基于负荷-电量转移指标的台区三相不平衡治理

邓国豪，潘锦源，张诗建

（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510620；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510640）

0 引言

配电网电能质量治理一直以来是电网公司的重要工作内容[1]。近年来，低压配电网三相负荷不平衡问题日趋严重，严重影响配电网供电质量和运行经济性，三相不平衡的治理已成为电能质量治理工作的首要任务[2-3]。在此背景下，低压配电网三相不平衡治理技术已成为当前的研究热点之一[4-7]。

许多专家学者开展了配电网三相不平衡治理的研究[8-10]。傅颖等[11]运用自决策换相开关的工作原理及关键技术，提出集中控制和分布控制相结合的综合治理方案，万玉良等[12]将三相不平衡治理装置归纳为投切电容器型、换相开关型和VSC换流器型3种，通过对其工作原理、接线方式及适用范围进行详细介绍。魏剑啸等[13]分析了相间和分相跨接电容进行无功功率和三相不平衡调节的原理，以补偿后系统三相不平衡度最小为目标，采用非线性约束优化算法计算出最优的补偿容量配置。但上述研究多基于额外新增设备，进行设备优化选型或控制，缺乏利用现有低压配电网资源进行负荷调整的研究。新增设备手段的经济性不足，同时新增配网设备影响配电网运行的可靠性，增加了运维人员的工作压力。

本文基于三相不平衡治理手段分析，提出一种基于负荷-电量转移指标的换相方法，以负荷转移指标和电量转移指标进行换相负荷的选取。采用南方电网某实际台区数据，验证所提方法的有效性。

1 三相不平衡评价指标

为贴近配电网运行实际，本文采用三相电流不平衡度作为台区三相不平衡的评价指标。

三相电流不平衡度为三相电流和平均电流值差值最大值与平均电流值之比，其数学表达式如下：

式中：Imax为三相电流中的最大值；Imin为三相电流中的最小值。

2 三相不平衡治理手段分析

针对低压台区电流三相不平衡问题，目前主要有两个治理方向：一是低压负荷调整，从负荷端进行三相负荷的平衡化，进而实现首端的三相电流平衡；二是配变首端功率补偿，从配变低压侧出线端进行相间无功补偿，实现低压出线首端有功的平衡化转移，达到配变低压侧的三相电流平衡。

（1）低压负荷调整

低压负荷调整主要包括人工换相和三相换相开关自动换相两种手段。

人工换相基于历史监测数据，由运维人员对低压的负荷进行再分配，该手段无需额外增加低压配电网设备，经济性较好，但该方法尚未有流程化的操作指引，换相量大多靠运维人员的经验评估，缺乏科学有效的理论指引，治理效果不足。

换相开关通过主控器对配变首端负荷进行监测及换相量计算，下发指令控制下属换相开关进行换相动作，治理效果较好。但该手段一般需要在台区配置6～7 个换相开关，费用较高，且设备点增多也增加了低压配电网的可靠运行风险和运维人员的工作量。

（2）配变首端功率补偿

首端补偿治理手段主要包括相间电容器补偿和电力电子调节设备补偿两种手段。

相间补偿主要基于王氏定理，在两相之间跨接电容实现两相间的有功转移。该方法理论上可以较好地实现台区首端的三相电流平衡，但对于补偿容量的计算及补偿电容器的运行控制要求较高，难以适应配电网复杂的运行环境，同时也需要运维人员有较高的技术素质，难以推广应用。

电力电子调节设备补偿基于瞬时无功功率理论，通过快速自动检测出接入处负序电流进行反向补偿，以解决三相负荷不平衡问题，但该手段费用昂贵，一般应用于高压配电网。

综上所述，当前通过设备接入的三相不平衡治理方法存在费用较高、增加运行可靠性风险问题，而较为经济的无设备化负荷换相方法则缺乏科学的理论指引，治理效果不足。

考虑到现有低压配电网监测体系较为完善，负荷、电量等数据均可有效获取，若负荷、电量数据进行换相量的计算指引，可以更好地提升人工换相的三相不平衡治理效果，提高配电网运行水平，降低因三相不平衡造成的配电网网损，进而提升配电网运行的经济性。

3 负荷-电量转移指标的换相方法

针对当前配电网三相不平衡治理问题，本文提出一种考虑负荷-电流转移指标的换相方法，基于三相负荷特性分析，确认换相基准换相相序，由此构建负荷-电量转移指标，进而根据该指标进行换相相序及负荷的选取，流程化实现三相不平衡的换相治理。以下从该方法的基准相序、距离指标、实现流程等方面进行阐述。

3.1 基准换相相序

由于台区各相用户用电具有较大的时空不确定性，单个用户的负荷特性并不完全符合台区整体的负荷特性，因此，分相电流的大小关系并不固定，即某一时刻A 相比较大，而另一时刻B相或者C相比较大，但可以推断的是，始终存在某一A、B、C 大小关系，该关系出现时刻总数与总的时刻占比不小于1/3。

