基于智能换相策略的三相不平衡治理方法

基于智能换相策略的三相不平衡治理方法

程 璞 孔文杰

国网安徽省电力有限公司金寨县供电公司， 安徽 金寨 237300

摘要：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。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。

关键词：三相不平衡；智能换相；配网负荷

引言

电能质量问题包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降／中断／暂升、供电连续性等。在生产、生活用电中，三相不平衡会造成变压器处于不对称运行状态，进而增大损耗；不平衡电流会造成部件运行在异常范围区间，影响器件或设备的使用寿命，且电流不平衡度越大，线损增量越大。三相不平衡导致的某一相或两相过载，会造成相应的线路发热，当过载率较高时可能引起线路或配变烧毁。可见，三相不平衡属于较严重的电能质量问题。

1三相不平衡

电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围，即为三相不平衡，三相不平衡可以作为衡量电能质量的一个重要指标。当三相不平衡超过配电网既定承受范围，则会对电力系统安全运行带来影响，国家电网等相关企业运维规定明确指出，低于20%负载率的台区，可不必要参照三相不平衡指标。在三相四线制低压配网中，单相负荷是目前主要承载的用电负荷，单相负荷在三相间的不平均分布及用电不同期性导致三相间瞬时负荷相差较大，集中表现为三相电流不平衡度很大，严重情况下也会导致三相电压不平衡度上升。

2基于智能换相策略的三相不平衡治理方法

2.1有源不平衡治理系统控制策略

为提升配电台区电能质量，需要对配电台区不平衡负载引起的并网电流负序分量和零序分量进行有效控制。通过控制逆变器输出电感电流负序／零序分量分别跟踪不平衡负载所含的负序／零序分量，实现对负载负序／零序电流进行实时补偿，即可有效提升配电台区并网点的电流波形质量，ＰＩＲ为比例积分微分。①直流电容电压外环实现对逆变器直流侧电容电压的稳定控制，且其输出值即为电感电流正序控制环路参考信号②电感电流负序／零序控制环路参考信号由负载电流的负序／零序分量决定，即通过逆变器实现对负载电流的负序／零序分量全补偿，从而减少入网电流的负序／零序分量。需指出：若系统控制目标为实现两个直流电容电压均压，则电感电流零序控制环路的参考信号由均压控制环比例积分（Ｐ１）输出决定，即控制开关Ｓ？选通至位置②（默认为位置①）。将电流正序控制环、电流负序控制环及电流零序控制环的三者输出信号进行合成，获得两相静止。

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(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)，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。

2.3节能优化控制技术应用

随着经济社会迅速发展，促使电力能源需求量持续上升，由于三相不平衡是长期影响电力系统运行安全性与稳定性的主要因素之一，为更好地治理三相不平衡，以智能化电网调度技术为载体，建立技术与调度自动化平台，搭建针对三项不平衡治理的控制系统，充分发挥三相不平衡治理优化控制技术应用优势，从根本上保证电网运行稳定性和安全性，解决无法治理的电能质量问题。节能优化控制系统功能设计：为能实现对程序控制参数有效修改，要求控制系统既能闭环进行又可以开环进行，有利于强化用户体验，提升系统数据库利用率；以网络模型为载体，合理运用节能优化控制系统，对电网具体运行情况实现动态监测，合理划分供电区域，实现有效调节分区电压；在运用电压调节手段后，若电压值仍未达到既定要求标准，节能优化控制系统则会自主寻找影响电压的问题所在区域，系统发出对应指令，精准记录各项事件内容，分析与整合从节能优化控制系统中获得到的数据，并结合目前具体情况，合理分区电网，完成电压控制与无功控制，在此基础上控制电力系统运行情况，降低电力系统运行过程中故障发生概率。控制模块、警报信息模块以及自动电压调整模块是三相不平衡节能优化控制系统构成，其中电网实际运行情况由自动电压调整模块负责，将电网运行情况如实反映，依据分区调压原则对电网电压进行监控，当电压异常情况出现时，系统则会自动给予调节举措。警报模块负责显示自动调压措施实施情况，并给予针对性电压调节建议。

2.4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。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。

2.5无功治理

无功治理时，以电机等负载发出感性电流为例，感性无功导致电流滞后电压，此时装置发出容性电流，与感性电流抵消后，电压电流同相位。电容等负载发出容性电流与之类似，容性无功导致电流超前电压，此时装置发出感性电流，与容性电流抵消后，电压电流同相位。

结语

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。

参考文献

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［２］谢荣斌，杜帆，程湘，等．三相不平衡及谐波对三相四线低压配电网线损的影响［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０２０，４８（２１）：２２－３０．

［３］唐冬来，郝建维，刘荣刚，等．基于动态规划的配电台区三相负荷不平衡治理方法［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０２０，４８（２１）：５８－６６．