一种配电网负荷不平衡治理装置及示范应用

刘守斌，马 悦

（1.国网山西省电力公司阳泉供电公司，山西 阳泉 045000；2.宁夏理工学院，宁夏 石嘴山 753000）

0 引言

配电网是电网的重要组成部分，具有点多面广、分布复杂等特点。在配电网规划设计时，虽然考虑到用户用电负荷的合理分配，但由于存在很多不确定性，如用户使用电器的性质、种类不同而且不断变化，因此极易造成台区三相负荷的瞬时或长期不平衡。三相负荷不平衡是导致变压器效率低下、配电线路损耗增加的重要原因，也是影响供电企业优质服务的重要因数。随着大功率用电设备以及清洁能源的接入，配电网负荷不平衡问题更加突出。目前配电网负荷不平衡治理措施较多，比较典型的是采用信息采集技术监测低压台区三项不平衡度，然后进行人工现场调整。由于用户用电负荷的不确定性，人工调整跟不上负荷的变化，效果比较差。

1 智能选相技术

配电网负荷平衡智能控制系统主要由智能配电变压器控制终端和多个智能选相开关组成，系统能够实时监测计算台区三相不平衡度，判断当前台区负荷的接入使用情况，及时调整负荷的接入相别，从而保证了三相负荷间的平衡性。控制系统如图1所示。

1.1 智能配电变压器控制终端

智能配电变压器控制终端采用电压互感器PT(potential transformer)、电流互感器 CT(current transformer)、模数转换 A/D(analog-digital converter)、数字信号处理DSP(digital signal processing)、控制器局域网络CAN(controller area network） 等模块组成，安装于台区变压器和电缆分接箱，主要用于配电变压器运行状态监测、负荷调整策略选择、智能选相开关控制、参数查询及设置。其工作过程为：实时监测配电变压器出线和各电缆分接箱的电流、电压以及开关运行状态，经分析判断后，根据负荷调整策略下达各出线选相开关的控制命令。智能配电变压器控制终端的调整计算模型综合考虑了台区的负载率情况，其参数设置包括不平衡度阀值、调整时间等，如设置台区三相不平衡度小于10%，每小时监测调整一次。参数设置可以在系统后台或现场进行。智能配电变压器控制终端数字信号处理原理如图2所示。

图2 智能控制终端原理框图

1.2 智能选相开关

智能选相开关是负荷切换控制的核心组件，由控制模块（SCU）、接触器（J1、J3、J5）、继电器（J2、J4、J6）、二极管 （D1、D2、D3） 等器件组成，安装在电缆分接箱内，主要作用是检测当前负荷所在的相别、电流值并上传到智能配电变压器控制终端，接收智能配变控制终端下发的调整命令并执行选相操作。智能选相开关结构如图3所示。

智能选相开关在相间负荷切换时需要选择合适的切换时间点，时间点的选择由智能配电变压器控制终端确定，L1相负荷切换到L2相的时间区域如图4所示。

图3 智能选相开关结构

图4 相间负荷切换时间区域

结合图3、图4，L1相负荷切换到L2相过程如下。

L1相负荷断开过程：L1相电压在正半周过零点P前，智能配电变压器控制终端发出控制信号，控制接触器J1断开，此时二极管D1处于导通状态，J1两端的电压控制在0.7 V，确保其无弧断开。电压过零点后D1关断，智能配电变压器控制终端控制继电器J2断开，确保L1相负荷彻底从L1相断开。

负荷接入L2相过程：L1相负荷断开瞬间，L2相电压正处于负半周，智能配电变压器控制终端发出控制信号，控制继电器J4接通。在L2相电压过零点Q后，二极管D2导通，接触器J3两端电压控制在0.7 V。此时智能配电变压器控制终端控制接触器J3接通，由于D2处于导通状态，因此J3接通时不会发生电弧。从L1相电压正半周过零点P到L2相电压从负半周过零Q的时间约为3.3 ms，智能选相开关设计在5 ms内完成L1相负荷切换到L2相，由于二极管的单向导电性以及切换时间点的选择控制，保证了相间负荷在切换期间不发生短路现象。

