基于窄带物联网技术的台区电量不平衡监控系统设计

蓝海森

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 528341）

随社会经济的发展，郊区和农村地区的用电量越来越大，造成农网配变普遍存在三相不平衡、功率因数偏低和用户端电压偏低或偏高等现象[1]。各供电公司采取了一系列措施，常见的方法是对负载重的相序进行换相，但是由于单相用电设备使用的同时率较低，且受到不频繁的间断性和四季更替的用电性质的影响，使得用电客户每个月的用电存在较大差异，导致配电变压器的三相负荷更加不平衡，治理效果不理想。为此研究10kV/0.4kV 配电变压器台区的基于实时潮流的农网台区电能/电压平衡系统，利用电力电子装置与末端低电压装置的协调控制，可实现配变三相不平衡以及线路首/末端高低压的综合治理[2]。

1 设计方案比较

针对农村电网或城市小区用电三相不平衡、功率因素低等问题，设计实时补偿和电能自动调节装置。从配电网络，电力系统特点出发，根据三相负荷自动调节三种典型应用模式，结合电力电子器件，构成本装置的核心部件。选取常用的几种调节装置，进行三相不平衡调治方案比较，具体如下。

1.1换相开关型

利用交流接触器或固态开关，串联接入配电系统的负荷侧。对配电变压器检测三相不平衡时，自动将某重载相序的单相负荷切换至轻载相，从而实现三相负荷的均衡分配。但调节过程中，交流接触器切换相序过程时间较长，容易造成治理效果的不确定性，并增加故障点，造成用电系统不稳定。

1.2电容器型

结合王氏定理，把电力电容器跨接接入到两相相线之间而平衡相序间有功功率，利用电容器实现不同相的有功功率自动转移，从而提升功率因素，调节三相不平衡度[3]。电容器型成本低、可实现有级补偿，因加入容性补偿后，和系统的感性相互作用，若某一时刻，容性补偿数值大，会造成过补偿，将产生谐波，造成这种设计方式的三相不平衡治理效果差。未直接接在负荷侧，并不能从负荷侧解决不平衡问题。

1.3电力电子型

借助IGBT功率变换器等现代电力电子器件实现产生容性或感性的基波电流的调节单元，实现从过载电流吸收、到电容原件储能，再电流转移的方式，实现三相电流精确调整，实时对无功电流和谐波电流进行线性补偿调节，以此，有效治理谐波[4]。电力电子型可精细无功补偿，并补偿精度高；利用窄带物联网技术，实现在负荷侧首端的电流、电压、相序、相位检测，从而实现台区负荷首末端自动电力不平衡检测与调理[5]。

电力电子型既能解决线路不平衡、负载侧不平衡、也能解决配电台区侧不平衡。经过多次验证计算和经济因素等考虑，选用第三种方案。

2 系统工作原理

系统针对100-400KVA的农村低压配电台区或者城市小区，由集中控制器、末端智能控制装置二部分组成，系统总体结构如图1所示。集中控制器安装于变压器的低压侧，实现的功能主要是定期检测变压器低压侧三相电流是否平衡，在检测到用户设备输入端出现三相电流不平衡的情况下，通过窄带物联网技术远程通信读取各末端智能控制装置的所带负荷电流值，相序信息。根据电流相序信息进行智能计算，优化出各负荷接入电网的最优相，以此来给需要调整的相序电压电流。集中控制器中的三相不平衡/无功补偿控制装置按照主控制器所发的换相指令进行负荷调节，从而使台区内用户负荷均衡分配到三相电网上[6]。在单相低压负荷进线侧末端智能控制装置，实现电流、电压检测，利用电力电子技术实现负荷在 A、B、C三相间接入相序的自由调整，最终实现负荷在低压台区三相线路上的均衡分配。装置整体架构采用分布式系统，由一个集中控制器与N个末端智能调压装置组成，充分考虑到农网台区电力潮流的时变性及电力设备载流量的极限性，将配变三相不平衡校正以及无功补偿等功能集于一体；可解决配电变压器三相不平衡及由此带来的过载问题，大幅降低台区网损，延长变压器的使用寿命；可实现台区无功的就地平衡，实时调控台区电压质量，提高配电质量，改善用电环境。当三相不平衡与无功不足同时存在时，集中控制器优先调节三相不平衡，三相平衡以后若有剩余容量则补充无功功率。即通过协调各相序之间的电流形式与电流大小来治理低压台区的不平衡。具体调节过程如下。

