智能选相开关的低压配电网台区负荷不平衡控制技术

随着社会经济的不断发展，人们对电能质量要求越来越高，如何满足用户对电能质量的需求，为用户提供可选多样的电能质量和价格方案成为了当前国内外智能电网建设的重要特征之一。在电力系统运行过程中，低压配电网三相负荷不平衡不仅会增加线损率，而且会导致末端电压过低，影响供电质量。因此，对低压配电网的电能质量进行综合控制，并采取措施进行节能降耗，是电网发展规划和建设的必然趋势。

【关键词】智能选相开关 低压配电网 负荷不平衡

目前国内对于配电网节能降耗的研究，尤其是配变台区的节能降耗的研究，仍然停留在独立的、对某区域电网的离线线损计算、无功优化控制，而且没有考虑三相不平衡的治理。而当前配电网中现有的无功补偿等节能设备和电能质量治理装置只是单点分布，既没有数据的上传采集平台，也没有设备的综合控制平台，设备的运行状态、故障信息、节能效果和电能质量治理效果等方面也无法得知。因此，随着配电网的建设和发展亟需，非常有必要研究一种新型的面向配电网的基于三相不平衡治理综合节能优化控制系统，逐步进行技术推广，应用于配电网节能与提高电能质量改造项目的实践中。

1 案例介绍

金华金东区部分台区下存在三相不平衡问题，且由于此影响会引起用户侧的低电压问题投诉，针对此问题需要采用科技创新的技术来综合整治，通过理论研究解决三相不平衡的问题，对治理低电压问题有切实的帮助。从满足电压合格率和供电可靠率的角度出发，解决用户侧因三相不平衡所引起的一系列问题。本项目拟研究应用于配变台区三相不平衡治理综合节能优化控制系统，项目实施后的研究成果将明显改善区域配电网电能质量，有效降低配电网的电能损耗，达到节能的目的。

2 三相不平衡问题治理目标

2.1 有效解决配电网由于无功补偿不足而造成的无功损耗问题

当前配电网所采取的降耗措施主要是电容补偿，存在速度慢，不能动态平滑调节，容易造成欠补过补的问题，电网损耗问题依然严重。本项目的研究将有效解决该类问题，拟采用柔性动态无功功率调节设备，能够实现平滑补偿，补偿效率高，补偿度精准，最大程度上减小电网损耗。

2.2 解决现有的电容器补偿装置存在的安全隐患问题

配变网企业负荷和居民用电具有阶段性，供电无功功率具有波动性。电容器是在企业与居民生产时投入，停产或休息时切除。电容器为固定补偿，时而会造成系统过补、时而欠补，频繁的投切电容器降低了电容器的使用寿命，并且在投切过程中容易出现电容器重燃的故障。频繁的投切电容器还改变了系统的阻抗，容易使系统供电设备发生串、并联谐振故障。另外，小型非线性电子式开关设备（变频空调，节能灯具）的大量应用大大增加了配电网的谐波水平，谐波在电网流动，补偿的并联电容器容易对谐波产生放大情况，严重时达到数十倍，很容易烧毁设备，造成事故。

本项目研究拟采用新型的智能化统一电能质量综合优化装置，实现无功功率柔性输出，补偿能力精准，响应速度快，利用电力电子开关器件调节功率，不依赖电网阻抗，不会对电网系统阻抗产生影响，也不会造成谐振问题和谐波放大问题。

2.3 解决现有的节能设备谐波、三相不平衡等的问题

谐波污染和三相不平衡问题对电网和用户设备造成严重的危害。但是，现有的节能设备不具备谐波污染治理的能力，传统的电容器节能补偿如果配置不当，将会造成谐波放大数10乃至数百倍，容易造成事故；SVC型的装置本身更是一个谐波污染源，在节能的同时，造成新的电网污染。针对以上问题，本项目研究中拟采用最新的电网谐波污染治理技术，进行针对性的治理，有效减小因为电能质量问题造成的损失。

2.4 提高配网设备自动化水平

配变台区三相不平衡治理综合节能优化控制系统采用最新研究的成果，包含了电力电子功率变换技术、瞬时无功功率控制技术、网络智能化技术以及无线通信技术，能够对配电网进行离线与在线的智能化监控管理，使配电网始终处于安全、可靠、优质、经济、高效的最优运行状态，提高供电可靠性和供电质量，降低运行维护费用，提高整个配电系统的管理水平和工作效率。

