線損，三相負荷不平衡將導致線路損耗增大。在三相四線制下，三相負荷間的不平衡性對線路損耗的增幅有較大的影響：單相負荷較輕，二相負荷較重時，線路損耗增幅較大；在一相負荷輕、一相負荷平均、一相負荷重的條件下，線損上升幅度明顯；在二相負荷輕，一相負荷重的條件下，線損的增長幅度很小。三相四線制配電系統中，中性線零序線路通常較三相導線較細，在三相負荷不平衡條件下，將產生較大的中性線短路，從而導致中性線短路，進而威脅到整個電力系統的安全。

2.3 降低感應電動機輸出有功功率

由于三相負荷的不平衡，導致了三相電壓的不平衡，經轉換后，三相電壓的不平衡可分為正序電壓、負序電壓和零序電壓。對于電動機來說，負序電壓成分會形成一個與正序成分相反的旋轉磁場，會對電機造成制動，從而導致電機的輸出功率降低。由于正反兩個方向的周期效應，使得轉矩周期波動，造成電機發熱、振動，長此以往，會縮短電機的使用壽命。

3 三相不平衡度計算

配電網絡中三相負荷不平衡的形成原因很多，其中最重要的內容是：負荷非對稱接地引起的負荷分布不均勻；負荷用電具有隨機特性，難以確保三相同步工作。

三相電壓不平衡是衡量電力品質的一個重要指標，一般表示為負序基波，或正序基波與零序基波之方均根的百分比。在國家標準《電能質量三相電壓允許不平衡度》中規定，在一般條件下，各等級電網的三相不平衡值不高于2%；在同一聯接點上，單個客戶造成的三相不平衡值不高于1.3%；三相不平衡值的計算不僅是對三相不平衡進行有效管理的前提，也是對三相不平衡值進行分析和確定的依據。三相不平衡的計算方法有兩種，一種是國標規定的三相不平衡；二是用一種近似的算法來求三相不對稱。

3.1 國家標準定義三相不平衡度的計算方法

國標定義的三相不平衡度，用對稱分量法分解得到正序分量、負序分量和零序分量。計算公式為

三相電壓負序不平衡度：

三相電壓零序不平衡度：

IGN 對三相電壓不平衡的一種計算方法，是用三相三線制電網的線路電壓進行計算的，計算表達式為：

3.2 三相不平衡度的近似計算方法

為估算一個單一不均衡負載引起的三相電壓失衡而產生的共同連接點，通常，將公用接頭與電源間的接頭阻抗正、負序阻抗相等，計算式為：

式中：I2為負序電流值；UL為線電壓；Sk為公共連接點的三相短路容量。

國家標準定義的三相不平衡度計算法，按照式（2）和式（3），三相電壓幅值，相位的測量，再由對稱分量求出正負序及零序。由于該方法的計算比較煩瑣，而且其輸出電壓的幅值及相位不易測定，所以在實際應用中并不多見。CIGRE 的定義可以通過只用線電的量值來計算三相不平衡，并且其結果和國家標準的定義的數值一樣。

4 負荷相序平衡法

4.1 人工換相

人工換相指的是在對人工測量或系統采集的運行數據進行分析后，用試錯的方法再次將三相負載在低壓線路上換相，達到負載平衡，從而減少三相不平衡度。

人工換相的方式以手工操作為主，所以費用比較便宜，但在換相之前要進行大量的數據處理，這就要求工作人員有很高的專業的操作經驗。由于電力系統負荷的隨機、不確定，且無法通過人為手段實現對真實負荷不平衡狀態的實時、動態調節，故僅能緩解三相負荷不平衡，而很難實現良好的均衡。

