智能换相技术在配电网三相不平衡治理中的应用分析

国网江西省电力有限公司全南县供电分公司 袁长亚 林永胜 陈 勇 温建刚

国网江西省电力有限公司赣州供电分公司 谢晓帆

在配电系统的运行中容易出现三相不平衡问题，应采取合理的措施对三相不平衡问题进行治理，以提高配电网运行的安全性。本文首先分析了配电网出现三相不平衡的原理及由此造成的电能损耗，之后阐述了智能换相开关的设计技术，包括控制系统和执行部分的设计，最后分析了智能换相技术在配电网三相不平衡治理中的应用。

当配电网出现三相不平衡时，如果电力用户接在负荷较大的某一单相时，则该电力用户的用电电压值可能不够，难以满足电气设备的运行电压要求，甚至还可能出现设备烧损的情况，故应提高对配电网三相电压不平衡的重视程度。传统的配电网三相不平衡治理方法主要是采用无功补偿以及换相投切负荷的方法，其中换相包括人工换相和自动换相两种方式。如果采用人工换相的方式，则所需要投入的人工成本较大，并且对负荷的调整也不够准确，只能实现短暂性的三相负荷平衡。采用无功补偿方式更难以实现有效的三相负荷平衡调节。为此，本文介绍了利用智能换相技术治理配电网三相不平衡的方法，通过对单相负荷接入进行有序的换相控制，能够有效解决配电台区内的三相不平衡问题，从而始终将中性线的电流控制在最小，确保配电网中的负荷最优分布。

1 智能换相技术

目前电力系统中的负荷正朝着多元化的方向发展，在此情形下，有必要采用智能自动负荷调控系统保证配电系统的安全稳定运行。当配电网运行在三相不平衡的状态时，配电线路和配电变压器中的电能损耗都会有所增加；此外，还会产生零序电流，使得配电变压器出现过热的现象，降低配电变压器的使用寿命。采用智能换相技术能够达到较好的节能降损增效目标，这样不仅可以降低变压器损耗，同时也能够将线路的损耗降到最低。在智能换相技术中，应在交流过零时刻进行投切，以避免产生拉弧现象；同时，应能够实现是否成功切除配电网当前连接相序的校验。此外，还应在极短的时间内完成换相操作，达到负荷全时段无缝零毫秒换相的目的。

2 智能换相开关系统的设计

在智能换相开关系统中可以实现对相序的合理分配，主要包括硬件控制系统部分和软件部分，两者需要协调运行，以下分别进行分析。通过对智能换相开关中的软件和硬件进行优化，能够使得智能换相开关具备优异的连续调控能力，同时采用先进的控制策略，实现配电台区各条支路的逐段平衡。

图1 智能换相开关的总体结构图

2.1 智能换相开关的硬件系统设计

在智能换相开关的硬件系统中，微处理器是硬件系统的核心，其负责数据的采集、处理和分析等。在对硬件系统进行设计时，应采用模块化的设计思想，图1为智能换相开关的总体结构图。

从图1中可以看出，信号调理模块从配电母线中提取信息，并通过模数转换模块将模拟量转换为数字量，之后再传入到处理器中进行分析。处理器能够通过人机交互模块接收操作人员下发的指令，并通过通讯模块将指令传送到配电系统的换相执行终端，完成实际的换相操作。其中，换相执行终端一般安装在变压器的出口处，可以通过过零比较触发启动换相控制程序，并检测配电开关换相之后的分合闸状态。

2.2 智能换相开关的软件执行部分设计

软件系统是智能换相开关执行部分的关键，应设计好程序的逻辑流程，图2为智能换相开关执行部分的软件流程图。

从图2可以看出，智能换相开关的执行部分首先进行系统的初始化，检查装置是否运行正常，之后再采集配电网中的电力负荷大小和相别情况，并通过智能换相装置中的通讯模块将所采集到的数据信息上传，同时接收装置中的控制器所下发的指令。执行部分根据控制器的指令来采集负荷的瞬时电流，并判断配电网的运行状态是否符合换相条件，如果满足条件则实施换相操作。

在软件流程中判断是否满足换相条件时，主要是根据智能换相控制模型进行判断，将此时采集的配电网运行数据信息传输到换相控制模块中，在满足换相控制模型的约束条件下，通过优化控制使得目标函数最优，达到智能换相的目的，以下对智能换相技术中的模型及算法进行分析。

图2 智能换相开关执行部分的软件流程图

3 智能换相技术模型及应用分析

3.1 智能换相技术模型及算法

利用智能换相技术调整配电网中的三相负载是治理配电网三相不平衡问题的最经济有效的方法。在开发智能换相开关时，需要建立智能换相模型。可以以总换相次数最小和三相不平衡度最小为目标函数建立智能换相技术模型，其中单相不平衡度的计算公式如式(1)：

式(1)中：βα为某一单相的不平衡度，Iα为所采集的某一时刻电流值，Iav为三相电流的平均值。将智能换相开关的总换相次数最小作为目标函数，主要是考虑到智能换相开关的动作次数越多则使用寿命越低，故应尽量降低智能换相开关的动作次数。

约束条件包括三相电流的大小不超过线路的载流量、最大不平衡度不超过预设的允许值等。对于智能换相技术模型的求解算法，可以采用粒子群优化算法进行求解。粒子群优化算法的求解速度较快，编程实现也较为简单，能够通过不断迭代更新粒子的速度和位置达到求解最优解的目的，其在电力系统优化计算领域中也得到了广泛应用。

3.2 智能换相技术的应用分析

智能换相开关装置在投入实际应用之前，需要先进行严格的性能和功能测试，只有经过测试确认采用智能换相开关装置能够很好地解决配电网中存在的三相不平衡问题，才可以将该开关装置投入到实际应用中。在对该智能换相开关装置进行测试时，主要需要对信号调理电路、换相执行终端和通信模块等方面进行测试。其中，在对换相执行终端进行仿真测试时，应分别在感性、阻性和电容性等场景下计算出负荷的断电时间，一般在10 ms左右。当在各种负荷场景下负荷断电时间都符合要求时，则表示该智能开关换相装置的性能较为良好，可以挂网运行。

结论：配电系统如果长期运行在三相不平衡的状态下，则会引起台区内电能质量的降低，并且降低配电变压器的运行安全水平和使用寿命。采用本文所述的智能换相开关技术，能够很好地解决配电网中的三相不平衡问题，优化配电系统的运行，对于提高配电网运行的经济性和安全性具有一定的价值。