3 低压配电网台区负荷不平衡控制系统设计

低压配电网台区负荷不平衡控制系统主要由安装在电缆分接箱的多台智能选相开关和一台安装在台区变压器的智能配变控制终端构成。

低压配电网台区一般会利用一台10kV/380V的变压器进行供电，低压侧和多个电缆分接箱进行连接，每个电缆分接箱都设置了多路单相输出和一路三相输入。台区中的低压负荷分别连接电缆分接箱的出线侧，为了提升智能化水平，可以将智能选项开关设置到电缆分接箱中，智能配变控制终端通过使用现代数字信号技术可以实现高智能化控制、无功补偿控制、负荷不平衡控制、远方系统通讯高集成等，可以利用电力载波对各个电缆分接箱开关状态和各出线电流进行收集，检测配电变压器出线位置的电流和电压，并根据不平衡调整策略对各出线选项开关换相明了进行判断。

4 智能选项开关的安装

通常情况下，智能选项开关安装过程中，可以使用智能选项开关替换电缆分接箱中的低压开关，进而实现电缆分接箱的改造。智能选项开关主要由接触器（KM1、KM2、KM3）、控制电路SCU、二级管（V1、V2、V3）、电流互感器（TA）等模块化结构组成。

智能选相开关工作时，首先按照优化控制算法和负荷平衡原则进行计算，然后发出台区各个选项开关的切换命令，并利用电力载通信模块对下发的选相切换命令进行接收，然后利用电流互感器TA对负荷电流进检测，从而判定系统状态。控制電路SCU产生控制信号操作辅助继电器和接触器，结合二级管自然导通关断特点，达到选项操作的目的。

智能选相开管一般使用接触器、二极管、固态继电器组成电力电子开关，闭合开关时二级管正向电压超过0.7V以后就会自动导通，不需要发送附加的触发信号，控制电路得到了简化，与此同时也保证了设备稳定运行，二级开关只在断开和接通的一瞬间会工作，当关闭开关时，接触器会承受电流，在开关打开时辅助继电器会承受耐压，产生的电量耗损非常小，不需要增设散热电路。开关闭合切换时，二极管起着保护接触器触点和辅助继电器触点的作用，接触器和辅助继电器之间可以互相保护，可以达到无弧切换的目的，延长辅助继电器和接触器的使用年限，而且二极管的体积和成本优势也非常明显。

5 应用效果

为了对基于智能选相开关低压配电网台区不平衡控制技术的可行性进行验证，本文使用电气结构的智能选相开关安装到电缆分接箱中，如图1所示。

在图1中一共安装了两台智能换相开关，每个开关的设计参数如下：三路单相220V输出、一路三相380V输入，设计各路输出额定电流为200A，可以实现无弧频繁切换，切换时间一般<20ms，可以达到普通低压供电用户的用电需求。在低压供电环境下开展负荷不平衡控制试验后，得出试验波形见图2。

从图2可以看出，波形1代表智能换向开关的切换控制命令，波形2代表进行环向操作时产生的负荷电压，根据试验结果可以看出，换相切换操作在5ms内就可以实现换相切换操作，在不影响供电的情况下，对三相负荷平衡性进行了调整，具有瞬时切换、损耗低、成本低等优点，是一种解决低压配电网负荷不平衡的有效措施。

6 结论

综上所述，基于智能选项开关的低压配电网台区负荷不平衡控制技术对三相负荷不平衡问题进行调整切换速度非常快，而且控制电路比较简单，达到了无弧切换的目的，有效延长了辅助继电器和接触器的使用年限，保证了设备的可靠性，可以结合用户的具体需求设置多个优化控制目标，可以从网络拓扑结构上对相间负荷分配进行调整，具有较高的应用价值。

（通讯作者：叶庆和 方平）

参考文献

[1]程利军.智能配电网[M].北京：中国水利水电出版社，2013：23.

[2]张明，谢珊珊，罗云峰.低压配电网三相负荷不平衡优化模型的研究[J].武汉科技大学学报：自然科学版，2015（01）：59-62.

作者简介

陈崇敬（1978-），男，浙江省浦江县人。大学本科学历。现为国网浙江省电力公司金华供电公司高级工程师，从事配网管理工作。

作者单位

国网浙江省电力公司金华供电公司 浙江省金华市 321000