低壓臺區變三相負載自動平衡系統技術

謝欽朋　梁俊熙

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，大功率用電設備越來越多，用戶的用電水平和用電規律參差不齊，導致三相負荷的不平衡問題日益突出，嚴重影響著供電質量以及低壓配網運行的安全性。文章歸納了電網大量存在的三相不平衡問題以及其帶來的危害，并對該問題提出負載自動平衡解決方案，以有效解決三相不平衡的問題。

關鍵詞：低壓臺區；三相不平衡；負載自動平衡；智能組網；用電設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）24-0134-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.067

我國的低壓配電網點多面廣、結構復雜、負荷性質多樣、負荷變化波動大，并且隨著人們生活水平的不斷提高，大功率用電設備越來越多，用戶的用電水平和用電規律參差不齊，再加上治理三相不平衡的方法相對欠缺、管理不到位，導致三相負荷的不平衡問題日益突出，嚴重影響著供電質量以及低壓配網運行的安全性。三相不平衡問題亟待得到解決。

1 定義

三相不平衡是指在電力系統中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過規定范圍。造成三相不平衡的主要原因是三相負荷不均衡，屬于基波負荷配置問題。根據《國家電網公司企業標準（Q/GDW519-2010）配電網運行規程》中第8.7.4條規定：（1）不平衡度計算式：（最大電流-最小電流）÷最大電流×100%；（2）國家規定：三相負荷不平衡度不應大于15%，只帶少量單相負荷的三相變壓器，中性線電流不應超過額定電流的25%。

2 三相不平衡的危害

三相負載不平衡問題給電力系統、用戶供電等都帶來了嚴重的危害，主要表現在以下五個方面：（1）增加變壓器損耗；（2）增加線路損耗；（3）配變出力減小，降低了配變利用率；（4）變壓器發熱，嚴重時甚至會燒毀變壓器；（5）容易導致過壓、低壓，影響用電設備的正常工作。目前我國低壓配網三相不平衡問題非常普遍，損耗高、缺陷多，運行可靠性差，威脅電網安全運行，尤以農網三相不平衡問題最為突出。

3 三相不平衡治理的傳統方法

傳統治理三相不平衡的手段相對欠缺，而且投入大、效率低，不能從根本上解決三相不平衡問題，傳統的解決方法如下：

3.1 通過人工改線調整負荷

這種方法使用率最高，但其人力投入大，需切斷用戶供電，而且難以長期適應負荷的變化規律。

3.2 通過SVG靜止同步補償器補償

SVG靜止同步補償器可以對三相不平衡進行補償，但這種方法成本高，而且不能做到真正的負荷平衡。

3.3 通過APF有源濾波器補償

APF有源濾波器可以濾除諧波，并對三相不平衡起到一定的補償作用，但這種方法同樣是成本高，而且也不能做到真正的負荷平衡。

4 三相負載自動平衡系統技術

低壓臺區變系統是廣東卡特能源科技有限公司研發的一款用于治理三相不平衡的產品。它適用于三相四線制的380V/220V低壓配電系統，能夠在不中斷用戶供電的情況下根據不平衡度自動調節三相負載，克服傳統依靠人工改線來調節三相不平衡的缺點。本產品可有效降低由三相負載不平衡所導致的變壓器損耗、線路損耗，克服某相過流、末端低壓等情況以及由三相不平衡所帶來的眾多安全隱患。三相負載自動平衡系統原理如圖1所示：

每個支路的始端均安裝一臺中控器，負責監測三相不平衡信息，并下發調節命令；支路下面安裝若干臺調相器，可監測自身帶載回路的負荷信息，并根據中控器下發的調相命令進行相應調相操作。

