基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的臺區(qū)電量不平衡監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藍(lán)海森

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 528341）

隨社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的用電量越來越大，造成農(nóng)網(wǎng)配變普遍存在三相不平衡、功率因數(shù)偏低和用戶端電壓偏低或偏高等現(xiàn)象[1]。各供電公司采取了一系列措施，常見的方法是對負(fù)載重的相序進(jìn)行換相，但是由于單相用電設(shè)備使用的同時(shí)率較低，且受到不頻繁的間斷性和四季更替的用電性質(zhì)的影響，使得用電客戶每個月的用電存在較大差異，導(dǎo)致配電變壓器的三相負(fù)荷更加不平衡，治理效果不理想。為此研究10kV/0.4kV 配電變壓器臺區(qū)的基于實(shí)時(shí)潮流的農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)電能/電壓平衡系統(tǒng)，利用電力電子裝置與末端低電壓裝置的協(xié)調(diào)控制，可實(shí)現(xiàn)配變?nèi)嗖黄胶庖约熬€路首/末端高低壓的綜合治理[2]。

1 設(shè)計(jì)方案比較

針對農(nóng)村電網(wǎng)或城市小區(qū)用電三相不平衡、功率因素低等問題，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)補(bǔ)償和電能自動調(diào)節(jié)裝置。從配電網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)特點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)三相負(fù)荷自動調(diào)節(jié)三種典型應(yīng)用模式，結(jié)合電力電子器件，構(gòu)成本裝置的核心部件。選取常用的幾種調(diào)節(jié)裝置，進(jìn)行三相不平衡調(diào)治方案比較，具體如下。

1.1換相開關(guān)型

利用交流接觸器或固態(tài)開關(guān)，串聯(lián)接入配電系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)。對配電變壓器檢測三相不平衡時(shí)，自動將某重載相序的單相負(fù)荷切換至輕載相，從而實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷的均衡分配。但調(diào)節(jié)過程中，交流接觸器切換相序過程時(shí)間較長，容易造成治理效果的不確定性，并增加故障點(diǎn)，造成用電系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1.2電容器型

結(jié)合王氏定理，把電力電容器跨接接入到兩相相線之間而平衡相序間有功功率，利用電容器實(shí)現(xiàn)不同相的有功功率自動轉(zhuǎn)移，從而提升功率因素，調(diào)節(jié)三相不平衡度[3]。電容器型成本低、可實(shí)現(xiàn)有級補(bǔ)償，因加入容性補(bǔ)償后，和系統(tǒng)的感性相互作用，若某一時(shí)刻，容性補(bǔ)償數(shù)值大，會造成過補(bǔ)償，將產(chǎn)生諧波，造成這種設(shè)計(jì)方式的三相不平衡治理效果差。未直接接在負(fù)荷側(cè)，并不能從負(fù)荷側(cè)解決不平衡問題。

1.3電力電子型

借助IGBT功率變換器等現(xiàn)代電力電子器件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生容性或感性的基波電流的調(diào)節(jié)單元，實(shí)現(xiàn)從過載電流吸收、到電容原件儲能，再電流轉(zhuǎn)移的方式，實(shí)現(xiàn)三相電流精確調(diào)整，實(shí)時(shí)對無功電流和諧波電流進(jìn)行線性補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以此，有效治理諧波[4]。電力電子型可精細(xì)無功補(bǔ)償，并補(bǔ)償精度高；利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷側(cè)首端的電流、電壓、相序、相位檢測，從而實(shí)現(xiàn)臺區(qū)負(fù)荷首末端自動電力不平衡檢測與調(diào)理[5]。

