考虑平衡三相负荷的低压配电网降损方案

黄明欣，唐酿，葛阳，陈佳鹏，曾杰

(1.南方电网电力科技股份有限公司，广东 广州 510080; 2.广东电网有限责任公司，广东 广州 510600)

2020年我国能源消费产生的二氧化碳排放量占总排放量的88%左右，而电力行业的二氧化碳排放量占了能源行业排放总量的近一半，电力行业减排进程直接影响碳达峰、碳中和整体进程[1]。在整个电力网络中，发、输、配、送的任一环节都会产生能量损耗。其中，直接与用户相连的低压配电网，因覆盖范围广、配电设备多、线路复杂而密集，其电能损耗占电网总损耗的60%以上[2-4]。配电网层面如何技术降损，一直是电力行业重点关注及研究难点。目前，配电网降损的主要解决方案有：缩短低压供电线路长度、无功补偿、平衡三相负荷、采用节能变压器、合理配置变压器容量和采用大线径电路[5-10]。系统收资发现由于存在大量时空不均匀分布的单相负荷和负荷用电的随机性，三相不平衡运行不可避免，此时系统中存在不平衡电流，进而造成不平衡运行状态下的变压器和配电网线路损耗增加、变压器出力降低、供电质量下降等不良后果[11-16]。因此，在三相电流不平衡的三相四线制低压配电网中，平衡三相负荷是技术降损的有效解决方向。

为平衡三相负荷，国内学者、电力工作者提出了不同的解决措施[17-25]。文献[17]提出通过分相电容和相间电容实现三相不平衡的调节，但该方案存在拉低功率因数、中性线电流不减反增等实际应用问题；文献[18]提出基于协调控制静止无功发生器(static var generator，SVG)的低压配电网三相负荷不平衡补偿系统，但仅从理论上验证了该方案的可行性，详细的应用研究还未开展；文献[19-20]提出一种基于在线自动换相装置和控制终端的三相不平衡实时治理方案，但主要研究换相控制逻辑，缺乏实际工程应用实例及降损效果分析；文献[21]提出结合换相与附加补偿手段来治理三相不平衡，但方案停留在仿真验证阶段，并无实际效益分析及核算；文献[22]对电容型补偿、电力电子变流器型补偿和换相补偿治理方案原理进行分析和整理，但缺乏降损效果、工程施工等方面的对比，对实际应用参考价值有限。因此，为了更好地推进平衡三相负荷在降低低压配电网损耗中的应用，更为深入的应用研究及效益分析很有必要。

本文首先多维度对比分析典型三相不平衡治理方式的优缺点，在此基础上，通过数学推导和MATLAB仿真分析三相不平衡对低压配电网能耗影响的量化关系，并对集中式SVG补偿及换相开关方案的降损效果进行直观对比。最后，结合广东地区三相不平衡现状，采用快速换相开关的技术方案，通过工程应用验证方案的有效性，并进行详尽的效益分析。

1 平衡三相负荷措施分析

目前，平衡三相负荷主要有3种技术方案，第1种是采用相间电容补偿的方式，第2种是利用SVG装置，第3种是智能换相开关装置。

1.1 电容型补偿

电容型补偿方式利用电容补偿装置实现，在电流最大的相线与电流最小的相线之间投入一定比例的电容器，在两相之间增加无功电流的同时转移一部分有功电流，实现补偿功能。

优点：只需在台区三相线路上安装数台相间补偿电容器，其工程安装简单，且造价低。

缺点：相间补偿电容器工作时需要利用负载的电感来调整不平衡有功电流，如果负载的功率因数为1，就意味着没有可以利用的电感，因此无法进行不平衡调整。另外，数台相间补偿电容器分级数不宜过多，电容器组只能分级补偿，当负荷功率波动范围较大时，补偿效果无法保证。在实际应用中问题突出。

