国内智能换相装置研究综述

聂成松

（伊犁师范大学电子与工程学院，新疆伊犁835000）

0 引言

我国低压线路采用三相四线制供电方式，而用户负载多为单相负载，用户负载功率不确定、用电时间不确定，导致三相线路上负荷不相等，造成三相负荷不平衡[1-2]。三相负荷不平衡会导致电能质量降低、电能损耗增加、末端用户电压偏低等问题，影响用户正常用电[3-4]。随着居民生活水平的不断提高，居民用电量日益增大，低压线路三相负荷不平衡问题愈发严重，因此国家电网颁布的《国网运检部关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知》（运检三〔2017〕68号）文件中明确提出要解决三相负荷不平衡问题。

目前，治理三相负荷不平衡问题的方案主要有：人工调整用户相线、使用负荷补偿装置进行负荷补偿、使用智能换相装置调节用户相线[5]。人工调整方案要求人工分析台区电网运行状态，找出引起不平衡的主要负荷，重新分配其所在相线，调整周期长、效果差，仅适用于不平衡状况比较规律的台区。负荷补偿方案能较好地平衡变压器出口侧干路上的电流，并能提供较好的功率因数补偿，但各支路电流仍不平衡。智能换相装置调节方案通过在用户侧安装智能换相装置来治理三相负荷不平衡问题，是一种从源头上治理三相负荷不平衡问题的方案。智能换相装置虽然能有效治理三相负荷不平衡问题，但也存在换相时间长、机械寿命有限等问题，针对此问题，不同学者相继对换相结构和控制策略进行了优化。本文对比了近几年提出的几种换相结构和控制策略的优缺点，并总结展望了智能换相装置未来的研究方向。

1 智能换相装置简介

图1为智能换相装置安装示意图，智能换相装置包括主控器和换相开关[1，6]。主控器是控制中心，安装在变压器出口侧，可采集变压器出口侧的干路及各支路电压、电流数据；换相开关是换相执行机构，安装在用户侧，可采集用户电压、电流；主控器与换相开关之间通过有线或无线通信方式进行通信。

图1 智能换相装置安装示意图

智能换相装置基本工作原理：换相开关将采集的用户电压、电流数据上传给主控器，主控器对换相开关上报的数据和自身采集的数据进行综合分析，计算出最优换相方案，随后下发换相指令到换相开关，换相开关接收到指令后执行相应的换相操作，调整用户用电相线，降低台区三相负荷不平衡度。

2 换相结构

执行换相操作是智能换相装置的核心功能，如何实现安全、快速、可靠的换相是需要解决的核心问题。在换相过程中不得中断用户供电，不可对用电设备造成损坏，应做到用户无感。一般家用电器允许的电压中断时间在20 ms以内，即20 ms以内的电压中断不影响其正常工作，因此换相开关必须做到换相时间小于20 ms。在对换相开关研究的过程中，出现了三种主要的换相结构：纯机械式换相结构、电力电子式换相结构、混合式换相结构。

2.1 纯机械式换相结构

纯机械式换相结构是早期提出的一种换相结构，示意图如图2所示，其输入为三相电压，输出为单相电压，用于选通三相中的某一相。内部包含三个机械式继电器，其中S1、S2为两进一出磁保持继电器（换相开关专用型），其短时耐受电流可达6 kA，足以抵抗短路冲击；S3为一进一出电磁式继电器，可分断数十安培电流，具有较强的电流分断能力。

图2 纯机械式换相结构

纯机械式换相结构的基本换相过程为先断开用户回路，然后切换用户相线，最后再闭合用户回路。以从C相切换到A相为例，换相开关接收到换相命令后持续检测电流过零点，检测到电流过零点后立即分断S3，然后将S2切换到C相，最后持续检测C相电压过零点，在C相电压过零点时刻闭合S3，换相完成。断开S3到重新闭合S3期间为用户失电时间，最长失电时间不超过20 ms。S3的作用是在换相前切断用户电流，以保证S1、S2在切换时不发生相间拉弧。S3分断时容易产生拉弧，虽然不会造成相间短路问题，但拉弧产生的高温会损伤继电器触点，减少继电器使用寿命，因此实际工程中这种结构的换相开关执行换相操作的频率一般设置得较低，不平衡治理效果不佳。为解决S3分断时的拉弧问题，文献[7]提出了一种混联式换相结构，其基本结构与图2类似，但在S3旁边又并联了一个双向晶闸管，在分断S3前先导通晶闸管，然后分断S3，最后再截止晶闸管，从而避免了机械开关分断电流时的拉弧问题，延长了换相开关寿命。

2.2 电力电子式换相结构

大部分带电源转换模块的家用电器对10～20 ms的掉电不敏感，但部分不带电源转换模块的电器对掉电十分敏感，典型的如白炽灯，10～20 ms的掉电所产生的闪烁能被人眼察觉，影响用户用电。为进一步缩短换相时间，文献[8]设计了一种电力电子式换相结构，图3是电力电子式换相结构示意图。

图3 电力电子式换相结构

电力电子式换相结构中使用了双向晶闸管（也有使用IGBT的）代替纯机械式换相方式中的继电器，具有换相时不拉弧、换相速度快、寿命长等优点。配合电流过零检测技术和晶闸管过零自动关断的特性，该结构换相时间可以缩短到2～3 ms，显著提高了换相速度。该换相结构也存在严重的缺点：一是电力电子式器件功耗较高，发热严重，需配备相应的风冷或水冷散热装置；二是电力电子式器件抗短路冲击能力弱，用户负载发生短路故障时容易被击穿或烧毁，造成严重后果。因此，该换相结构风险较高，难以运用到实际产品中去。

