低壓臺區(qū)變?nèi)嘭撦d自動平衡系統(tǒng)技術(shù)

謝欽朋　梁俊熙

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，大功率用電設(shè)備越來越多，用戶的用電水平和用電規(guī)律參差不齊，導(dǎo)致三相負荷的不平衡問題日益突出，嚴重影響著供電質(zhì)量以及低壓配網(wǎng)運行的安全性。文章歸納了電網(wǎng)大量存在的三相不平衡問題以及其帶來的危害，并對該問題提出負載自動平衡解決方案，以有效解決三相不平衡的問題。

關(guān)鍵詞：低壓臺區(qū)；三相不平衡；負載自動平衡；智能組網(wǎng)；用電設(shè)備 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）24-0134-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.067

我國的低壓配電網(wǎng)點多面廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負荷性質(zhì)多樣、負荷變化波動大，并且隨著人們生活水平的不斷提高，大功率用電設(shè)備越來越多，用戶的用電水平和用電規(guī)律參差不齊，再加上治理三相不平衡的方法相對欠缺、管理不到位，導(dǎo)致三相負荷的不平衡問題日益突出，嚴重影響著供電質(zhì)量以及低壓配網(wǎng)運行的安全性。三相不平衡問題亟待得到解決。

1 定義

三相不平衡是指在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍。造成三相不平衡的主要原因是三相負荷不均衡，屬于基波負荷配置問題。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準（Q/GDW519-2010）配電網(wǎng)運行規(guī)程》中第8.7.4條規(guī)定：（1）不平衡度計算式：（最大電流-最小電流）÷最大電流×100%；（2）國家規(guī)定：三相負荷不平衡度不應(yīng)大于15%，只帶少量單相負荷的三相變壓器，中性線電流不應(yīng)超過額定電流的25%。

2 三相不平衡的危害

三相負載不平衡問題給電力系統(tǒng)、用戶供電等都帶來了嚴重的危害，主要表現(xiàn)在以下五個方面：（1）增加變壓器損耗；（2）增加線路損耗；（3）配變出力減小，降低了配變利用率；（4）變壓器發(fā)熱，嚴重時甚至?xí)龤ё儔浩?；?）容易導(dǎo)致過壓、低壓，影響用電設(shè)備的正常工作。目前我國低壓配網(wǎng)三相不平衡問題非常普遍，損耗高、缺陷多，運行可靠性差，威脅電網(wǎng)安全運行，尤以農(nóng)網(wǎng)三相不平衡問題最為突出。

3 三相不平衡治理的傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)治理三相不平衡的手段相對欠缺，而且投入大、效率低，不能從根本上解決三相不平衡問題，傳統(tǒng)的解決方法如下：

3.1 通過人工改線調(diào)整負荷

這種方法使用率最高，但其人力投入大，需切斷用戶供電，而且難以長期適應(yīng)負荷的變化規(guī)律。

3.2 通過SVG靜止同步補償器補償

SVG靜止同步補償器可以對三相不平衡進行補償，但這種方法成本高，而且不能做到真正的負荷平衡。

3.3 通過APF有源濾波器補償

APF有源濾波器可以濾除諧波，并對三相不平衡起到一定的補償作用，但這種方法同樣是成本高，而且也不能做到真正的負荷平衡。

4 三相負載自動平衡系統(tǒng)技術(shù)

低壓臺區(qū)變系統(tǒng)是廣東卡特能源科技有限公司研發(fā)的一款用于治理三相不平衡的產(chǎn)品。它適用于三相四線制的380V/220V低壓配電系統(tǒng)，能夠在不中斷用戶供電的情況下根據(jù)不平衡度自動調(diào)節(jié)三相負載，克服傳統(tǒng)依靠人工改線來調(diào)節(jié)三相不平衡的缺點。本產(chǎn)品可有效降低由三相負載不平衡所導(dǎo)致的變壓器損耗、線路損耗，克服某相過流、末端低壓等情況以及由三相不平衡所帶來的眾多安全隱患。三相負載自動平衡系統(tǒng)原理如圖1所示：