1.2 SVG补偿

SVG补偿方式利用电力电子换流器在三相之间转移有功功率，从而解决变压器三相绕组负荷不平衡问题。目前SVG补偿方式主要分为集中式和分布式，集中式主要安装在配电台区变压器出口侧，分布式则是在低压配电网台区多个节点分别接入SVG。

优点：集中式SVG方案可解决由三相不平衡导致的变压器损耗问题，安装简单，仅需按不平衡度及变压器容量选定装机额定容量即可。而分布式SVG方案可平衡低压配电网多个节点三相电流，减少线损，消除节点低电压。

缺点：集中式SVG不能解决整个低压配电网台区线路的不平衡问题，台区供电网络仍运行在严重的不平衡状态，不能解决供电线路的线路损耗、末端电压低等问题，同时自身损耗及噪声较大。

1.3 智能换相开关

快速换相开关通过将配电网中的一部分单相负荷加装换相器，使其变为可控负荷；主控器检测三相负荷的平衡状况，实时地对单相负荷做出优化决策，使整个台区的负荷均衡地分布在三相供电线路上。

优点:可以真正使整个台区运行于三相平衡状态，配电网的中性线电流显著降低，变压器及供电线路的损耗大大减小，而且由于相线电流的均衡及中性线电流的减小，末端电压也获得显著的提升，台区的运行能效得到明显的改善。

缺点：设备需要串接，安装在用户电表旁，安装时工程量稍大。

1.4 方案对比

为了更直观地分析上述技术方案的优缺点，本文从平衡效果、降损效果、改善末端低电压等维度对3种技术方案进行对比，结果见表1。

表1 3种技术方案对比Tab.1 Comparisons of three technical schemes

相间电容补偿的方案虽然施工维护简单，但平衡效果差，容易造成整个台区供电网严重过补，拉低功率因数，严重时可能导致中性线电流不但未减小反而增加，实际使用不多。集中式SVG型技术方案安装施工简单，兼具无功补偿能力，可解决变压

器本体三相不平衡问题，目前主要针对变压器负载率不小于80%的台区使用，但自身损耗较大、噪声很大，且不能有效解决整个台区线路及负载侧三相不平衡问题，因此也不能从根本上解决因三相不平衡带来的线损及末端低电压问题。若在台区内安装多个SVG(即分布式SVG)，虽然也可取得较好的平衡效果，但由于SVG造价比较昂贵，其投资远超换相开关的数倍，目前实际应用较少。快速换相开关方案是新一代的技术路线，真正使整个配电网台区运行于三相平衡状态，配电网络的中性线电流显著降低，变压器及供电线路的损耗大大减小，且由于相线电流的均衡及中性线电流的减少，末端电压也获得显著提升，可系统解决台区三相不平衡、高线损、末端低电压问题，适用于不同负载率的配电网台区，唯一不足的是施工量稍大。

2 降损效果量化分析

第1章已对相间电容补偿、SVG补偿，快速换相开关3种技术方案进行从平衡效果、降损效果、改善末端低电压等维度进行定性分析，本章通过数学推导和MATLAB仿真计算对目前应用较多的集中式SVG补偿及快速换相方案的降损效果进行量化分析。

2.1 数学推导

三相不平衡在整个配电网中会带来一系列损耗，通常从线路、配电网变压器等角度进行分析。当三相负荷平衡时，中性线电流为0，此时不存在中性线损耗。当三相负荷不平衡时，相线和中性线中都存在不平衡电流，进而产生附加损耗，且不平衡程度越大，产生的损耗越多[26]。

定义三相电流不平衡度

(1)

式中：Imax为三相最大电流；Iav为三相平均电流。

则中性线电流

(2)

式中：βA、βB、βC为各相不平衡度，且βA+βB+βC=0；α= 1∠120°= cos 120°+ jsin 120°为工程上常用到的单位相量算子。

当三相负荷不平衡时，中性线上就会流过电流，从而产生附加损耗，此时中性线上的附加损耗

(3)

