傅 穎，楊成鋼，趙建文，金華芳，王曜飛，呂春美

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000）

0 引言

我國低壓配電變壓器（以下簡稱“配變”）臺區(qū)采用三相四線制供電，供電電壓為380 V/220 V，供電模式為臺區(qū)三相動力負荷與單相居民負荷混合接線，這種供電模式使得低壓配電網(wǎng)的三相不平衡問題長期存在。在低壓配電網(wǎng)中用電客戶以單相居民客戶為主，所以單相負荷接入的情況在整個供電系統(tǒng)中占有很大的比例。因條件和資金限制，單相低壓供電線路延伸過長，再加上單相用戶的不可控增容、大功率單相負載的接入及單相負載用電的不同時性等客觀原因，在配電網(wǎng)中極易造成配電臺區(qū)三相負荷分配不均衡，這就給低壓配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟運行帶來較大的負面影響，因此需要通過采取管理和技術(shù)手段，實現(xiàn)對三相不平衡情況的自動調(diào)節(jié)，降低三相不平衡度，減少電壓降落，改善供電電壓質(zhì)量，降低線損[1-3]。

本文基于智能換相開關(guān)治理三相不平衡的方法，研究適用于配變臺區(qū)的三相負荷自平衡控制決策，提出了分布控制型三相負荷不平衡調(diào)節(jié)方法，作為集中控制策略的補充和完善，可以解決配電線路部分支線上的換相開關(guān)因通信故障或信息缺失而無法動作的問題，提高了換相開關(guān)動作的有效性，為提高配變臺區(qū)供電可靠性和安全性提供理論支撐。

1 三相不平衡的治理措施

低壓線路三相負荷不平衡具有極其明顯的特點：具有可見性和可測算性；引起的線損超常大和造成嚴重危害；具有存在的頑固性、長期性及沿線分布較廣性。為了降低配電臺區(qū)電能損耗，提升配電網(wǎng)電能質(zhì)量，必須采取有效調(diào)整措施，治理或消除低壓三相負荷不平衡。除了提升規(guī)劃和管理水平外，常規(guī)的處理措施主要有以下幾種[4-5]。

（1）人工調(diào)整，均分負荷。結(jié)合歷史記錄并根據(jù)實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過手動調(diào)整接線的方式盡量均分負荷，加強三相負荷分布控制。該方式的缺點是：手動調(diào)整效率低下，不便捷，且操作具有一定的危險性；需要停電操作，影響供電可靠性；無法根據(jù)負荷變化實時動態(tài)調(diào)整。

（2）利用無功補償裝置治理三相不平衡。在實際電力系統(tǒng)中，三相不平衡和無功功率經(jīng)常同時出現(xiàn)，因此可在傳統(tǒng)電力電子型SVC（靜止無功補償器）或SVG（靜止無功發(fā)生器）無功補償功能的基礎(chǔ)上，通過改進控制算法使其同時具備無功補償和抑制三相不平衡的功能。但沿線路的三相負荷不平衡問題并沒有得到根本解決，線路損耗和終端負荷的電壓質(zhì)量問題，甚至是低電壓問題依然存在。

（3）自動切換裝置調(diào)整三相不平衡。智能換相開關(guān)是調(diào)整供電電源相位的開關(guān)設(shè)備，三相輸入，單相輸出，導(dǎo)通情況下任何時刻只能有一相導(dǎo)通，其余兩相處于分斷狀態(tài)，可通過監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制或本地控制實現(xiàn)供電電源相位的調(diào)整。

因此，本文針對配變臺區(qū)供電特點，研究三相負荷自動調(diào)平的換相模型，構(gòu)建適用于配變臺區(qū)的三相負荷自平衡控制決策，包括集中控制型和分布控制型2 種策略。集中控制型由幾種控制開關(guān)或配變終端進行分析決策，下發(fā)命令至各支路上的換相開關(guān)完成換相過程；分布控制型是針對通信缺失情況下的分支線路，由單臺換相開關(guān)完成三相負荷分布式自動調(diào)平控制，將2 種控制策略相結(jié)合實現(xiàn)臺區(qū)三相負荷自動調(diào)平。