图1 系统框图

2.1三相有功平衡功能的补偿

三相有功平衡模块主要由采集调节部分和过载保护功能部分组成，采集调节部分是通过在三相电缆中多点外接电流互感器(CT)，以STM32F103为主控芯片，实时检测电力系统输入端iSA、iSB、iSC、iSN的三相电流和负载端iLA、iLB、iLC、iLN的电流，并将系统的电流信息发送给集中控制器。集中控制器通过接受的电流信息，确定三相电流不平衡状态，得到零序及负序分量，再通过有序的驱动IGBT功率变换器，对三相回路的有功负荷进行再分配，以获得一个相对平衡的三相电流和负荷状态。补偿电流根据系统的不平衡状态准确变化，保证不会出现过补偿情况。三相有功平衡功能的补偿过程如图2所示。第二部分是过载保护功能模块，当三相有功平衡模块采集到补偿量大于装置容量时，模块自动限制6个IGBT的工作方式，从而控制电能容量的输出，以此确保不会发生过载[6]。

图2 三相不平衡补偿原理

图3 无功补偿原理

2.2动态无功补偿功能的补偿

集中控制装置除对电流进行采集控制外，还对电缆电压进行采样，从而计算得到系统的无功功率，再通过IGBT 功率变换器产生容性或感性的基波电流，实现对负载无功功率的动态跟踪补偿。当补偿点电压超过允许电压的上限(Umax)时，IGBT 功率变换器产生感性电流，降低电压；当补偿点电压低于允许电压的下限(Umin)时，IGBT功率变换器产生容性电流，抬升电压。从源头上抑制无功潮流的流动，实现配电网的整体节能。无功补偿目标值可以通过HMI操作面板设定，平滑补偿，不会产生对负载和电网的涌流冲击。

2.3台区电压协同调节过程

末端智能控制装置是在用电客户的进线端安装电量检测传感器、电压检测传感器和电流检测传感器，当端电压偏离额定值时，根据当前检测到的电压值U1与额定值U0（U0=220V）的差值范围做出相应判断，再通过控制触发电路产生触发信号，控制对应档位的两个晶闸管导通，经串连变压器将电压差额ΔU补偿到输出端，以保证负荷端电压 U2在额定值U0附近，即 U2= U1±ΔU≈U0，为用电端提供合格电压，解决低电压问题，原理图如图4所示。

2.4台区电压协同调节过程

通过采集线路首末端的电压、电流信息，采用基于指标判定的多阶段协调控制算法，协调控制线路末端智能控制装置的档位以及首端集中控制装置的无功功率输出，实现整个台区的潮流优化与电压治理。末端智能控制装置支持自适应控制与远程集中控制，优先采用远程集中控制，未收到集中控制信号时，满足一定条件下，切换为自适应控制，控制台区电压多阶段协调控制算法流程具体如下：

Step1：第n个末端智能控制装置通过数据采集装置，读取设备输入端的Uj,i，Ij,i(即线路抬升前的电压、电流)与输出端Uj,o、Ij,o；集中控制装置通过数据采集装置，读取线路的三相电压Ua，Ub，Uc；