式中R0为中性线上阻抗。

由式(2)和式(3)推导得出中性线上的附加损耗P0与负荷电流不平衡度的关系为

(4)

在低压配电网由于线路存在阻抗，输电线中通过的电流必定会消耗部分电能，当三相电流平衡时，相线上损耗

(5)

式中RL为线路阻抗。

而当三相电流不平衡时，相线上损耗

(6)

由式(5)和式(6)可知，由于三相不平衡产生的相线损耗可表示为

(7)

假设中性线型号与相线型号相同，即RL=R0，三相四线制线路上三相不平衡新增损耗ΔPL可以用三相不平衡度表示，即

(8)

当三相负荷不对称时，变压器低压侧出现零序磁通，但由于配电网变压器(以下简称配变)主要以铁心柱的结构为主，高压侧通常不存在零序电流，从而导致低压侧零序电流没有通路，只能通过变压器油箱壁和钢构件来形成回路。当变压器钢构件中流过零序电流分量时，由于变压器油箱壁和钢构件的磁阻与绕组磁阻相比数值较大，就会形成较大的磁滞及涡流损耗，造成钢构件的附加发热，产生多余的铁心损耗，附加铁损

(9)

式中：IOC为变压器二次侧零序电流分量；ROC为变压器二次侧零序电流通路的等值电阻。

由于配电网变压器绕组阻抗的存在，通过绕组的电流必定会消耗部分电能，当三相绕组电流平衡时，变压器绕组损耗

(10)

式中RT为绕组阻抗。

当三相绕组电流幅值不平衡时，变压器绕组损耗

(11)

由式(10)、(11)可知，由于三相不平衡产生的变压器绕组损耗

(12)

在工程上，进行低压配电网三相不平衡损耗计算时通常忽略变压器的附加铁损，此时低压配电网变压器由于三相不平衡的附加损耗可以由式(12)表示。

利用集中式SVG方案只能平衡其并联接入点上游线路的电流、上游节点低电压，实际只是平衡了配电网台区变压器出口侧的电流，相线实际仍处于三相负荷电流不平衡的状态，故降损效果主要体现在对变压器附加损耗的降低上，如式(12)所示，无法降低式(8)所示的线路附加损耗；使用快速换相开关方案，能真正平衡台区各相线上的负荷，使变压器出口侧的电流和相线上的电流处于一个均衡的状态，因此可降低式(8)和式(12)所示的附加损耗。

2.2 仿真分析

2.2.1 配电网附加损耗与配变负载率及最大电流不平衡度的关系

为了更直观地得到使用不同技术方案对配电网降损效果的影响，根据式(8)和式(12)，本文利用MATLAB数值仿真，首先计算配电网附加损耗与配变负载率及最大电流不平衡度的关系。算例选择容量为500 kVA的10 kV/400 V配变，参数配置参照GB/T 6451—2015[27]，线路参数参照允许载流量800 A的铜线缆，供电半径总长0.5 km。

仿真计算结果如图1所示，当配变负载率一定时，最大电流不平衡度越大，系统附加损耗越大；当配变最大不平衡度一定时，变压器负载率越大，系统附加损耗越大，随着配变负载率的增加，三相负荷不平衡导致的系统附加损耗越明显。因此，在配电网节能降损的过程中，需要重点关注负载率较大的台区变压器。

图1 低压配电网附加损耗与配变负载率及最大电流不平衡度的关系Fig.1 Relationships between additional power loss of low-voltage distribution network load rate of transformer and the maximum current unbalanced degree

2.2.2 配电网损耗增量比与最大电流不平衡度的关系

进一步计算当配变负载率为60%时，配电网损耗增量比，计算结果如图2所示。其中损耗增量比定义为配变附加损耗占理想状态(即不存在三相不平衡问题)下低压配电网损耗的百分比。考虑实际运行中A、B、C三相负载率每时每刻都可能变化，选取3种典型负载情况进行分析，分别是：情况1，1相重载、1相轻载、1相平均负荷(权重系数为1、-1、0)；情况2，2相轻载、1相重载(权重系数为-0.5、-0.5、1)；情况3，1相轻载、2相重载(权重系数为-1、1/3、2/3)。

