低压三相负荷不平衡治理控制策略研究

张志华， 李今宋， 周捷， 蔡月明， 刘润苗， 曾俊， 王俊仁

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京　211106)



低压三相负荷不平衡治理控制策略研究

张志华， 李今宋， 周捷， 蔡月明， 刘润苗， 曾俊， 王俊仁

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京211106)

低压电网中的三相不平衡问题直接影响电网的安全、经济运行，因此必须通过技术手段对低压电网三相不平衡问题进行自动调节，调节方式是在线路上安装一定数量的相间负荷转移开关，将这部分负荷作为调节负荷，主控单元采集台区三相负荷情况并进行三相不平衡度分析，并根据相间负荷转移开关的相位及负荷情况给出最优三相负荷转移调节策略，然后根据调节策略控制对应的相间负荷转移开关进行相间负荷转移，使台区三相负荷达到新的平衡状态。

低电压；配电网；相间负荷转移；三相不平衡；控制策略

0　引　言

随着电力系统的发展，低压配电网的三相不平衡问题越来越突出[1]，在高压电网中，因负载一般都是三相生产负载，三相负荷基本平衡，但是在低压电网中，是三相生产用电与单相生活负载混合用电的供电网络，而且配网中用电客户以单相居民客户为主，所以单相负荷接入的情况正在整个供电系统中占有很大的比例[2]，因条件和资金限制，单相低压供电线路延伸过长，再加上单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入及单相负载用电的不同时性等客观原因，在配电网中极易造成配电台区三相负荷分配不均衡，这就给低压配电网的安全、稳定及经济运行带来较大的负面影响，因此需要通过采取管理和技术手段，实现对三相不平衡情况的自动调节，降低三相不平衡度，减少电压降落，改善供电电压治理，降低线损。

1　三相不平衡调节原理

1.1三相不平衡度

电力系统中所描述的低压配网的三相不平衡主要是指三相负荷不平衡的现象[3]，所以负荷电流三相不平衡度一般定义如下：

其中βx为x相的不平衡度;Imx为x相的最大电流;Iav为三相电流的平均值。

1.2智能换相开关

智能换相开关又称相间负荷转移型智能开关，通过短距离无线采集模块与主控开关管理服务器组网运行，将工作电压、负荷相序、负荷电流等数据上传至主控单元或配变终端，并接受主控单元的换相控制指令，进行负荷相内转移调整，具有电流、电压过零点快速投、切转换的工作特性，快速实现负荷的转移，从而实现三相负荷之间的重新分配和调整，实现电网不平衡电流治理。

1.3三相不平调节

对于低压三相不平衡治理，除了在前期线路建设规划时尽量科学、合理的分配单相负荷的接入，还需要从技术上实现三相负荷的实时监视并自动进行调整[4]，在运行过程中动态实现负荷的转移及调整，即建立三相平衡监控系统，实现三相不平衡监测、控制与优化。

三相平衡监控系统根据低压配电网接线方式、台区负荷及用户分布情况选择一定数量的单相负荷分别安装换相开关，该部分负荷作为可调节负荷。在变压器低压侧每回出线处安装控制终端，实时采集监测此回出线三相运行情况，根据采集的数据进行计算平衡度。当控制终端监测到三相不平衡率超过设定数值时，控制终端轮检一遍台区下开关状态，根据可控开关运行情况，进行一系列的控制策略分析，如选择最优动作开关、校验是否满足时间、人工设置等动作条件以及计算调整之后三相平衡率等。满足动作条件则发出控制信号，通过控制终端对指定换相开关进行换相控制，将重载相负荷转移到轻载相上，实现三相负荷平衡。

2　三相不平衡控制策略

2.1起调判据

在实际工程应用中，主控单元无需实时检测三相负荷状态及对其操作，一般以定时检测的方式进行，定时时间最小为5 min或者其整数倍，可以按照实际需求及现场负荷波动情况灵活配置，在调节时，确定是否需要进行调节的判据主要如下：

a) 平均电流Iav大于设定值Inav；

b) 相间最大电流差值Iw大于设定值Inw；

其中两个判据必须同时满足时才对三相负荷进行转移调节，否则需要等待下一个调节周期再进行判断，假设变压器出线侧三相电流分别为Ia、Ib、Ic，则Iav和Iw计算方式如下：

Iw=max(|Ia-Iav|,|Ib-Iav|,|Ic-Iav|)

Inav的选取一般根据变压器容量及其负载率来确定，如100 kVA配电变压器的10%负载率(15 A)；Inw的选取一般也是综合变压器容量及其允许的不平衡度来确定，如100 kVA配电变压器额定运行15%不平衡度(20 A)。

2.2负荷转移原则

在进行三相不平衡调节时，总体调节原则是在综合考虑控制单元所属的所有换相开关目前的相位及其负荷信息的基础上，以动作开关数量最少实现最优的负荷转移，在负荷转移时，优先选取负荷最接近待转移负荷的换相开关进行调节。

