低壓電網三相負荷動態補償系統的設計
福州大學電氣工程與自動化學院、國網福建電力有限公司南平市供電公司的研究人員吳崇武、楊耿傑、劉用森、王明輝，在2017年第2期《電氣技術》雜誌上撰文指出，
系統分兩級調整三相不平衡負荷，一是通過智慧演算法計算最優換相策略，並通過遠端控制換相開關動作實現粗調，二是通過三相不平衡調補裝置自動判斷台區的負荷情況，
我國城鄉電網主要採用三相四線制配電方式。低壓配電網中由於單相負荷的用電不同時性與用電量增長不可控以及工作人員在接入單相負荷時的隨意性，可能導致配電臺區出現三相負荷不平衡現象 [1]。
三相負荷不平衡，不僅增加了線路損耗，而且增加了配電變壓器的銅耗、鐵損，減少其運行出力，降低運行效率，
現有的三相負荷不平衡解決方案是通過手動調整單相負荷分佈或無功補償來實現。通過停電後手動調整單相支路，就地平衡三相負荷。將單相線路換相，從重負荷相改接到輕負荷相，能暫時解決負荷不平衡問題，但是由於負荷的不可控增容和用戶用電的不同時性，
本文採用換相開關與電容補償相結合的方式來解決三相負荷不平衡現象，將換相開關安裝在台區的多個重負荷支路中，換相開關負責大幅度調整線路中的負荷分佈，
1.設計方案
系統由三相不平衡調補裝置、智慧換相開關（以下合稱為下位機）、監控主站組成。三相不平衡調補裝置採集母線的三相負荷資料，通過內部CPU計算後，改變電容器組的補償方式和補償容量，調整輸出的無功功率。
監控主站彙集下位機所採集的負荷資料，通過智慧演算法決策最優換相策略，同時通過遙控智慧換相開關動作實現負荷的動態粗調。考慮到配電網系統通信條件的限制，系統支援GPRS通信方式。在與監控主站通信時，三相不平衡調補裝置和智慧換相開關作為客戶機。系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構圖
2.下位機硬體介紹
本文的下位機包括三相不平衡調補裝置與智慧換相開關。兩個硬體裝置相互配合動作，共同調整台區的三相不平衡負荷。
三相不平衡調補裝置分為溫度監控器、GPRS通信模組、核心控制器與電容器組四個模組。溫度監控器監測裝置內部的溫度，控制散熱裝置的運行；核心控制器內含採樣分析模組、投切策略控制演算法；電容器組中設置了多組補償等級，其投切控制由核心控制器實現。
裝置具有完整的資料獲取分析系統，支援遠端參數設置，包括電容器組投切總量控制和主站IP位址設置。
智慧換相開關用於調整單相線路負荷的分佈，其換相斷電時間
3.監控主站設計
監控主站由通信伺服器、資料庫及應用程式組成，各模組之間完全獨立，相互之間通過Socket、LabSQL工具包、TCP通信進行交互。
通信伺服器分為通信主機和通信終端兩個模組。通信主機收集下位機的資料，並與其直接進行交互，同時將資料轉發至各個通信終端。當通信終端要改變下位機的運行模式時，先將指令發至通信主機，指令將由通信主機轉發至下位機。
資料庫與通信伺服器通過LabSQL工具包進行資料交互。應用程式通過TCP和LabSQL工具包遠端存取資料庫。應用程式和通信終端通過Socket建立連接。圖2是監控主站的框架圖。
若使用者只想查看系統的歷史運行情況，則安裝應用程式模組；若使用者需要即時監測配電臺區的運行狀態，並手動調整下位機的運行模式時，則安裝通信終端。
圖2 監控主站框架圖
3.1通信伺服器設計
通信伺服器採用C/S的結構，圍繞TCP/IP網路通訊協定構建伺服器和用戶端之間一對多的通信方式[2]。通信主機為伺服器，下位機和通信終端為用戶端。
3.1.1通信伺服器工作流程
