三相不平衡精细化治理方法探究

高家皓，苏 程，孙立芳

（1.中电装备山东电子有限公司，山东 济南 250100；2.潍坊市农业机械研究所有限公司，山东 潍坊 261000）

在我国的电力系统规划建设中，低压配电网络是电力传输的终端环节，相对于高压和中压输电网络，低压配电网所涉及区域人口密度更大，服务范围更广，对供电安全以及电能质量的要求更高。在低压配电网运行过程中，单相负荷分配的不均衡和用电的随机性造成了台区三相负荷不平衡问题，额外增加了配电变压器和低压配电线路的电能损耗。现有的配用电信息采集系统难以完全解决线路负荷不平衡问题，尤其是各分支线路不平衡问题更是难以解决。

随着通信技术的发展，基于台区智能终端的用电信息采集方案应运而生。与传统的电力抄表方案相比，该方案在低压配变出线侧、线路侧以及用户侧增加了更多类数据变量的采集，实现对整个台区配用电设备的在线感知，对设备所处环境的实时监测，以及对电能质量的精细化分析等功能。本方案治理台区三相不平衡问题是基于台区智能终端，通过多种设备协同配合，完成对整个台区的三相不平衡治理，在实现配电侧负荷电流平衡的基础上确保各个分支线路实现自平衡，从而实现精细化治理。

1 三相不平衡治理概述

在低压配电网运行过程中，单相负荷分配的不均衡和用电的不同时性造成了三相负荷不平衡，会导致三相电流不平衡，额外增加配电变压器和低压配电线路的电能损耗。三相负荷不平衡比较严重时会造成低电压问题甚至烧毁变压器单相绕组。

目前，典型的解决方案有换相开关型三相负荷自动调节装置、电容型三相负荷自动调节装置和电力电子型三相负荷自动调节装置。后两种模式分别通过相间功率转移和输出补偿电流以实现配变低压出线处的三相负荷平衡，但不能从根本上解决实际负荷均衡分配问题，而换相开关型装置能从线路侧解决三相负荷不均衡问题，既能降低台区的不平衡度，又能降低台区线路的电能损耗[1]。

本方案是在不改动当前电网线路、分支箱、计量箱以及电表等电力设施的情况下，通过在分支侧增加节点监测单元，并在表箱侧增加智能换相开关，实时监测用户负荷的电流数据和各个分支线路上的三相电流数据。在该方案中，通过LoRa通信技术将电流数据上传至配变侧的台区智能融合终端，台区智能融合终端根据采集到的变压器二次侧出线处的电流情况判定此台区的不平衡度，采用基于最小二乘法的换相算法计算出最佳换相开关动作方案，下达给分布于台区各处的智能换相开关，完成负荷带电换相动作，从而解决三相不平衡问题。

2 三相不平衡的原理

三相不平衡一般是指电力系统中三相负载不平衡，且不平衡度超过一定范围的现象。三相不平衡度是衡量这一现象的一个指标，它的计算公式为

式中：σ为电流不平衡度；Imax为三相中最大电流；Imin为三相中最小电流。

导致线路中三相电流不平衡的原因主要是单相负荷的分配不均以及随机性变化。第114页图1为三相四线制配电网络等效图，在A，B，C三相负载平衡的情况下，每相的等效阻抗一致，即Ra=Rb=Rc，此时三相电流IA，IB，IC相等，中性线路电流为0，配网中性线路中没有损耗。当三相负载不平衡时，就会出现中性点电压偏移的情况，若电压偏移过大，就有可能导致母线某相的相电压增高至接近母线的线电压[2]，这种高电压会大大缩短单相设备的使用寿命，严重的甚至会造成电器设备损坏，引发火灾等。三相不平衡导致线路产生的零序电流增加了线损，同时线路长时间发热会加速线路的老化，增加了老化线路出现安全隐患的概率。

图1 三相四线制配电网络等效图

3 现代智能换相调节方案

自三相低压配电网建立以来，三相不平衡问题就是客观存在的，提升供电质量和降低台区线损一直是迫切需要解决的问题。早期治理三相不平衡问题就是通过人工改线的方式，结合台区长期运行的监测数据调整用户负荷，尽可能地实现用户负荷三相均匀分配，从而降低三相不平衡度，但是由于用电负荷的随机性，无法长期保证三相平衡。随着电力电子技术的发展，更多的智能设备被用于解决此问题，目前三相负荷自动调节装置有3种类型的技术路线：换相开关型设计方案、电力电子型设计方案和电容型设计方案[3]。

相比其他两种治理方案，基于智能换相开关的解决方案能从根本上解决台区负荷分配不均衡问题。智能换相开关三相进线，单相出线，使原有用户负荷由固定负荷变为可调节负荷，在不停电的情况下实现负荷相位的切换并且利用晶闸管、继电器等电子器件实现0 ms不停电换相，解决台区三相不平衡问题。在低压台区配电变压器二次侧加装控制器，实时监测台区三相电压、电流，在用户负荷处加装智能换相开关，用于监测负荷电流数据以及执行负荷换相动作，具体方案见图2。

从图2来看，在换相开关执行控制策略进行换相后，容易导致这种现象：配变侧的控制器处能够实现三相电流平衡，但是在一级分支1、分支2、分支3处，三相电流极度不平衡，不平衡度σ=根据现场情况，以农网分支线路使用35 mm2铝制导线为例，参考国际电工协会的导线载流量标准，35 mm2铝制导线长期允许载流量为85 A[4]。由于一级分支需要连接多路用户，此处三相电流不平衡极易导致分支处用电线路的载流量超过标准值，使温度上升，加速老化，甚至有安全隐患。例如在分支1处，A相电流90 A，B相电流0 A，C相电流0 A，导致A相载流超过额定值，B相和C相线路则相对空闲，存在一定程度的资源浪费，没有达到资源合理分配使用的要求。

