配电网三相负荷不平衡的优化调度治理技术分析

兰州工业学院 高 迪 范 静 山西兆光发电有限责任公司 李海全 中国人民解放军78156部队 南康杰

1 引言

我国各地区电力用户数量多、分布分散，再加上地区负荷特性复杂，造成了大量单相负荷在时间和空间上的非均衡分布，从而造成了大部分配电台出现了不同程度的三相负荷不平衡。当配变不对称运行时，会在配网中形成与之对应的零序、负序，这不仅会使变压器额外损耗增大，对功率输出有一定的影响，还会使线损增大，使电机转矩减小[1]。此外，由于负序电流的存在，会对电能表计的测量精度产生一定的影响，从而对电力系统带来一定的经济损失。

2 配电网三相负荷不平衡的影响

在低电压配电网络中，单相负荷所占比重很大，且具有很强的随机特性，常造成三相负荷不平衡。随着负荷类型、功率的不断增长，以及非线性负荷、单相负荷以及冲击负荷所占比例的不断提高，三相不平衡问题日益突出，对配电系统安全、经济、可靠运行造成了极大的威胁[2]。低压配电网三相不平衡的长时间不平衡会导致变压器出力下降，变压器损耗增大，电网保护元件误动作，异步电动机有功功率下降，线路损耗增大，配电网终端“低电压”等一系列问题。

2.1 对变压器的危害

配变的功耗分为空载功耗和负荷功耗。在这两种情况下，空载损失基本上是常数，而负荷损失是与负荷电流的平方成比例的。在配电网络中，由于三相负荷的不平衡，使变压器的损失增大，并且随着不平衡程度的增大，额外损失也随之增大[3]。这种损失不仅会引起变压器的高温，而且还会引起变压器的损坏。因为变压器的绕组结构是根据三相对称运行来进行的，因此，在三相负荷不平衡的情况下（一相重载、两相轻载或者两相重载、一相轻载），重载相不可避免地会首先到达设计的额定容量，而轻载相则会有一定的容量裕度，这就会导致变压器的出力下降，从而影响到变压器的工作效率。

2.2 增加线路损耗

在配电网络中，线损失与通过导线的电流的平方和线路阻抗成比例。在低压配电网络中，三相负荷是均衡的，三相电流是均衡的，而中性点是零点。该方法不计中性线损失，其损失与变压器负荷损失的计算方法基本一致。由于三相负荷不平衡时，中性线电流非零值，所以在不平衡情况下，除了三相线损之外，还包含了中性线损，三相负荷不平衡将导致线路损耗增大。在三相四线制下，三相负荷间的不平衡性对线路损耗的增幅有较大的影响：单相负荷较轻，二相负荷较重时，线路损耗增幅较大；在一相负荷轻、一相负荷平均、一相负荷重的条件下，线损上升幅度明显；在二相负荷轻，一相负荷重的条件下，线损的增长幅度很小。三相四线制配电系统中，中性线零序线路通常较三相导线较细，在三相负荷不平衡条件下，将产生较大的中性线短路，从而导致中性线短路，进而威胁到整个电力系统的安全。

2.3 降低感应电动机输出有功功率

由于三相负荷的不平衡，导致了三相电压的不平衡，经转换后，三相电压的不平衡可分为正序电压、负序电压和零序电压。对于电动机来说，负序电压成分会形成一个与正序成分相反的旋转磁场，会对电机造成制动，从而导致电机的输出功率降低。由于正反两个方向的周期效应，使得转矩周期波动，造成电机发热、振动，长此以往，会缩短电机的使用寿命。

3 三相不平衡度计算

配电网络中三相负荷不平衡的形成原因很多，其中最重要的内容是：负荷非对称接地引起的负荷分布不均匀；负荷用电具有随机特性，难以确保三相同步工作。

三相电压不平衡是衡量电力品质的一个重要指标，一般表示为负序基波，或正序基波与零序基波之方均根的百分比。在国家标准《电能质量三相电压允许不平衡度》中规定，在一般条件下，各等级电网的三相不平衡值不高于2%；在同一联接点上，单个客户造成的三相不平衡值不高于1.3%；三相不平衡值的计算不仅是对三相不平衡进行有效管理的前提，也是对三相不平衡值进行分析和确定的依据。三相不平衡的计算方法有两种，一种是国标规定的三相不平衡；二是用一种近似的算法来求三相不对称。

3.1 国家标准定义三相不平衡度的计算方法

国标定义的三相不平衡度，用对称分量法分解得到正序分量、负序分量和零序分量。计算公式为

三相电压负序不平衡度：

三相电压零序不平衡度：

IGN 对三相电压不平衡的一种计算方法，是用三相三线制电网的线路电压进行计算的，计算表达式为：

3.2 三相不平衡度的近似计算方法

为估算一个单一不均衡负载引起的三相电压失衡而产生的共同连接点，通常，将公用接头与电源间的接头阻抗正、负序阻抗相等，计算式为：

式中：I2为负序电流值；UL为线电压；Sk为公共连接点的三相短路容量。

国家标准定义的三相不平衡度计算法，按照式（2）和式（3），三相电压幅值，相位的测量，再由对称分量求出正负序及零序。由于该方法的计算比较烦琐，而且其输出电压的幅值及相位不易测定，所以在实际应用中并不多见。CIGRE 的定义可以通过只用线电的量值来计算三相不平衡，并且其结果和国家标准的定义的数值一样。