图2 低压配电网损耗增量比与最大电流不平衡度的变化曲线Fig.2 Variation curves of power incremental ratio and the maximum current unbalanced degree

计算结果表明：降低系统最大不平衡度，配电网损耗增量比显著下降。如图2所示：在情况1时，将最大不平衡度从60%降低至15%以内，损耗增量比能从约50%降低至5%以内，降损效果明显；而在情况3(此时三相负荷分布较情况1均衡)，同样将最大不平衡度从60%降低至15%以内，损耗增量比则从约40%降低至5%以内。因此，综合考虑配变的负载情况及三相负荷不平衡情况，借助先进技术手段调整电流不平衡度，对配电网节能损耗治理具有重大的意义。

2.2.3 不同技术方案可减少附加损耗的对比进一步计算选用SVG方案和换相开关方案平衡三相负荷电流时，可减少的附加损耗对比。假设治理前最大电流不平衡度为60%，以1相重载、1相轻载、1相平均负载的负荷分布为例，结果如图3所示，其中降损量为治理前附加损耗与治理后附加损耗的差值。

图3 可降低日附加损耗量对比Fig.3 Comparisons of reducible daily additional power loss

计算结果表明，采用SVG方案对低压配电网的降损效果不如采用换相开关方案显著。当变压器出口侧最大不平衡从60%降低至20%以内，采用快速换相开关方案，日降损量在百千瓦时级别，采用集中式SVG补偿，日降损量仅在几千瓦时级别。因此，采用换相开关的技术方案，在降低配电网损耗上有更为明显的效果，对提升整个电网的经济运行水平、降低损耗、节约能源都具有积极意义。

3 工程应用

3.1 总体设计

根据2021年系统收资数据，广东地区台区配变负载率30%～100%、三相不平衡度45%～100%区间段的变压器台数共计4万余台。按照南方电网《中低压配电运行标准》规定要求：变压器的三相负荷应力求平衡，不平衡度不应大于15%。当前治理措施主要对负载率不小于80%的配变二次侧加装电力电子型三相不平衡治理装置。该方案只能解决变压器本体三相不平衡问题，不能有效解决整个台区线路及负载侧三相不平衡问题，因此也不能从根本上解决因三相不平衡带来的线损及末端低电压问题。

全网针对低压配电网三相不平衡问题的专项治理，既是为了适应售配电改革新形势，又是提高配电网电能质量的重要手段，更是响应碳达峰、碳中和号召，积极降低配电网附加损耗的积极举措。低压负荷中三相和单相用电设备共存，且以单相用电设备为主，加上用户用电行为的不可控性，通过运行管理与控制来改善和解决三相负荷不平衡问题是非常困难的，结合第1、2章分析，采用快速换相开关方案对单相负荷接入进行实时、智能的自动换相控制。2020年起分别在广州、深圳、珠海、惠州等地示范应用，治理成效显著。

3.2 现场实施

本文以当前惠州示范点500 kVA台区配变进行测算，对治理措施进行详细分析。根据测量数据，台区配变年平均负载率40%，高峰期负载率60%左右，治理前三相不平衡度最大值60%，平均值45%，中性线电流在30～120 A之间，各相电流不平衡较严重。调取装置投运前台区配变某日二次侧出口处电压、电流趋势图，可以发现台区日负荷随时间变化较大，台区三相电流不平衡：用电高峰时A相重载，B、C相轻载；用电低谷时，A相轻载，B、C相重载。由于台区负荷波动性较大，白天商业用电，晚上居民用电随机变化，因此人工定期调相难以解决。