4.1 系統組成

自動平衡系統由智能電網中控器和智能電網調相器組成：

4.1.1 智能電網中控器。智能電網中控器是自動平衡系統的“大腦”，是集采樣、運算、通信、人機交互、智能組網、平衡邏輯算法于一體的智能控制裝置。

4.1.2 智能電網調相器。智能電網調相器是自動平衡系統的執行機構，是集采樣、運算、通信、相序切換功能于一體的智能投切裝置。

4.2 系統功能

4.2.1 自動平衡三相負載。實時監測三相不平衡度，并根據不平衡度自動調節三相負載，調相時間最大只需25ms，不會中斷用戶供電。

4.2.2 降低變壓器損耗。使變壓器處于對稱運行狀態，有效降低了變壓器損耗。

4.2.3 降低線路損耗。可有效減小中性線電流，從而減小了中性線的損耗，同時也減小了相線的損耗。

4.2.4 解決低壓、過壓問題。解決由三相不平衡所導致的低壓、過壓的問題，避免因過壓燒壞用電設備或因低壓影響用電設備的正常運行。

4.2.5 保護低壓配網安全運行。避免由于中性線電流長期過大而導致的發熱和老損以及避免了變壓器等配電設備燒毀的安全隱患。

4.3 系統優勢

4.3.1 免維護、免管理。系統投運后無需專人維護和管理，節省人力物力，提高效率。

4.3.2 自動調相，不需中斷用戶供電。（1）自動調相，無需人工參與；（2）調相時間≤25ms，不會導致供電中斷。

4.3.3 可靠的相間防短路技術。（1）可靠的硬件閉鎖技術，防止多個相序同時接通；（2）多重軟件算法，智能預防相間短路。

4.3.4 開關元件不耗電，裝置功耗小。（1）采用永磁繼電器機構，無壓運行；（2）裝置運行功耗小。

4.4 接線原理圖

4.4.1 臺區內每個分支的始端均安裝一臺智能電網中控器。

4.4.2 每個支路下面安裝若干臺智能電網調相器（根據需要來選裝）。

4.4.3 調相器實時監測自身帶載回路的電流電壓大小。

4.4.4 中控器與調相器之間通過電力載波的方式進行通信。

4.4.5 中控器實時監測支路的不平衡度，并結合該支路各調相器的負荷大小，運算出最優調平策略，實現支路平衡，最終實現變壓器平衡。

4.5 智能組網

低壓臺區變三相負載自動平衡系統采用電力載波的方式進行通信，每個中控器只負責與其同支路的調相器進行通信，一個支路構成一個子系統，中控器作為主機，調相器作為從機。本系統針對多中控器共網的模式，開發了獨特的智能組網機制，即搶占式分時通信機制，該機制避免了不同支路之間的載波通信的沖突和干擾，實現了智能組網功能。

4.5.1 基于數學遞歸邏輯的平衡算法。當中控器監測到自身支路的不平衡度超過設定值時，就會啟動平衡邏輯算法。每個支路的不平衡度都不一樣，每個用戶的用電負荷也不盡相同，本系統可以通過智能算法求解出最優的平衡策略，該策略是基于數學遞歸邏輯算法的原理，結合平衡需求和各調相器的負載大小，進行邏輯組合的運算，求解出最優策略。

4.5.2 基于支路平衡策略而實現臺區平衡的原理。當支路中的中控器運算出最優策略后，就會將調節命令發送至該支路中的對應的調相器，調相器收到命令后則根據命令進行相應的相序切換操作，從而實現支路平衡。臺區內如果每個三相的分支都達到三相平衡狀態，那么最終變壓器也會處于三相平衡狀態，這就是基于支路平衡策略而實現臺區平衡的原理。

4.6 不掉電調相原理

4.6.1 動作元件。智能電網調相器作為本系統的執行機構，采用永磁繼電器作為動作元件，永磁繼電器具有帶載能力強、功耗小、動作速度快、損耗小、運行可靠、成本低等特點。

基于永磁繼電器的特性，本系統實現了不掉電調相的功能，調相過程中不會導致用戶供電的中斷，保證了供電質量。

4.6.2 快速過零相序切換。不掉電調相原理的實質：在極短的時間內完成相序的切換，從而不會導致用電設備掉電。為保證壽命，本系統的調相器采用過零投切技術，以將投切對動作元件的損傷降到最小。過零投切技術基于“電流過零切除，電壓過零投入”的原則，可以達到沖擊極小、電弧極小的效果。實際上，通過大量的理論調研和實際測試驗證，30ms的掉電時間不會導致用電設備掉電，而智能電網調相器調相時間小于25ms，完全滿足要求。

5 設計原則

（1）以支路平衡的方式實現調平；（2）支路中用戶數量≥10戶才考慮安裝；（3）安裝數量：支路用戶總數的20%～30%。

舉例：某支路用戶數共50戶，按30%計算，則需安裝的用戶數量為15戶，因此ABC每相的安裝數量5戶，因此每相需選5個用戶安裝調相器，而調相器的安裝數量會隨安裝方式不同而存在差異。

選用90A容量調相器，一臺調相器最多可帶5戶。

6 結語

隨著社會的發展，負載類型也多樣化，各行各業對供電質量的要求越來越高，而且電網也向智能電網方向發展，同時節能減排也是國家基本國策。因此，我們對智能化、高效、解決電網供電質量三相不平衡問題，確保設備和電網安全，減少線損，節能降耗提出可靠的解決方案。

參考文獻

[1] 種衍師，孫建華.電能質量與節能降損[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2] 肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2010.

（責任編輯：秦遜玉）