通信主機安裝在主站上，負責彙集資料並即時監測系統的運行情況。為了方便使用者的使用，通信終端可安裝在任意位置，其功能與通信主機類似。
通信主機啟動後打開TCP偵聽，等待用戶端連接，若出現新的用戶端上連，則辨別通信鏈路的歸屬並存儲。若無新的用戶端連接，則輪詢各個通信鏈路是否出現資料。當資料出現在通信鏈路上，通信主機接收並解析資料。若資料為下位機上傳，則將資料存儲至資料庫並轉發至各個通信終端；否則將資料轉發至對應的下位機，控制其運行狀態。程式的具體流程如圖3所示。
圖3 通信主機工作流程圖
3.1.2通信協定介紹
電力負荷管理系統資料傳輸規約採用GB/T18657.1的6.2.4FT1.2非同步式傳輸框架格式，其幀定義見下。
表1 主站協議通信幀
長度L為兩個位元組，包括規約標識和使用者資料長度，由2位元組組成。規約標識由L中D0~D1兩位元編碼表示，定義為規約使用時D0=1、D1=0。控制域表示報文傳輸方向和所提供的傳輸服務類型的資訊，位址域為下位機硬體編號。校驗和是用戶資料欄的十六進位算術和，不考慮溢出位。
3.1.3程式功能介紹
通信伺服器有即時資料監測、換相管理兩大功能。
1）即時資料監測
在軟體的顯示介面展示台區的三相有功、無功、功率因數、電壓、電流等資料。
2）換相管理
通過調用文獻[3]所用的演算法，對台區負荷進行計算，得到最優的換相策略。運行人員根據得到的換相策略，遠端控制換相開關切換供電相序，從而保證配電臺區的三相不平衡負荷得到調整。
3.2資料庫設計
資料庫分為即時資料表和歷史資料表兩個部分。通信伺服器在固定時間讀取即時資料表中的資料，並將其插入至歷史資料的相應表單中。
通信伺服器和應用程式通過LabSQL工具訪問訪問資料庫。需要在作業系統中創建一個獨立資料來源，並將其與資料庫建立連接。LabVIEW與資料庫的連接就是建立在資料來源的基礎上[4]。
3.3應用程式設計
應用程式是監控主站的核心之一，其主要功能有系統、歷史資料、台賬三大功能。其結構圖如圖4所示。
圖4 應用程式功能結構圖
3.3.1系統
系統中的使用者分為兩個等級，普通使用者和管理員。普通用戶只能進行基礎操作，管理員用戶除基礎操作外還可以進行用戶管理，修改台賬資料等操作。
3.3.2歷史資料
歷史資料功能中包含查看歷史資料、資料庫備份、恢復資料庫功能。在查看歷史資料介面中，選定篩選條件，即可選擇目標資料進行查看、分析。
3.3.3台賬
台賬管理介面主要記錄當前台區的位置資訊以及台區中下位機的硬體資訊。通過台賬介面可以瞭解台區的下位機安裝位置以及運行情況。
4.三相負荷不平衡治理策略
本文採用分級調整的方式來進行三相負荷不平衡現象的治理。三相電流不平衡度的計算如式（1）所示。式（1）中為三相電流平均值。本文設置兩級的電流不平衡度閾值δL%和δH%。當δ%>δL%時，三相不平衡調補裝置通過內部演算法自動改變補償模式，動態調整系統的有功負荷分佈，同時補償無功負荷；當δ%>δH%時，利用智慧演算法運算得到最優的換相策略，同時遠端操作換相開關，切換其供電相序，實現三相負荷不平衡度的調整。
4.1電容補償模型
我國的低壓配電網一般採用三相四線制系統，但是目前絕大多數的不平衡補償方法是針對三相三線制的，通常只考慮負序分量的存在，而沒有考慮零序分量[5]。在三相四線制系統中，如果未對零序電流進行補償，將無法實現不平衡電流的完全補償。
文獻[6]通過疊加原理和對稱分量法，推導出適合於三相四線制低壓配電網路不平衡負荷的補償理論，並在此基礎上推導出了調補模型。
4.2換相開關的配置原則
