基于低壓智能塑殼開關的低壓臺區三相不平衡換相治理方法

何俊杰，柯 潔

（廣州南方電力集團電器有限公司，廣州 510285）

0 引言

配電網是電網傳輸電能的最后一個環節，直接影響到用戶用電體驗的好壞，因此業界對配電網的電能質量問題十分關注，三相不平衡是電能質量問題中具有代表性的一種，具有較長的歷史，但造成三相不平衡的原因眾多，且較為復雜，既有客觀因素，也有主觀因素，既有技術問題，也有管理問題，因此，徹底解決三相不平衡問題較為困難。且目前在提出構建新型電力系統的目標下，電源、電網、負荷都發生了較大變化，電網接入了大量的光伏、小水電、風能等新能源，大量的電力電子元器件的接入以及新能源隨機的出力特性，均會造成電力網絡三相不平衡的原因更加復雜化。

為了改善三相不平衡現象，國內外學者做了諸多研究，劉焱[1]依托電力載波通訊技術和智能電表的發展，提出了基于晶閘管復合式換相開關的新解決方案。Tung N X 等[2]、胡應宏等[3]、雷翦[4]提出一種新的基于平衡分量法的無功補償導納計算方法，無論三相不平衡負荷是什么接線均可以用一等值電阻和電抗并聯表示，并可以根據負載導納性質設計一個補償網絡，使得三相負荷平衡。該方法的缺點在于負載側各相補償導納參數難以求解。張歡[5]詳細闡述低壓配電網網損及三相不平衡度的計算方法。并推導得出計及三相不平衡度的低壓配網線損計算方法。陳超[6]采用瞬時無功功率理論對負荷電壓電流瞬時值進行分析，基于三相不對稱負荷的平衡化原理，提出了對電弧爐等大型的三相不對稱負荷實行分相補償的方法，該方法運用對稱分量法求出負荷各相的等效補償電納值，采用有理插值法，將等效電納值轉換成晶閘管的觸發角，實現快速無功補償。還有研究人員[7-10]詳細闡述了如何用靜止無功補償器治理三相不平衡，在得到低壓負荷的三相等效導納測量值后利用插值法轉換成晶閘管觸發角，然后獨立每一相進行功率控制從而達到降低三相不平衡度，但不足之處是響應速度較慢，可能不能滿足系統動態的調節需求。隨著GTO 與IGBT 的出現與技術革新，以及PWM 調制技術的進一步發展，出現了基于電力電子逆變技術的靜止無功發生器（SVG）[11-12]，喬琨[13]、Majumder R[14]、Liu W 等[15]介紹了SVG應用于低壓配電網三相不平衡治理的思路。

2020 年南方電網公司印發了《數字化轉型和數字電網建設行動方案（2020 版）》，明確以數字化推動業務變革的戰略，全面推進數字電網建設。數字電網以海量數據為基礎，依托大數據、人工智能等前沿技術，實現電網全狀態感知與智能化控制，提升電網運行效益。低壓配電網中存在大量的低壓開關，可以為低壓數字電網建設與運行提供基礎支持。低壓智能塑殼開關的遠方控制及分、合閘功能，可以滿足低壓數字電網的負荷控制需求，實現用戶停電、復電，以及用戶接入相序轉換，此功能也為解決三相不平衡問題提供條件。

本文基于低壓智能塑殼開關的功能，提出一種低壓臺區三相負荷的自動換相方法，以解決單相負荷接入不均衡和用戶用電時間差異引起的臺區三相負荷不平衡問題。

1 低壓智能塑殼開關

1.1 低壓智能塑殼開關功能

低壓智能塑殼開關主要功能包括：（1）電流監測；（2）電壓監測；（3）開關狀態監測；（4）開關分閘/合閘控制；（5）數據上傳；（6）遠方/就地控制；（7）本地狀態顯示。

低壓智能塑殼開關通過電流互感器和電壓互感器，采集一次系統電壓、電流數據；通過開關觸點來監測開關分、合狀態，并經過光電隔離電路和繼電器電路實現開關的分、合閘操作。智能開關具備本地顯示屏，利于運維人員現場人機交互與維護。智能開關具備通信模塊，可將采集的電氣量與非電氣量數據上傳至遠方后臺，實現開關狀態的可觀可測，同時遠方后臺可以下發分、合閘指令，實現設備遠方控制。