2.3 混合式换相结构

为解决电力电子式换相结构存在的弊端，文献[9]提出了一种混合式换相结构。图4为混合式换相结构示意图，该结构在电力电子式换相结构的基础上进行了改进，在每个双向晶闸管旁边又并联了一个磁保持继电器。不进行换相时，三路晶闸管均为截止状态，某一路继电器导通维持供电，避免了晶闸管长期通电导致的发热问题。晶闸管仅在换相过程中辅助分断用户电流，避免拉弧，由于其通电时间很短，因此遇到用户负载短路的概率也极低。该结构分断电流的方式与混联式换相结构分断电流的方式相同。在换相过程中，需等待一相晶闸管完全关闭后再导通另一相晶闸管，失电时长为2～3 ms。

图4 混合式换相结构

为实现0 ms无缝换相，文献[10]在混合式换相结构的基础上，将双向晶闸管改为两个可独立控制的反向并联的晶闸管，并优化了换相操作流程，实现了等电压0 ms无缝换相。换相过程中仅存在相位突变，不存在电压突变和掉电，但换相操作流程复杂，且对换相的时间精度要求很高。随着产品的老化，换相时间精度下降后存在安全隐患，因此对产品质量提出了很高的要求。混合式换相结构是目前主流的换相结构，基于该结构的高可靠性0 ms无缝换相技术是未来研究的重点。

对上述三种换相结构进行比较，如表1所示。

表1 三种换相结构的比较

3 控制策略

控制策略决定了智能换相装置治理三相负荷不平衡问题的效果，在控制器算力有限、换相开关机械寿命有限的情况下做出更好的换相决策是控制策略的重点研究方向。

三相负荷不平衡包括三相电压不平衡、三相电流不平衡、三相相序不平衡，其中三相电流不平衡造成的影响最大，目前的研究也多着重于解决三相电流不平衡问题[11]。在实际工程中，为简化计算，三相电流不平衡度可采用如下公式进行计算：

式中：βx为X相的不平衡度；Imx为X相的最大电流；Iav为三相平均电流[12]。

由上式可知，要降低三相负荷不平衡度，需使各相电流尽可能接近平均值，因此基本控制策略就是将重载相上的部分负荷切换到轻载相上。理论上换相时间间隔越短，换相频率越高，所能达到的效果越好，但由于换相开关机械寿命有限（一般为10万次左右），因此控制策略中一般不会实时检测不平衡状态，而采用定时检测的方式检测三相负荷不平衡状态[12]。执行换相操作时需尽可能用最少的换相次数来最大限度地降低三相负荷不平衡度，这也是控制策略研究的出发点。

文献[13]提出了一种实时在线控制策略，以不平衡电流最小和换相次数最少构建多目标最优换相数学模型，采用遗传算法进行求解。文献[14]对不平衡控制策略的约束条件进行了研究，为减少换相次数并同时保证较好的不平衡治理效果，提出了三条约束条件：变压器负载率低时可以不进行换相；根据不平衡类型灵活调整换相时间窗，优化换相时间粒度；减少对大负载的换相操作，延长换相开关触点寿命。文献[12]则将三相电流平均值、相间最大电流差作为起判依据，当三相电流平均值或相间最大电流差低于阈值时不进行换相，并以切换负荷应最接近待转移负荷为原则来减少换相次数。

以上提及的控制策略均为集中型控制策略，即主控器根据台区当前用电状态分析计算出最优换相组合后，下发控制指令到换相开关，由换相开关执行换相操作，但当通信出现故障时这种方式就失效了。文献[15]考虑了通信出现故障的情况，提出了分布型控制作为集中型控制的补充，即当出现通信故障后，换相开关将计算用户电压偏差，根据电压偏差是否满足《电能质量供电电压偏差》（GB/T 12325—2008）标准来进行换相操作，在一定程度上弥补了发生通信故障后不能工作的缺陷，但当多装置出现通信故障时，该方法也难以保证治理效果；为避免大电流换相对换相开关造成损伤，该文献还提出根据用户历史用电数据预估出用户低负载时段作为其换相时段，在用户低负载时进行换相以延长换相开关使用寿命。

根据用户负荷特性曲线，预测用户用电规律，以便更精准高效地进行换相操作是当前和未来的研究热点。文献[16]提出的控制策略首先识别出户相关系，然后以用户长时间的负荷特性曲线为基础，以全局不平衡度最小为目标，计算出最优换相组合。文献[17]考虑了智能换相装置的时滞问题，通过加入NARX自适应神经网络，对智能换相装置的时滞对应时间段内（几分钟至几小时）的负荷进行预测，将预测出的数据和历史数据一起用于换相策略，与长时负荷预测相比减少了运算量，增强了动态调节能力。

对上述几种控制策略进行比较，如表2所示。实际控制算法中一般会综合使用多个策略，并进行多目标优化。

表2 几种控制策略的比较

4 结语

本文首先简要介绍了智能换相装置，然后分析对比了智能换相装置的几种换相结构和控制策略。智能换相装置优点明显，但在换相结构和控制策略方面仍存在问题，限制了其大规模普及。在换相结构方面，目前的三种换相结构均存在一定问题，但混合式换相结构最具前景，基于该结构的无缝换相技术有待进一步优化。此外，提出新的换相结构来克服现有换相结构存在的问题也是后续研究的重要方向。在控制策略方面，仍有优化空间，可进一步结合负荷预测等技术手段提高不平衡治理的效率。目前的控制策略均没有考虑低压线路拓扑结构对三相负荷不平衡的影响，考虑低压线路拓扑结构的控制策略可能更适应不同台区的三相负荷不平衡治理。