換相開關配置的數量原則是使開關所涵蓋的使用者表數為配電臺區負荷較重使用者的1/3左右。換相開關必須安裝在負荷大的三相四線制的電纜分支箱或使用者表箱位置。
4.3控制策略
系統的控制遵循“保證電壓不越限，最大限度地平衡三相電流”的原則[7]。本研究用三相電流不平衡度、無功功率和電壓三個量作為判據。在保證電壓合格的範圍內，實現三相不平衡負荷動態補償。
當台區上傳負荷資料時，先計算三相電流不平衡度δ%，判斷δ%是否越限。若越限則調用智慧演算法計算當前負荷情況下的最優換相策略，並遙控換相開關，實施換相策略；否則判斷台區的三相電壓是否在正常範圍。
本文設置了四個電壓界限：UHM，ULM分別為高電壓界限、低電壓界限；UH，UL分別為過電壓界限、欠電壓界限。電容器組控制策略圖如圖5所示。現在對控制策略圖的各個區域進行說明：
區域1：電網電壓U高於過電壓界限UH，為了避免電容器組在高電壓下工作，引起電容器組的過熱和絕緣損壞，快速切除電容器組；
區域2：電網電壓U高於高電壓界限UHM但是低於過電壓界限UH，表示電網中不缺乏無功功率，此時採取“少量缺無功不投，過補則切”的控制策略；
區域3：電網電壓U高於低電壓界限ULM，卻低於高電壓界限UHM時，可採取“缺無功則投，過補則切”的控制策略；
區域4：電網電壓U高於欠電壓界限UL，卻低於低電壓界限ULM時，表示電網中缺乏無功功率，此時採取“缺無功則投，少量過補不切”的控制策略；
區域5：電網電壓U低於欠電壓界限UL時，考慮到電網電壓過低，低於控制器的正常工作範圍，快速切除電容器組。
圖5 控制策略圖
LabVIEW中的程式執行實現流程圖如圖6所示。|QY|為台區當前無功越限值，Qs為設定的少量無功越限界限。
圖6 控制策略程式執行流程圖
5.實測波形分析
本文的系統安裝在某市後甲壟II號台區，圖7是現場台區在系統投入運行前後三相電流對比資料，下位機每隔15分鐘上傳一次資料。
圖7 台區電流負荷對比圖
後甲壟II號台區屬於農村台區，由於單相用戶用電時間的不同時性以及線路規劃不合理存在了三相負荷不平衡問題。從圖7可以明顯看到，在用電高峰期，即圖中的10:00~12:00，系統未投入前，三相電流出現不平衡現象，在系統投入後，成功的將有功負荷均分至三相，有效解決了三相不平衡問題。
6.結論
本系統解決了大多數農村台區存在的三相負荷不平衡問題，通過安裝智慧換相開關和三相不平衡調補裝置，動態調整台區的三相負荷分佈，就地補償無功功率，不僅降低了系統的三相負荷不平衡度，提升了末端電壓，而且還保護了變壓器，降低了台區用電損耗。
在台區出現不平衡問題時，系統自動控制投切電容器組，保證台區的正常運行，減少了運維人員的工作量。本系統具有良好的經濟效益，目前已在現場運行數月，穩定可靠。
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系統結構如圖1所示。圖1 系統結構圖
2.下位機硬體介紹
本文的下位機包括三相不平衡調補裝置與智慧換相開關。兩個硬體裝置相互配合動作，共同調整台區的三相不平衡負荷。
三相不平衡調補裝置分為溫度監控器、GPRS通信模組、核心控制器與電容器組四個模組。溫度監控器監測裝置內部的溫度，控制散熱裝置的運行；核心控制器內含採樣分析模組、投切策略控制演算法；電容器組中設置了多組補償等級，其投切控制由核心控制器實現。
裝置具有完整的資料獲取分析系統，支援遠端參數設置，包括電容器組投切總量控制和主站IP位址設置。
智慧換相開關用於調整單相線路負荷的分佈，其換相斷電時間
3.監控主站設計
