吳崇武楊耿杰劉用森王明輝

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108 2.國網(wǎng)福建電力有限公司南平市供電公司，福建 南平 353000）

低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳崇武1楊耿杰1劉用森2王明輝2

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108 2.國網(wǎng)福建電力有限公司南平市供電公司，福建 南平 353000）

低壓電網(wǎng)三相負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)由三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置、智能換相開關(guān)和監(jiān)控主站組成。三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置和智能換相開關(guān)實(shí)時(shí)采集配電臺(tái)區(qū)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，并通過 GPRS上傳至監(jiān)控主站。系統(tǒng)分兩級(jí)調(diào)整三相不平衡負(fù)荷，①通過智能算法計(jì)算最優(yōu)換相策略，并通過遠(yuǎn)程控制換相開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，②通過三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置自動(dòng)判斷臺(tái)區(qū)的負(fù)荷情況，改變電容補(bǔ)償量以及電容補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)。

低壓電網(wǎng)；不平衡負(fù)荷；電容補(bǔ)償；換相開關(guān)

我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)主要采用三相四線制配電方式。低壓配電網(wǎng)中由于單相負(fù)荷的用電不同時(shí)性與用電量增長(zhǎng)不可控以及工作人員在接入單相負(fù)荷時(shí)的隨意性，可能導(dǎo)致配電臺(tái)區(qū)出現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象[1]。

三相負(fù)荷不平衡，不僅增加了線路損耗，而且增加了配電變壓器的銅耗、鐵損，減少其運(yùn)行出力，降低運(yùn)行效率，影響變壓器的安全運(yùn)行，并將造成臺(tái)區(qū)三相電壓不平衡，降低供電質(zhì)量，這可能導(dǎo)致末端用戶出現(xiàn)無法用電的情況。

現(xiàn)有的三相負(fù)荷不平衡解決方案是通過手動(dòng)調(diào)整單相負(fù)荷分布或無功補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)。通過停電后手動(dòng)調(diào)整單相支路，就地平衡三相負(fù)荷。將單相線路換相，從重負(fù)荷相改接到輕負(fù)荷相，能暫時(shí)解決負(fù)荷不平衡問題，但是由于負(fù)荷的不可控增容和用戶用電的不同時(shí)性，不平衡現(xiàn)象還會(huì)存在，并且停電操作復(fù)雜，會(huì)造成停電損失。現(xiàn)有的電容補(bǔ)償方式很多，但是由于容量和成本限制，無法滿足穩(wěn)定增長(zhǎng)的用戶負(fù)荷，并且電容器組的頻繁動(dòng)作容易產(chǎn)生故障。

本文采用換相開關(guān)與電容補(bǔ)償相結(jié)合的方式來解決三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象，將換相開關(guān)安裝在臺(tái)區(qū)的多個(gè)重負(fù)荷支路中，換相開關(guān)負(fù)責(zé)大幅度調(diào)整線路中的負(fù)荷分布，三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置安裝在變壓器的出口側(cè)，通過電容補(bǔ)償來小幅度調(diào)整負(fù)荷分布，從而消除不平衡現(xiàn)象，同時(shí)解決線路末端的低電壓?jiǎn)栴}。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置、智能換相開關(guān)（以下合稱為下位機(jī)）、監(jiān)控主站組成。三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置采集母線的三相負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部CPU計(jì)算后，改變電容器組的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償容量，調(diào)整輸出的無功功率。智能換相開關(guān)安裝在單相支線位置，采集支線上的負(fù)荷數(shù)據(jù)并上傳。同時(shí)根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的換相指令切換供電相序。監(jiān)控主站匯集下位機(jī)所采集的負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過智能算法決策最優(yōu)換相策略，同時(shí)通過遙控智能換相開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)粗調(diào)。考慮到配電網(wǎng)系統(tǒng)通信條件的限制，系統(tǒng)支持GPRS通信方式。在與監(jiān)控主站通信時(shí)，三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置和智能換相開關(guān)作為客戶機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 下位機(jī)硬件介紹

本文的下位機(jī)包括三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置與智能換相開關(guān)。兩個(gè)硬件裝置相互配合動(dòng)作，共同調(diào)整臺(tái)區(qū)的三相不平衡負(fù)荷。

