农村配电台区换相开关三相不平衡治理系统的应用

冯平辉, 李 健, 杨晓松, 童建红, 许德强

(1.国网浙江省电力公司湖州供电公司, 浙江 湖州 313000;2.江苏大航泓城电力电子有限公司, 江苏 镇江 212200;3.国电南瑞南京控制系统有限公司, 江苏 南京 210000)

我国农村地域广阔,电力用户众多且位置分散,存在大量的时空分布不平衡的单相负荷,导致多数配电台区存在不同程度的三相负荷不平衡问题[1-2]。三相负荷不平衡对配电台区的影响主要有4个方面[3-7]:一是造成配电变压器和负荷线路损耗增加;二是配电台区重载相的电压质量下降;三是配电变压器处理能力降低,电能转换效率下降;四是三相不平衡运行造成配电变压器零序电流增大,引起的涡流损耗使配电变压器运行温度升高,危及变压器运行安全和使用寿命。因此,降低配电台区三相负荷的不平衡度,提高配电台区经济运行水平和供电电压质量是配电系统特别是农网配电系统亟待解决的问题。

农村配电网领域长期以来运维水平低下,负荷管理意识缺乏,终端用户配相本身就存在很大的随机性和不确定性,一旦连接确定,随着负荷终端用电负荷的提升,配电变压器出口三相不平衡的问题就愈发凸显。此外,部分农村小型家庭工厂的季节性用电特征明显,包括季节性的农作物加工,因阶段性负荷很大,且持续时间长,由此造成的不平衡对配电变压器造成持续的、严重的损害。

针对配电台区的三相不平衡问题,学者们进行了大量的研究,电力电子技术的发展给三相不平衡治理提供了新的思路,基于电力电子技术的三相不平衡抑制装置也开始逐步试点应用,其中具有代表性的技术有动态电压调节器(DVR)[8]。DVR是基于电力电子技术的FACTS原理,相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源,其基本原理是:抑制装置先检测出电网中的三相不平衡电流,通过控制算法使装置输出相应的补偿信号(电流),反向注入系统中。补偿信号可以抵消负载侧三相不平衡电流中除正序电流之外的分量,使电网侧三相电流对称。这种集中式的三相不平衡抑制装置,在配电变压器低压侧集中补偿,在不平衡达到一定程度的情况下,对配电变压器有较好的保护效果,但也存在以下不足。

(1) 从效果上看,基于电力电子技术的三相不平衡抑制装置,仅能在一定程度上对配电变压器实现较好的保护,但三相不平衡引发的其他问题,如终端负荷电压质量差、线路损耗增加等问题,未能得到有效解决。

(2) 基于电力电子技术的三相不平衡抑制装置,在一定意义上可理解为电子负载,是以附加的损耗换取配电变压器三相平衡输出,不符合国网公司有效降低能耗的要求。

(3) 在三相不平衡程度较高的工况下,抑制装置持续输出大电流,整个不平衡调节装置发热严重。同时,持续的大电流输出对电力电子器件寿命造成直接影响。

鉴于上述缺陷,DVR电力电子设备等不适合在配电网中大规模推广使用[9-10]。

本文构建了一套基于台区管理终端的分散式换相控制系统,并在智能开关和控制系统研发的基础上,开展农村典型电力系统三相不平衡治理系统的试运行,旨在为今后三相不平衡治理措施的推广应用提供可行的方法和经验。

1 基于台区管理终端的分散式换相控制系统的搭建

1.1 三相不平衡治理系统

分散式换相控制系统搭建的基本思路是,根据实时监测配电变压器的运行工况,在三相负荷不平衡越限的情况下,台区管理终端以射频/电力载波通信方式,选择性地遥控终端负荷的智能换相开关,将挂在重载相别的负荷切换到轻载相别,以达到负荷平衡的目的。基于台区管理终端的分散式换相控制三相不平衡治理系统原理如图1所示[7]。

图1 分散式换相控制三相不平衡治理系统原理

1.2 智能换相开关的研制

目前常规的换相开关是基于机械式的分合操作,切换期间有短时的供电中断。众所周知,在一定范围内,换相时间越短,对用户影响越小,对设备的损害也越小,但如果换相过程实现相别搭接,则会形成相间短路,造成上级开关保护跳闸。因此,换相的关键是在保证安全性的前提下缩短换相时间。

针对该问题,本文开发了一种智能换相开关。其核心是智能无缝换相技术,开关模块内含有控制电路和电力开关元件,且自带辅助控制电源,内置智能触发电路。智能换相开关具有结构紧凑,精确的过零移相控制,全正弦波切换,无谐波产生,投切无涌流,且无导通压降及损耗,无需散热部件等特点。智能换相开关的使用,不仅可以从根本上解决供电中断问题,而且可以采集台区内各负荷终端的电气量信息,并利用电力载波接口与台区管理终端系统进行通信。

1.3 控制过程

作为三相不平衡治理系统的枢纽,智能配电变压器终端,对下,可与台区内各负荷终端的智能换相开关通信,采集换相开关的状态信息,监视换相开关状态,同时下发换相命令并验证换相结果,最终通过切换相别使终端负荷三相保持整体平衡。此外,还可以就地采集配电变压器的电气信号,获取变压器运行状态。对上,则可将整合后的本台区信息通过无线通信的方式上送主站后台,并接受主站后台的遥控命令。