采用换相开关式三相不平衡治理装置对该台区进行治理，该台区配置主控器1台，换相开关14台，主控器安装在台区配变低压侧。根据台区用户的分布情况，14台换相开关分布在3条低压支路的首端、中端、末端，并在较大负荷的电表前安装1台换相开关，这样14台换相器在主控器的控制下形成1个小局域的智能负荷自动调度系统。

3.3 治理效果

治理后三相负荷电流基本处于平衡状态，三相不平衡度显著降低，平均值小于15%，中性线电流不超过30 A。

治理装置2020年9月投运以来，根据系统收资数据，台区平均线损率由4.56%降至3%，下降幅度约34.2%。2020年1月至2021年8月该台区月供出电量及台区月线损值变化曲线如图4所示。

图4 月供出电量及月线损值变化曲线Fig.4 Variation curves of monthly power supply and line loss rates

投运后该台区未发生单相电压低或开关过载跳闸等事故，取得了预期的效果。运行前，2020年4月用电量为31.480 MWh,线损率4.95%；运行后2021年2月用电量为30.762 MWh，线损率为2.89%。大致等同用电量情况下，线损降低，治理效果显著。

3.4 效益核算

3.4.1 挽回直接经济损失

按平均电价0.6元/kWh计算，该台区每年可挽回损失10 635.2元。考虑广东电网台区配变负载率30%～100%，三相不平衡度45%～100%区间段变压器台数共计4万余台，通过三相不平衡技术降损，每年可挽回直接经济损失约5～6亿元；集中治理好城中村三相不平衡问题，每年可挽回经济损失约3亿元。

3.4.2 减少碳排放量

广东地区目前主要仍以普通化石燃料电源为主，该类电源的单位发电量产生的碳排放量

(13)

式中：f为单位燃料充分燃烧所排放的碳量;q为燃料的单位发热量，参考值为10 kJ/t；G为电源的能量转换效率。

目前1 t燃料充分燃烧所排放的碳量为0.3 kg，燃料的单位发热量为10 kJ/t，电源的能量转换效率为1.5 kWh/kJ，由式(13)可知化石燃料的单位发电量产生的碳排放量约为2×10-5t/kWh。因此，该台区每年可减少0.35 t碳排放量。

3.4.3 减少劳务成本

台区负荷切割、人工换相按材料费、施工费、劳务成本平均450元/(人次)，1年按20次计算，约9 000元。同时运用技术手段，实时动态地对三相负荷进行有载调控，可降低工作人员劳动强度，减少安全责任事故。

3.4.4 投资回报周期

考虑线损部分及劳务成本，1年直接经济损失及运维约2万元，按典型500 kVA台区配变配置换相开关，2年可收回成本。换相型不平衡治理的全寿命周期为6年，全寿命周期期间，可实现200%的赢利，年平均收益33.33%。

4 结论

本文针对配电网技术降损难题，提出基于低压配电网三相不平衡问题治理的解决方案，首先多维度对比现有不同方案的技术特点，再通过数学推导和MATLAB仿真分析平衡三相负荷对低压配电网降损效果的影响，最终结合广东地区实际情况，应用快速换相开关方案。通过工程实践分析，结论如下：

a)通过平衡三相负荷，可有效解决台区三相不平衡带来的变压器及线路损耗问题，提高整个电网的经济运行效率，降低损耗，节约能源，打造经济、可靠、坚强智能的配电网络。

b)快速换相开关平衡三相负荷方案较其他技术方案具有明显优势。快速换相开关通过源头解决负荷不平衡问题，维护简单，综合成本低。同时数学推导及仿真结果表明，其降损效果较其他方案更为显著。

c)典型台区三相不平衡治理后，台区线损率平均降低15%～20%，全年可以节约万余度电量，减少约0.35 t碳排放量。按广东电网适宜治理台区配变基数，考虑不同台区配变容量配置数量，通过三相不平衡技术降损，每年可挽回直接经济损失约5～6亿元；集中治理好城中村三相不平衡问题，每年可挽回经济损失约3亿元。