鄧國豪，潘錦源，張詩建

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局，廣州 510620；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510640）

0 引言

配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理一直以來是電網(wǎng)公司的重要工作內(nèi)容[1]。近年來，低壓配電網(wǎng)三相負荷不平衡問題日趨嚴重，嚴重影響配電網(wǎng)供電質(zhì)量和運行經(jīng)濟性，三相不平衡的治理已成為電能質(zhì)量治理工作的首要任務[2-3]。在此背景下，低壓配電網(wǎng)三相不平衡治理技術(shù)已成為當前的研究熱點之一[4-7]。

許多專家學者開展了配電網(wǎng)三相不平衡治理的研究[8-10]。傅穎等[11]運用自決策換相開關(guān)的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)，提出集中控制和分布控制相結(jié)合的綜合治理方案，萬玉良等[12]將三相不平衡治理裝置歸納為投切電容器型、換相開關(guān)型和VSC換流器型3種，通過對其工作原理、接線方式及適用范圍進行詳細介紹。魏劍嘯等[13]分析了相間和分相跨接電容進行無功功率和三相不平衡調(diào)節(jié)的原理，以補償后系統(tǒng)三相不平衡度最小為目標，采用非線性約束優(yōu)化算法計算出最優(yōu)的補償容量配置。但上述研究多基于額外新增設(shè)備，進行設(shè)備優(yōu)化選型或控制，缺乏利用現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)資源進行負荷調(diào)整的研究。新增設(shè)備手段的經(jīng)濟性不足，同時新增配網(wǎng)設(shè)備影響配電網(wǎng)運行的可靠性，增加了運維人員的工作壓力。

本文基于三相不平衡治理手段分析，提出一種基于負荷-電量轉(zhuǎn)移指標的換相方法，以負荷轉(zhuǎn)移指標和電量轉(zhuǎn)移指標進行換相負荷的選取。采用南方電網(wǎng)某實際臺區(qū)數(shù)據(jù)，驗證所提方法的有效性。

1 三相不平衡評價指標

為貼近配電網(wǎng)運行實際，本文采用三相電流不平衡度作為臺區(qū)三相不平衡的評價指標。

三相電流不平衡度為三相電流和平均電流值差值最大值與平均電流值之比，其數(shù)學表達式如下：

式中：Imax為三相電流中的最大值；Imin為三相電流中的最小值。

2 三相不平衡治理手段分析

針對低壓臺區(qū)電流三相不平衡問題，目前主要有兩個治理方向：一是低壓負荷調(diào)整，從負荷端進行三相負荷的平衡化，進而實現(xiàn)首端的三相電流平衡；二是配變首端功率補償，從配變低壓側(cè)出線端進行相間無功補償，實現(xiàn)低壓出線首端有功的平衡化轉(zhuǎn)移，達到配變低壓側(cè)的三相電流平衡。

（1）低壓負荷調(diào)整

低壓負荷調(diào)整主要包括人工換相和三相換相開關(guān)自動換相兩種手段。

人工換相基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，由運維人員對低壓的負荷進行再分配，該手段無需額外增加低壓配電網(wǎng)設(shè)備，經(jīng)濟性較好，但該方法尚未有流程化的操作指引，換相量大多靠運維人員的經(jīng)驗評估，缺乏科學有效的理論指引，治理效果不足。

換相開關(guān)通過主控器對配變首端負荷進行監(jiān)測及換相量計算，下發(fā)指令控制下屬換相開關(guān)進行換相動作，治理效果較好。但該手段一般需要在臺區(qū)配置6～7 個換相開關(guān)，費用較高，且設(shè)備點增多也增加了低壓配電網(wǎng)的可靠運行風險和運維人員的工作量。

（2）配變首端功率補償

首端補償治理手段主要包括相間電容器補償和電力電子調(diào)節(jié)設(shè)備補償兩種手段。

相間補償主要基于王氏定理，在兩相之間跨接電容實現(xiàn)兩相間的有功轉(zhuǎn)移。該方法理論上可以較好地實現(xiàn)臺區(qū)首端的三相電流平衡，但對于補償容量的計算及補償電容器的運行控制要求較高，難以適應配電網(wǎng)復雜的運行環(huán)境，同時也需要運維人員有較高的技術(shù)素質(zhì)，難以推廣應用。

