基于實際電路理論分析的多負序源責任分攤

(國網臨沂供電公司，山東 臨沂 276000)

0 引 言

隨著供電系統的工業化發展，三相不平衡在電能質量問題中日益凸顯。復雜的電力系統在運行中，三相不平衡負荷時刻存在著，由此產生的負序會出現影響設備安全運行、增大線路損耗及電動機效率低等諸多問題[1-2]。然而，國內外對負序責任劃分的研究極少，一般對單污染源就只是通過監測到的數據對計算出的三相不平衡度進行分析。當公共連接點(point of common coupling，PCC)處連接有多個可能產生負序的用戶，并沒有明確的方案或標準解決該問題。考慮負序和諧波在電力系統傳播機理的相似性，可以借鑒諧波分析方法對多負序源進行責任分攤。與諧波責任劃分對比，由于負序來源較為簡單，多負序責任分攤的研究更為簡便，但對于各用戶負序阻抗的確定仍然是一個問題，以致劃分各用戶負序責任難以得到令人滿意的結果。

現有負序源識別的研究很大程度依賴于等效負序阻抗，而由于電力系統的波動性較大，負序阻抗參數的確定是難以解決的問題[2]。下面所提方法避開了估算負序等效阻抗這個難題，建立等效電路并結合實際情況分析負序電流在系統中散布的原理，其結果很大程度上是依賴實測數據，并不依賴人為選取的參數，很具有實時性和準確性，并且能夠快速簡單地得到各個負序源的責任劃分量化指標并進行對比。

1 理論分析

采用等效電路原理，忽略系統側出現負序的少數情況，將系統側等效為一個負序阻抗，將各個產生負序的用戶等效為負序阻抗并聯負序電流源[3]；結合實際電力系統的特點，根據等效電路的拓撲結構對負序電流的散布進行分析；最后，根據分析結論量化各個用戶各自的負序責任。

圖1 等效負序網絡

圖2 負序電流散布分析

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3 用戶單獨作用電路分析

(5)

(6)

將式(3)—式(6)分別代入式(1)、式(2)可得：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

由疊加原理可以得到：

(15)

(16)

由于系統側的等效短路阻抗為

(17)

式中：Un為額定電壓；Sn為短路容量。在整個電力系統中，都是由系統側給各個用戶供電，因此系統側設定的短路容量肯定遠遠大于任意用戶處的短路容量[8]，由式(17)可以得出結論：系統側的等效負序阻抗遠遠小于各不平衡用戶的等效負序阻抗；用戶側等效負序阻抗與系統等效負序阻抗并聯得到的阻抗值，與系統側的阻抗值在同一個數量級。

綜上可以得出結論：每個負序源產生的負序電流大部分流向阻抗小的一側，即系統側；那么，可以直接用監測到的負序量代替各用戶單獨作用時產生的實際量來評估各個用戶的負序責任。此結論適用于有兩個及以上不平衡用戶的系統。當系統中存在兩個責任相當且不平衡度嚴重的負序源用戶時，在這兩個用戶處監測到的負序電流可以近似于自身單獨產生的實際負序電流相等，絕大部分負序電流都流向系統側，相互抵消的反向電流是微乎其微的；當系統中存在一個責任較大和一個責任相對較小的兩個用戶，采用監測電流直接評判使得責任大的一方所得責任更大，而責任小的一方受到的責任更小，這樣更加凸顯責任大一方的負序責任。因此，可以直接將實際監測到的負序電流作為多負序源責任分攤的評判標準[9-13]。

(18)

(19)

式中：θ為PCC處電壓和電流的相位角。

在這里，負序電壓責任指標HVk與負序電流責任指標HIk結果一樣，因此只需考察負序電流責任指標HIk。負序責任指標大于0時，代表該用戶對總負序起促進作用，且值越大責任越大，并結合PCC處負序分量大小判斷是否需要及時治理；負序責任指標小于0時，代表該用戶對總負序起抵消作用，應給予獎勵[14-15]。

圖4 單用戶判定原理

(20)

