基于自决策换相技术的台区三相不平衡综合治理

傅 颖，杨成钢，赵建文，金华芳，王曜飞，吕春美

（国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000）

0 引言

我国低压配电变压器（以下简称“配变”）台区采用三相四线制供电，供电电压为380 V/220 V，供电模式为台区三相动力负荷与单相居民负荷混合接线，这种供电模式使得低压配电网的三相不平衡问题长期存在。在低压配电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在整个供电系统中占有很大的比例。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，改善供电电压质量，降低线损[1-3]。

本文基于智能换相开关治理三相不平衡的方法，研究适用于配变台区的三相负荷自平衡控制决策，提出了分布控制型三相负荷不平衡调节方法，作为集中控制策略的补充和完善，可以解决配电线路部分支线上的换相开关因通信故障或信息缺失而无法动作的问题，提高了换相开关动作的有效性，为提高配变台区供电可靠性和安全性提供理论支撑。

1 三相不平衡的治理措施

低压线路三相负荷不平衡具有极其明显的特点：具有可见性和可测算性；引起的线损超常大和造成严重危害；具有存在的顽固性、长期性及沿线分布较广性。为了降低配电台区电能损耗，提升配电网电能质量，必须采取有效调整措施，治理或消除低压三相负荷不平衡。除了提升规划和管理水平外，常规的处理措施主要有以下几种[4-5]。

（1）人工调整，均分负荷。结合历史记录并根据实时在线监测数据，通过手动调整接线的方式尽量均分负荷，加强三相负荷分布控制。该方式的缺点是：手动调整效率低下，不便捷，且操作具有一定的危险性；需要停电操作，影响供电可靠性；无法根据负荷变化实时动态调整。

（2）利用无功补偿装置治理三相不平衡。在实际电力系统中，三相不平衡和无功功率经常同时出现，因此可在传统电力电子型SVC（静止无功补偿器）或SVG（静止无功发生器）无功补偿功能的基础上，通过改进控制算法使其同时具备无功补偿和抑制三相不平衡的功能。但沿线路的三相负荷不平衡问题并没有得到根本解决，线路损耗和终端负荷的电压质量问题，甚至是低电压问题依然存在。

（3）自动切换装置调整三相不平衡。智能换相开关是调整供电电源相位的开关设备，三相输入，单相输出，导通情况下任何时刻只能有一相导通，其余两相处于分断状态，可通过监控系统远程控制或本地控制实现供电电源相位的调整。

因此，本文针对配变台区供电特点，研究三相负荷自动调平的换相模型，构建适用于配变台区的三相负荷自平衡控制决策，包括集中控制型和分布控制型2 种策略。集中控制型由几种控制开关或配变终端进行分析决策，下发命令至各支路上的换相开关完成换相过程；分布控制型是针对通信缺失情况下的分支线路，由单台换相开关完成三相负荷分布式自动调平控制，将2 种控制策略相结合实现台区三相负荷自动调平。

2 三相负荷不平衡调节原理

2.1 集中控制型三相不平衡调节

低压配电网的三相不平衡主要是指三相负荷不平衡的现象，从而导致的三相电压或三相电流不平衡，且三相不平衡对低压配网以及配用电设备的正常工作造成了许多不良影响[6]。若想降低低压配网的三相不平衡度，保证负荷的正常供电，则需根据配电母线各相的电流及各支路负荷电流的大小，在不影响单相负荷正常用电的同时，对单相负荷进行合理、平稳、无冲击的换相操作，更改其所连接的相序，将单相负荷支路在三相间尽可能地平均分配，才能最大程度地降低低压配网的三相不平衡度[7]。基于自动换相调节的配变台区三相不平衡治理结构框图如图1 所示。

图1 配变台区三相负荷不平衡治理结构框图

假设配电变压器低压侧三相电流分别为Ia，Ib，Ic，则平均电流Iav为：

所以用以衡量三相负荷电流不平衡程度的电流不平衡度γφ一般定义如下：

式中：φ∈{A，B，C}；Imaxφ为最大相电流值。

Q/GDW 519—2010《配电网运行规程》规定：变压器的三相负荷应力求平衡，其不平衡度不应大于20%，否则需要调整负荷[8]。

配变低压侧的三相电流与平均电流的差值为：

理想情况下应满足ΔIa=0，ΔIb=0，ΔIc=0，要使三相电流的不平衡度最小，则使三相电流差值中的最大值为最小即可。相间最大电流差值如式（4）所示：

考虑到换相开关的使用寿命等因素，换相开关动作次数应尽可能少，其动作次数可表示为：

式中：n 为换相开关的个数；yi为当前换相开关动作次数，初始值为0，若进行了换相切换操作，yi的值将累加1 次。由此可建立三相平衡控制策略的目标函数：

求目标函数J 的最小值，即在满足三相不平衡度最小的同时保证换相开关的换相次数Y 最小[9-10]。

2.2 分布控制型三相不平衡调节

在配电线路较长或配电网较复杂等有可能出现通信条件不佳或通信缺失的低压配网中使用三相负荷自平衡调节时，依赖通信的集中决策方法出现盲区，因此可以通过计算电压偏差是否符合标准要求，从而对该节点的负荷进行切换。