電力電子型既能解決線路不平衡、負(fù)載側(cè)不平衡、也能解決配電臺區(qū)側(cè)不平衡。經(jīng)過多次驗(yàn)證計(jì)算和經(jīng)濟(jì)因素等考慮，選用第三種方案。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)針對100-400KVA的農(nóng)村低壓配電臺區(qū)或者城市小區(qū)，由集中控制器、末端智能控制裝置二部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。集中控制器安裝于變壓器的低壓側(cè)，實(shí)現(xiàn)的功能主要是定期檢測變壓器低壓側(cè)三相電流是否平衡，在檢測到用戶設(shè)備輸入端出現(xiàn)三相電流不平衡的情況下，通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程通信讀取各末端智能控制裝置的所帶負(fù)荷電流值，相序信息。根據(jù)電流相序信息進(jìn)行智能計(jì)算，優(yōu)化出各負(fù)荷接入電網(wǎng)的最優(yōu)相，以此來給需要調(diào)整的相序電壓電流。集中控制器中的三相不平衡/無功補(bǔ)償控制裝置按照主控制器所發(fā)的換相指令進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，從而使臺區(qū)內(nèi)用戶負(fù)荷均衡分配到三相電網(wǎng)上[6]。在單相低壓負(fù)荷進(jìn)線側(cè)末端智能控制裝置，實(shí)現(xiàn)電流、電壓檢測，利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在 A、B、C三相間接入相序的自由調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在低壓臺區(qū)三相線路上的均衡分配。裝置整體架構(gòu)采用分布式系統(tǒng)，由一個集中控制器與N個末端智能調(diào)壓裝置組成，充分考慮到農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)電力潮流的時(shí)變性及電力設(shè)備載流量的極限性，將配變?nèi)嗖黄胶庑Ｕ约盁o功補(bǔ)償?shù)裙δ芗谝惑w；可解決配電變壓器三相不平衡及由此帶來的過載問題，大幅降低臺區(qū)網(wǎng)損，延長變壓器的使用壽命；可實(shí)現(xiàn)臺區(qū)無功的就地平衡，實(shí)時(shí)調(diào)控臺區(qū)電壓質(zhì)量，提高配電質(zhì)量，改善用電環(huán)境。當(dāng)三相不平衡與無功不足同時(shí)存在時(shí)，集中控制器優(yōu)先調(diào)節(jié)三相不平衡，三相平衡以后若有剩余容量則補(bǔ)充無功功率。即通過協(xié)調(diào)各相序之間的電流形式與電流大小來治理低壓臺區(qū)的不平衡。具體調(diào)節(jié)過程如下。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1三相有功平衡功能的補(bǔ)償

三相有功平衡模塊主要由采集調(diào)節(jié)部分和過載保護(hù)功能部分組成，采集調(diào)節(jié)部分是通過在三相電纜中多點(diǎn)外接電流互感器(CT)，以STM32F103為主控芯片，實(shí)時(shí)檢測電力系統(tǒng)輸入端iSA、iSB、iSC、iSN的三相電流和負(fù)載端iLA、iLB、iLC、iLN的電流，并將系統(tǒng)的電流信息發(fā)送給集中控制器。集中控制器通過接受的電流信息，確定三相電流不平衡狀態(tài)，得到零序及負(fù)序分量，再通過有序的驅(qū)動IGBT功率變換器，對三相回路的有功負(fù)荷進(jìn)行再分配，以獲得一個相對平衡的三相電流和負(fù)荷狀態(tài)。補(bǔ)償電流根據(jù)系統(tǒng)的不平衡狀態(tài)準(zhǔn)確變化，保證不會出現(xiàn)過補(bǔ)償情況。三相有功平衡功能的補(bǔ)償過程如圖2所示。第二部分是過載保護(hù)功能模塊，當(dāng)三相有功平衡模塊采集到補(bǔ)償量大于裝置容量時(shí)，模塊自動限制6個IGBT的工作方式，從而控制電能容量的輸出，以此確保不會發(fā)生過載[6]。