電力電子調(diào)節(jié)設(shè)備補償基于瞬時無功功率理論，通過快速自動檢測出接入處負序電流進行反向補償，以解決三相負荷不平衡問題，但該手段費用昂貴，一般應用于高壓配電網(wǎng)。

綜上所述，當前通過設(shè)備接入的三相不平衡治理方法存在費用較高、增加運行可靠性風險問題，而較為經(jīng)濟的無設(shè)備化負荷換相方法則缺乏科學的理論指引，治理效果不足。

考慮到現(xiàn)有低壓配電網(wǎng)監(jiān)測體系較為完善，負荷、電量等數(shù)據(jù)均可有效獲取，若負荷、電量數(shù)據(jù)進行換相量的計算指引，可以更好地提升人工換相的三相不平衡治理效果，提高配電網(wǎng)運行水平，降低因三相不平衡造成的配電網(wǎng)網(wǎng)損，進而提升配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

3 負荷-電量轉(zhuǎn)移指標的換相方法

針對當前配電網(wǎng)三相不平衡治理問題，本文提出一種考慮負荷-電流轉(zhuǎn)移指標的換相方法，基于三相負荷特性分析，確認換相基準換相相序，由此構(gòu)建負荷-電量轉(zhuǎn)移指標，進而根據(jù)該指標進行換相相序及負荷的選取，流程化實現(xiàn)三相不平衡的換相治理。以下從該方法的基準相序、距離指標、實現(xiàn)流程等方面進行闡述。

3.1 基準換相相序

由于臺區(qū)各相用戶用電具有較大的時空不確定性，單個用戶的負荷特性并不完全符合臺區(qū)整體的負荷特性，因此，分相電流的大小關(guān)系并不固定，即某一時刻A 相比較大，而另一時刻B相或者C相比較大，但可以推斷的是，始終存在某一A、B、C 大小關(guān)系，該關(guān)系出現(xiàn)時刻總數(shù)與總的時刻占比不小于1/3。

從長時間尺度來看，三相不平衡換相治理的目標是降低盡可能多時間斷面的三相不平衡度。因此，本文選取出現(xiàn)頻度最高的A、B、C 三相電流大小關(guān)系為基準換相相序，以該關(guān)系進行換相量的計算，可以較好地實現(xiàn)人工換相的目標。

基準換相關(guān)系的確認流程如下：

（1）獲取配變低壓側(cè)A、B、C三相負荷一天96個時刻的負荷電流；

（2）對比每個時刻下A、B、C 三相負荷的大小關(guān)系，并獲取出現(xiàn)頻度最高的大小比對關(guān)系Cr；

（3）設(shè)置基準換相相序X、Y、Z，將Cr 中最大的設(shè)置為X相，居中的設(shè)置為Y相，最小的設(shè)置為Z相。

3.2 負荷轉(zhuǎn)移指標

負荷轉(zhuǎn)移指標是指，基于臺區(qū)配變負荷的基準換相相序，考慮X、Y、Z 相負荷相間各個時刻的大小關(guān)系，以及各相負荷不同區(qū)間分布概率，計算得到的負荷轉(zhuǎn)移量參考值，其數(shù)學表達式如下：

式中：F為負荷轉(zhuǎn)移指標；下標αβ 表示負荷由α 相轉(zhuǎn)移至β相， αβ ＝[X Y，XZ，YZ ]；Iymax為第y 組數(shù)組的最大轉(zhuǎn)移量值，y＝ 1,2,3；δ為轉(zhuǎn)移量修正系數(shù)，δ＝[1 , 3,5,7]； ΔIy為第y組數(shù)組的最大轉(zhuǎn)移量與最小轉(zhuǎn)移量之差。

αβ 由下式確定：

轉(zhuǎn)移修正量δ由下式確定：

Iymax和 ΔIy由下式確定：

Iy表示第y組轉(zhuǎn)移量值數(shù)組，由下式確定：

式中：IX、IY、IZ分別為X、Y、Z 相的一天96 時刻的電流值組合；情況1為X、Y、Z相各時刻的電流IX、IY、IZ主要的大小關(guān)系即該關(guān)系出現(xiàn)的頻度最高；情況2 為關(guān)系出現(xiàn)的頻度最高；情況3為關(guān)系出現(xiàn)的頻度最高。