2 三相負荷不平衡調(diào)節(jié)原理

2.1 集中控制型三相不平衡調(diào)節(jié)

低壓配電網(wǎng)的三相不平衡主要是指三相負荷不平衡的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致的三相電壓或三相電流不平衡，且三相不平衡對低壓配網(wǎng)以及配用電設(shè)備的正常工作造成了許多不良影響[6]。若想降低低壓配網(wǎng)的三相不平衡度，保證負荷的正常供電，則需根據(jù)配電母線各相的電流及各支路負荷電流的大小，在不影響單相負荷正常用電的同時，對單相負荷進行合理、平穩(wěn)、無沖擊的換相操作，更改其所連接的相序，將單相負荷支路在三相間盡可能地平均分配，才能最大程度地降低低壓配網(wǎng)的三相不平衡度[7]。基于自動換相調(diào)節(jié)的配變臺區(qū)三相不平衡治理結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 配變臺區(qū)三相負荷不平衡治理結(jié)構(gòu)框圖

假設(shè)配電變壓器低壓側(cè)三相電流分別為Ia，Ib，Ic，則平均電流Iav為：

所以用以衡量三相負荷電流不平衡程度的電流不平衡度γφ一般定義如下：

式中：φ∈{A，B，C}；Imaxφ為最大相電流值。

Q/GDW 519—2010《配電網(wǎng)運行規(guī)程》規(guī)定：變壓器的三相負荷應(yīng)力求平衡，其不平衡度不應(yīng)大于20%，否則需要調(diào)整負荷[8]。

配變低壓側(cè)的三相電流與平均電流的差值為：

理想情況下應(yīng)滿足ΔIa=0，ΔIb=0，ΔIc=0，要使三相電流的不平衡度最小，則使三相電流差值中的最大值為最小即可。相間最大電流差值如式（4）所示：

考慮到換相開關(guān)的使用壽命等因素，換相開關(guān)動作次數(shù)應(yīng)盡可能少，其動作次數(shù)可表示為：

式中：n 為換相開關(guān)的個數(shù)；yi為當前換相開關(guān)動作次數(shù)，初始值為0，若進行了換相切換操作，yi的值將累加1 次。由此可建立三相平衡控制策略的目標函數(shù)：

求目標函數(shù)J 的最小值，即在滿足三相不平衡度最小的同時保證換相開關(guān)的換相次數(shù)Y 最小[9-10]。

2.2 分布控制型三相不平衡調(diào)節(jié)

在配電線路較長或配電網(wǎng)較復(fù)雜等有可能出現(xiàn)通信條件不佳或通信缺失的低壓配網(wǎng)中使用三相負荷自平衡調(diào)節(jié)時，依賴通信的集中決策方法出現(xiàn)盲區(qū)，因此可以通過計算電壓偏差是否符合標準要求，從而對該節(jié)點的負荷進行切換。

根據(jù)GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》，220 V 單相供電電壓偏差的限值為標稱電壓的-10%～7%。電壓偏差的計算公式為：

假設(shè)臺區(qū)低壓側(cè)三相電壓平衡（電源對稱），某一支路出現(xiàn)通信缺失的情況，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系及設(shè)備參數(shù)，可知每一相線路阻抗Zli，若用戶1的負荷電流為IL1，換相開關(guān)1 原始狀態(tài)不在A 相，隨后換相到A 相，且換相前后A 相電壓分別為UA1和則換相開關(guān)1 換相前后的電壓變化為：