在判断负荷接近程度时，需要按照负荷接近原则进行判断，只针对单相负荷大于待转移负荷的情况，计算接近的方法是选定一个误差Itq，当单相最大负荷和待转移负荷的差的绝对值小于选定的误差Itq，单相负荷小于待转移负荷则选取换相开关负荷最大相。2.3控制逻辑

为了保证调节的可靠性，在进行起调判据判定及生成具体的控制策略时所有的参考数据必须取自同一时间断面，即保证变压器三相出口电流及个换相开关的相位及负荷等数据必须取自同一时刻，进入处理进程后，首先判断Iav、Iw与Inav、Inw关系是否满足起调的条件，如果Iav>Inav及Iw>Inw这两个判据同时满足，开始进入下一步的控制策略分析及控制，否则直接返回等待下一个调节周期。

当起调判据同时满足时，分别计算三相需要转移的负荷Itx，其计算公式如下：

A相待转移负荷：Ita=Ia-Iav

B相待转移负荷：Itb=Ib-Iav

C相待转移负荷：Itc=Ic-Iav

然后根据Itx的值进行控制策略的生成，最终根据生成的控制策略控制确定换相开关及其目标相位进行负荷转移，从而实现三相负荷的重新平衡，整个系统的三相不平衡调节逻辑框图如图1所示。2.4控制策略

低压三相负荷不平衡调节的重点在于如果根据实际的运行情况生成合理且最优的负荷转移方案，选择合适的开关组合，在动作开关数量最少的情况下实现负荷的最优调节，使得系统实现新的三相负荷平衡。

在进行负荷转移控制时，首先需要根据目前所属换相开关的相位状态将其进行分类，形成A、B、C三相负荷原始队列，队列里包含换相开关身份标识及其负荷情况；然后再需要根据Itx的符号来确定负荷的转移负荷，当Itx>0时对应的负荷相需要转出负荷，Itx<0则对应的负荷相需要接收负荷，在实际工程应用中，Itx=0的情况当作Itx<0来考虑，即对应的负荷相需要接收负荷，其期待接收的负荷大小为0；因此三相不平衡调节共有两大类负荷转移情况，第一类为一相向两相转移(A→BC/B→AC/C→AB)，第二类为两相向一相转移(AC→B/AB→C/BC→A)。

1) 一相向两相转移策略

以C相负荷需要分别转移至A、B相为例，在控制策略运算时，实现使Itat=Ita、Itbt=Ib，然后执行如下步骤：

第一步：判断Itat、Itbt是否均小于Itq，是则转到第八步；否则转到第二步；

第二步：查找C相原始队列，找出Imax；

第三步：判断Itat是否大于Itbt，是则转到第四步，否则转到第六步；

第四步：判断Imax是否大于Itat，是则转到第五步，否则将Imax对应的换相开关加入到A相队列，同时将该换相开关从C相原始队列删除，并置Itat=Itat-Imax，返回第一步；

第五步：Itat与Imax接近范围是否满足接近范围Itq的要求，满足则将Imax对应的换相开关加入到A相队列，同时将该换相开关从C相原始队列删除，置Itat=0，返回第一步；不满足则将将Imax对应的换相开关从C相原始队列删除，返回第一步；

第六步：判断Imax是否大于Itbt，是则转到第七步，否则将Imax对应的换相开关加入到B相队列，同时将该换相开关从C相原始队列删除，并置Itbt=Itbt-Imax，返回第一步；

第七步：Itbt与Imax接近范围是否满足接近范围Itq的要求，满足则将Imax对应的换相开关加入到B相队列，同时将该换相开关从C相原始队列删除，置Itbt=0，返回第一步；不满足则将将Imax对应的换相开关从C相原始队列删除，返回第一步；

第八步：策略生成结束，A、B相动作队列所包含的换相开关对象就是从C相需要转移至A、B相的组合；

至此，负荷转移策略结束。

2) 两相向一相转移策略

以BC相负荷需要转移至A相为例，在控制策略运算时，实现使Itbt=Ib、Itct=Ic，然后执行如下步骤：

第一步：判断判断Itbt是否小于Itq，是则转到第二步；否则转到第三步；

第二步：判断判断Itct是否小于Itq，是则转到第七步；否则转到第五步；

第三步：查找B相原始队列，找出Imax，并判断Imax是否大于Itbt，是则转到第四步，否则将Imax对应的换相开关加入到A相队列，同时将该换相开关从B相原始队列删除，并置Itbt=Itbt-Imax，返回第一步；

第四步：Itbt与Imax接近范围是否满足接近范围Itq的要求，满足则将Imax对应的换相开关加入到A相队列，同时将该换相开关从B相原始队列删除，置Itbt=0，返回第一步；不满足则将将Imax对应的换相开关从B相原始队列删除，返回第一步；

第五步：查找C相原始队列，找出Imax，并判断Imax是否大于Itct，是则转到第六步，否则将Imax对应的换相开关加入到A相队列，同时将该换相开关从C相原始队列删除，并置Itct=Itct-Imax，返回第二步；