4 负荷相序平衡法

4.1 人工换相

人工换相指的是在对人工测量或系统采集的运行数据进行分析后，用试错的方法再次将三相负载在低压线路上换相，达到负载平衡，从而减少三相不平衡度。

人工换相的方式以手工操作为主，所以费用比较便宜，但在换相之前要进行大量的数据处理，这就要求工作人员有很高的专业的操作经验。由于电力系统负荷的随机、不确定，且无法通过人为手段实现对真实负荷不平衡状态的实时、动态调节，故仅能缓解三相负荷不平衡，而很难实现良好的均衡。

4.2 自动换相

根据负载信息和电网参数，自动换相技术，以平衡三相电流，改善电压分布，减少有功损耗，增加线路容量等为目的或约束，采用最优方法求解出最优的换相控制方案，实现三相负荷的自动换相，进而降低三相负荷的不平衡程度。自动换相控制室的作用是收集三相电流，计算三相不平衡度，对负荷均衡状况的判断，以及与逆变开关的通讯，来获取线上的负荷状况，并实施换相控制策略，这样就可以控制换流器的自动开关相位顺序。自动切换装置将测量到的负载电流，电压，以及切换状态等信息，通过有功线路载体，传输到控制装置，并从控制室那里得到指令，这样就能实现负载相序的自动转换，降低三相不平衡，提高电力质量。 自动换相系统如图1所示。

图1 自动换相系统

实现三相负荷的实时调节，克服了手动换相的缺点。

5 配网重构法

配电网的网络重构是一种重要的优化模式，该方法根据负荷预测结果，根据负荷的变化情况，通过调整联接开关和分接开关的断开状态，从而使整个系统的拓扑发生变化。该方法既能使负载在每条线路、每一台变压器上均布，又能使负载平衡，又能减少网损，改善电力质量。

配网重组可通过负荷转换实现对负压的有效均衡，但其本质是一种以提高电网潮流分配、降低网损为目的的多目标优化。在运行过程中，同步进行开关与线路转换，会造成开关元件的损失，并存在着一定的断电危险。

6 三相负荷不平衡的治理措施

6.1 用管理手段来降低不平衡度

强化对配电变压器的日常管理，及时跟踪、检测三相电流不平衡，当负荷不平衡程度较大时，应调整线路所载负载的分布比例。此外，为防止中性线烧断会导致中性线的电力损失增加，还可以将中性线的横断面增大到与相线断面相近或相同的程度。

6.2 负荷相序平衡法

负荷相序平衡方法是指在不改变原配网结构的情况下，使用手工换相或使用自动换相装置，将不平衡的负荷均匀地分布在每一相位上，以降低三相负荷的不平衡程度。负荷相序平衡能从根源上消除三相不平衡，减少线损，且设备造价低廉，在解决三相不平衡问题方面有着广泛的应用。

6.3 相序平衡的优化算法

在电力系统中，利用电力系统中的各种数据，对其进行建模，找出最优的电力系统控制策略。在低压配电系统中，只要监测到每一个用户的负荷状况，并将其置入适当的相位，就可以达到三相负荷的均衡。以上的算法，主要是以三相负荷不平衡度、网络线损、换相次数等作为目标函数或约束条件，以负荷所在相别、负荷大小和负荷的空间位置等信息为基础，构建一个数学模型。在此基础上，提出了一种基于最优解的电力系统负荷分配方法，并采用一种新的电力系统负荷分配方法，实现了电力系统三相负荷分配。

6.4 两种技术方案的特性对比

负荷补偿可在不改变配网结构与运行模式的前提下，迅速、有效地消除低压配网三相负荷不平衡，并具有无功补偿、谐波抑制等作用，适用于中高压场合，是当前三相负荷不平衡的重要方法。然而，由于负荷补偿设备价格昂贵，维护费用高，对维修人员的技术水平有较高的要求，使得该设备不能在低电压配电网中得到广泛应用，特别是在城镇和城镇建筑中的家庭供电。负荷的相序平衡就是指从负荷的观点出发，实现三相负荷的平衡。本文主要研究了一种基于数学方法的低压配电网络中的负荷分布问题，并在此基础上提出了一种新的负荷分布算法。该方法费用低廉，操作简便，能在一定程度上减少线路损耗，改善系统的经济性能，从而从根本上解决低压配电网络中的三相负荷不平衡问题。

7 结语

在新能源、信息和电力电子等技术快速发展的背景下，配电网中的电力质量和供电可靠度问题日趋严重。三相不平衡现象是一种对电力系统的供电品质有很大影响的现象，是由三相不平衡引起的。在配电网络中，由于三相负荷的不均匀性，这将引起三相电压不平衡，引起线损增大，变压器输出功率降低，并严重影响用电设备的正常运行。如何有效控制三相负荷不平衡，是提升配电系统安全稳定、改善配电系统电能品质的重要课题。