低压台区三相负荷不平衡综合治理方法研究.pdf

造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 技术与创新99低压台区三相负荷不平衡综合治理方法研究李炳希，唐圣发，刘明昊，李耀荣，方建池广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510620摘要：在电力行业，低压台区三相负荷不平衡一直是存在且令人困扰的问题。在低压三相四线制供电线路中，由于单相负荷在各相之间分布的不均匀，以及用户在不同时间使用负荷的不一致，导致了三相负荷不平衡的情况时有发生，给供电质量带来了一定的影响。文章首先分析三相负载不平衡的产生原因和影响，然后通过主站后台软件和智能换相开关来有效解决三相负荷不平衡问题，并对其进行经济性评估，从技术角度提出了综合治理的策略。关键词：低压台区；三相负荷不平衡；治理措施分类号：TM73电力是关系国计民生的基础产业，电力建设对国民经济至关重要。良好的电能质量对稳定生产、保障生活和经济持续发展具有无比重要的意义1。低压电网是一个涵盖三相和单相混合供电的网络，其中大部分以居民用电的单相负荷接入为主。单相负荷分配的不均衡和用电的不同时性等原因造成了三相负荷不平衡。随着人们生活水平的不断提高，负荷性质日趋多样化、负荷波动越发显著，使低压台区三相负荷不平衡的问题越发突出，因此亟须采取有效的管理手段和技术手段，实现对三相不平衡情况的监测和自动调节。此次研究提出一种低压台区三相负荷不平衡综合治理方案，在台区侧安装智能换相开关，通过三相负荷不平衡治理平台对台区智能换相开关进行实时换相控制，以更为合理、有效地解决台区三相负荷不平衡问题现象2。1 三相不平衡概述1.1 三相不平衡产生原因通过研究发现造成电网三相不平衡的因素有很多，主要可以归纳为以下三点。（1）电网规划问题。由于资金和地域等因素的限制，低压台区的规划建设不够科学3，单相低压供电线路延伸过长。（2）人员技术问题。电网工作人员对用电区域的客户情况、产业结构了解不够深入，导致负荷预测不准，在接线时对负荷分配较为随意。（3）用电随机性问题。在低压配电网中，低压配电网的用电客户数量庞大，由于这些用户的用电行为和负荷存在较大的不确定性，导致实际用电负荷无法在配电网的三相之间实现均衡分配。这种不均衡现象可能会对配电网的运行稳定性和可靠性产生不利影响。随着社会经济的飞速发展和“双碳”目标的提出，人们的生活物质水平不断提高，越来越多各种形式的分布式电源并入电网，越来越多大功率单相负载的接入，导致了三相不平衡现象的产生4。1.2 三相不平衡度计算电力系统中描述的低压配网三相不平衡主要是指三相负荷不平衡的现象，而三相不平衡度是衡量电能质量好坏的重要指标。通过采集单台配变的 15 min 断面数据，三相负荷（电流）不平衡度计算公式如下：（1）1.3 三相不平衡的影响1.3.1 增加线路的电能损耗当电流在导线上流动时，由于电阻的存在会产生电能的损失。这种损失与电流的平方直接相关。在低压电网环境中，由于采用三相四线制供电方式，且三相负载处于不平衡状态，会导致中性线产生电流，从而造成电能的损失。1.3.2 增加配电变压器的电能损耗电力变压器是低压电网的核心设备，负责将高电压转换为低电压。如果在三相负载失衡的情况下运行时，其能耗损失会随着负载的失衡程度而发生变化。作者简介：李炳希，女，硕士，助理工程师，研究方向为营销计量用检与数字配电网。文章编号：2096-3092（2024）01-0099-05 技术与创新 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料1001.3.3 降低配电变压器输出功率在电力系统的设计过程中，应结合负载平衡运行状况来选择配电变压器的绕组结构。这就意味着，所有绕组的性能都需要大致相同，各相的额定容量也需要相等。但是，在实际的运行过程中，如果三相负载不平衡，那么负载较轻的一相将会有多余的容量，这会导致配变的输出降低。相负载不平衡问题加剧，变压器出力受影响。随着三相负载不平衡程度的加重，变压器出力减少的量也会相应增加。这使变压器在运行过程中难以达到额定功率，过载能力下降，容易引发变压器发热等问题。