監控主站由通信伺服器、資料庫及應用程式組成，各模組之間完全獨立，相互之間通過Socket、LabSQL工具包、TCP通信進行交互。
通信伺服器分為通信主機和通信終端兩個模組。通信主機收集下位機的資料，並與其直接進行交互，同時將資料轉發至各個通信終端。當通信終端要改變下位機的運行模式時，先將指令發至通信主機，指令將由通信主機轉發至下位機。
資料庫與通信伺服器通過LabSQL工具包進行資料交互。應用程式通過TCP和LabSQL工具包遠端存取資料庫。應用程式和通信終端通過Socket建立連接。圖2是監控主站的框架圖。
若使用者只想查看系統的歷史運行情況，則安裝應用程式模組；若使用者需要即時監測配電臺區的運行狀態，並手動調整下位機的運行模式時，則安裝通信終端。
圖2 監控主站框架圖
3.1通信伺服器設計
通信伺服器採用C/S的結構，圍繞TCP/IP網路通訊協定構建伺服器和用戶端之間一對多的通信方式[2]。通信主機為伺服器，下位機和通信終端為用戶端。
3.1.1通信伺服器工作流程
通信主機安裝在主站上，負責彙集資料並即時監測系統的運行情況。為了方便使用者的使用，通信終端可安裝在任意位置，其功能與通信主機類似。
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圖3 通信主機工作流程圖
3.1.2通信協定介紹
電力負荷管理系統資料傳輸規約採用GB/T18657.1的6.2.4FT1.2非同步式傳輸框架格式，其幀定義見下。
表1 主站協議通信幀
長度L為兩個位元組，包括規約標識和使用者資料長度，由2位元組組成。規約標識由L中D0~D1兩位元編碼表示，定義為規約使用時D0=1、D1=0。控制域表示報文傳輸方向和所提供的傳輸服務類型的資訊，位址域為下位機硬體編號。校驗和是用戶資料欄的十六進位算術和，不考慮溢出位。
3.1.3程式功能介紹
通信伺服器有即時資料監測、換相管理兩大功能。
1）即時資料監測
在軟體的顯示介面展示台區的三相有功、無功、功率因數、電壓、電流等資料。
2）換相管理
通過調用文獻[3]所用的演算法，對台區負荷進行計算，得到最優的換相策略。運行人員根據得到的換相策略，遠端控制換相開關切換供電相序，從而保證配電臺區的三相不平衡負荷得到調整。
3.2資料庫設計
資料庫分為即時資料表和歷史資料表兩個部分。通信伺服器在固定時間讀取即時資料表中的資料，並將其插入至歷史資料的相應表單中。
通信伺服器和應用程式通過LabSQL工具訪問訪問資料庫。需要在作業系統中創建一個獨立資料來源，並將其與資料庫建立連接。LabVIEW與資料庫的連接就是建立在資料來源的基礎上[4]。
3.3應用程式設計
應用程式是監控主站的核心之一，其主要功能有系統、歷史資料、台賬三大功能。其結構圖如圖4所示。
圖4 應用程式功能結構圖
3.3.1系統
系統中的使用者分為兩個等級，普通使用者和管理員。普通用戶只能進行基礎操作，管理員用戶除基礎操作外還可以進行用戶管理，修改台賬資料等操作。
3.3.2歷史資料
歷史資料功能中包含查看歷史資料、資料庫備份、恢復資料庫功能。在查看歷史資料介面中，選定篩選條件，即可選擇目標資料進行查看、分析。
3.3.3台賬
台賬管理介面主要記錄當前台區的位置資訊以及台區中下位機的硬體資訊。通過台賬介面可以瞭解台區的下位機安裝位置以及運行情況。
4.三相負荷不平衡治理策略
本文採用分級調整的方式來進行三相負荷不平衡現象的治理。三相電流不平衡度的計算如式（1）所示。式（1）中為三相電流平均值。本文設置兩級的電流不平衡度閾值δL%和δH%。當δ%>δL%時，三相不平衡調補裝置通過內部演算法自動改變補償模式，動態調整系統的有功負荷分佈，同時補償無功負荷；當δ%>δH%時，利用智慧演算法運算得到最優的換相策略，同時遠端操作換相開關，切換其供電相序，實現三相負荷不平衡度的調整。