第六步：Itct与Imax接近范围是否满足接近范围Itq的要求，满足则将Imax对应的换相开关加入到A相队列，同时将该换相开关从C相原始队列删除，置Itct=0，转到第七步；不满足则将将Imax对应的换相开关从C相原始队列删除，返回第二步；

第七步：策略生成结束，A相动作队列所包含的换相开关对象就是从B、C相需要转移至A相的组合。

至此，负荷转移策略结束。

3　案例分析

3.1案例现有条件

在特定时间断面上，统计单元现有Ia= 5 A，Ib=20 A，Ic=50 A，统计单元所属换相开关总数为20台，编号分别为1至20，且Inav=15 A，Inw=20 A，换相开关目前的状态及电流值如表1所示。

表1　换相开关当前状态及电流值

3.2起调判据满足情况

通过计算得Iav=25 A，Iw=45 A，所以Iav>Inav且Iw>Inw，故需要进行调节。

3.3负荷转移方案

Ita= -20 A，Itb=-5 A，Itc=25 A，故It计算结果是两负一正，按照一正向两负转移的原则，需要将C相负荷相A、B相转移。3.4控制结果

通过计算，策略决策结果如下：需要从C相切换到A相的开关编号为9、12、6；需要从C相切换到B相的开关编号为10，即A相从C相得到的负荷为 10+6+4=20 A，B相从C相得到的负荷为5 A，负荷转移后换相开关状态及电流值如表2所示。

表2　负荷转移后换相开关状态及电流值

调节后，各相的电流分别为：Ia=20 A+5 A=25 A，Ib=5 A+20 A=25 A，Ic=50 A-5 A-20 A=25 A，达到新的平衡。

5　结束语

在我国低压配电网系统中，由于单相负荷用户接入的不可控增容、单相大功率负载的接入及单相负荷接入不同时性等因素的存在[5]，使得低压配电网三相不平衡问题在保障系统的可靠、经济运行中的影响较为突出，特别是农村低压配电网系统中表现尤为明显，这就导致变压器损耗加大、低压配电线路线损增加以及导致用户侧出现压降等，严重者甚至可能造成事故，影响系统的安全、可靠及经济运行[6]，国家电网公司目前已经提出了加大低压配电系统低电压综合治理的战略，而在低电压治理的诸多解决方案中，低压三相负荷不平衡的治理是其中的重要环节，即根据低压配电网接线方式、台区负荷及用户分布情况选择一定数量的单相负荷分别安装换相开关，该部分负荷作为可调节负荷，核心控制单元定时对线路三相负荷情况进行监测及判断，当三相不平衡度超过设定的范围时，按照负荷转移相关原则对系统负荷转移策略进行运算，得到最优控制策略并控制换相开关进行负荷转移，换相开关采用的是先进电力电子技术，能快速实现在电流或者电压过零点进行换相操作，实现负荷的平稳转移，从而实现负荷的重新分配，在新的平衡状态下继续运行，从而保障了低压配电系统的安全、可靠、经济运行。

[1] 田一焜.农村低压电网三相负荷不平衡运行的危害及其防范措施[J].科技展望，2014，24(18):28.

[2] 肖万骏. 单相配电技术的研究与应用[D].北京:北京交通大学，2010.

[3] 张明，谢珊珊，罗云峰. 低压配电网三相负荷不平衡优化模型的研究[J]. 武汉科技大学学报：自然科学版，2015，41(1):59-62.

[4] 张欢. 基于用户分类的低压配网三相平衡化降损研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[5] 王彬宇. 城市中低压配电网损耗分析与降损技术选择方法[D].重庆：重庆大学，2014.

[6] 王敏. 配电线路损耗浅析[J].电力与能源,2011，32(15):396-397.

A Study on the Control Strategy of Low-voltage Three-phase Load Imbalance

ZHANG Zhi-hua, LI Jin-song, ZHOU Jie, CAI Yue-ming, LIU Run-miao, ZENG Jun, WANG Jun-ren

(State Grid NARI Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

As three-phase imbalance in the low-voltage power grid directly affects safe and economic operation of the grid, it is necessary to take technical measures to automatically adjust three-phase imbalance in the low-voltage grid, by installing a number of inter-phase load transfer switches on the line to use this part of load as regulating load. The main control unit collects information about three-phase imbalance in the transformer area, gives an optimal three-phase load transfer strategy according to the phase and load situation of the inter-phase load transfer switches, and then, based on the adjustment strategy, controls corresponding inter-phase load transfer switches for load transfer between phases so that the three-phase load in the transformer area may reach a new equilibrium.

low-voltage; power distribution network; inter-phase load transfer; three-phase imbalance; control strategy

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.022

TM76

A

1000-3886(2016)02-0069-03

张志华(1987-)，云南人，现就职于国电南瑞科技股份有限公司农电分公司，主要从事配电自动化系统设备应用软件、系统安全防护、嵌入式linux操作系统内核裁剪及设备驱动开发工作。

定稿日期: 2015-08-08