三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置分為溫度監(jiān)控器、GPRS通信模塊、核心控制器與電容器組4個(gè)模塊。溫度監(jiān)控器監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部的溫度，控制散熱裝置的運(yùn)行；核心控制器內(nèi)含采樣分析模塊、投切策略控制算法；電容器組中設(shè)置了多組補(bǔ)償?shù)燃?jí)，其投切控制由核心控制器實(shí)現(xiàn)。裝置具有完整的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，包括電容器組投切總量控制和主站IP地址設(shè)置。

智能換相開關(guān)用于調(diào)整單相線路負(fù)荷的分布，其換相斷電時(shí)間小于 0.2s，適用于三相四線制的220V配電網(wǎng)供電線路。裝置采集輸出端的電流、電壓值并上傳。支持遠(yuǎn)程換相操作和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)整。

3 監(jiān)控主站設(shè)計(jì)

監(jiān)控主站由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用程序組成，各模塊之間完全獨(dú)立，相互之間通過 Socket、LabSQL工具包、TCP通信進(jìn)行交互。

通信服務(wù)器分為通信主機(jī)和通信終端兩個(gè)模塊。通信主機(jī)收集下位機(jī)的數(shù)據(jù)，并與其直接進(jìn)行交互，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)通信終端。當(dāng)通信終端要改變下位機(jī)的運(yùn)行模式時(shí)，先將指令發(fā)至通信主機(jī)，指令將由通信主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)至下位機(jī)。

數(shù)據(jù)庫與通信服務(wù)器通過LabSQL工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。應(yīng)用程序通過TCP和LabSQL工具包遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用程序和通信終端通過Socket建立連接。圖2是監(jiān)控主站的框架圖。

圖2 監(jiān)控主站框架圖

若用戶只想查看系統(tǒng)的歷史運(yùn)行情況，則安裝應(yīng)用程序模塊；若用戶需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電臺(tái)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，并手動(dòng)調(diào)整下位機(jī)的運(yùn)行模式時(shí)，則安裝通信終端。

3.1 通信服務(wù)器設(shè)計(jì)

通信服務(wù)器采用C/S的結(jié)構(gòu)，圍繞TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建服務(wù)器和客戶端之間一對(duì)多的通信方式[2]。通信主機(jī)為服務(wù)器，下位機(jī)和通信終端為客戶端。

1）通信服務(wù)器工作流程

通信主機(jī)安裝在主站上，負(fù)責(zé)匯集數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。為了方便用戶的使用，通信終端可安裝在任意位置，其功能與通信主機(jī)類似。

通信主機(jī)啟動(dòng)后打開TCP偵聽，等待客戶端連接，若出現(xiàn)新的客戶端上連，則辨別通信鏈路的歸屬并存儲(chǔ)。若無新的客戶端連接，則輪詢各個(gè)通信鏈路是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在通信鏈路上，通信主機(jī)接收并解析數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)為下位機(jī)上傳，則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫并轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)通信終端；否則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的下位機(jī)，控制其運(yùn)行狀態(tài)。程序的具體流程如圖3所示。

圖3 通信主機(jī)工作流程圖

2）通信協(xié)議介紹

電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約采用 GB/T 18657.1的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式，其幀定義見表1。

表1 主站協(xié)議通信幀

長(zhǎng)度L為兩個(gè)字節(jié)，包括規(guī)約標(biāo)識(shí)和用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，由2字節(jié)組成。規(guī)約標(biāo)識(shí)由L中D0和D1兩位編碼表示，定義為規(guī)約使用時(shí) D0=1、D1=0。控制域表示報(bào)文傳輸方向和所提供的傳輸服務(wù)類型的信息，地址域?yàn)橄挛粰C(jī)硬件編號(hào)。校驗(yàn)和是用戶數(shù)據(jù)域的十六進(jìn)制算術(shù)和，不考慮溢出位。

3）程序功能介紹

通信服務(wù)器有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、換相管理兩大功能。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在軟件的顯示界面展示臺(tái)區(qū)的三相有功、無功、功率因數(shù)、電壓、電流等數(shù)據(jù)。

