低压台区变三相负载自动平衡系统技术

谢钦朋　梁俊熙

摘要：随着人们生活水平的不断提高，大功率用电设备越来越多，用户的用电水平和用电规律参差不齐，导致三相负荷的不平衡问题日益突出，严重影响着供电质量以及低压配网运行的安全性。文章归纳了电网大量存在的三相不平衡问题以及其带来的危害，并对该问题提出负载自动平衡解决方案，以有效解决三相不平衡的问题。

关键词：低压台区；三相不平衡；负载自动平衡；智能组网；用电设备 文献标识码：A

中图分类号：TM714 文章编号：1009-2374（2016）24-0134-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.067

我国的低压配电网点多面广、结构复杂、负荷性质多样、负荷变化波动大，并且随着人们生活水平的不断提高，大功率用电设备越来越多，用户的用电水平和用电规律参差不齐，再加上治理三相不平衡的方法相对欠缺、管理不到位，导致三相负荷的不平衡问题日益突出，严重影响着供电质量以及低压配网运行的安全性。三相不平衡问题亟待得到解决。

1 定义

三相不平衡是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。造成三相不平衡的主要原因是三相负荷不均衡，属于基波负荷配置问题。根据《国家电网公司企业标准（Q/GDW519-2010）配电网运行规程》中第8.7.4条规定：（1）不平衡度计算式：（最大电流-最小电流）÷最大电流×100%；（2）国家规定：三相负荷不平衡度不应大于15%，只带少量单相负荷的三相变压器，中性线电流不应超过额定电流的25%。

2 三相不平衡的危害

三相负载不平衡问题给电力系统、用户供电等都带来了严重的危害，主要表现在以下五个方面：（1）增加变压器损耗；（2）增加线路损耗；（3）配变出力减小，降低了配变利用率；（4）变压器发热，严重时甚至会烧毁变压器；（5）容易导致过压、低压，影响用电设备的正常工作。目前我国低压配网三相不平衡问题非常普遍，损耗高、缺陷多，运行可靠性差，威胁电网安全运行，尤以农网三相不平衡问题最为突出。

3 三相不平衡治理的传统方法

传统治理三相不平衡的手段相对欠缺，而且投入大、效率低，不能从根本上解决三相不平衡问题，传统的解决方法如下：

3.1 通过人工改线调整负荷

这种方法使用率最高，但其人力投入大，需切断用户供电，而且难以长期适应负荷的变化规律。

3.2 通过SVG静止同步补偿器补偿

SVG静止同步补偿器可以对三相不平衡进行补偿，但这种方法成本高，而且不能做到真正的负荷平衡。

3.3 通过APF有源滤波器补偿

APF有源滤波器可以滤除谐波，并对三相不平衡起到一定的补偿作用，但这种方法同样是成本高，而且也不能做到真正的负荷平衡。

4 三相负载自动平衡系统技术

低压台区变系统是广东卡特能源科技有限公司研发的一款用于治理三相不平衡的产品。它适用于三相四线制的380V/220V低压配电系统，能够在不中断用户供电的情况下根据不平衡度自动调节三相负载，克服传统依靠人工改线来调节三相不平衡的缺点。本产品可有效降低由三相负载不平衡所导致的变压器损耗、线路损耗，克服某相过流、末端低压等情况以及由三相不平衡所带来的众多安全隐患。三相负载自动平衡系统原理如图1所示：

每个支路的始端均安装一台中控器，负责监测三相不平衡信息，并下发调节命令；支路下面安装若干台调相器，可监测自身带载回路的负荷信息，并根据中控器下发的调相命令进行相应调相操作。