2 应用实践与经验

2.1 应用实践

为验证该系统的可靠性,分别在浙江湖州地区的多个农村电网进行了分散式换相控制系统试运行。图2为国网湖州供电公司新桥村沈介汇二变压器安装分散式换相控制系统前后三相电流的变化曲线示意。

图2 分散式换相控制系统安装前后三相电流变化曲线示意

由图2(a)可知,分散式换相控制系统安装前,电网三相电流存在较大差异,A相电流显著大于B相和C相,三相电流最大差异达到250 A。由图2(b)可知,分散式换相控制系统安装后,其三相电流相互交错,电流间差异显著减小,三相电流最大差异只有25 A,三相不平衡现象显著降低。

图3为国网湖州供电公司联山一变压器安装分散式换相控制系统之前的三相电流变化曲线、滑动平均电流曲线和不平衡度曲线。

由图3(a)和图3(b)可知,三相中的某一相电流显著大于其他两相,三相间存在较大的不平衡,给电网的安全运行带来了巨大的隐患。由图3(c)可知,三相的不平衡度普遍在50%左右,最大达到了80%,且在晚间20:00至次日7:00的三相不平衡度显著大于白天。

图3 系统安装前三相电流、滑动平均电流和三相不平衡度曲线示意

图4为安装分散式换相控制系统以后的三相电流、滑动平均电流和不平衡度曲线示意。由图4可以看到,系统安装运行后,配电变压器三相电流间的差异得到了极大的改善,三相不平衡度也从安装前的60%～80%降低至20%～30%。

2.2 应用经验与分析

基于多个现场应用实践,安装分散式换相控制系统的应用经验与分析如下。

(1) 分散式换相开关配电变压器三相不平衡治理系统对于换相开关的安装选点有一定的要求。其原则是,换相开关所占有的电流总量不低于配电变压器三相总电流,且应该对用户的负荷或用电量做统计,对于用电量较小的接入点则不考虑安装换相开关。

(2) 不平衡度在较大变压器负载下才有意义,在较小的变压器负载下,三相不平衡造成的负面影响并不大,且不平衡率易受突发大负载投入的影响。

图4 系统安装后三相电流、滑动平均电流和三相不平衡度变化曲线示意

(3) 对于多分支的400 V供电线路,应考虑各分支的均衡安装,尽可能地降低各分支的零线不平衡电流。

(4) 一定要确保从变压器到各换相开关相序的一致性,尤其是在经过漏电保护等设备时,进出线相序在经过穿管后有可能分不清楚,此时应注意核相。

(5) 应确保通信的可靠性,否则在受到干扰时,无论是哪种通信方式,通信中断都会造成换相开关在系统通信中退出,严重影响调控效果。

(6) 在特大用电户负荷接入时,有可能造成所有接入换相开关负荷的总和都达不到这一户的负荷,在这种情况下,不平衡率经过调整也会维持一个较高水准,但这种情况一般是在变压器总负荷较小的情况下发生的,对供电系统影响不大。

3 结 语

本文构建了一种基于台区管理终端的分散式换相控制系统,研发了该系统关键的智能开关和控制系统,并进行了现场试运行。结果表明,分散式配电变压器三相不平衡治理系统能使三相不平衡度从现有的60%～80%降低至20%～30%,可以显著改善农村电力供应系统工程普遍存在的三相不平衡状况,实现了三相不平衡治理的智能化,而且三相不平衡治理系统运行可靠。这可以为今后三相不平衡治理措施的推广应用提供借鉴。

参考文献：

[1] 宋利斌.浅谈配电变压器三相负荷不平衡治理[J].农村电工,2016(12):33-34.

[2] 钟长发.配电三相负荷不平衡产生及影响线损的解决措施[J].中国新技术新产品,2014(22):93.

[3] 韩瑞君,冯晶,王云梅.降低配电网中线损的技术措施[J].应用能源技术,2002(5):45-46.

[4] 李海峰,詹涛,吴选广,等.配变三相负荷不平衡治理[J].农村电气化,2011(6):10-12.

[5] 陈坤,曹以龙,江友华.基于电网电压矢量定向控制的三相并网逆变器模糊PI控制策略[J].上海电力学院学报,2017(1):55-59.

[6] 潘本仁,余侃胜,陈首昆,等.配电变压器三相不平衡分析及研究综述[J].江西电力,2012(5):63-65.

[7] 卢峰,沈骏,王震宇,等.智能配电台区配电房环境变量监测及关键技术[J].上海电力学院学报,2016(5):473-477.

[8] 黄国栋,杨仁刚,冯小明.三相不平衡负载无功补偿方法的研究[J].电测与仪表,2011(4):23-26.

[9] 张银国,张晓义.配电变压器三相负荷不平衡遥控调整新方法[J].农村电气化,2016(3):34.

[10] 李悦军,李新颜.分析配电变压器三相负荷不平衡原因及调整方法[J].电子技术与软件工程,2015(23):234.