每個支路的始端均安裝一臺中控器，負責(zé)監(jiān)測三相不平衡信息，并下發(fā)調(diào)節(jié)命令；支路下面安裝若干臺調(diào)相器，可監(jiān)測自身帶載回路的負荷信息，并根據(jù)中控器下發(fā)的調(diào)相命令進行相應(yīng)調(diào)相操作。

4.1 系統(tǒng)組成

自動平衡系統(tǒng)由智能電網(wǎng)中控器和智能電網(wǎng)調(diào)相器組成：

4.1.1 智能電網(wǎng)中控器。智能電網(wǎng)中控器是自動平衡系統(tǒng)的“大腦”，是集采樣、運算、通信、人機交互、智能組網(wǎng)、平衡邏輯算法于一體的智能控制裝置。

4.1.2 智能電網(wǎng)調(diào)相器。智能電網(wǎng)調(diào)相器是自動平衡系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是集采樣、運算、通信、相序切換功能于一體的智能投切裝置。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 自動平衡三相負載。實時監(jiān)測三相不平衡度，并根據(jù)不平衡度自動調(diào)節(jié)三相負載，調(diào)相時間最大只需25ms，不會中斷用戶供電。

4.2.2 降低變壓器損耗。使變壓器處于對稱運行狀態(tài)，有效降低了變壓器損耗。

4.2.3 降低線路損耗?？捎行p小中性線電流，從而減小了中性線的損耗，同時也減小了相線的損耗。

4.2.4 解決低壓、過壓問題。解決由三相不平衡所導(dǎo)致的低壓、過壓的問題，避免因過壓燒壞用電設(shè)備或因低壓影響用電設(shè)備的正常運行。

4.2.5 保護低壓配網(wǎng)安全運行。避免由于中性線電流長期過大而導(dǎo)致的發(fā)熱和老損以及避免了變壓器等配電設(shè)備燒毀的安全隱患。

4.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

4.3.1 免維護、免管理。系統(tǒng)投運后無需專人維護和管理，節(jié)省人力物力，提高效率。

4.3.2 自動調(diào)相，不需中斷用戶供電。（1）自動調(diào)相，無需人工參與；（2）調(diào)相時間≤25ms，不會導(dǎo)致供電中斷。

4.3.3 可靠的相間防短路技術(shù)。（1）可靠的硬件閉鎖技術(shù)，防止多個相序同時接通；（2）多重軟件算法，智能預(yù)防相間短路。

4.3.4 開關(guān)元件不耗電，裝置功耗小。（1）采用永磁繼電器機構(gòu)，無壓運行；（2）裝置運行功耗小。

4.4 接線原理圖

4.4.1 臺區(qū)內(nèi)每個分支的始端均安裝一臺智能電網(wǎng)中控器。

4.4.2 每個支路下面安裝若干臺智能電網(wǎng)調(diào)相器（根據(jù)需要來選裝）。

4.4.3 調(diào)相器實時監(jiān)測自身帶載回路的電流電壓大小。

4.4.4 中控器與調(diào)相器之間通過電力載波的方式進行通信。

4.4.5 中控器實時監(jiān)測支路的不平衡度，并結(jié)合該支路各調(diào)相器的負荷大小，運算出最優(yōu)調(diào)平策略，實現(xiàn)支路平衡，最終實現(xiàn)變壓器平衡。

4.5 智能組網(wǎng)

低壓臺區(qū)變?nèi)嘭撦d自動平衡系統(tǒng)采用電力載波的方式進行通信，每個中控器只負責(zé)與其同支路的調(diào)相器進行通信，一個支路構(gòu)成一個子系統(tǒng)，中控器作為主機，調(diào)相器作為從機。本系統(tǒng)針對多中控器共網(wǎng)的模式，開發(fā)了獨特的智能組網(wǎng)機制，即搶占式分時通信機制，該機制避免了不同支路之間的載波通信的沖突和干擾，實現(xiàn)了智能組網(wǎng)功能。

