基于智能選相技術的配電網負荷不平衡控制裝置

張奕濤

摘 要：配電網負荷不平衡是配電網面臨的一個重要問題，對其進行有效的控制具有十分重要的意義。本文對智能選相技術展開了詳細的介紹，并提出了一種基于智能選相技術的配電網負荷不平衡控制裝置，以期能為有關需要提供參考。

關鍵詞：智能選相技術；配電網；負荷不平衡

引言

1.智能選相技術

配電網負荷平衡智能控制系統主要由智能配電變壓器控制終端和多個智能選相開關組成，系統能夠實時監測計算臺區三相不平衡度，判斷當前臺區負荷的接入使用情況，及時調整負荷的接入相別，從而保證了三相負荷間的平衡性。

1.1智能配電變壓器控制終端

智能配電變壓器控制終端采用電壓互感器、電流互感器CT、模數轉換A/D、數字信號處理DSP、控制器局域網絡CAN等模塊組成，安裝于臺區變壓器和電纜分接箱，主要用于配電變壓器運行狀態監測、負荷調整策略選擇、智能選相開關控制、參數查詢及設置。其工作過程為：實時監測配電變壓器出線和各電纜分接箱的電流、電壓以及開關運行狀態，經分析判斷后，根據負荷調整策略下達各出線選相開關的控制命令。智能配電變壓器控制終端的調整計算模型綜合考慮了臺區的負載率情況，其參數設置包括不平衡度閥值、調整時間等，如設置臺區三相不平衡度小于10%，每小時監測調整一次。參數設置可以在系統后臺或現場進行。智能配電變壓器控制終端數字信號處理原理如圖1所示。

1.2智能選相開關

智能選相開關是負荷切換控制的核心組件，由控制模塊（SCU）、接觸器（J1、J3、J5）、繼電器（J2、J4、J6）、二極管（D1、D2、D3）等器件組成，安裝在電纜分接箱內，主要作用是檢測當前負荷所在的相別、電流值并上傳到智能配電變壓器控制終端，接收智能配變控制終端下發的調整命令并執行選相操作。智能選相開關結構如圖2所示。

智能選相開關在相間負荷切換時需要選擇合適的切換時間點，時間點的選擇由智能配電變壓器控制終端確定，L1相負荷切換到L2相的時間區域如圖3所示。

結合圖2、圖3，L1相負荷切換到L2相過程如下。L1相負荷斷開過程：

L1相電壓在正半周過零點P前，智能配電變壓器控制終端發出控制信號，控制接觸器J1斷開，此時二極管D1處于導通狀態，J1兩端的電壓控制在0.7V，確保其無弧斷開。電壓過零點后D1關斷，智能配電變壓器控制終端控制繼電器J2斷開，確保L1相負荷徹底從L1相斷開。

負荷接入L2相過程：L1相負荷斷開瞬間，L2相電壓正處于負半周，智能配電變壓器控制終端發出控制信號，控制繼電器J4接通。在L2相電壓過零點Q后，二極管D2導通，接觸器J3兩端電壓控制在0.7V。此時智能配電變壓器控制終端控制接觸器J3接通，由于D2處于導通狀態，因此J3接通時不會發生電弧。從L1相電壓正半周過零點P到L2相電壓從負半周過零Q的時間約為3.3ms，智能選相開關設計在5ms內完成L1相負荷切換到L2相，由于二極管的單向導電性以及切換時間點的選擇控制，保證了相間負荷在切換期間不發生短路現象。

1.3負荷不平衡調整策略

負荷不平衡控制策略的約束條件包括不平衡度閥值、臺區負載率閥值、調整時間窗和基于最少動作的優化控制算法。負荷不平衡度閥值、臺區負載率閥值是啟動負荷不平衡度控制策略的前提條件。如設置臺區負荷不平衡度為10%、臺區負載率為15%。智能控制終端只有監測計算到臺區負荷不平衡度值大于10%、臺區負載率大于15%才啟動調整操作。