（2）換相管理

通過調(diào)用文獻(xiàn)[3]所用的算法，對(duì)臺(tái)區(qū)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，得到最優(yōu)的換相策略。運(yùn)行人員根據(jù)得到的換相策略，遠(yuǎn)程控制換相開關(guān)切換供電相序，從而保證配電臺(tái)區(qū)的三相不平衡負(fù)荷得到調(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表兩個(gè)部分。通信服務(wù)器在固定時(shí)間讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，并將其插入至歷史數(shù)據(jù)的相應(yīng)表單中。

通信服務(wù)器和應(yīng)用程序通過LabSQL工具訪問訪問數(shù)據(jù)庫。需要在操作系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)源，并將其與數(shù)據(jù)庫建立連接。LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的連接就是建立在數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上[4]。

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序是監(jiān)控主站的核心之一，其主要功能有系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)、臺(tái)賬三大功能。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)用程序功能結(jié)構(gòu)圖

1）系統(tǒng)

系統(tǒng)中的用戶分為兩個(gè)等級(jí)，普通用戶和管理員。普通用戶只能進(jìn)行基礎(chǔ)操作，管理員用戶除基礎(chǔ)操作外還可以進(jìn)行用戶管理，修改臺(tái)賬數(shù)據(jù)等操作。

2）歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)功能中包含查看歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫備份、恢復(fù)數(shù)據(jù)庫功能。在查看歷史數(shù)據(jù)界面中，選定篩選條件，即可選擇目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、分析。

3）臺(tái)賬

臺(tái)賬管理界面主要記錄當(dāng)前臺(tái)區(qū)的位置信息以及臺(tái)區(qū)中下位機(jī)的硬件信息。通過臺(tái)賬界面可以了解臺(tái)區(qū)的下位機(jī)安裝位置以及運(yùn)行情況。

4 三相負(fù)荷不平衡治理策略

本文采用分級(jí)調(diào)整的方式來進(jìn)行三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象的治理。三相電流不平衡度的計(jì)算為

式中，Iav為三相電流平均值。本文設(shè)置兩級(jí)的電流不平衡度閾值δL%和δH%。當(dāng)δ%＞δL%時(shí)，三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置通過內(nèi)部算法自動(dòng)改變補(bǔ)償模式，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的有功負(fù)荷分布，同時(shí)補(bǔ)償無功負(fù)荷；當(dāng)δ%＞δH%時(shí)，利用智能算法運(yùn)算得到最優(yōu)的換相策略，同時(shí)遠(yuǎn)程操作換相開關(guān)，切換其供電相序，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡度的調(diào)整。

4.1 電容補(bǔ)償模型

我國的低壓配電網(wǎng)一般采用三相四線制系統(tǒng)，但是目前絕大多數(shù)的不平衡補(bǔ)償方法是針對(duì)三相三線制的，通常只考慮負(fù)序分量的存在，而沒有考慮零序分量[5]。在三相四線制系統(tǒng)中，如果未對(duì)零序電流進(jìn)行補(bǔ)償，將無法實(shí)現(xiàn)不平衡電流的完全補(bǔ)償。文獻(xiàn)[6]通過疊加原理和對(duì)稱分量法，推導(dǎo)出適合于三相四線制低壓配電網(wǎng)絡(luò)不平衡負(fù)荷的補(bǔ)償理論，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了調(diào)補(bǔ)模型。

4.2 換相開關(guān)的配置原則

換相開關(guān)配置的數(shù)量原則是使開關(guān)所涵蓋的用戶表數(shù)為配電臺(tái)區(qū)負(fù)荷較重用戶的 1/3左右。換相開關(guān)必須安裝在負(fù)荷大的三相四線制的電纜分支箱或用戶表箱位置。

4.3 控制策略

系統(tǒng)的控制遵循“保證電壓不越限，最大限度地平衡三相電流”的原則[7]。本研究用三相電流不平衡度、無功功率和電壓三個(gè)量作為判據(jù)。在保證電壓合格的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)三相不平衡負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

當(dāng)臺(tái)區(qū)上傳負(fù)荷數(shù)據(jù)時(shí)，先計(jì)算三相電流不平衡度δ%，判斷δ%是否越限。若越限則調(diào)用智能算法計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷情況下的最優(yōu)換相策略，并遙控?fù)Q相開關(guān)，實(shí)施換相策略；否則判斷臺(tái)區(qū)的三相電壓是否在正常范圍。本文設(shè)置了 4個(gè)電壓界限：UHM、ULM分別為高電壓界限、低電壓界限；UH、UL分別為過電壓界限、欠電壓界限。電容器組控制策略圖如圖5所示。

