智能換相技術(shù)在配電網(wǎng)三相不平衡治理中的應(yīng)用分析

國網(wǎng)江西省電力有限公司全南縣供電分公司 袁長亞 林永勝 陳 勇 溫建剛

國網(wǎng)江西省電力有限公司贛州供電分公司 謝曉帆

在配電系統(tǒng)的運(yùn)行中容易出現(xiàn)三相不平衡問題，應(yīng)采取合理的措施對三相不平衡問題進(jìn)行治理，以提高配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。本文首先分析了配電網(wǎng)出現(xiàn)三相不平衡的原理及由此造成的電能損耗，之后闡述了智能換相開關(guān)的設(shè)計技術(shù)，包括控制系統(tǒng)和執(zhí)行部分的設(shè)計，最后分析了智能換相技術(shù)在配電網(wǎng)三相不平衡治理中的應(yīng)用。

當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)三相不平衡時，如果電力用戶接在負(fù)荷較大的某一單相時，則該電力用戶的用電電壓值可能不夠，難以滿足電氣設(shè)備的運(yùn)行電壓要求，甚至還可能出現(xiàn)設(shè)備燒損的情況，故應(yīng)提高對配電網(wǎng)三相電壓不平衡的重視程度。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)三相不平衡治理方法主要是采用無功補(bǔ)償以及換相投切負(fù)荷的方法，其中換相包括人工換相和自動換相兩種方式。如果采用人工換相的方式，則所需要投入的人工成本較大，并且對負(fù)荷的調(diào)整也不夠準(zhǔn)確，只能實(shí)現(xiàn)短暫性的三相負(fù)荷平衡。采用無功補(bǔ)償方式更難以實(shí)現(xiàn)有效的三相負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)。為此，本文介紹了利用智能換相技術(shù)治理配電網(wǎng)三相不平衡的方法，通過對單相負(fù)荷接入進(jìn)行有序的換相控制，能夠有效解決配電臺區(qū)內(nèi)的三相不平衡問題，從而始終將中性線的電流控制在最小，確保配電網(wǎng)中的負(fù)荷最優(yōu)分布。

1 智能換相技術(shù)

目前電力系統(tǒng)中的負(fù)荷正朝著多元化的方向發(fā)展，在此情形下，有必要采用智能自動負(fù)荷調(diào)控系統(tǒng)保證配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)配電網(wǎng)運(yùn)行在三相不平衡的狀態(tài)時，配電線路和配電變壓器中的電能損耗都會有所增加；此外，還會產(chǎn)生零序電流，使得配電變壓器出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，降低配電變壓器的使用壽命。采用智能換相技術(shù)能夠達(dá)到較好的節(jié)能降損增效目標(biāo)，這樣不僅可以降低變壓器損耗，同時也能夠?qū)⒕€路的損耗降到最低。在智能換相技術(shù)中，應(yīng)在交流過零時刻進(jìn)行投切，以避免產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象；同時，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)是否成功切除配電網(wǎng)當(dāng)前連接相序的校驗(yàn)。此外，還應(yīng)在極短的時間內(nèi)完成換相操作，達(dá)到負(fù)荷全時段無縫零毫秒換相的目的。

2 智能換相開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計

在智能換相開關(guān)系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)對相序的合理分配，主要包括硬件控制系統(tǒng)部分和軟件部分，兩者需要協(xié)調(diào)運(yùn)行，以下分別進(jìn)行分析。通過對智能換相開關(guān)中的軟件和硬件進(jìn)行優(yōu)化，能夠使得智能換相開關(guān)具備優(yōu)異的連續(xù)調(diào)控能力，同時采用先進(jìn)的控制策略，實(shí)現(xiàn)配電臺區(qū)各條支路的逐段平衡。

圖1 智能換相開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 智能換相開關(guān)的硬件系統(tǒng)設(shè)計

在智能換相開關(guān)的硬件系統(tǒng)中，微處理器是硬件系統(tǒng)的核心，其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析等。在對硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)采用模塊化的設(shè)計思想，圖1為智能換相開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)圖。

從圖1中可以看出，信號調(diào)理模塊從配電母線中提取信息，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，之后再傳入到處理器中進(jìn)行分析。處理器能夠通過人機(jī)交互模塊接收操作人員下發(fā)的指令，并通過通訊模塊將指令傳送到配電系統(tǒng)的換相執(zhí)行終端，完成實(shí)際的換相操作。其中，換相執(zhí)行終端一般安裝在變壓器的出口處，可以通過過零比較觸發(fā)啟動換相控制程序，并檢測配電開關(guān)換相之后的分合閘狀態(tài)。