則有，前第i 個換相開關(guān)換相前后的電壓變化為：

若換相前第i 個用戶側(cè)三相電壓中最大相電壓為Umaxi，電壓最小的相為Umini，換相后的最大相電壓為：

最后計算調(diào)整后的三相電壓的偏差，檢查本次換相是否達到預(yù)期。

3 三相負荷不平衡控制策略

三相不平衡治理系統(tǒng)的設(shè)計，通常在臺區(qū)低壓側(cè)首段安裝一個總開關(guān)作為主控單元，在支路用戶側(cè)安裝若干個換相開關(guān)，由總開關(guān)對三相不平衡情況進行分析并給出換相決策，由分支路開關(guān)執(zhí)行遙控命令；或者利用智能配變終端作為主控單元，對三相不平衡情況進行分析并給出遙控命令，通過支路安裝的多個換相開關(guān)來完成三相負荷的調(diào)平[11-12]。

主控單元無需實時監(jiān)測三相負荷狀態(tài)及對其操作，以定時監(jiān)測的方式進行周期統(tǒng)計，定時時間Δt 最小為15 min 或其整數(shù)倍，可以按照實際需求及負荷波動情況靈活配置。觸發(fā)條件如下：

（1）不平衡度超過限值γ。

（2）不平衡持續(xù)時長超過限值Δt。

同時滿足以上2 個條件，進入換相策略環(huán)節(jié)。其中限值γ 和Δt 為可調(diào)節(jié)參數(shù)，根據(jù)實際需求設(shè)定。

集中控制型三相不平衡調(diào)節(jié)邏輯框圖如圖2所示。其中，獲取換相開關(guān)信息成功的進入集中控制邏輯。首先，主控單元每30 min 對三相電流實時數(shù)據(jù)計算一次平均值，將24 h 內(nèi)的電流平均值進行比較，記錄其中最小電流平均值出現(xiàn)的時刻，由于負載電流最小時進行換相對電網(wǎng)影響最小，即每個時段的最小電流時刻將作為第二天換相開關(guān)動作時刻。同時，考慮臺區(qū)每天負荷曲線變化不大，將統(tǒng)計的上一個小時內(nèi)的平均電流作為下一個小時的負荷電流預(yù)估，與前一天相同時間段內(nèi)的平均電流進行比較，得出當天換相開關(guān)的動作時刻及動作優(yōu)先排序[13]。

圖2 集中控制邏輯框圖

其次，從換相開關(guān)處獲取其動作次數(shù)值Y 并記錄，結(jié)合上述換相開關(guān)的動作排序，將動作次數(shù)少的開關(guān)優(yōu)先排序，使得重新組合后的三相負荷不平衡度最小，同時，減少換相開關(guān)動作次數(shù)[14-15]。這樣可以保證臺區(qū)中換相開關(guān)以最少動作次數(shù)，達到三相平衡的目的，減少對用戶的影響。

獲取換相開關(guān)信息時，若出現(xiàn)若干換相開關(guān)信息缺失，表示該段線路通信故障或中斷，周期內(nèi)未接收到遙控命令的換相開關(guān)記為通信中斷，并進入分布控制模式，由換相開關(guān)自行計算本段分支的電壓偏差，從而作出換相決策。分布控制調(diào)節(jié)邏輯框圖如圖3 所示。

圖3 分布控制邏輯框圖

獲取第i 個換相開關(guān)所在的相位及該節(jié)點的三相電壓，計算三相電壓偏差是否達到觸發(fā)條件；若達到換相條件，將負荷從電壓低的一相調(diào)至電壓高的一相，換相操作為：換相開關(guān)相位在電壓最小相時，將負荷換相至電壓最大相；相位在電壓最大相或中間相，不進行換相。

