基于换相开关与能源控制器的三相不平衡治理研究

于振超，朱德良，孟令欣，滕培青

（中电装备山东电子有限公司，山东 济南 250109）

随着泛在电力物联网的发展，电力设备也在朝着智能化、移动化、大数据化方向发展，物联网技术在电力方面的应用给予了终端设备新的生命力。未来的中国电力必将是各种电力设备之间、用户与智能终端之间、电网企业与设备之间的互联互通、信息共享，同时电力工作人员可以在任何时间、任何地点快速地排障检修所辖范围内的电力设备[1]。

配电台区三相负荷不平衡对配电网供电安全、供电质量和经济运行产生不良影响，是配电网运行的薄弱环节之一。为了加快推进泛在电力物联网的建设，促进传统电力向智能电力转型，推进落实各电力公司对配电网精益化管理的需要，治理低压台区三相负荷不平衡已经成了迫在眉睫的工作。能源控制器具备信息采集、物联代理及边缘计算功能，支撑营销、配电及新兴业务。需要采用硬件平台化、功能软件化、结构模块化、软硬件解耦、通信协议自适配设计，满足高性能高并发、大容量存储、多对象采集需求，集配电台区供用电信息采集、各采集终端或电能表数据收集、设备状态监测及通讯组网、就地化分析决策、协同计算等功能于一体的智能化终端设备[2]。将换相开关与能源控制器结合是解决以上问题的关键所在。

本文首先介绍换相开关的功能特点及应用，再将能源控制器与换相开关结合应用到三相负荷不平衡的台区治理中；然后进行整个三相负荷不平衡治理系统出厂前的试验验证分析；最后将换向开关与三相不平衡能源控制器应用到现实场景中去检验整套三相调节系统的实际效果。

1 换相开关的功能及应用

在三相负荷不平衡的治理中，换相开关具有至关重要的作用，它能够从整个台区根源部解决三相负荷不平衡的问题。相比其他的调节设备，换相开关是装在用户的表箱侧，能够实时监控台区边缘的用电情况并进行实时调节。换相开关在换相过程中能够无时延切换，不会放大谐波，具有工作噪音小、带电功耗低等特点。

换相开关是由三相继电器组成的换相切换器。在接收到能源控制器的换相指令后，开关会将原有的继电器状态改变，切换至目标继电器的命令状态[3]。如何保证换相过程中不对相关电器造成影响是一个关键性的问题，为此，通过实验来检验换相开关的可靠性。

在电力设备正常给各种家用电器供电的过程中，所有电器的用电波形是一种正弦波。在装上换相开关后，换相开关在切换过程中能够在坐标的零点位置将相位切换，是最佳时刻，既可以保证用电安全，又不会被用户觉察[4]。第63 页图1 为换相时的电压波动。

图1 负载端电压波形图

以上实验结果证明，换相开关在相序之间的切换零误差都小于一个周波，能够在10 ms 内完成切换。同时，在开关换相过程中需要做到的就是过零投切，即过零投切误差不应该大于1 ms。通过波形检测的结果见图2。

图2 过零切相时间波形图

由上可得，换相开关在相位切换过程中能够无视觉感受地带电工作，准确无误地根据换相指令进行换相，给用户一个良好的用电体验。

智能控制器部分相当于监控整个台区用电情况的汇集单元，能够与台区的换相开关通过LoRa 或者载波等通信方式进行通信，通过嵌入的换相策略实时监控实时调节[5]。智能控制器共有7 个部分，分别是交采模块、换相策略模块、数据汇集模块、微控制单元（Microcontroller Unit，MCU） 模块、显示模块、下行通信模块和4G 通信模块[6]。

按照此方案类推，对于其他复杂台区的设备安装，需要根据现场的环境特点有针对性地确定换相开关的安装数量和位置，通过与智能控制器的协调，将台区负载率和不平衡度控制在要求范围内。

2 系统验证分析

通过上述安装设备的方法可以解决三相负荷不平衡的问题，但是整个调节系统在出厂前需要做大量的试验分析来验证方案的可行性，包括通信、换相、采集等。换相调试和检验无法满足输出不同负载的要求，尤其在大负载下进行调节，在实验室及生成过程中会存在设备及作业人员操作不当等不安全因素。为确保不因设备及人为故障导致不合格产品流出及保护人身、设备的安全，规范合理地用电，可通过三相调节测试台来模拟各种大负载和动态化不平衡的情况，其中试验的条件是三相负荷不平衡不是由线路严重接线不均导致的。实验中所用的负载多为容性白炽灯[7]，能源控制器所采集的电流是通过放大电流互感器后采集而来[8]。表1 为换相后三相不平衡度统计表。

表1 换相后三相不平衡度统计表

通过表1 可知，在模拟台区安装换相开关的前提下，在台区的固定负载数量固定的情况下，可将整个台区的三相负载不平衡度降到规定标准的20%以下。由此可知整套调节系统是可以安装挂试的。

3 实际案例应用

以2019 年枣木栏台区为例。该台区位于农村地区，用电情况复杂，长期以来存在严重三相不平衡现象而导致以下问题：一是负载率短时内高低落差大；二是变压器最大输出容量和利用率严重降低；三是低电压和停电等问题经常发生；四是台区过载能力降低。在台区设备安装之前，首先将相关的数据进行采集汇总，根据现场实际统计一日不同时间段的三相电流的动态曲线，并制作安装方案。安装前的三相不平衡度见图3。

图3 安装前（2019 年9 月4 日）的供电所三相不平衡度

通过换相开关与能源控制器相结合的三相负荷不平衡治理方案，现场施工安装后，三相负荷不平衡、线损率等都得到了明显的改善，台区精益化管理能力得到了明显提升，见图4。

图4 安装后（2020 年7 月26 日）的供电所三相电流动态图

同此，其他台区的治理情况也得到了验证，不同试点不同时间的复杂情况均得到了改善，得到相关电力公司的好评，有助于此方案的推广完善。

4 结束语

换相开关与能源控制器相结合的三相不平衡治理方案能够降低三相不平衡，进而降低线损率。整体的换相调节系统对于随机性、动态化的台区三相负载不平衡治理具有显著成效。但是，由于存在台区用电复杂多样化、用电设备种类复杂化、现场施工繁琐化等问题，对换相开关和能源控制器提出了不少考验。

后期将会针对实际情况，对换相策略模块和换相模块进行产品升级，围绕运维管控为主、技术改造为辅的策略，为配电台区的精益化管理作出应有的贡献。