圖2 三相不平衡補(bǔ)償原理

圖3 無功補(bǔ)償原理

2.2動態(tài)無功補(bǔ)償功能的補(bǔ)償

集中控制裝置除對電流進(jìn)行采集控制外，還對電纜電壓進(jìn)行采樣，從而計(jì)算得到系統(tǒng)的無功功率，再通過IGBT 功率變換器產(chǎn)生容性或感性的基波電流，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載無功功率的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償。當(dāng)補(bǔ)償點(diǎn)電壓超過允許電壓的上限(Umax)時(shí)，IGBT 功率變換器產(chǎn)生感性電流，降低電壓；當(dāng)補(bǔ)償點(diǎn)電壓低于允許電壓的下限(Umin)時(shí)，IGBT功率變換器產(chǎn)生容性電流，抬升電壓。從源頭上抑制無功潮流的流動，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的整體節(jié)能。無功補(bǔ)償目標(biāo)值可以通過HMI操作面板設(shè)定，平滑補(bǔ)償，不會產(chǎn)生對負(fù)載和電網(wǎng)的涌流沖擊。

2.3臺區(qū)電壓協(xié)同調(diào)節(jié)過程

末端智能控制裝置是在用電客戶的進(jìn)線端安裝電量檢測傳感器、電壓檢測傳感器和電流檢測傳感器，當(dāng)端電壓偏離額定值時(shí)，根據(jù)當(dāng)前檢測到的電壓值U1與額定值U0（U0=220V）的差值范圍做出相應(yīng)判斷，再通過控制觸發(fā)電路產(chǎn)生觸發(fā)信號，控制對應(yīng)檔位的兩個晶閘管導(dǎo)通，經(jīng)串連變壓器將電壓差額ΔU補(bǔ)償?shù)捷敵龆耍员ＷC負(fù)荷端電壓 U2在額定值U0附近，即 U2= U1±ΔU≈U0，為用電端提供合格電壓，解決低電壓問題，原理圖如圖4所示。

2.4臺區(qū)電壓協(xié)同調(diào)節(jié)過程

通過采集線路首末端的電壓、電流信息，采用基于指標(biāo)判定的多階段協(xié)調(diào)控制算法，協(xié)調(diào)控制線路末端智能控制裝置的檔位以及首端集中控制裝置的無功功率輸出，實(shí)現(xiàn)整個臺區(qū)的潮流優(yōu)化與電壓治理。末端智能控制裝置支持自適應(yīng)控制與遠(yuǎn)程集中控制，優(yōu)先采用遠(yuǎn)程集中控制，未收到集中控制信號時(shí)，滿足一定條件下，切換為自適應(yīng)控制，控制臺區(qū)電壓多階段協(xié)調(diào)控制算法流程具體如下：

Step1：第n個末端智能控制裝置通過數(shù)據(jù)采集裝置，讀取設(shè)備輸入端的Uj,i，Ij,i(即線路抬升前的電壓、電流)與輸出端Uj,o、Ij,o；集中控制裝置通過數(shù)據(jù)采集裝置，讀取線路的三相電壓Ua，Ub，Uc；

Step2：判斷集中控制裝置的輸入端電壓Ua，Ub，Uc是否越限，即大于Umax或小于Umin；如果沒有，跳轉(zhuǎn)到Step5；

Step3：等待是否存在末端智能控制裝置的輸入側(cè)電壓 Ui＜Umin

Step4：末端智能控制裝置在滿足輸出端電流Io＜Imax(Imax為線路能承受的最大電流)的條件下，增大輸入側(cè)的電壓Ui=Ui+ΔU，直到滿足電壓要求；

Step5：調(diào)理判斷集中控制裝置以及末端智能控制裝置的輸入電壓是否都滿足要求；

Step6：結(jié)束。

圖4 低電壓調(diào)節(jié)原理

2.5 窄帶物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)通信的監(jiān)控系統(tǒng)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）借助移動通信GSM、LTE 基站進(jìn)行通信組網(wǎng)，具有無需重新建網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、信號穩(wěn)定的特點(diǎn)。將末端智能控制的電流、電壓、相序等信息，經(jīng)NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)送給集中控制器，通信協(xié)議由組網(wǎng)信號、臺區(qū)編碼、末端智能控制器編碼、三相相序電流信號、電壓信號、相位信號等組成[7]。實(shí)現(xiàn)臺區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)的“1+N”數(shù)字化信息信息采集與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，其中1為大數(shù)據(jù)中心管理平臺和集中控制器，N為末端智能控制裝置，以此實(shí)現(xiàn)臺區(qū)電量不平衡的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8]。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、評估和預(yù)測，對可能存在不良狀態(tài)，予以控制或改善，提升臺區(qū)配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與調(diào)控能力，確保了臺區(qū)供電安全。