綜上所述，基于實際電路理論分析的多負序源責任分攤方法的完整步驟為[17-20]：

1)由電網參數確定系統側等效負序阻抗；

2)監測PCC處的電壓和電流以及各個不平衡用戶處的電流，將各監測值進行對稱分量處理得到各負序分量。

3)根據圖4原理以及式(20)，先初步排除非負序源用戶或者對系統負序影響極小的用戶。

4)取各負序電流量，由式(18)計算得到除步驟3所排除用戶以外的用戶負序電流責任指標，通過比較可以直觀地了解到各個負序源的責任劃分。

5)對負序責任嚴重的用戶加以治理，治理后再次對各用戶的責任進行評估，直到整個系統沒有三相不平衡度超標的現象。

2 仿真分析

建立了一個35 kV電壓等級的三相系統，帶有兩個不平衡用戶L1和L2。從這個系統可以得到等效電路如圖5所示。

圖5 系統負序網絡等效電路

表1 用戶阻抗信息

圖6 用戶L1指標對比

圖7 用戶L2指標對比

圖6和圖7中藍色線為用戶L1和用戶L2分別單獨作用時產生的負序電流，即實際產生的負序電流所得的指標；紅色線為直接在網絡里面監測到的負序電流所得指標，兩者趨勢一致。顯而易見，用戶L1的負序責任大于用戶L2，用戶L1為主要負序承擔者；用戶L2的責任不僅較小，還呈負值，表示用戶L2對PCC的總負序分量起抵消作用。直接使用監測值判別，使得責任大的一方所分攤得到的責任更大、責任小的一方所分攤得到的責任更小。這樣更凸現責任大的用戶，以便對主導源加以治理。

3 實測算例

實測數據來自于成都某地鐵主變電站35 kV母線。該母線一側通過變壓器連接110 kV，一側接有3個供電分區。利用城軌電能質量測試儀PQSAS獲取電能質量過程數據。測試周期為24 h，采樣頻率為 6400 Hz，測點分布如圖8所示。圖中：測點a0為電壓測點；測點a1、a2、a3、a4分別為對應饋線電流測點。基于獲得的實測錄波數據，PCC處部分原始波形見圖9。

圖8 某地鐵主變電站35 kV母線測量等效

圖9 PCC處原始錄波數據波形

為了驗證所提算法的準確性，在PCC處仿真抽取了1800個采樣點，在個別采樣點加入異常值，迭代過程中將采樣點分段成60為一組的數組，則可以得到1741組回歸系數解，分別得到3個供電分區的負序阻抗和負序壓源，如圖10—圖12所示。

圖10—12中，藍色線代表實際測量值，紅色線代表使用所提算法計算得到的曲線，黑色直線標示出理論參考值。可以明顯看出實際測量值和所提算法得到的計算值都很接近理論參考值。得到各個用戶參數后，再利用負序分攤原理計算各指標；最后，將理論、實測值、所提方法計算得到的負序責任指標做對比，如表2所示。

圖10 供電分區1負序參數估算結果

圖11 供電分區2負序參數估算結果

圖12 供電分區3負序參數估算結果

很明顯地看出，作為不平衡度最大的L1分攤責任最大，且對PCC處的負序電壓和負序電流起促進作用，因此為主要承擔者；L2對PCC處的負序起抵消作用，應該受到嘉獎；L3對PCC處的負序貢獻較小，可以先對L1進行適當治理后再對系統負序分量進行評估。

表2 負序責任指標對比

4 結 論

基于實際電路理論分析的多負序源責任分攤，從等效電路的理論分析并根據實際電力系統中供電系統側等效負序阻抗遠小于用戶側等效負序阻抗得出。該方法直接比較監測到的負序分量來劃分各個用戶的負序責任，這樣可以避開確定負序阻抗這一大難題。并且，理論分析出幾乎所有負序電流都流向了阻抗小的一側，即系統側或者等效系統側，這樣各用戶處單獨產生的負序量實際與監測量接近。因此，直接將監測量代替單用戶實際量進行多負序源責任分攤是可行的，將實際系統中的波動都通過監測量反映，也不用顧及參數選擇不當帶來的影響。