根据GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》，220 V 单相供电电压偏差的限值为标称电压的-10%～7%。电压偏差的计算公式为：

假设台区低压侧三相电压平衡（电源对称），某一支路出现通信缺失的情况，依据网络拓扑关系及设备参数，可知每一相线路阻抗Zli，若用户1的负荷电流为IL1，换相开关1 原始状态不在A 相，随后换相到A 相，且换相前后A 相电压分别为UA1和则换相开关1 换相前后的电压变化为：

则有，前第i 个换相开关换相前后的电压变化为：

若换相前第i 个用户侧三相电压中最大相电压为Umaxi，电压最小的相为Umini，换相后的最大相电压为：

最后计算调整后的三相电压的偏差，检查本次换相是否达到预期。

3 三相负荷不平衡控制策略

三相不平衡治理系统的设计，通常在台区低压侧首段安装一个总开关作为主控单元，在支路用户侧安装若干个换相开关，由总开关对三相不平衡情况进行分析并给出换相决策，由分支路开关执行遥控命令；或者利用智能配变终端作为主控单元，对三相不平衡情况进行分析并给出遥控命令，通过支路安装的多个换相开关来完成三相负荷的调平[11-12]。

主控单元无需实时监测三相负荷状态及对其操作，以定时监测的方式进行周期统计，定时时间Δt 最小为15 min 或其整数倍，可以按照实际需求及负荷波动情况灵活配置。触发条件如下：

（1）不平衡度超过限值γ。

（2）不平衡持续时长超过限值Δt。

同时满足以上2 个条件，进入换相策略环节。其中限值γ 和Δt 为可调节参数，根据实际需求设定。

集中控制型三相不平衡调节逻辑框图如图2所示。其中，获取换相开关信息成功的进入集中控制逻辑。首先，主控单元每30 min 对三相电流实时数据计算一次平均值，将24 h 内的电流平均值进行比较，记录其中最小电流平均值出现的时刻，由于负载电流最小时进行换相对电网影响最小，即每个时段的最小电流时刻将作为第二天换相开关动作时刻。同时，考虑台区每天负荷曲线变化不大，将统计的上一个小时内的平均电流作为下一个小时的负荷电流预估，与前一天相同时间段内的平均电流进行比较，得出当天换相开关的动作时刻及动作优先排序[13]。

图2 集中控制逻辑框图

其次，从换相开关处获取其动作次数值Y 并记录，结合上述换相开关的动作排序，将动作次数少的开关优先排序，使得重新组合后的三相负荷不平衡度最小，同时，减少换相开关动作次数[14-15]。这样可以保证台区中换相开关以最少动作次数，达到三相平衡的目的，减少对用户的影响。

获取换相开关信息时，若出现若干换相开关信息缺失，表示该段线路通信故障或中断，周期内未接收到遥控命令的换相开关记为通信中断，并进入分布控制模式，由换相开关自行计算本段分支的电压偏差，从而作出换相决策。分布控制调节逻辑框图如图3 所示。

图3 分布控制逻辑框图

获取第i 个换相开关所在的相位及该节点的三相电压，计算三相电压偏差是否达到触发条件；若达到换相条件，将负荷从电压低的一相调至电压高的一相，换相操作为：换相开关相位在电压最小相时，将负荷换相至电压最大相；相位在电压最大相或中间相，不进行换相。

4 三相负荷自平衡决策仿真分析

4.1 仿真模型

依据上述三相负荷自平衡决策原理，结合浙江省丽水地区某配变台区的实际拓扑结构、用户负荷分布、用电量情况，构建了一个含10 个用户负荷的配变台区仿真模型（分支线1 包括1—5号用户，分支线2 包括6—10 号用户），对台区使用换相开关调节前后的线损情况、用户电压变化情况进行仿真分析，验证三相负荷自平衡决策在治理低压台区三相不平衡问题的可行性。选取配变低压侧一个月的电流、电压、功率因数、用户当日用电量数据进行统计分析，按照图1 的台区配电结构，运用MATLAB/Simulink 建立台区仿真模型，首端采用无穷大电源模拟配变（容量为630 kVA），假设台区首段低压侧电压保持不变，模型中的负载均采用恒功率模型，即保证切换前后用户的功率保持不变。

搭建的台区模型中，10 个单相用户的负荷大小及所在相位如表1 所示。

表1 负荷电流数据及初始相位

4.2 仿真分析

切换之前，台区的配变低压侧出口处A，B，C 三相电流分别为346.8 A，984.3 A，809.6 A（均为有效值），三相不平衡度为51.4%。

根据前述三相负荷自平衡控制策略进行仿真试验，以一组算例进行说明。通过对三相负荷分布的统计分析发现，A 相负荷最小，需将B 相、C 相的负荷切换部分至A 相，根据本文设计的换相策略，调整方式为：用户7 由B 相切换至A相，用户1 由C 相切换至A 相。换相前后三相电流变化曲线及控制换相开关的动作信号时序如图4 所示。在0.08 s 时第一个换相动作信号发送，换相过后A，B，C 三相电流分别628 A，702.7 A，809.6 A；在0.16 s 时第二个换相动作信号发送，换相过后A，B，C 三相电流分别764.9 A，703.1 A，672.7 A（均为有效值），三相不平衡度为7.2%。

