关于低压配电网系统三相不平衡度监测的研究

低压配电网大多是三相四线制经过变压器降压后以380 V 或220 V 向用户供电，包括三相用电和单相用电，存在很多单相负载，尤其是大功率单相负荷介入电网的不确定性，不可避免地造成了配电变压器的三相负荷不平衡运行[1-2]。三相负荷不平衡度的监测可以为无功补偿、装置选择提供重要参考依据。低压配电网系统三相不平衡主要有两种形式:一种是由于三相供电不平衡引起的，另一种是由于三相负荷不对称引起的[3]。特别是农村电网改造完成后，除了增加农村家庭照明电器外，大量的新型高功率电器也逐渐进入寻常百姓家，使单相负载激增，且单相用户用电设备的差异性和投入的不同时性，再加上企业工厂中的大量非线性负载的投入使用导致低压配电网频繁出现三相负荷不平衡[4-5]。国外针对三相负荷不平衡采取的主要措施是增加无功补偿器，试图弥补三相负荷的平衡。随着半导体器件的发展，国外从早期的晶闸管型的静止无功补偿装置（SVC）到20 世纪末出现了先进的静止无功同步补偿器（SVG），其调节速度更快，调节范围更宽，体积更小，能够在欠电压条件下进行无功调节，具有更好的补偿特性[6]。国外解决三相负荷不平衡采取的主要方法是通过检测电网中的三相电流不平衡等信息，调节等效电压源的幅值大小与相位偏移，发出或吸收电路中所需补偿的无功电流进而达到实现三相平衡的目的[7]。目前，我国解决该问题采用的主要方法是，依据国家规范试图在配电时使三相线路负荷平衡、加粗中性线、对零线的主干线采取多处重复接地、提高对线路的管理水平等，近年来又加大了对需求侧单相大容量设备申请用电的管理，使得三相负荷不平衡度大幅度下降，即便如此，上述问题依然存在。

文中提出了一种适配于低压配电网系统的三相不平衡度监测装置，把采集的中性线电流作为主要参数来反映三相负荷不平衡的程度，同时将目前的三相不平衡算法植入到装置中，能够提供给三相不平衡研究者及用户更加直观地分析与认识，而且为用户和技术人员提供更多直观比较，便于用户维护和技术人员分析电力系统故障；同时也增加了三相不平衡监测装置的智能性，该装置可以在无故障状态下自动调节来实现三相负荷的平衡。实验表明，该装置能有效改善电网质量，提高变压器效率。

1 三相不平衡算法与理论

目前，电能质量的主要研究方法是时域、频域和变换域。为了提高运算精度，各种改进算法被引入到数据处理中，其总体设计思路均是：信号采集-信号调理-CPU 处理-信号输出[8-11]。现将目前三相不平衡度算法列举如下：

式（9）中，SK为公共节点三相短路容量，UL为线电压，IL为负序电流。

Pav=(PU+PV+PW)/3，式中：PU、PV、PW 分别为U、V、W 三相的有功功率，Pav 为三相有功功率的平均值。

式中，I1为电流正序分量的均方根，I2为电流负序分量的均方根。

引入相位变换算子，α=ej120o，α2=ej-120o，α3=ej0o=1。根据对称分量法，三相负荷线电流的正序分量和负序分量为：

式中，IAN、IBN、ICN为三相电流，IMAX为三相电流的最大值。

2 三相不平衡实验与分析

在实验变压器满负载运行的情况下，模拟运行不同条件下的三相负荷不平衡的实验。记录各种测试结果，如表1～表4 所示。

表1 相间负荷不平衡在10%测试结果

表2 相间负荷不平衡在10%补偿后测试

表3 相间负荷不平衡在20%的测试结果

表4 相间负荷不平衡在20%补偿后测试数据

将三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、三相有功不平衡度与中性线电流建立函数关系模拟曲线，如图1 所示。

图1 IN-εI、εU、εP 关系曲线图

将补偿后与补偿前线路消耗功率作差，得到功率损耗△P，与三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、三相有功不平衡度及中性线电流建立函数关系模拟曲线，如图2 所示。

图2 ΔP-εI、εU、εP、IN 关系曲线图

将三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、三相有功不平衡度与中性线电流建立函数关系模拟曲线，如图3 所示。

图3 IN-εI、εU、εP 关系曲线图

将补偿后与补偿前线路消耗功率作差，得到功率损耗△P，与三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、三相有功不平衡度及中性线电流建立函数关系模拟曲线，如图4 所示。

图4 ΔP-εI、εU、εP、IN 关系曲线图

3 硬件系统整体设计

三相不平衡在线检测系统利用电压和电流采样模块完成对电力系统电压、电流信号的实时采样，利用相位检测模块完成对三相相位检测，并将采样检测数据通过串行总线送往单片机，单片机接收数据后，根据A/D 采样数据计算出电压、电流有效值，并根据相位检测模块检测的三相相位来完成三相不平衡事件判断[12]。通过控制模块驱动其他子模块完成结果显示、数据统计、存储、通信以及功能选择等工作。为满足系统的宽范围工作要求，系统采用开关电源供电。系统总体硬件模块框图如图5 所示。

图5 三相不平衡在线检测系统总体框图

文中采用无功补偿与有功调配相结合的三相不平衡治理策略来达到三相负荷平衡的目的，最大程度地降低损耗，提高电能质量[13-14]。其原理如图6所示。

图6 三相不平衡无功补偿原理图

4 软件流程设计

低压配电网三相不平衡度监测装置包括：采样电路、控制电路及执行机构。所述采样电路与三相四线制电源电连接，用于采集线路信号。所述控制电路与采样电路电连接，用于接收采样电路输出的电压信号和电流信号，根据该电压信号和电流信号计算各相的电压不平衡度和电流不平衡度，并判断该电压不平衡度和电流不平衡度是否异常，若是，则输出一个控制信号。文中执行机构与控制电路电连接，并电连接于三相四线制电源和负载之间，用于在接收到故障信号时，切断三相四线制电源和负载之间的连接[3,15]。上述三相不平衡度监测装置，通过采样模块实时采集电网中的中性线电流信号，并根据控制模块将该中性线电流信号与预设值进行比较判断，若小于设定值，则直接投切无功补偿电容器组以实现三相负荷平衡；若大于设定值，则切换负荷较高的一相给负荷较低的一相实现预平衡，使中性线电流小于预设值，再启动无功补偿电路进行补偿，达到三相负荷平衡；若判断为故障状态，则切断三相四线制电源和负载之间的连接，从而减少因三相不平衡度异常对低压电网与电气设备的不良影响，降低线路与变压器的电能损耗，提高变压器效率[16-18]。其流程如图7 所示。

图7 三相不平衡在线检测程序流程图

5 结束语

以单片机为控制中心对低压配电网系统的三相不平衡度进行检测，通过控制换相开关不停地切换单相负荷，使得三相负荷相对平衡，再通过电压过零点时合理适时投切电容器组达到三相负荷平衡。结合物理实验，对三相四线制低压配电网系的三相不平衡情况进行验证，通过合理调配有功负荷和无功补偿，达到了三相负荷平衡的目的，有效解决了三相不平衡带来的危害问题，对电能质量的综合监控技术提供了参考。