4 三相負荷自平衡決策仿真分析

4.1 仿真模型

依據(jù)上述三相負荷自平衡決策原理，結(jié)合浙江省麗水地區(qū)某配變臺區(qū)的實際拓撲結(jié)構(gòu)、用戶負荷分布、用電量情況，構(gòu)建了一個含10 個用戶負荷的配變臺區(qū)仿真模型（分支線1 包括1—5號用戶，分支線2 包括6—10 號用戶），對臺區(qū)使用換相開關(guān)調(diào)節(jié)前后的線損情況、用戶電壓變化情況進行仿真分析，驗證三相負荷自平衡決策在治理低壓臺區(qū)三相不平衡問題的可行性。選取配變低壓側(cè)一個月的電流、電壓、功率因數(shù)、用戶當日用電量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，按照圖1 的臺區(qū)配電結(jié)構(gòu)，運用MATLAB/Simulink 建立臺區(qū)仿真模型，首端采用無窮大電源模擬配變（容量為630 kVA），假設(shè)臺區(qū)首段低壓側(cè)電壓保持不變，模型中的負載均采用恒功率模型，即保證切換前后用戶的功率保持不變。

搭建的臺區(qū)模型中，10 個單相用戶的負荷大小及所在相位如表1 所示。

表1 負荷電流數(shù)據(jù)及初始相位

4.2 仿真分析

切換之前，臺區(qū)的配變低壓側(cè)出口處A，B，C 三相電流分別為346.8 A，984.3 A，809.6 A（均為有效值），三相不平衡度為51.4%。

根據(jù)前述三相負荷自平衡控制策略進行仿真試驗，以一組算例進行說明。通過對三相負荷分布的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，A 相負荷最小，需將B 相、C 相的負荷切換部分至A 相，根據(jù)本文設(shè)計的換相策略，調(diào)整方式為：用戶7 由B 相切換至A相，用戶1 由C 相切換至A 相。換相前后三相電流變化曲線及控制換相開關(guān)的動作信號時序如圖4 所示。在0.08 s 時第一個換相動作信號發(fā)送，換相過后A，B，C 三相電流分別628 A，702.7 A，809.6 A；在0.16 s 時第二個換相動作信號發(fā)送，換相過后A，B，C 三相電流分別764.9 A，703.1 A，672.7 A（均為有效值），三相不平衡度為7.2%。

假設(shè)用戶7 處的換相開關(guān)由于通信故障無法接收換相指令，在0.08 s 時未收到換相信號，之后0.02 s 內(nèi)啟動分布控制策略，從離配變最遠處的用戶開始計算，用戶6 由C 相換相至A 相，用戶5 由B 相換至C 相，最終完成了本次換相序列。換相前后三相電流變化曲線及控制換相開關(guān)的動作信號時序如圖5 所示。成功切換后，配變低壓側(cè)A，B，C 三相電流分別為620.7 A，786.1 A，751.9 A（均為有效值），三相不平衡度為10.16%，達到三相不平衡標準要求。

圖4 換相前后三相電流波形及動作信號時序（通信正常時）

圖5 換相前后三相電流波形及動作信號時序（通信故障時）

根據(jù)上述仿真分析可以看出，臺區(qū)支線配有分布控制功能的自決策型換相開關(guān)，對于提高臺區(qū)三相不平衡控制效率起到關(guān)鍵性作用。

仿真過程中，三相負荷換相前后臺區(qū)用戶的總功率保持不變，均為452.51 kW。換相之前臺區(qū)變壓器出口處總功率為516.75 kW，線路總損耗為64.24 kW，線損率為12.43%；換相之后臺區(qū)變壓器出口處總功率為478.38 kW，線路總損耗為25.87 kW，線損率為5.41%；調(diào)整后線臺區(qū)線損率降低7.02%，日節(jié)約電能約920 kWh，每年可提高供電公司收益約16.79 萬元。因此，換相前后不僅大大降低了三相不平衡度，同時也降低了線損率，達到了節(jié)約電能的實際效果，臺區(qū)的經(jīng)濟性技術(shù)指標得到了顯著提高。