图2 电气连接示意图

4 三相不平衡精细化治理方案

基于智能换相开关的设计方案在整体设计结构和换相策略上还有不足，虽然能够降低配变侧三相电流不平衡度，有效地调节变压器出口电能质量，改善变压器运行工况，但是分支处的三相负荷不平衡现象依然没有得到有效调节。本文的设计方案能够解决分支处三相不平衡的问题，实现配变层、分支层的三相电流平衡，真正实现三相不平衡的精细化治理。

4.1 总体架构

本设计方案是在配变二次侧加装智能融合终端，一级分支进、出线位置增加节点监测单元，用户表箱前侧加装智能换相开关。本方案的电气连接关系和换相平衡后的电流情况见图3，其中，选取的电流数据尤为突出本方案的优势。

图3 精细化治理效果示意图

智能融合终端通过高速电力线载波（Highspeed Power Line Carrier，HPLC）与节点监测单元和智能换相开关通信，通过畸变电流注入的方式，节点监测单元能够识别到所在分支上的智能换相开关。智能融合终端作为整个配电台区的控制器，能够实时监测配变二次侧低压出线的电压、电流等电气数据，计算台区的不平衡度，分配换相调节方案。节点监测单元安装于所有分支进、出线处，具有计量及数据监测功能，能够与智能融合终端通信，上报分支处的三相电流情况和下属换相开关所在相位信息、电流信息。换相开关安装于表箱前侧，具备数据监测功能，通过HPLC与智能融合终端通信，上报相位与电流数据，在台区三相不平衡度超标时，能够根据智能融合终端计算出的调节方案进行负荷带电换相。

从图3可以看出，该方案在实现配变侧三相电流平衡的基础上能够实现各个一级分支线路上的电流平衡，保障分支线路载流量低于额定值，例如分支1处A相30 A，B相30 A，C相30 A，不平衡度本方案的关键点在于加装的节点监测单元能够实时监测到节点处的电流情况，参与智能融合终端调节方案的计算，真正实现台区各级线路的三相平衡，有利于降低台区线损，提高末端电压。

4.2 设备构成

1）智能融合终端。智能融合终端依托边缘计算的分布式运算服务和台区就地化分析决策，实现低压台区“数据全量采集、状态全面监测、业务全面穿透”。采用“硬件模块化、软件容器化”的设计理念，硬件与软件实现了最大程度的解耦。智能融合终端安装于变压器低压出线侧，能够采集三相电流、电压、有功、无功等数据，能够与节点监测单元、智能换相开关通信，采集各节点数据。容器内三相不平衡治理APP完成三相不平衡度及换相开关策略的计算，最终下达给各换相开关，完成三相不平衡治理。

2）节点监测单元。节点监测单元安装于分支箱侧，能够精准地采集三相电压、电流等数据，能够通过HPLC与智能融合终端进行通信。智能融合终端在进行换相开关调节策略运算时会对各个分支处的节点监测单元进行轮抄，从而实现分支的三相平衡。

3）智能换相开关。智能换相开关安装于表箱前侧，与智能融合终端通过无线或HPLC通信，接收换相指令进行换相动作。换相开关三相进线，单相出线，能够实现用户负荷的自动切换，利用晶闸管加继电器模组的方式进行负荷换相动作，换相时间为0 ms，不影响用户正常用电。

4.3控制策略

控制策略使用全局最优化算法来实现。智能融合终端在计算换相调节方案时，首先确保配变侧的三相电流平衡，保证变压器正常运行，然后结合各个节点监测单元上报的分支电流信息与下属换相开关的相位、电流信息，选择最优的换相策略，下达给智能换相开关，完成三相不平衡治理的一次调节，换相流程见图4。

图4 换相方案示意图

4.4 应用案例

陕西省某试点台区变压器相间负载不均衡情况比较严重，该台区变压器容量为800 kVA，用户289户，从变压器检测数据来看，出线电流不平衡情况比较明显，尤其是在中午和晚上用电高峰时段。该问题是由负荷分配不均导致的三相电流不平衡，各相电流差值最大可达177．6 A，不平衡度超过64．61%，变压器偏载情况十分严重，电流曲线见图5。

图5 安装前配变侧三相电流

经过实地勘测，该台区一级分支点为3处。应用本方案，在配变侧加装智能融合终端，分支处加装节点监测单元，表箱侧加装换相开关，每个分支后的换相执行点确保在8个以上。安装后，台区配变侧、分支侧的三相不平衡度小于15%，第116页图6为该台区全天时刻的配变侧三相电流曲线。

图6 安装后配变侧三相电流

通过分析其中一个节点监测单元监测的数据，可以看出台区分支处同样实现了三相电流平衡，不平衡度小于10%，见图7。应用该方案后，该台区实现三相动态检测，实时在线调整三相负荷，有效降低因三相不平衡导致的线损，台区线损下降5%以上，实现了台区三相不平衡的精细化治理。

图7 安装后分支侧三相电流

5 结束语

针对低压台区三相不平衡的问题，本文优化原有基于智能换相开关的治理方案，实现了对台区分支侧三相不平衡的治理。相对于基于智能换相开关的治理方案，本方案在分支处增加了节点监测单元，能够实时监测分支进、出线处的电流情况，通过优化的算法计算换相调节方案，能够在换相开关动作次数最少的条件下实现配变侧和分支侧的三相电流平衡，真正意义上实现了低压台区三相不平衡的精细化治理。