4.5.1 基于數(shù)學(xué)遞歸邏輯的平衡算法。當(dāng)中控器監(jiān)測到自身支路的不平衡度超過設(shè)定值時，就會啟動平衡邏輯算法。每個支路的不平衡度都不一樣，每個用戶的用電負荷也不盡相同，本系統(tǒng)可以通過智能算法求解出最優(yōu)的平衡策略，該策略是基于數(shù)學(xué)遞歸邏輯算法的原理，結(jié)合平衡需求和各調(diào)相器的負載大小，進行邏輯組合的運算，求解出最優(yōu)策略。

4.5.2 基于支路平衡策略而實現(xiàn)臺區(qū)平衡的原理。當(dāng)支路中的中控器運算出最優(yōu)策略后，就會將調(diào)節(jié)命令發(fā)送至該支路中的對應(yīng)的調(diào)相器，調(diào)相器收到命令后則根據(jù)命令進行相應(yīng)的相序切換操作，從而實現(xiàn)支路平衡。臺區(qū)內(nèi)如果每個三相的分支都達到三相平衡狀態(tài)，那么最終變壓器也會處于三相平衡狀態(tài)，這就是基于支路平衡策略而實現(xiàn)臺區(qū)平衡的原理。

4.6 不掉電調(diào)相原理

4.6.1 動作元件。智能電網(wǎng)調(diào)相器作為本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，采用永磁繼電器作為動作元件，永磁繼電器具有帶載能力強、功耗小、動作速度快、損耗小、運行可靠、成本低等特點。

基于永磁繼電器的特性，本系統(tǒng)實現(xiàn)了不掉電調(diào)相的功能，調(diào)相過程中不會導(dǎo)致用戶供電的中斷，保證了供電質(zhì)量。

4.6.2 快速過零相序切換。不掉電調(diào)相原理的實質(zhì)：在極短的時間內(nèi)完成相序的切換，從而不會導(dǎo)致用電設(shè)備掉電。為保證壽命，本系統(tǒng)的調(diào)相器采用過零投切技術(shù)，以將投切對動作元件的損傷降到最小。過零投切技術(shù)基于“電流過零切除，電壓過零投入”的原則，可以達到?jīng)_擊極小、電弧極小的效果。實際上，通過大量的理論調(diào)研和實際測試驗證，30ms的掉電時間不會導(dǎo)致用電設(shè)備掉電，而智能電網(wǎng)調(diào)相器調(diào)相時間小于25ms，完全滿足要求。

5 設(shè)計原則

（1）以支路平衡的方式實現(xiàn)調(diào)平；（2）支路中用戶數(shù)量≥10戶才考慮安裝；（3）安裝數(shù)量：支路用戶總數(shù)的20%～30%。

舉例：某支路用戶數(shù)共50戶，按30%計算，則需安裝的用戶數(shù)量為15戶，因此ABC每相的安裝數(shù)量5戶，因此每相需選5個用戶安裝調(diào)相器，而調(diào)相器的安裝數(shù)量會隨安裝方式不同而存在差異。

選用90A容量調(diào)相器，一臺調(diào)相器最多可帶5戶。

6 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，負載類型也多樣化，各行各業(yè)對供電質(zhì)量的要求越來越高，而且電網(wǎng)也向智能電網(wǎng)方向發(fā)展，同時節(jié)能減排也是國家基本國策。因此，我們對智能化、高效、解決電網(wǎng)供電質(zhì)量三相不平衡問題，確保設(shè)備和電網(wǎng)安全，減少線損，節(jié)能降耗提出可靠的解決方案。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）