Step2：判断集中控制装置的输入端电压Ua，Ub，Uc是否越限，即大于Umax或小于Umin；如果没有，跳转到Step5；

Step3：等待是否存在末端智能控制装置的输入侧电压 Ui＜Umin

Step4：末端智能控制装置在满足输出端电流Io＜Imax(Imax为线路能承受的最大电流)的条件下，增大输入侧的电压Ui=Ui+ΔU，直到满足电压要求；

Step5：调理判断集中控制装置以及末端智能控制装置的输入电压是否都满足要求；

Step6：结束。

图4 低电压调节原理

2.5 窄带物联网组网通信的监控系统

窄带物联网（NB-IoT）借助移动通信GSM、LTE 基站进行通信组网，具有无需重新建网、网络覆盖面广、信号稳定的特点。将末端智能控制的电流、电压、相序等信息，经NB-IoT通信网络实时送给集中控制器，通信协议由组网信号、台区编码、末端智能控制器编码、三相相序电流信号、电压信号、相位信号等组成[7]。实现台区配电网络的“1+N”数字化信息信息采集与调度监控系统，其中1为大数据中心管理平台和集中控制器，N为末端智能控制装置，以此实现台区电量不平衡的监控系统设计[8]。实现实时监控、评估和预测，对可能存在不良状态，予以控制或改善，提升台区配电网的风险预警与调控能力，确保了台区供电安全。

3 三相不平衡治理的节电效果计算与分析

根据台区三相不平衡程度，首先估算出三相不平衡治理所需容量，再根据治理前和治理后的网络状态计算节电量。

3.1 三相不平衡治理所需容量计算

三相不平衡治理的核心在于通过集中控制装置调整各相电流，使配电变压器二次侧出口电流达到平衡，减小中性线流过的电流，以此降低损耗。因此，集中控制装置将负荷较重的相电流调整补偿至负荷较轻的相，所需容量即为功率的集中控制装置调整量。各相负荷均值为

式1中，P代表负荷均值，Pi代表某相负荷。则集中控制装置调整三相不平衡所需容量为：

式2中M 为三相不平衡治理之前负荷大于负荷均值的相的集合； Pm代表负荷大于负荷均值的相； Pto代表三相不平衡调整所需的容量。

设集中控制装置的总容量为S，则无功补偿可用容量为

式3中，Qto为集中控制装置进行无功补偿的可用容量。

3.2 节电量分析

节电量测试选取东莞某城镇小区配变不平衡度相对较高、负载相对重载的台区为例，对综合调整三相平衡的节能以及投入无功功率节能效果进行分析。节能实际测试结果如表1所示。

表1 末端智能控制装置的年节约电量表

3.3装置能耗试验

三相不平衡监控系统与市面上基于自耦变压器的低电压调节装置进行对比，通过选取某厂商的CVR-100型自耦变压器进行对比分析计算，得知其空载损耗为100W左右，短路损耗为470W左右。在相同条件下的能耗对比情况如图5所示。

图5 能耗对比图

随着负载率的增加，自耦变压器的能耗快速增大，最高可达到830W左右。而末端智能控制装置则相对稳定，能耗最多不超过150W。按照试验结果分析取平均值，末端智能控制装置的平均能耗为84.13W，自耦变压器的平均能耗为507.12W。末端智能控制装置的能耗仅占自耦变压器的16.59%。由此可见，在保证相同低的电压调节效果的前提下，末端智能控制装置的经济性相对于传统的自耦变压器更好。

综合上述三点，本设计的基于窄带物联网技术的台区电量不平衡监控系统达到了节能与三相不平衡自动调节与治理的应用效果。

4 结束语

本文实现的动态无功补偿功能的补偿、三相有功平衡功能的补偿、台区电压自动协同调节和监控系统，有效实现台区无功补偿、三相不平衡以及末端低电压的综合治理，实现台区潮流的实时优化，节能效果显著。本文利用先进的通信、控制等技术，通过使用高性能电力电子设备、无功补偿装置，对配电网的运行状态进行连续实时的监测、评估和预测，对可能存在的不良状态，予以控制或改善；提升配电网台区的风险预警与调控能力，确保了台区供电安全，为国民经济生产提供安全可靠的能源。