4.1 系统组成

自动平衡系统由智能电网中控器和智能电网调相器组成：

4.1.1 智能电网中控器。智能电网中控器是自动平衡系统的“大脑”，是集采样、运算、通信、人机交互、智能组网、平衡逻辑算法于一体的智能控制装置。

4.1.2 智能电网调相器。智能电网调相器是自动平衡系统的执行机构，是集采样、运算、通信、相序切换功能于一体的智能投切装置。

4.2 系统功能

4.2.1 自动平衡三相负载。实时监测三相不平衡度，并根据不平衡度自动调节三相负载，调相时间最大只需25ms，不会中断用户供电。

4.2.2 降低变压器损耗。使变压器处于对称运行状态，有效降低了变压器损耗。

4.2.3 降低线路损耗。可有效减小中性线电流，从而减小了中性线的损耗，同时也减小了相线的损耗。

4.2.4 解决低压、过压问题。解决由三相不平衡所导致的低压、过压的问题，避免因过压烧坏用电设备或因低压影响用电设备的正常运行。

4.2.5 保护低压配网安全运行。避免由于中性线电流长期过大而导致的发热和老损以及避免了变压器等配电设备烧毁的安全隐患。

4.3 系统优势

4.3.1 免维护、免管理。系统投运后无需专人维护和管理，节省人力物力，提高效率。

4.3.2 自动调相，不需中断用户供电。（1）自动调相，无需人工参与；（2）调相时间≤25ms，不会导致供电中断。

4.3.3 可靠的相间防短路技术。（1）可靠的硬件闭锁技术，防止多个相序同时接通；（2）多重软件算法，智能预防相间短路。

4.3.4 开关元件不耗电，裝置功耗小。（1）采用永磁继电器机构，无压运行；（2）装置运行功耗小。

4.4 接线原理图

4.4.1 台区内每个分支的始端均安装一台智能电网中控器。

4.4.2 每个支路下面安装若干台智能电网调相器（根据需要来选装）。

4.4.3 调相器实时监测自身带载回路的电流电压大小。

4.4.4 中控器与调相器之间通过电力载波的方式进行通信。

4.4.5 中控器实时监测支路的不平衡度，并结合该支路各调相器的负荷大小，运算出最优调平策略，实现支路平衡，最终实现变压器平衡。

4.5 智能组网

低压台区变三相负载自动平衡系统采用电力载波的方式进行通信，每个中控器只负责与其同支路的调相器进行通信，一个支路构成一个子系统，中控器作为主机，调相器作为从机。本系统针对多中控器共网的模式，开发了独特的智能组网机制，即抢占式分时通信机制，该机制避免了不同支路之间的载波通信的冲突和干扰，实现了智能组网功能。

4.5.1 基于数学递归逻辑的平衡算法。当中控器监测到自身支路的不平衡度超过设定值时，就会启动平衡逻辑算法。每个支路的不平衡度都不一样，每个用户的用电负荷也不尽相同，本系统可以通过智能算法求解出最优的平衡策略，该策略是基于数学递归逻辑算法的原理，结合平衡需求和各调相器的负载大小，进行逻辑组合的运算，求解出最优策略。

4.5.2 基于支路平衡策略而实现台区平衡的原理。当支路中的中控器运算出最优策略后，就会将调节命令发送至该支路中的对应的调相器，调相器收到命令后则根据命令进行相应的相序切换操作，从而实现支路平衡。台区内如果每个三相的分支都达到三相平衡状态，那么最终变压器也会处于三相平衡状态，这就是基于支路平衡策略而实现台区平衡的原理。

4.6 不掉电调相原理

4.6.1 动作元件。智能电网调相器作为本系统的执行机构，采用永磁继电器作为动作元件，永磁继电器具有带载能力强、功耗小、动作速度快、损耗小、运行可靠、成本低等特点。

基于永磁继电器的特性，本系统实现了不掉电调相的功能，调相过程中不会导致用户供电的中断，保证了供电质量。

4.6.2 快速过零相序切换。不掉电调相原理的实质：在极短的时间内完成相序的切换，从而不会导致用电设备掉电。为保证寿命，本系统的调相器采用过零投切技术，以将投切对动作元件的损伤降到最小。过零投切技术基于“电流过零切除，电压过零投入”的原则，可以达到冲击极小、电弧极小的效果。实际上，通过大量的理论调研和实际测试验证，30ms的掉电时间不会导致用电设备掉电，而智能电网调相器调相时间小于25ms，完全满足要求。

5 设计原则

（1）以支路平衡的方式实现调平；（2）支路中用户数量≥10户才考虑安装；（3）安装数量：支路用户总数的20%～30%。

举例：某支路用户数共50户，按30%计算，则需安装的用户数量为15户，因此ABC每相的安裝数量5户，因此每相需选5个用户安装调相器，而调相器的安装数量会随安装方式不同而存在差异。

选用90A容量调相器，一台调相器最多可带5户。

6 结语

随着社会的发展，负载类型也多样化，各行各业对供电质量的要求越来越高，而且电网也向智能电网方向发展，同时节能减排也是国家基本国策。因此，我们对智能化、高效、解决电网供电质量三相不平衡问题，确保设备和电网安全，减少线损，节能降耗提出可靠的解决方案。

参考文献

[1] 种衍师，孙建华.电能质量与节能降损[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2] 肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2010.

（责任编辑：秦逊玉）