4.1電容補償模型
我國的低壓配電網一般採用三相四線制系統，但是目前絕大多數的不平衡補償方法是針對三相三線制的，通常只考慮負序分量的存在，而沒有考慮零序分量[5]。在三相四線制系統中，如果未對零序電流進行補償，將無法實現不平衡電流的完全補償。
文獻[6]通過疊加原理和對稱分量法，推導出適合於三相四線制低壓配電網路不平衡負荷的補償理論，並在此基礎上推導出了調補模型。
4.2換相開關的配置原則
換相開關配置的數量原則是使開關所涵蓋的使用者表數為配電臺區負荷較重使用者的1/3左右。換相開關必須安裝在負荷大的三相四線制的電纜分支箱或使用者表箱位置。
4.3控制策略
系統的控制遵循“保證電壓不越限，最大限度地平衡三相電流”的原則[7]。本研究用三相電流不平衡度、無功功率和電壓三個量作為判據。在保證電壓合格的範圍內，實現三相不平衡負荷動態補償。
當台區上傳負荷資料時，先計算三相電流不平衡度δ%，判斷δ%是否越限。若越限則調用智慧演算法計算當前負荷情況下的最優換相策略，並遙控換相開關，實施換相策略；否則判斷台區的三相電壓是否在正常範圍。
本文設置了四個電壓界限：UHM，ULM分別為高電壓界限、低電壓界限；UH，UL分別為過電壓界限、欠電壓界限。電容器組控制策略圖如圖5所示。現在對控制策略圖的各個區域進行說明：
區域1：電網電壓U高於過電壓界限UH，為了避免電容器組在高電壓下工作，引起電容器組的過熱和絕緣損壞，快速切除電容器組；
區域2：電網電壓U高於高電壓界限UHM但是低於過電壓界限UH，表示電網中不缺乏無功功率，此時採取“少量缺無功不投，過補則切”的控制策略；
區域3：電網電壓U高於低電壓界限ULM，卻低於高電壓界限UHM時，可採取“缺無功則投，過補則切”的控制策略；
區域4：電網電壓U高於欠電壓界限UL，卻低於低電壓界限ULM時，表示電網中缺乏無功功率，此時採取“缺無功則投，少量過補不切”的控制策略；
區域5：電網電壓U低於欠電壓界限UL時，考慮到電網電壓過低，低於控制器的正常工作範圍，快速切除電容器組。
圖5 控制策略圖
LabVIEW中的程式執行實現流程圖如圖6所示。|QY|為台區當前無功越限值，Qs為設定的少量無功越限界限。
圖6 控制策略程式執行流程圖
5.實測波形分析
本文的系統安裝在某市後甲壟II號台區，圖7是現場台區在系統投入運行前後三相電流對比資料，下位機每隔15分鐘上傳一次資料。
圖7 台區電流負荷對比圖
後甲壟II號台區屬於農村台區，由於單相用戶用電時間的不同時性以及線路規劃不合理存在了三相負荷不平衡問題。從圖7可以明顯看到，在用電高峰期，即圖中的10:00~12:00，系統未投入前，三相電流出現不平衡現象，在系統投入後，成功的將有功負荷均分至三相，有效解決了三相不平衡問題。
6.結論
本系統解決了大多數農村台區存在的三相負荷不平衡問題，通過安裝智慧換相開關和三相不平衡調補裝置，動態調整台區的三相負荷分佈，就地補償無功功率，不僅降低了系統的三相負荷不平衡度，提升了末端電壓，而且還保護了變壓器，降低了台區用電損耗。
在台區出現不平衡問題時，系統自動控制投切電容器組，保證台區的正常運行，減少了運維人員的工作量。本系統具有良好的經濟效益，目前已在現場運行數月，穩定可靠。
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