此外，采用智能自動控制調(diào)整三相不平衡，還節(jié)約了人力成本。按照每人每天人工費200 元，每車每天車輛費用450 元計算，則年運行維護費用約1.74 萬元?？梢姡嗖黄胶獾淖詻Q策控制策略在保證正常供電的情況下降低了資源的消耗。投資回報比方面，按批產(chǎn)后7 萬元/套計算，預(yù)計0.38 年收回成本。

當該臺區(qū)負荷處均配置分布控制功能的換相開關(guān)時，針對分支線與首端通信全部斷開形成信息孤島的情況，對分布控制功能的換相開關(guān)的分配和動作情況進行了進一步的仿真試驗。設(shè)計2種換相開關(guān)配置方案，分別對2 條分支線路和臺區(qū)首端的三相電流不平衡度進行統(tǒng)計分析。

（1）僅在三相中負荷較大的相安裝分布控制型換相開關(guān)。此算例中在B 相和C 相各安裝4 個分布控制型換相開關(guān)。

按照分布控制型三相不平衡調(diào)節(jié)策略，進行一個周期的換相調(diào)節(jié)，換相開關(guān)依次動作過程及三相電流不平衡度的變化如圖6 所示。

圖6 首端及分支線電流不平衡度變化曲線

可以看出，首端、分支線1、分支線2 的三相電流不平衡度隨著換相開關(guān)序列的動作而變化，每次動作過后三相不平衡度呈整體下降趨勢，首端不平衡度從51.4%下降至18.32%，最終達到了標準要求。

（2）根據(jù)A，B，C 三相所帶的負荷比例分配換相開關(guān)。此算例中在A，B，C 相分別安裝2 臺、4臺、4 臺分布控制型換相開關(guān)，即所有負荷處均安裝。按照分布控制型三相不平衡調(diào)節(jié)策略，進行一個周期的換相調(diào)節(jié)，依次動作過程及三相電流不平衡度的變化如圖7 所示。

圖7 首端及分支線電流不平衡度變化曲線

可以看出，當臺區(qū)所有負荷均具備換相開關(guān)，并且參與動作數(shù)量達到最大后，首端不平衡度從51.4%下降至9.66%，三相不平衡度改善幅度更大。另外，從分支線的三相不平衡度變化曲線可以看出，換相開關(guān)依次動作后，分支線的三相不平衡度可能會小于首端的三相不平衡度。因此，分布控制型換相開關(guān)不僅能改善臺區(qū)首端的三相不平衡問題，同時還可以改善分支線的三相不平衡問題，使得分支線和首端同時滿足標準要求。

通過多個仿真分析，驗證了分布控制型換相策略的可行性，并且三相負荷平衡后可以使得臺區(qū)線損率大大降低，不但解決了三相不平衡問題，同時大幅改善了線損率這一重要考核指標，達到了臺區(qū)電壓質(zhì)量治理、降低線損的目的，具有實用化的價值。

5 結(jié)語

本文提出了配變臺區(qū)三相負荷自動平衡綜合控制策略，基于智能換相開關(guān)的功能，研究配變臺區(qū)三相負荷自平衡控制決策，構(gòu)建三相負荷自動調(diào)平的多目標最優(yōu)換相模型，形成一套適用于低壓配變臺區(qū)的三相不平衡治理方法。三相負荷自平衡控制決策采用集中控制和分布控制2 種方法相結(jié)合的方式，可以解決臺區(qū)因條件不足無法建設(shè)通信環(huán)境或當換相開關(guān)出現(xiàn)通信故障時無法及時動作的問題，實現(xiàn)了配變臺區(qū)三相負荷的自動調(diào)平。通過仿真試驗驗證了所研究內(nèi)容的可行性及實用性，不僅有效改善了三相不平衡現(xiàn)象，還降低了臺區(qū)線損率，節(jié)約運行成本，為有效提高配變臺區(qū)供電安全性和經(jīng)濟性提供了理論支撐。