若情况严重，甚至可能导致变压器烧损，给电力系统的稳定运行带来严重威胁。1.3.4 导致配电变压器产生零序电流在三相负载不平衡的工作条件下，配电变压器会产生零序电流。随着不平衡度的增加，零序电流的大小也随之增大，从而导致铁芯中产生零序磁通。变压器中的零序磁通是电力系统中一个独特的现象，这种磁通主要依赖于变压器油箱壁和钢铁结构作为其传播途径。然而，由于钢铁结构的导磁率有限，当零序电流流经这些结构时，会产生磁滞现象和涡流损失。这些损失会导致变压器钢铁构件的局部温度上升和热化，从而加速变压器绕组绝缘的老化过程。此外，零序电流的存在也会加剧变压器的损失。1.3.5 导致配电变压器电压不平衡当三相负载出现不平衡时，配电变压器的运行状态会受到影响。由于各相的流出电流不相等，这会导致配电变压器输出电压的三相不平衡。这种不平衡现象可能会对电力系统的稳定运行产生负面影响。同时，中性导线会因为流过不同的电流而产生电阻压降。这种压降会导致中性点发生位移，进一步加剧了三相电压的不平衡程度。1.3.6 降低电动机效率在三相负载不平衡的运行条件下，配电变压器的输出电压会出现三相不平衡的现象。这种现象会产生正序、负序和零序三个电压分量。当这种不平衡的电压输入电动机后，负序电压产生的旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场方向相反，从而产生制动效果，导致电动机输出功率下降，降低电动机的工作效率。同时，电动机的温升与无功损耗也会随着三相电压的不平衡度而增加。三相电流不平衡会对配电系统的正常运行造成严重干扰，对电力网络的安全和经济运行构成威胁。这种不平衡现象会导致配变损耗增加、电压降低等问题，直接影响用户的电力质量。2 三相不平衡解决方案目前针对低压配电网末端三相负荷不平衡问题主要有以下三种解决方案。2.1 无功补偿装置在电力系统中，经常使用无功补偿装置来平衡三相不平衡。无功补偿的方式主要有两种：集中补偿和分组补偿。集中补偿是在高低压配电线路中安装并联电容器组。这种补偿方式主要用于平衡电网中的三相电流，提高电力系统的稳定性和可靠性。在集中补偿中，电容器组可以同时为整个电力系统提供无功功率，这样能够有效地降低电网中的损耗，提高电力输送效率。分组补偿则是在用户侧安装并联电容器组。通过对电力负荷进行不对称补偿调节，可以通过并联理想补偿网络与负载，将不平衡、线性及中性点不接地的三相负载转化为单位功率因数且平衡的三相有功负荷。在此过程中，还需要对三相负荷不平衡进行补偿。但该方案主要针对大用电负荷，且需要增加并联补偿装置，受到投资成本、设备性能的可靠性和稳定性等多重因素的影响，这种技术的推广应用受到了限制。2.2 电容器三相负荷调节装置电容型三相负荷自动调节装置，也被称为相间无功补偿装置，其核心组件为电力电容器，该电容器跨接在三条相线之间。此设计使有功功率得以有效转移，并成功平衡了相间的有功功率。该装置能自动调节三相负荷，保持电力系统的稳定运行，大大提高了电力使用效率。此外，该装置还在相线与零线之间连接了电力电容器，能够对每一相进行个性化的无功补偿，进而达到平衡相间的无功功率。此方案优点在于降低三相不平衡度，增加电网中有功功率的输送比例，在一定程度上可以提升功率因数。缺点在于容易给电网造成大谐波，导致系统特性偏移。2.3 换相开关型三相负荷调节装置负荷相序平衡法是现今最常用的解决三相不平衡问题的有效方法。此方法通过调整负荷相序，将低压线路的各相负荷进行平衡分配。它主要分为两类：人工换相和自动换相。在人工换相中，电力人员会采集并分析线路中的电能量数据，然后采用试错法对线路上的负荷进行合理分配。然而，由于用电负荷的随机性和不确定性，依靠人工无法实时进行三相不平衡调整。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 技术与创新101自动换相则是利用自动控制技术，实时监测线路中的三相负荷不平衡情况，并自动调整负荷分配，以达到平衡。这种方法的优点在于可以实时监测并自动调整，但需要使用先进的自动控制技术和设备。