从长时间尺度来看，三相不平衡换相治理的目标是降低尽可能多时间断面的三相不平衡度。因此，本文选取出现频度最高的A、B、C 三相电流大小关系为基准换相相序，以该关系进行换相量的计算，可以较好地实现人工换相的目标。

基准换相关系的确认流程如下：

（1）获取配变低压侧A、B、C三相负荷一天96个时刻的负荷电流；

（2）对比每个时刻下A、B、C 三相负荷的大小关系，并获取出现频度最高的大小比对关系Cr；

（3）设置基准换相相序X、Y、Z，将Cr 中最大的设置为X相，居中的设置为Y相，最小的设置为Z相。

3.2 负荷转移指标

负荷转移指标是指，基于台区配变负荷的基准换相相序，考虑X、Y、Z 相负荷相间各个时刻的大小关系，以及各相负荷不同区间分布概率，计算得到的负荷转移量参考值，其数学表达式如下：

式中：F为负荷转移指标；下标αβ 表示负荷由α 相转移至β相， αβ ＝[X Y，XZ，YZ ]；Iymax为第y 组数组的最大转移量值，y＝ 1,2,3；δ为转移量修正系数，δ＝[1 , 3,5,7]； ΔIy为第y组数组的最大转移量与最小转移量之差。

αβ 由下式确定：

转移修正量δ由下式确定：

Iymax和 ΔIy由下式确定：

Iy表示第y组转移量值数组，由下式确定：

式中：IX、IY、IZ分别为X、Y、Z 相的一天96 时刻的电流值组合；情况1为X、Y、Z相各时刻的电流IX、IY、IZ主要的大小关系即该关系出现的频度最高；情况2 为关系出现的频度最高；情况3为关系出现的频度最高。

3.3 电量转移指标

负荷转移指标是指，基于负荷转移指标、换相对象相最大负荷和电量的关系计算得到的电量转移参考量值，其数学表达式如下：

式中：W为负荷转移指标；下标αβ 表示电量由α 相转移至β相，为情况ε下的负荷基准值，ε＝ 1,2；Qα为第 α 相一天的电量。

Wαβ由下式确定：

、由下式确定：

式中：场景1 为X 相各时刻的电流IX主要分布在区间场景2 为主要分布在区间场景3 为主要分布在区间场景4 为主要分布在区间。

式中：场景1 为Y 相各时刻的电流IY主要分布在区间场景2 为主要分布在区间场景3 为主要分布在区间场景4 为主要分布在区间。

3.4 实现步骤流程

基于上述提出的负荷转移指标和电量转移指标，本文提出基于负荷-电量转移指标的换相方法流程如下。

（1）获取配变低压侧一天96个时刻A、B、C三相的负荷电流IA、IB、IC；配变低压侧A 相一天的电量QA、B 相一天的电量QB、C 相一天的电量QC；获取A 相单相接入的用户总数为n1，令k1＝1,2,…,n1，获取各个A相单相接入的用户一天的电量QAk1；获取B 相单相接入的用户总数为n2，令k2＝1,2,…,n2，获取各个B 相单相接入的用户一天的电量QBk2；获取C 相单相接入的用户总数为n3，令k3＝1,2,…,n3，获取各个C相单相接入的用户一天的电量QCk3。

（2）对比确定基础换相相序。

（3）应用负荷转移指标计算负荷转移量。

（4）应用电量转移指标计算电量转移量。

（5）选择满足转移电量要求的单相接入的用户进行换相，即对X 相或Y 相的单相接入用户一天的电量进行排序累加，直至达电量转移指标，并将此部分电量累加的用户作为换相负荷，进行换相，流程结束。

4 算例分析

本文应用南方电网实际台区数据，验证所提控制方法的有效性。换相前的各相电流及各个时刻的三相不平衡度如图1和图2所示。

图1 换相前台区首端电流及分相电流曲线

图2 换相前台区三相不平衡度曲线

应用本文方法换相后，效果如图3和图4所示。由图可以看出，换相后，三相负荷电流曲线明显趋于重叠，C相负荷的电流明显下降，而B 相负荷相应地抬升，时刻1～17 和时刻75～96三相不平衡度大幅下降。

图3 换相后台区首端电流及分相电流曲线

图4 换相后台区三相不平衡度曲线

如表1 所示，本文提出的换相方法可以大幅度降低台区运行整体的三相不平衡度，与原运行状态相比，台区整体运行的三相不平衡度下降了32%。

表1 换相前后结果对比

5 结束语

本文基于三相不平衡评价指标和三相不平衡治理手段分析，提出了一种基于负荷-电量转移指标的换相方法，构建了负荷转移指标与电量转移指标。运用南方电网实际台区运行数据，进行了本文方法的效果验证，结果表明，本文所提方法可以有效地降低配电台区运行的三相不平衡度，可为配电网低压台区三相不平衡的换相治理提供重要参考。