1.2 低壓智能塑殼開關應用

低壓智能塑殼開關由于其智能化與信息化特性，可以成為低壓數字電網建設的一類支撐設備，在低壓數字電網運行場景中發揮其功能作用，具體包括以下幾個應用。

（1）低壓拓撲數據支撐。低壓智能開關的監測數據采集及上傳交互，可以為低壓數字電網自動拓撲識別提供數據源，更好地生成低壓臺區拓撲圖。

（2）負荷遙控。低壓智能開關的遠方控制及分、合閘功能，可以滿足低壓數字電網的負荷控制需求，實現用戶停電、復電，以及用戶接入相序轉換。

（3）輔助運維。低壓智能開關的狀態監測，可以方便運維人員了解到各個線路的分段點，進而對需維護點進行精準開關控制及停電，同時可實現故障自動隔離。

2 三相不平衡評價指標

根據電網企業的生產實際，本文采用三相電流不平衡度作為臺區三相不平衡的評價指標。

三相電流不平衡度為三相電流最大差值與最大電流值之比[16]，其數學表達式如下：

式中：Imax為三相電流中的最大值；Imin為三相電流中的最小值。

3 三相不平衡解決方法分析

到現在為止，針對三相不平衡的解決方案或緩解措施主要有以下幾種[17]：

（1）增加負荷點進行負荷的轉移切割；

（2）使用換相的方法，轉移較重負荷相至其他相，降低三相不平衡度；

（3）使用電容器、SVC、SVG 等無功功率補償裝置進行補償；

（4）針對不同的負載情況設計出補償導納網絡，利用補償導納網絡改變三相不平衡負載的外特性。

上述針對三相不平衡的解決方案或緩解措施中，方案（1）需要進行電網升級改造，投入成本較高；方案（2）使用人工換相投切需要停電操作，且由于換相投切的流程較長，因此停電時間也會很久，容易受到客戶的投訴；方案（3）與方案（4）增加補償導納網絡及采用無功功率補償裝置雖能解決低壓配電網中普遍存在的三相不平衡的問題，但是需要新增設備增加投資，且后續還有大量的運維工作，耗費人力。

4 基于周期平滑系數的換相方法

針對當前配電網三相不平衡治理問題，本文提出一種考慮電流周期平滑系數的換相方法，以下從該方法的周期平滑系數計算、換相模型、實現流程等方面進行闡述。

4.1 周期平滑系數

周期平滑系數是指基于歷史電流周期數據，進行同一時刻下未來電流預測所用的計算系數，其以兩周14 天為預測周期，包括兩個預測系數，前7 天為第一平滑系數，后7天為第二平滑系數，數學表達式如下：

基于周期平滑系數，可計算第i時刻配變電壓側負荷的預測電流為IXi=，同時可用同樣方法預測換相開關的電流，在此不做贅述。

4.2 自動換相模型

自動換相以換相后三相不平衡度最小為目標函數，約束包括第i相換相開關電流大小約束，其數學表達式如下：

式中：g為換相開關數量；IAq,IBq,ICq為第q時刻A 相、B相、C相電流。

4.3 實現步驟流程

基于上述提出的周期平滑系數指標和自動換相模型，本文提出基于周期平滑系數的換相方法流程如下。

（1）獲取配電變壓器（下簡稱“配變”）低壓側各相序歷史負荷電流、換相開關側負荷相序及歷史負荷電流；配變低壓側各相序歷史負荷電流是指配變低壓側連續n天一天96 個時刻A、B、C 三相的負荷電流、、；換相開關側負荷相序及歷史負荷電流包括：第k個換相開關的接入相序X；第k個換相開關連續n天一天96個時刻X相的負荷電流；令n=1, 2, …,h；令i=1,2,…,96；k=1,2,…,g。

（2）根據歷史負荷電流進行配電變壓器低壓側和換相開關側未來一天96時刻的負荷電流預測。

（3）構建負荷轉移模型并計算，將結果下發至換相開關進行換相，流程結束。

5 算例分析

本文選擇了南方電網某一實際臺區一天的運行情況進行算例展示驗證所提控制方法的有效性。換相前電流以及三相不平衡情況如圖1所示。

圖1 換相前臺區三相不平衡度曲線Fig.1 Three-phase unbalanced index after control

應用本文方法換相后，效果如圖2所示。由圖可知，換相前三相不平衡度區間為0%～70%之間，換相后三相不平衡度區間為0%～40%左右，最大三相不平衡度下降約30%，換相前換相后三相不平衡度大幅下降。

圖2 換相后臺區三相不平衡度曲線Fig.2 Three-phase unbalanced index after control

換相前后結果對比如表1 所示，由表可知，本文的方法可以較好地改善臺區的三相不平衡情況，與換相的情況相比較，其三相不平衡度下降了21.8%。

表1 換相前后結果對比Tab.1 Comparison of results

6 結束語

本文基于低壓智能塑殼開關的功能應用，在對比了目前國內外低壓配電網三相不平衡問題解決方案的優劣勢后提出了一種低壓臺區三相負荷的自動換相方法，構建了負荷轉移模型。最后運用南方電網某實際臺區運行數據，進行了本文方法的效果驗證，結果表明，本文所提方法可以有效地降低配電臺區運行的三相不平衡度，與原運行狀態相比，臺區整體運行的三相不平衡度下降了21.8%。本文方法可為配電網低壓臺區三相不平衡的換相治理提供重要的參考價值。