3 基于“主站后台软件+智能换相开关”的三相负荷不平衡治理方案构想3.1 总体架构基于广泛的文献研究和现场调研，并做了一定量的样机试挂验证，现提出台区末端表箱侧安装智能换相开关，依据集中器采集的电能量数据，通过三相负荷不平衡治理平台对台区智能换相开关进行实时换相控制（智能换相开关一般可安装在单相一、四、六表位的电能计量箱的进线断路器位置，该开关在保持原有漏保断路器的功能外，增加 4G/5G、低压电力线高速载波通信功能、负荷换相功能、开关状态感知等），从而经济有效地解决低压台区三相负荷不平衡问题。3.1.1 系统业务架构低压台区三相不平衡治理平台能实现台区三相不平衡监测、不平衡治理方案生成、三相不平衡智能治理、三相不平衡治理分析等功能。通过接口服务与采集主站交互，实现台区三相负荷数据采集、智能换相开关数据采集以及控制指令下发。系统业务架构图如图 1 所示。3.1.2 物理架构低压台区三相不平衡治理平台采用集中部署方案。通过主站的采集前置软件实现对台区负荷数据采集，从而达到智能换相开关的换相控制，以实现台区三相负荷动态平衡治理。3.1.3 信息安全为保障电网运行数据的信息安全，智能换相开关需集成安全芯片或安全软算法，支持设备的安全认证、数据通信加密5。3.2 硬件设备构成智能换相开关具备漏电保护、过载保护、时钟管理、485 及载波本地通信、4G/5G 远程通信、换相切换、数据存储、拓扑分析等功能。智能换相开关符合低压开关设备和控制设备 第 2 部分：断路器（GB/T 14048.2-2020）等标准。在台区下将一定数量用户进线开关统一配置智能换相开关，其结构原理图如图 2所示。A B CLNNA、B、C三相四线制供电系统中的不同相；N零序相；L火相。图 2 硬件产品结构原理图图 1 系统业务架构图应用 App三相不平衡治理平台物联网平台 技术与创新 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料1024 治理方案应用流程基于“主站后台软件+智能换相开关”的三相负荷不平衡治理方案应用场景如图 3 所示。4.1 三相不平衡智能诊断和治理针对真实（非管理原因）三相不平衡台区或线损较大台区，通过四级平衡算法和首端平衡算法对量测数据进行智能诊断，生成相应的治理策略，自动下发指令执行换相。从而推进台区三相不平衡的动态治理，降低高损台区损耗系数，提高台区供电质量。在对三相不平衡负荷调整时，配电台区后的线路一般应安装有 6 12 个智能换相开关，智能换相开关控制的负荷容量约为总容量的 1/4 1/3。每个换相开关接入一定容量的负荷，以便实现负荷从一相调整到另一相。要实现负荷的均匀化分布，则需要将重负荷相的负荷部分切换至轻负荷相。设 A 相为重负荷相，C 相为轻负荷相，则从 A 相投切到 C 相时，选择最接近的负荷和负荷组合进行投切，即从最重负荷相向最轻负荷相投切，投切的容量以最接近二者调整量的均值为准。基于负荷的不断变化以及开关的机械寿命，制订策略时会考虑切换的开关数量和开关已切换次数等因素6。4.2 业务功能规划4.2.1 采集任务配置（1）对智能换相开关的运行状态进行监测，并突出展示运行状态异常的换相开关，提示工作人员进行异常处理。（2）对智能换相开关进行采集任务配置，包括采集周期、数据范围等。智能换相开关根据采集任务进行数据采集动作，并将采集后的台区数据上传至服务器。数据范围包括台区总表及用户的分相电压、分相电流、分相功率等。4.2.2 数据采集记录对采集到的台区运行数据进行分时刻展示，包括台区总表及用户的分相电流、分相功率等。可通过台区或用户的编号及名称进行精准查询，支持多时段数据查询7。4.3 三相不平衡台区筛选根据台区分时刻运行数据对台区进行分时刻线损计算，计算台区的分时刻线损率及分时刻三相不平衡度。根据台区分时刻计算结果进行三相不平衡适配性分析，筛选适合进行三相不平衡优化的台区，进行三相不平衡优化计算。筛选条件如下：线损率大于 7%；台区三相不平衡度大于 30%；总表功率大于台区配变容量的 30%若该台区存在连续三个时刻满足上述条件，则进行台区三相不平衡优化计算；若不满足则该台区不适用于三相不平衡优化计算。根据台区拓扑信息生成台区拓扑图，将台区的分时刻计算结果及档案数据在拓扑图上进行展示。