假设用户7 处的换相开关由于通信故障无法接收换相指令，在0.08 s 时未收到换相信号，之后0.02 s 内启动分布控制策略，从离配变最远处的用户开始计算，用户6 由C 相换相至A 相，用户5 由B 相换至C 相，最终完成了本次换相序列。换相前后三相电流变化曲线及控制换相开关的动作信号时序如图5 所示。成功切换后，配变低压侧A，B，C 三相电流分别为620.7 A，786.1 A，751.9 A（均为有效值），三相不平衡度为10.16%，达到三相不平衡标准要求。

图4 换相前后三相电流波形及动作信号时序（通信正常时）

图5 换相前后三相电流波形及动作信号时序（通信故障时）

根据上述仿真分析可以看出，台区支线配有分布控制功能的自决策型换相开关，对于提高台区三相不平衡控制效率起到关键性作用。

仿真过程中，三相负荷换相前后台区用户的总功率保持不变，均为452.51 kW。换相之前台区变压器出口处总功率为516.75 kW，线路总损耗为64.24 kW，线损率为12.43%；换相之后台区变压器出口处总功率为478.38 kW，线路总损耗为25.87 kW，线损率为5.41%；调整后线台区线损率降低7.02%，日节约电能约920 kWh，每年可提高供电公司收益约16.79 万元。因此，换相前后不仅大大降低了三相不平衡度，同时也降低了线损率，达到了节约电能的实际效果，台区的经济性技术指标得到了显著提高。

此外，采用智能自动控制调整三相不平衡，还节约了人力成本。按照每人每天人工费200 元，每车每天车辆费用450 元计算，则年运行维护费用约1.74 万元。可见，三相不平衡的自决策控制策略在保证正常供电的情况下降低了资源的消耗。投资回报比方面，按批产后7 万元/套计算，预计0.38 年收回成本。

当该台区负荷处均配置分布控制功能的换相开关时，针对分支线与首端通信全部断开形成信息孤岛的情况，对分布控制功能的换相开关的分配和动作情况进行了进一步的仿真试验。设计2种换相开关配置方案，分别对2 条分支线路和台区首端的三相电流不平衡度进行统计分析。

（1）仅在三相中负荷较大的相安装分布控制型换相开关。此算例中在B 相和C 相各安装4 个分布控制型换相开关。

按照分布控制型三相不平衡调节策略，进行一个周期的换相调节，换相开关依次动作过程及三相电流不平衡度的变化如图6 所示。

图6 首端及分支线电流不平衡度变化曲线

可以看出，首端、分支线1、分支线2 的三相电流不平衡度随着换相开关序列的动作而变化，每次动作过后三相不平衡度呈整体下降趋势，首端不平衡度从51.4%下降至18.32%，最终达到了标准要求。

（2）根据A，B，C 三相所带的负荷比例分配换相开关。此算例中在A，B，C 相分别安装2 台、4台、4 台分布控制型换相开关，即所有负荷处均安装。按照分布控制型三相不平衡调节策略，进行一个周期的换相调节，依次动作过程及三相电流不平衡度的变化如图7 所示。

图7 首端及分支线电流不平衡度变化曲线

可以看出，当台区所有负荷均具备换相开关，并且参与动作数量达到最大后，首端不平衡度从51.4%下降至9.66%，三相不平衡度改善幅度更大。另外，从分支线的三相不平衡度变化曲线可以看出，换相开关依次动作后，分支线的三相不平衡度可能会小于首端的三相不平衡度。因此，分布控制型换相开关不仅能改善台区首端的三相不平衡问题，同时还可以改善分支线的三相不平衡问题，使得分支线和首端同时满足标准要求。

通过多个仿真分析，验证了分布控制型换相策略的可行性，并且三相负荷平衡后可以使得台区线损率大大降低，不但解决了三相不平衡问题，同时大幅改善了线损率这一重要考核指标，达到了台区电压质量治理、降低线损的目的，具有实用化的价值。

5 结语

本文提出了配变台区三相负荷自动平衡综合控制策略，基于智能换相开关的功能，研究配变台区三相负荷自平衡控制决策，构建三相负荷自动调平的多目标最优换相模型，形成一套适用于低压配变台区的三相不平衡治理方法。三相负荷自平衡控制决策采用集中控制和分布控制2 种方法相结合的方式，可以解决台区因条件不足无法建设通信环境或当换相开关出现通信故障时无法及时动作的问题，实现了配变台区三相负荷的自动调平。通过仿真试验验证了所研究内容的可行性及实用性，不仅有效改善了三相不平衡现象，还降低了台区线损率，节约运行成本，为有效提高配变台区供电安全性和经济性提供了理论支撑。