根據用戶的用電特性以及臺區負荷曲線，本文對負荷不平衡性質按照發生的時間特性進行了分類，調整時間窗是指按照不平衡發生的時間特性確定調整時間間隔?；诓黄胶忸愋偷臅r間窗設置規則如表1所示。

按照設置的約束條件，系統進行不平衡度優化控制算法如下。

采用列舉法。列舉出臺區內各選相開關的所有組合，分別計算臺區不平衡度，在滿足臺區不平衡度閥值的條件下，按照臺區內開關動作次數最少原則發出調整控制信號進行選相調整。

最小差值法。假設配變出口處的電流有效值為IL1、IL2和IL3，各相電流與相應相電壓的相位差為0。監測計算電流有效值的平均值IV。

IV=（IL1+IL2+IL3）/3

計算各相電流與IV的差：將{ΔIL1、ΔIL2、ΔIL3}從大到小排序，記為{ΔImax、ΔImid、ΔImin}，確定從ΔImax相減負荷，加到ΔImin相。設ΔImax相有k個可調整的負荷，每個負荷電流代入下式得到k個值Qi

Qi=∣ΔImax-Ii∣+∣ΔImin+Ii∣

其中，i=1，2，…k。k個負荷中，使得Qi最小的那個負荷即為調整負荷。如果Qi≥∣ΔImax+ΔImin∣，則不調整最小的那個負荷。這時采用枚舉方法，把三相中最大電流相中的最大負荷與三相中最小電流相中的最小負荷進行交換。

2.智能選相開關型式試驗

智能選相開關的主要設計指標為：額定電壓220V±15%（相電壓）；額定電流：150A；負荷切換失電時間小于5ms；額定短時耐受電流：2kA，10ms。

本裝置于2016年3月在國家電控配電設備質量監督檢驗中心進行了檢測試驗。檢驗項目包括：承載額定短時耐受電流能力、負荷轉換試驗、恒定濕熱、電氣間隙與爬電距離、介電性能、溫升、靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、通信性能、低溫試驗、高溫試驗、外觀檢查共計13項。檢驗依據為：GB14048.1—2012《低壓開關設備和控制設備第一部分：總則》、《負荷轉換開關技術條件》。

裝置的檢驗結果顯示，所檢驗的13個項目全部合格，其中負荷選相、切換時間為3.4ms，三相承載額定短時耐受電流能力分別為：L1相2.01kA10.3ms，L2相2.03kA10.2ms，L3相2.03kA10.3ms，能夠保障負荷的可靠連續供電。

3.負荷不平衡控制裝置應用

負荷不平衡控制裝置于2016年7月應用于某三相負荷不平衡比較嚴重的小區。該臺區由1路10kV供電，配電變壓器為630kvar，低壓用戶數量為372個，現場選擇5臺電纜分接箱安裝了智能選相開關。裝置運行以來，臺區的三相不平衡度取得了良好的智能調節效果。

投運前后臺區代表日運行數據對比如表2所示。裝置運行1年來取得的效果有以下幾方面。

（1）運行期間該臺區三相負荷不平衡度一直小于10%，線損平均降低2.4%，年度節約用電4.56萬kW·h，節能降耗效果明顯。

（2）實現了臺區三相不平衡電流的智能調整，降低了變壓器因過負荷燒毀的風險，提高了配電網設備智能化運行維護水平，避免了以前人為操作可能造成的漏調或未調的情況，減輕了一線員工的工作負擔。

（3）通過對裝置調節數據的匯總分析，可以分類總結用戶的用電特性，便于科學安排以后的大修和技改工作，提高了管理部門的分析決策能力。

4.結語

綜上所述，智能選相技術具有無沖擊、低功耗、高壽命等優點，在配電網負荷不平衡控制中具有良好的應用價值。本文介紹了一種基于智能選相技術的配電網負荷不平衡控制裝置，經實際應用驗證，該裝置能夠有效解決配電網負荷不平衡問題，對提高配電網的安全性和運行效益起到重要的作用。

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