基于低压智能塑壳开关的低压台区三相不平衡换相治理方法

何俊杰，柯 洁

（广州南方电力集团电器有限公司，广州 510285）

0 引言

配电网是电网传输电能的最后一个环节，直接影响到用户用电体验的好坏，因此业界对配电网的电能质量问题十分关注，三相不平衡是电能质量问题中具有代表性的一种，具有较长的历史，但造成三相不平衡的原因众多，且较为复杂，既有客观因素，也有主观因素，既有技术问题，也有管理问题，因此，彻底解决三相不平衡问题较为困难。且目前在提出构建新型电力系统的目标下，电源、电网、负荷都发生了较大变化，电网接入了大量的光伏、小水电、风能等新能源，大量的电力电子元器件的接入以及新能源随机的出力特性，均会造成电力网络三相不平衡的原因更加复杂化。

为了改善三相不平衡现象，国内外学者做了诸多研究，刘焱[1]依托电力载波通讯技术和智能电表的发展，提出了基于晶闸管复合式换相开关的新解决方案。Tung N X 等[2]、胡应宏等[3]、雷翦[4]提出一种新的基于平衡分量法的无功补偿导纳计算方法，无论三相不平衡负荷是什么接线均可以用一等值电阻和电抗并联表示，并可以根据负载导纳性质设计一个补偿网络，使得三相负荷平衡。该方法的缺点在于负载侧各相补偿导纳参数难以求解。张欢[5]详细阐述低压配电网网损及三相不平衡度的计算方法。并推导得出计及三相不平衡度的低压配网线损计算方法。陈超[6]采用瞬时无功功率理论对负荷电压电流瞬时值进行分析，基于三相不对称负荷的平衡化原理，提出了对电弧炉等大型的三相不对称负荷实行分相补偿的方法，该方法运用对称分量法求出负荷各相的等效补偿电纳值，采用有理插值法，将等效电纳值转换成晶闸管的触发角，实现快速无功补偿。还有研究人员[7-10]详细阐述了如何用静止无功补偿器治理三相不平衡，在得到低压负荷的三相等效导纳测量值后利用插值法转换成晶闸管触发角，然后独立每一相进行功率控制从而达到降低三相不平衡度，但不足之处是响应速度较慢，可能不能满足系统动态的调节需求。随着GTO 与IGBT 的出现与技术革新，以及PWM 调制技术的进一步发展，出现了基于电力电子逆变技术的静止无功发生器（SVG）[11-12]，乔琨[13]、Majumder R[14]、Liu W 等[15]介绍了SVG应用于低压配电网三相不平衡治理的思路。

2020 年南方电网公司印发了《数字化转型和数字电网建设行动方案（2020 版）》，明确以数字化推动业务变革的战略，全面推进数字电网建设。数字电网以海量数据为基础，依托大数据、人工智能等前沿技术，实现电网全状态感知与智能化控制，提升电网运行效益。低压配电网中存在大量的低压开关，可以为低压数字电网建设与运行提供基础支持。低压智能塑壳开关的远方控制及分、合闸功能，可以满足低压数字电网的负荷控制需求，实现用户停电、复电，以及用户接入相序转换，此功能也为解决三相不平衡问题提供条件。

本文基于低压智能塑壳开关的功能，提出一种低压台区三相负荷的自动换相方法，以解决单相负荷接入不均衡和用户用电时间差异引起的台区三相负荷不平衡问题。

1 低压智能塑壳开关

1.1 低压智能塑壳开关功能

低压智能塑壳开关主要功能包括：（1）电流监测；（2）电压监测；（3）开关状态监测；（4）开关分闸/合闸控制；（5）数据上传；（6）远方/就地控制；（7）本地状态显示。

低压智能塑壳开关通过电流互感器和电压互感器，采集一次系统电压、电流数据；通过开关触点来监测开关分、合状态，并经过光电隔离电路和继电器电路实现开关的分、合闸操作。智能开关具备本地显示屏，利于运维人员现场人机交互与维护。智能开关具备通信模块，可将采集的电气量与非电气量数据上传至远方后台，实现开关状态的可观可测，同时远方后台可以下发分、合闸指令，实现设备远方控制。