2.2 智能換相開關(guān)的軟件執(zhí)行部分設(shè)計

軟件系統(tǒng)是智能換相開關(guān)執(zhí)行部分的關(guān)鍵，應(yīng)設(shè)計好程序的邏輯流程，圖2為智能換相開關(guān)執(zhí)行部分的軟件流程圖。

從圖2可以看出，智能換相開關(guān)的執(zhí)行部分首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，檢查裝置是否運(yùn)行正常，之后再采集配電網(wǎng)中的電力負(fù)荷大小和相別情況，并通過智能換相裝置中的通訊模塊將所采集到的數(shù)據(jù)信息上傳，同時接收裝置中的控制器所下發(fā)的指令。執(zhí)行部分根據(jù)控制器的指令來采集負(fù)荷的瞬時電流，并判斷配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)是否符合換相條件，如果滿足條件則實(shí)施換相操作。

在軟件流程中判斷是否滿足換相條件時，主要是根據(jù)智能換相控制模型進(jìn)行判斷，將此時采集的配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綋Q相控制模塊中，在滿足換相控制模型的約束條件下，通過優(yōu)化控制使得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)，達(dá)到智能換相的目的，以下對智能換相技術(shù)中的模型及算法進(jìn)行分析。

圖2 智能換相開關(guān)執(zhí)行部分的軟件流程圖

3 智能換相技術(shù)模型及應(yīng)用分析

3.1 智能換相技術(shù)模型及算法

利用智能換相技術(shù)調(diào)整配電網(wǎng)中的三相負(fù)載是治理配電網(wǎng)三相不平衡問題的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。在開發(fā)智能換相開關(guān)時，需要建立智能換相模型。可以以總換相次數(shù)最小和三相不平衡度最小為目標(biāo)函數(shù)建立智能換相技術(shù)模型，其中單相不平衡度的計算公式如式(1)：

式(1)中：βα為某一單相的不平衡度，Iα為所采集的某一時刻電流值，Iav為三相電流的平均值。將智能換相開關(guān)的總換相次數(shù)最小作為目標(biāo)函數(shù)，主要是考慮到智能換相開關(guān)的動作次數(shù)越多則使用壽命越低，故應(yīng)盡量降低智能換相開關(guān)的動作次數(shù)。

約束條件包括三相電流的大小不超過線路的載流量、最大不平衡度不超過預(yù)設(shè)的允許值等。對于智能換相技術(shù)模型的求解算法，可以采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解。粒子群優(yōu)化算法的求解速度較快，編程實(shí)現(xiàn)也較為簡單，能夠通過不斷迭代更新粒子的速度和位置達(dá)到求解最優(yōu)解的目的，其在電力系統(tǒng)優(yōu)化計算領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 智能換相技術(shù)的應(yīng)用分析

智能換相開關(guān)裝置在投入實(shí)際應(yīng)用之前，需要先進(jìn)行嚴(yán)格的性能和功能測試，只有經(jīng)過測試確認(rèn)采用智能換相開關(guān)裝置能夠很好地解決配電網(wǎng)中存在的三相不平衡問題，才可以將該開關(guān)裝置投入到實(shí)際應(yīng)用中。在對該智能換相開關(guān)裝置進(jìn)行測試時，主要需要對信號調(diào)理電路、換相執(zhí)行終端和通信模塊等方面進(jìn)行測試。其中，在對換相執(zhí)行終端進(jìn)行仿真測試時，應(yīng)分別在感性、阻性和電容性等場景下計算出負(fù)荷的斷電時間，一般在10 ms左右。當(dāng)在各種負(fù)荷場景下負(fù)荷斷電時間都符合要求時，則表示該智能開關(guān)換相裝置的性能較為良好，可以掛網(wǎng)運(yùn)行。

結(jié)論：配電系統(tǒng)如果長期運(yùn)行在三相不平衡的狀態(tài)下，則會引起臺區(qū)內(nèi)電能質(zhì)量的降低，并且降低配電變壓器的運(yùn)行安全水平和使用壽命。采用本文所述的智能換相開關(guān)技術(shù)，能夠很好地解決配電網(wǎng)中的三相不平衡問題，優(yōu)化配電系統(tǒng)的運(yùn)行，對于提高配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有一定的價值。