并对发生调相动作的用户进行突出展示。图 3 应用场景示意图造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 技术与创新1034.4 调相优化算法执行对诊断出的适合进行三相不平衡优化的台区进行拓扑完整性判定，判断台区拓扑是否存在且完整，若台区拓扑存在且完整，则执行台区四级平衡优化。四级平衡优化即根据用户电流及台区拓扑信息计算台区各杆塔处的三相不平衡度，根据“表箱支线主干配变”的四级原则依次对台区各节点执行三相不平衡优化算法。若台区拓扑不存在或不完整，则执行台区首端平衡优化。首端平衡优化即根据总表及用户电流对台区内的用户进行三相不平衡优化计算。三相不平衡优化算法的使用流程如下。（1）获取节点下所有挂接用户的相位及电流信息。（2）计算节点处的最大电流、最小电流及所属相位。（3）根据节点处最大最小电流计算电流差值。（4）找寻节点下挂接的所有用户中相位与最大电流相位一致的用户。（5）计算最大电流相位用户的电流节点电流差值的电流偏差率。计算公式如下：（2）式中：I 为线路中的负荷电流。（6）找寻与节点电流差值偏差率最小的用户，将上述用户的相位调整至首端最小电流的相位。若存在多个偏差率一样的用户，则优先电压低的用户。若调相用户为动力用户，则需将该用户的最大相与最小相进行互换。保存用户调相信息。（7）计算调相后的台区首端不平衡度。（8）若台区首端不平衡度小于 30%，则输出调相信息至换相开关处；若台区首端不平衡度大于 30%，则保留当前调相信息并重新执行步骤（2）。4.5 调相方案输出展示计算出的调相方案，包括用户调相前相位及调相后相位。同时将调相方案输出至换相开关，指导换相开关进行换相动作。4.6 治理成果展示通过对进行过三相不平衡优化的台区进行周期性的数据监视分析台区治理成果，并将台区治理成果进行可视化展示。包括台区调相方案明细以及台区治理前后的供电量、线损率、三相不平衡度等数据的对比结果。4.7 调相白名单配置对于部分由于现场特殊情况或用户用电性质特殊导致无法进行相位调整的用户，可对其进行调相白名单配置。白名单中的用户在进行调相方案计算时，会默认该用户不参与调相方案计算8。4.8 经济性评估文章介绍的不平衡负荷调整装置方案采用电网侧已有数据进行线路分支负荷运算，减少台区侧监测终端硬件的办法，从而降低产品成本和安装施工成本。因此，单个配电台区接入智能换相开关（额定电流 250 A，每个开关控制 4 户用户负荷）数量按 8 个计，硬件投入约 2 万元，按通过调节不平衡度降低 3%5%的线损率计算，理论上 3 年左右可以收回成本，还可以提升电网的运行质量。5 结束语文章梳理了三相不平衡现象产生的原因、对电网运行的危害和目前常用的三种解决方案。基于对运行稳定性和投资建设经济性等的考虑，开展广泛的文献研究和现场调研，并进行了适量的样机试挂验证。研究结果表明，采用主站后台软件和智能换相开关来治理三相负荷不平衡问题是一种有效的方案。该方案可以对三相负荷不平衡问题进行综合分析和经济性评估，从而找到有效的治理方案，提升低压配电网的电能质量、系统安全和经济运行。参考文献1 廖志伟,谢汛恺,郑广昱,等.基于电压曲线形态特征聚类的低压台区相位辨识J.电力系统自动化,2023,47(7):142-149.2 胡明月.配电台区三相不平衡治理技术研究D.济南:济南大学,2021.3 潘薇.三相负荷不平衡下低压配电网的相序优化与能效评估D.合肥:合肥工业大学,2021.4 李坤,周来,张勇军,等.基于量测数据质量的低压台区拓扑识别结果可信度评价J.电力系统自动化,2021,45(17):99-107.5 魏伟,唐登平,陈昊,等.基于径向基神经网络的低压台区运行状态综合评价方法J.科学技术与工程,2020,20(22):9043-9048.6 艾精文,张华赢,汪清,等.基于有效值的台区电流不平衡度计算方法研究J.电测与仪表,2020,57(11):30-36.7 薛明志.电力体制改革背景下低压台区线损精益化管理的研究D.天津:天津理工大学,2020.8 易斌,赵伟,张科杰,等.锂电池储能在配电网低压台区的应用J.储能科学与技术,2019,8(4):671-677.