1.2 低压智能塑壳开关应用

低压智能塑壳开关由于其智能化与信息化特性，可以成为低压数字电网建设的一类支撑设备，在低压数字电网运行场景中发挥其功能作用，具体包括以下几个应用。

（1）低压拓扑数据支撑。低压智能开关的监测数据采集及上传交互，可以为低压数字电网自动拓扑识别提供数据源，更好地生成低压台区拓扑图。

（2）负荷遥控。低压智能开关的远方控制及分、合闸功能，可以满足低压数字电网的负荷控制需求，实现用户停电、复电，以及用户接入相序转换。

（3）辅助运维。低压智能开关的状态监测，可以方便运维人员了解到各个线路的分段点，进而对需维护点进行精准开关控制及停电，同时可实现故障自动隔离。

2 三相不平衡评价指标

根据电网企业的生产实际，本文采用三相电流不平衡度作为台区三相不平衡的评价指标。

三相电流不平衡度为三相电流最大差值与最大电流值之比[16]，其数学表达式如下：

式中：Imax为三相电流中的最大值；Imin为三相电流中的最小值。

3 三相不平衡解决方法分析

到现在为止，针对三相不平衡的解决方案或缓解措施主要有以下几种[17]：

（1）增加负荷点进行负荷的转移切割；

（2）使用换相的方法，转移较重负荷相至其他相，降低三相不平衡度；

（3）使用电容器、SVC、SVG 等无功功率补偿装置进行补偿；

（4）针对不同的负载情况设计出补偿导纳网络，利用补偿导纳网络改变三相不平衡负载的外特性。

上述针对三相不平衡的解决方案或缓解措施中，方案（1）需要进行电网升级改造，投入成本较高；方案（2）使用人工换相投切需要停电操作，且由于换相投切的流程较长，因此停电时间也会很久，容易受到客户的投诉；方案（3）与方案（4）增加补偿导纳网络及采用无功功率补偿装置虽能解决低压配电网中普遍存在的三相不平衡的问题，但是需要新增设备增加投资，且后续还有大量的运维工作，耗费人力。

4 基于周期平滑系数的换相方法

针对当前配电网三相不平衡治理问题，本文提出一种考虑电流周期平滑系数的换相方法，以下从该方法的周期平滑系数计算、换相模型、实现流程等方面进行阐述。

4.1 周期平滑系数

周期平滑系数是指基于历史电流周期数据，进行同一时刻下未来电流预测所用的计算系数，其以两周14 天为预测周期，包括两个预测系数，前7 天为第一平滑系数，后7天为第二平滑系数，数学表达式如下：

基于周期平滑系数，可计算第i时刻配变电压侧负荷的预测电流为IXi=，同时可用同样方法预测换相开关的电流，在此不做赘述。

4.2 自动换相模型

自动换相以换相后三相不平衡度最小为目标函数，约束包括第i相换相开关电流大小约束，其数学表达式如下：

式中：g为换相开关数量；IAq,IBq,ICq为第q时刻A 相、B相、C相电流。

4.3 实现步骤流程

基于上述提出的周期平滑系数指标和自动换相模型，本文提出基于周期平滑系数的换相方法流程如下。

（1）获取配电变压器（下简称“配变”）低压侧各相序历史负荷电流、换相开关侧负荷相序及历史负荷电流；配变低压侧各相序历史负荷电流是指配变低压侧连续n天一天96 个时刻A、B、C 三相的负荷电流、、；换相开关侧负荷相序及历史负荷电流包括：第k个换相开关的接入相序X；第k个换相开关连续n天一天96个时刻X相的负荷电流；令n=1, 2, …,h；令i=1,2,…,96；k=1,2,…,g。

（2）根据历史负荷电流进行配电变压器低压侧和换相开关侧未来一天96时刻的负荷电流预测。

（3）构建负荷转移模型并计算，将结果下发至换相开关进行换相，流程结束。

5 算例分析

本文选择了南方电网某一实际台区一天的运行情况进行算例展示验证所提控制方法的有效性。换相前电流以及三相不平衡情况如图1所示。

图1 换相前台区三相不平衡度曲线Fig.1 Three-phase unbalanced index after control

应用本文方法换相后，效果如图2所示。由图可知，换相前三相不平衡度区间为0%～70%之间，换相后三相不平衡度区间为0%～40%左右，最大三相不平衡度下降约30%，换相前换相后三相不平衡度大幅下降。

图2 换相后台区三相不平衡度曲线Fig.2 Three-phase unbalanced index after control

换相前后结果对比如表1 所示，由表可知，本文的方法可以较好地改善台区的三相不平衡情况，与换相的情况相比较，其三相不平衡度下降了21.8%。

表1 换相前后结果对比Tab.1 Comparison of results

6 结束语

本文基于低压智能塑壳开关的功能应用，在对比了目前国内外低压配电网三相不平衡问题解决方案的优劣势后提出了一种低压台区三相负荷的自动换相方法，构建了负荷转移模型。最后运用南方电网某实际台区运行数据，进行了本文方法的效果验证，结果表明，本文所提方法可以有效地降低配电台区运行的三相不平衡度，与原运行状态相比，台区整体运行的三相不平衡度下降了21.8%。本文方法可为配电网低压台区三相不平衡的换相治理提供重要的参考价值。