3 三相不平衡治理的節(jié)電效果計(jì)算與分析

根據(jù)臺區(qū)三相不平衡程度，首先估算出三相不平衡治理所需容量，再根據(jù)治理前和治理后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)計(jì)算節(jié)電量。

3.1 三相不平衡治理所需容量計(jì)算

三相不平衡治理的核心在于通過集中控制裝置調(diào)整各相電流，使配電變壓器二次側(cè)出口電流達(dá)到平衡，減小中性線流過的電流，以此降低損耗。因此，集中控制裝置將負(fù)荷較重的相電流調(diào)整補(bǔ)償至負(fù)荷較輕的相，所需容量即為功率的集中控制裝置調(diào)整量。各相負(fù)荷均值為

式1中，P代表負(fù)荷均值，Pi代表某相負(fù)荷。則集中控制裝置調(diào)整三相不平衡所需容量為：

式2中M 為三相不平衡治理之前負(fù)荷大于負(fù)荷均值的相的集合； Pm代表負(fù)荷大于負(fù)荷均值的相； Pto代表三相不平衡調(diào)整所需的容量。

設(shè)集中控制裝置的總?cè)萘繛镾，則無功補(bǔ)償可用容量為

式3中，Qto為集中控制裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)目捎萌萘俊?/p>

3.2 節(jié)電量分析

節(jié)電量測試選取東莞某城鎮(zhèn)小區(qū)配變不平衡度相對較高、負(fù)載相對重載的臺區(qū)為例，對綜合調(diào)整三相平衡的節(jié)能以及投入無功功率節(jié)能效果進(jìn)行分析。節(jié)能實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。

表1 末端智能控制裝置的年節(jié)約電量表

3.3裝置能耗試驗(yàn)

三相不平衡監(jiān)控系統(tǒng)與市面上基于自耦變壓器的低電壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行對比，通過選取某廠商的CVR-100型自耦變壓器進(jìn)行對比分析計(jì)算，得知其空載損耗為100W左右，短路損耗為470W左右。在相同條件下的能耗對比情況如圖5所示。

圖5 能耗對比圖

隨著負(fù)載率的增加，自耦變壓器的能耗快速增大，最高可達(dá)到830W左右。而末端智能控制裝置則相對穩(wěn)定，能耗最多不超過150W。按照試驗(yàn)結(jié)果分析取平均值，末端智能控制裝置的平均能耗為84.13W，自耦變壓器的平均能耗為507.12W。末端智能控制裝置的能耗僅占自耦變壓器的16.59%。由此可見，在保證相同低的電壓調(diào)節(jié)效果的前提下，末端智能控制裝置的經(jīng)濟(jì)性相對于傳統(tǒng)的自耦變壓器更好。

綜合上述三點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的臺區(qū)電量不平衡監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了節(jié)能與三相不平衡自動調(diào)節(jié)與治理的應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)的動態(tài)無功補(bǔ)償功能的補(bǔ)償、三相有功平衡功能的補(bǔ)償、臺區(qū)電壓自動協(xié)同調(diào)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)臺區(qū)無功補(bǔ)償、三相不平衡以及末端低電壓的綜合治理，實(shí)現(xiàn)臺區(qū)潮流的實(shí)時(shí)優(yōu)化，節(jié)能效果顯著。本文利用先進(jìn)的通信、控制等技術(shù)，通過使用高性能電力電子設(shè)備、無功補(bǔ)償裝置，對配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測、評估和預(yù)測，對可能存在的不良狀態(tài)，予以控制或改善；提升配電網(wǎng)臺區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與調(diào)控能力，確保了臺區(qū)供電安全，為國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)提供安全可靠的能源。