圖5 控制策略圖

下面對(duì)控制策略圖的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行說明。

區(qū)域1：電網(wǎng)電壓U高于過電壓界限UH，為了避免電容器組在高電壓下工作，引起電容器組的過熱和絕緣損壞，快速切除電容器組。

區(qū)域2：電網(wǎng)電壓U高于高電壓界限UHM但是低于過電壓界限UH，表示電網(wǎng)中不缺乏無功功率，此時(shí)采取“少量缺無功不投，過補(bǔ)則切”的控制策略。

區(qū)域3：電網(wǎng)電壓U高于低電壓界限ULM，卻低于高電壓界限UHM時(shí)，可采取“缺無功則投，過補(bǔ)則切”的控制策略。

區(qū)域4：電網(wǎng)電壓U高于欠電壓界限UL，卻低于低電壓界限ULM時(shí)，表示電網(wǎng)中缺乏無功功率，此時(shí)采取“缺無功則投，少量過補(bǔ)不切”的控制策略。

區(qū)域5：電網(wǎng)電壓U低于欠電壓界限UL時(shí)，考慮到電網(wǎng)電壓過低，低于控制器的正常工作范圍，快速切除電容器組。

LabVIEW 中的程序執(zhí)行實(shí)現(xiàn)流程圖如圖 6所示。|QY|為臺(tái)區(qū)當(dāng)前無功越限值，Qs為設(shè)定的少量無功越限界限。

5 實(shí)測(cè)波形分析

本文的系統(tǒng)安裝在某市后甲垅II號(hào)臺(tái)區(qū)，圖7是現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)區(qū)在系統(tǒng)投入運(yùn)行前后三相電流對(duì)比數(shù)據(jù)，下位機(jī)每隔15min上傳一次數(shù)據(jù)。

后甲垅Ⅱ號(hào)臺(tái)區(qū)屬于農(nóng)村臺(tái)區(qū)，由于單相用戶用電時(shí)間的不同時(shí)性以及線路規(guī)劃不合理存在了三相負(fù)荷不平衡問題。從圖7可以明顯看到，在用電高峰期，即圖7中的10∶00—12∶00，系統(tǒng)未投入前，三相電流出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，在系統(tǒng)投入后，成功的將有功負(fù)荷均分至三相，有效解決了三相不平衡問題。

圖6 控制策略程序執(zhí)行流程圖

圖7 臺(tái)區(qū)電流負(fù)荷對(duì)比圖

6 結(jié)論

本系統(tǒng)解決了大多數(shù)農(nóng)村臺(tái)區(qū)存在的三相負(fù)荷不平衡問題，通過安裝智能換相開關(guān)和三相不平衡調(diào)補(bǔ)裝置，動(dòng)態(tài)調(diào)整臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷分布，就地補(bǔ)償無功功率，不僅降低了系統(tǒng)的三相負(fù)荷不平衡度，提升了末端電壓，而且還保護(hù)了變壓器，降低了臺(tái)區(qū)用電損耗。在臺(tái)區(qū)出現(xiàn)不平衡問題時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制投切電容器組，保證臺(tái)區(qū)的正常運(yùn)行，減少了運(yùn)維人員的工作量。本系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，目前已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)月，穩(wěn)定可靠。

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Design of Dynamic Compensation System for Low-Voltage Grid

Wu Chongwu1Yang Gengjie1Liu Yongsen2Wang Minghui2
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108;2.Nanping Power Supply Company,State Grid Fujian Electrical Company,Nanping,Fujian 353000)

This paper designed a dynamic compensation system for the low-voltage grid,which is composed of three phase unbalanced compensator,intelligent Switching-Phase switch and monitoring master station.The compensator and switch can gather the load data of distribution network in real time,and transfer it to the monitoring station via GPRS.The system adjusts the three-phase unbalanced load by two stages.First the system applies the intelligent algorithm to compute the optimal commutation strategy,then changes switch status adjustment by remote control to realize the coarse.Second the three-phase unbalanced compensator determine the load automatically,then change compensation amount and the mode of itself to realize the fine adjustment.

low-voltage grid;unbalanced load;capacitance compensator;switching-phase switch