3.3 電量轉(zhuǎn)移指標

負荷轉(zhuǎn)移指標是指，基于負荷轉(zhuǎn)移指標、換相對象相最大負荷和電量的關(guān)系計算得到的電量轉(zhuǎn)移參考量值，其數(shù)學表達式如下：

式中：W為負荷轉(zhuǎn)移指標；下標αβ 表示電量由α 相轉(zhuǎn)移至β相，為情況ε下的負荷基準值，ε＝ 1,2；Qα為第 α 相一天的電量。

Wαβ由下式確定：

、由下式確定：

式中：場景1 為X 相各時刻的電流IX主要分布在區(qū)間場景2 為主要分布在區(qū)間場景3 為主要分布在區(qū)間場景4 為主要分布在區(qū)間。

式中：場景1 為Y 相各時刻的電流IY主要分布在區(qū)間場景2 為主要分布在區(qū)間場景3 為主要分布在區(qū)間場景4 為主要分布在區(qū)間。

3.4 實現(xiàn)步驟流程

基于上述提出的負荷轉(zhuǎn)移指標和電量轉(zhuǎn)移指標，本文提出基于負荷-電量轉(zhuǎn)移指標的換相方法流程如下。

（1）獲取配變低壓側(cè)一天96個時刻A、B、C三相的負荷電流IA、IB、IC；配變低壓側(cè)A 相一天的電量QA、B 相一天的電量QB、C 相一天的電量QC；獲取A 相單相接入的用戶總數(shù)為n1，令k1＝1,2,…,n1，獲取各個A相單相接入的用戶一天的電量QAk1；獲取B 相單相接入的用戶總數(shù)為n2，令k2＝1,2,…,n2，獲取各個B 相單相接入的用戶一天的電量QBk2；獲取C 相單相接入的用戶總數(shù)為n3，令k3＝1,2,…,n3，獲取各個C相單相接入的用戶一天的電量QCk3。

（2）對比確定基礎(chǔ)換相相序。

（3）應用負荷轉(zhuǎn)移指標計算負荷轉(zhuǎn)移量。

（4）應用電量轉(zhuǎn)移指標計算電量轉(zhuǎn)移量。

（5）選擇滿足轉(zhuǎn)移電量要求的單相接入的用戶進行換相，即對X 相或Y 相的單相接入用戶一天的電量進行排序累加，直至達電量轉(zhuǎn)移指標，并將此部分電量累加的用戶作為換相負荷，進行換相，流程結(jié)束。

4 算例分析

本文應用南方電網(wǎng)實際臺區(qū)數(shù)據(jù)，驗證所提控制方法的有效性。換相前的各相電流及各個時刻的三相不平衡度如圖1和圖2所示。

圖1 換相前臺區(qū)首端電流及分相電流曲線

圖2 換相前臺區(qū)三相不平衡度曲線

應用本文方法換相后，效果如圖3和圖4所示。由圖可以看出，換相后，三相負荷電流曲線明顯趨于重疊，C相負荷的電流明顯下降，而B 相負荷相應地抬升，時刻1～17 和時刻75～96三相不平衡度大幅下降。

圖3 換相后臺區(qū)首端電流及分相電流曲線

圖4 換相后臺區(qū)三相不平衡度曲線

如表1 所示，本文提出的換相方法可以大幅度降低臺區(qū)運行整體的三相不平衡度，與原運行狀態(tài)相比，臺區(qū)整體運行的三相不平衡度下降了32%。

表1 換相前后結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文基于三相不平衡評價指標和三相不平衡治理手段分析，提出了一種基于負荷-電量轉(zhuǎn)移指標的換相方法，構(gòu)建了負荷轉(zhuǎn)移指標與電量轉(zhuǎn)移指標。運用南方電網(wǎng)實際臺區(qū)運行數(shù)據(jù)，進行了本文方法的效果驗證，結(jié)果表明，本文所提方法可以有效地降低配電臺區(qū)運行的三相不平衡度，可為配電網(wǎng)低壓臺區(qū)三相不平衡的換相治理提供重要參考。