1.3 负荷不平衡调整策略

负荷不平衡控制策略的约束条件包括不平衡度阀值、台区负载率阀值、调整时间窗和基于最少动作的优化控制算法。负荷不平衡度阀值、台区负载率阀值是启动负荷不平衡度控制策略的前提条件。如设置台区负荷不平衡度为10%、台区负载率为15%。智能控制终端只有监测计算到台区负荷不平衡度值大于10%、台区负载率大于15%才启动调整操作。

根据用户的用电特性以及台区负荷曲线，本文对负荷不平衡性质按照发生的时间特性进行了分类，调整时间窗是指按照不平衡发生的时间特性确定调整时间间隔。基于不平衡类型的时间窗设置规则如表1所示。

按照设置的约束条件，系统进行不平衡度优化控制算法如下。

采用列举法。列举出台区内各选相开关的所有组合，分别计算台区不平衡度，在满足台区不平衡度阀值的条件下，按照台区内开关动作次数最少原则发出调整控制信号进行选相调整。

最小差值法。假设配变出口处的电流有效值为IL1、IL2和IL3，各相电流与相应相电压的相位差为0。监测计算电流有效值的平均值IV。

计算各相电流与 IV的差：将 {ΔIL1、ΔIL2、ΔIL3} 从大到小排序，记为 {ΔImax、ΔImid、ΔImin}，确定从ΔImax相减负荷，加到ΔImin相。设ΔImax相有k个可调整的负荷，每个负荷电流代入下式得到k个值Qi

其中，i=1，2，…k。k个负荷中，使得Qi最小的那个负荷即为调整负，则不调整最小的那个负荷。这时采用枚举方法，把三相中最大电流相中的最大负荷与三相中最小电流相中的最小负荷进行交换。

2 智能选相开关型式试验

智能选相开关的主要设计指标为：额定电压220 V±15%（相电压）；额定电流：150 A；负荷切换失电时间小于5 ms；额定短时耐受电流：2 kA，10 ms。

本装置于2016年3月在国家电控配电设备质量监督检验中心进行了检测试验。检验项目包括：承载额定短时耐受电流能力、负荷转换试验、恒定湿热、电气间隙与爬电距离、介电性能、温升、静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌抗扰度、通信性能、低温试验、高温试验、外观检查共计13项。检验依据为：GB14048.1—2012《低压开关设备和控制设备 第一部分：总则》、《负荷转换开关技术条件》。

装置的检验结果显示，所检验的13个项目全部合格，其中负荷选相、切换时间为3.4 ms，三相承载额定短时耐受电流能力分别为：L1相2.01 kA 10.3 ms，L2相 2.03 kA 10.2 ms，L3相 2.03 kA 10.3 ms，能够保障负荷的可靠连续供电。

3 负荷不平衡控制装置示范应用

负荷不平衡控制装置于2016年7月应用于阳泉市三相负荷不平衡比较严重的金苑小区。该台区由1路10 kV供电，配电变压器为630 kvar，低压用户数量为372个，现场选择5台电缆分接箱安装了智能选相开关。

装置运行以来，台区的三相不平衡度取得了良好的智能调节效果。

图6 装置投运后小区台区电流波形及不平衡度（2017-09-01全天）

投运前后台区代表日运行数据对比如表2所示。

装置运行1年来取得的效果有以下几方面。

表2 装置应用前后台区代表日运行数据对比

a） 运行期间该台区三相负荷不平衡度一直小于10%，线损平均降低2.4%，年度节约用电4.56万kW·h，节能降耗效果明显。

b） 实现了台区三相不平衡电流的智能调整，降低了变压器因过负荷烧毁的风险，提高了配电网设备智能化运行维护水平，避免了以前人为操作可能造成的漏调或未调的情况，减轻了一线员工的工作负担。

c）通过对装置调节数据的汇总分析，可以分类总结用户的用电特性，便于科学安排以后的大修和技改工作，提高了管理部门的分析决策能力。

4 结论

基于智能配变控制终端和智能选相开关的配电网负荷不平衡治理装置，具有电路简单、体积小、低损耗、负荷控制调整灵活、抗干扰与耐受能力强等优点。工程应用证明：该装置实用易用、可靠性和智能化程度高，能按照预先设置的策略及时准确调整台区三相负荷的平衡度，适应配电网智能化、信息化的发展需求，也是解决目前配电网低压负荷不平衡问题的有效方法。