4.2 自動換相

根據負載信息和電網參數，自動換相技術，以平衡三相電流，改善電壓分布，減少有功損耗，增加線路容量等為目的或約束，采用最優方法求解出最優的換相控制方案，實現三相負荷的自動換相，進而降低三相負荷的不平衡程度。自動換相控制室的作用是收集三相電流，計算三相不平衡度，對負荷均衡狀況的判斷，以及與逆變開關的通訊，來獲取線上的負荷狀況，并實施換相控制策略，這樣就可以控制換流器的自動開關相位順序。自動切換裝置將測量到的負載電流，電壓，以及切換狀態等信息，通過有功線路載體，傳輸到控制裝置，并從控制室那里得到指令，這樣就能實現負載相序的自動轉換，降低三相不平衡，提高電力質量。 自動換相系統如圖1所示。

圖1 自動換相系統

實現三相負荷的實時調節，克服了手動換相的缺點。

5 配網重構法

配電網的網絡重構是一種重要的優化模式，該方法根據負荷預測結果，根據負荷的變化情況，通過調整聯接開關和分接開關的斷開狀態，從而使整個系統的拓撲發生變化。該方法既能使負載在每條線路、每一臺變壓器上均布，又能使負載平衡，又能減少網損，改善電力質量。

配網重組可通過負荷轉換實現對負壓的有效均衡，但其本質是一種以提高電網潮流分配、降低網損為目的的多目標優化。在運行過程中，同步進行開關與線路轉換，會造成開關元件的損失，并存在著一定的斷電危險。

6 三相負荷不平衡的治理措施

6.1 用管理手段來降低不平衡度

強化對配電變壓器的日常管理，及時跟蹤、檢測三相電流不平衡，當負荷不平衡程度較大時，應調整線路所載負載的分布比例。此外，為防止中性線燒斷會導致中性線的電力損失增加，還可以將中性線的橫斷面增大到與相線斷面相近或相同的程度。

6.2 負荷相序平衡法

負荷相序平衡方法是指在不改變原配網結構的情況下，使用手工換相或使用自動換相裝置，將不平衡的負荷均勻地分布在每一相位上，以降低三相負荷的不平衡程度。負荷相序平衡能從根源上消除三相不平衡，減少線損，且設備造價低廉，在解決三相不平衡問題方面有著廣泛的應用。

6.3 相序平衡的優化算法

在電力系統中，利用電力系統中的各種數據，對其進行建模，找出最優的電力系統控制策略。在低壓配電系統中，只要監測到每一個用戶的負荷狀況，并將其置入適當的相位，就可以達到三相負荷的均衡。以上的算法，主要是以三相負荷不平衡度、網絡線損、換相次數等作為目標函數或約束條件，以負荷所在相別、負荷大小和負荷的空間位置等信息為基礎，構建一個數學模型。在此基礎上，提出了一種基于最優解的電力系統負荷分配方法，并采用一種新的電力系統負荷分配方法，實現了電力系統三相負荷分配。

6.4 兩種技術方案的特性對比

負荷補償可在不改變配網結構與運行模式的前提下，迅速、有效地消除低壓配網三相負荷不平衡，并具有無功補償、諧波抑制等作用，適用于中高壓場合，是當前三相負荷不平衡的重要方法。然而，由于負荷補償設備價格昂貴，維護費用高，對維修人員的技術水平有較高的要求，使得該設備不能在低電壓配電網中得到廣泛應用，特別是在城鎮和城鎮建筑中的家庭供電。負荷的相序平衡就是指從負荷的觀點出發，實現三相負荷的平衡。本文主要研究了一種基于數學方法的低壓配電網絡中的負荷分布問題，并在此基礎上提出了一種新的負荷分布算法。該方法費用低廉，操作簡便，能在一定程度上減少線路損耗，改善系統的經濟性能，從而從根本上解決低壓配電網絡中的三相負荷不平衡問題。

7 結語

在新能源、信息和電力電子等技術快速發展的背景下，配電網中的電力質量和供電可靠度問題日趨嚴重。三相不平衡現象是一種對電力系統的供電品質有很大影響的現象，是由三相不平衡引起的。在配電網絡中，由于三相負荷的不均勻性，這將引起三相電壓不平衡，引起線損增大，變壓器輸出功率降低，并嚴重影響用電設備的正常運行。如何有效控制三相負荷不平衡，是提升配電系統安全穩定、改善配電系統電能品質的重要課題。