基于智能换相策略的三相不平衡治理方法

王杰锋

(云南电网有限责任公司丽江供电局，云南丽江，674100)

0 引言

配电网负荷复杂，特征多样，伴随而来的三相不平衡问题愈加突出，为电力系统的安全运行埋下了极大的隐患。同时，随着经济的高速发展，居民用电量大幅提升，其随机性分散性和分布式发电的分散性使得低压配电网的三相不平衡问题更加严重[1]。因此，三相不平衡造成的电能质量劣化问题愈加受到国内外研究人员的重视，其治理方法也是近年来配网安全稳定运行方向的重点。

对于三相不平衡电流，现有的治理方法主要包括：一是自动换相：直接从负荷侧着手，切换单相负荷，以降低不平衡电流为目标实现三相平衡[2]，但在换相设备的安装上较为复杂，难以应用在较大范围，并极易由于经常切换产生操作过电压，降低配网可靠性；二是加装电力电容器：利用电容器实现电容补偿，有效控制三相不平衡，且设备安装较简便，但补偿精确性较差[3,4]；三是安装电力电子设备[5,6]：通过消除零序及负序电流使得变压器三相平衡，设备运行精确度高、损耗低。通过综合考虑用户侧负荷的多样性与随机性，三相不平衡程度需要时刻调节以保证电网稳定性，采用以电力电子设备为基础的智能换相方法，通过合适的智能换相策略重新分配各相负荷，即可完成对三相不平衡的治理，智能、安全、快速[7]。

本文首先分析了三相不平衡治理原理及换相开关设备的装置组成，选择了遗传算法与爬山算法局部搜索相结合的智能换相策略。此后在某变台区实现了现场应用并通过三相负荷电流曲线图展示了治理效果，验证了智能换相装置实际应用的可行性。

1 三相不平衡治理原理

1.1 三相不平衡度定义

基于电网规范对三相不平衡度的要求，三相电力系统中不平衡现象的测算可以使用三相不平衡度表示，如下式（1）所示。

其中，Aa1为三相电流或电压正序分量的有效值，Aa2为三相电流或电压负序分量的有效值[8]。

在现场应用时，应结合实际情况选择最合适的计算量，目前配网存在的三相不平衡问题一般是电流情况，因此使用电流作为计算数据。

1.2 智能换相开关

智能换相开关一般是指由控制与执行两大模块组成的智能换相系统。两大模块以控制终端为主导，相互联结、通讯，实现整个系统的治理功能。

1.2.1 控制终端

控制终端是三相不平衡问题治理的重要模块，通过系统设置的阈值实时判断三相不平衡度的偏移，一旦超出立即向执行模块发布指令。首先，根据三相支路数据设定的最优换相策略，计算换相方式并发出指导，达成三相电流平衡的目标。当换相完成，用户端负荷已完成调节，再控制无功补偿设备进行补偿。

其中，控制终端包括无线通讯部分，电流、电压互感器，A/D转换器，数据存储、处理、算法部分，补偿部分等[9]。

1.2.2 智能换相执行模块

智能换相执行模块负责数据采集及换相指令的执行，它与控制模块的通讯使用无线方式，由执行模块的数据采集端收集三相电流、负荷情况，结合设备信息由通讯部分传达给控制模块。经由控制模块算法计算获得换相指令，执行换相动作，调节不同相的负荷量，完成三相不平衡问题的整治。

其中，换相部分使用反并联的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)[10]，为了构建复合式换相开关，结合持续不间断工作的磁保持继电器先构造单相开关，联结三组单相开关即可达成换相功能。在三相平衡状态，IGBT不工作，一旦发生三相不平衡度超越阈值的情况，控制模块发出指令，立刻控制IGBT启动完成相间负载调整，快速在线换相。其优势在于无冲击，线损小，对用户侧的影响极小[11]。

1.3 智能换相策略

通过执行模块的数据采集装置，即电流、电压互感器等，实时在线收集的三相电流及负载数据，通过控制模块合理的智能换相策略及算法计算，获得换相指令是智能换相开关的技术核心。为了及时准确调整用户侧波动的负荷实现不同相间的平衡，一个精准灵活的智能换相策略极为重要。

本文采用智能算法获得智能换相的最佳策略，使三相不平衡度最小的同时，换相次数最小。智能算法能够计算依据实际设定的目标函数的最佳策略，且根据不同情况可以选取适合的不同特点算法，已在配电网得到了大量的应用。为了达成智能换相开关及时、准确、可靠的要求，在此选取速度快、精度高的智能算法，在应用全局搜索获得最优解的遗传算法时，结合使用爬山算法[12]。这一局部搜索算法虽然在大范围内存在一定的缺陷，却可以和以全局为基础的遗传算法合理结合，且计算简便，有效减少了计算量，为换相策略的实时在线计算打下了基础。

2 现场应用

为进一步验证智能换相在三相不平衡情况下的应用效果，本文基于上文提及到的治理三相不平衡采用的方法，利用智能换相开关进行负荷换相，降低三相不平衡度，并结合景区负载特性，制定安装治理方案，完成安装调试，在丽江某变台区实现智能换相开关及智能算法获得的最佳策略的现场应用。解决了由于负荷波动太大，经多次现场运维手段治理仍未能得到根本解决的三相不平衡问题。

其中，数据传输设备通过全球移动通信系统GSM向数据模块上送电压、电流，有功、无功、功率因数等电气量以及环境温度、湿度、无线测温温度等环境参数，实时在线获知三相不平衡情况及治理情况。无线方式主要采用移动运营商的无线网络数据接入业务，如：GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/EVDO以及更新的4G LTE网络等。其优点是成本低廉、建设工程周期短、适应性强、扩展性好、维护方便并且扩展容易。

3 效果展示

通过智能换相设备的现场应用，采集三相负荷电流数据，绘制加装治理装置前后曲线图如下所示。

通过加装三相不平衡治理装置后的对比图可以直观地发现：6日加装三相不平衡治理装置前，系统由于接入负载不平衡，数据采集电路得到的波形情况如图1，三相不平衡情况较严重，三相不平衡度大，尤其是在用电高峰期。6日15时加装该装置后的波形情况如图2，波形明显平稳，说明了负荷的波动不会对用户侧用电造成影响，应用效果显著，达到了安装三相不平衡治理装置的目的，提高了电力系统的稳定性。

图1 治理前三相负荷电流曲线图

图2 治理后三相负荷电流曲线图

4 结论

本文通过介绍三相不平衡的现状及治理方法，采用基于遗传算法与爬山算法局部搜索的智能换相策略，经过现场应用，获得了治理前后三相不平衡负荷电流曲线图，对比得到了有效的结果，证明了此智能换相算法的可行性。通过智能开关设备对配电台区三相不平衡情况的改善，很好的治理了配电网的三相电流不平衡的问题，最终能够使台区的经济运行水平和供电质量得到显著的改善。