低压电网三相负荷动态补偿系统的设计
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福州大学电气工程与自动化学院、国网福建电力有限公司南平市供电公司的研究人员吴崇武、杨耿杰、刘用森、王明辉，在2017年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，低压电网三相负荷动态补偿系统由三相不平衡调补装置、智能换相开关和监控主站组成。三相不平衡调补装置和智能换相开关实时采集配电台区的负荷数据，并通过GPRS上传至监控主站。
系统分两级调整三相不平衡负荷，一是通过智能算法计算最优换相策略，并通过远程控制换相开关动作实现粗调，二是通过三相不平衡调补装置自动判断台区的负荷情况，改变电容补偿量以及电容补偿方式实现细调。
我国城乡电网主要采用三相四线制配电方式。低压配电网中由于单相负荷的用电不同时性与用电量增长不可控以及工作人员在接入单相负荷时的随意性，可能导致配电台区出现三相负荷不平衡现象 [1]。
三相负荷不平衡，不仅增加了线路损耗，而且增加了配电变压器的铜耗、铁损，减少其运行出力，降低运行效率，影响变压器的安全运行，并将造成台区三相电压不平衡，降低供电质量，这可能导致末端用户出现无法用电的情况。
现有的三相负荷不平衡解决方案是通过手动调整单相负荷分布或无功补偿来实现。通过停电后手动调整单相支路，就地平衡三相负荷。将单相线路换相，从重负荷相改接到轻负荷相，能暂时解决负荷不平衡问题，但是由于负荷的不可控增容和用户用电的不同时性，不平衡现象还会存在，并且停电操作复杂，会造成停电损失。现有的电容补偿方式很多，但是由于容量和成本限制，无法满足稳定增长的用户负荷，并且电容器组的频繁动作容易产生故障。
本文采用换相开关与电容补偿相结合的方式来解决三相负荷不平衡现象，将换相开关安装在台区的多个重负荷支路中，换相开关负责大幅度调整线路中的负荷分布，三相不平衡调补装置安装在变压器的出口侧，通过电容补偿来小幅度调整负荷分布，从而消除不平衡现象，同时解决线路末端的低电压问题。
1.设计方案
系统由三相不平衡调补装置、智能换相开关（以下合称为下位机）、监控主站组成。三相不平衡调补装置采集母线的三相负荷数据，通过内部CPU计算后，改变电容器组的补偿方式和补偿容量，调整输出的无功功率。智能换相开关安装在单相支线位置，采集支线上的负荷数据并上传。同时根据上位机下发的换相指令切换供电相序。
监控主站汇集下位机所采集的负荷数据，通过智能算法决策最优换相策略，同时通过遥控智能换相开关动作实现负荷的动态粗调。考虑到配电网系统通信条件的限制，系统支持GPRS通信方式。在与监控主站通信时，三相不平衡调补装置和智能换相开关作为客户机。系统结构如图1所示。
图1 系统结构图
2.下位机硬件介绍
本文的下位机包括三相不平衡调补装置与智能换相开关。两个硬件装置相互配合动作，共同调整台区的三相不平衡负荷。
三相不平衡调补装置分为温度监控器、GPRS通信模块、核心控制器与电容器组四个模块。温度监控器监测装置内部的温度，控制散热装置的运行；核心控制器内含采样分析模块、投切策略控制算法；电容器组中设置了多组补偿等级，其投切控制由核心控制器实现。
装置具有完整的数据采集分析系统，支持远程参数设置，包括电容器组投切总量控制和主站IP地址设置。
智能换相开关用于调整单相线路负荷的分布，其换相断电时间<0.2秒，适用于三相四线制的220V配电网供电线路。装置采集输出端的电流、电压值并上传。支持远程换相操作和现场手动调整。
3.监控主站设计
监控主站由通信服务器、数据库及应用程序组成，各模块之间完全独立，相互之间通过Socket、LabSQL工具包、TCP通信进行交互。
通信服务器分为通信主机和通信终端两个模块。通信主机收集下位机的数据，并与其直接进行交互，同时将数据转发至各个通信终端。当通信终端要改变下位机的运行模式时，先将指令发至通信主机，指令将由通信主机转发至下位机。
数据库与通信服务器通过LabSQL工具包进行数据交互。应用程序通过TCP和LabSQL工具包远程访问数据库。应用程序和通信终端通过Socket建立连接。图2是监控主站的框架图。
若用户只想查看系统的历史运行情况，则安装应用程序模块；若用户需要实时监测配电台区的运行状态，并手动调整下位机的运行模式时，则安装通信终端。
图2 监控主站框架图
3.1通信服务器设计
通信服务器采用C/S的结构，围绕TCP/IP网络协议构建服务器和客户端之间一对多的通信方式[2]。通信主机为服务器，下位机和通信终端为客户端。
3.1.1通信服务器工作流程
通信主机安装在主站上，负责汇集数据并实时监测系统的运行情况。为了方便用户的使用，通信终端可安装在任意位置，其功能与通信主机类似。
通信主机启动后打开TCP侦听，等待客户端连接，若出现新的客户端上连，则辨别通信链路的归属并存储。若无新的客户端连接，则轮询各个通信链路是否出现数据。当数据出现在通信链路上，通信主机接收并解析数据。若数据为下位机上传，则将数据存储至数据库并转发至各个通信终端；否则将数据转发至对应的下位机，控制其运行状态。程序的具体流程如图3所示。
图3 通信主机工作流程图
3.1.2通信协议介绍
电力负荷管理系统数据传输规约采用GB/T18657.1的6.2.4FT1.2异步式传输帧格式，其帧定义见下。
表1 主站协议通信帧
长度L为两个字节，包括规约标识和用户数据长度，由2字节组成。规约标识由L中D0~D1两位编码表示，定义为规约使用时D0=1、D1=0。控制域表示报文传输方向和所提供的传输服务类型的信息，地址域为下位机硬件编号。校验和是用户数据域的十六进制算术和，不考虑溢出位。
3.1.3程序功能介绍
通信服务器有实时数据监测、换相管理两大功能。
1）实时数据监测
在软件的显示界面展示台区的三相有功、无功、功率因数、电压、电流等数据。
2）换相管理
通过调用文献[3]所用的算法，对台区负荷进行计算，得到最优的换相策略。运行人员根据得到的换相策略，远程控制换相开关切换供电相序，从而保证配电台区的三相不平衡负荷得到调整。
3.2数据库设计
数据库分为实时数据表和历史数据表两个部分。通信服务器在固定时间读取实时数据表中的数据，并将其插入至历史数据的相应表单中。
通信服务器和应用程序通过LabSQL工具访问访问数据库。需要在操作系统中创建一个独立数据源，并将其与数据库建立连接。LabVIEW与数据库的连接就是建立在数据源的基础上[4]。
3.3应用程序设计
应用程序是监控主站的核心之一，其主要功能有系统、历史数据、台账三大功能。其结构图如图4所示。
图4 应用程序功能结构图
3.3.1系统
系统中的用户分为两个等级，普通用户和管理员。普通用户只能进行基础操作，管理员用户除基础操作外还可以进行用户管理，修改台账数据等操作。
3.3.2历史数据
历史数据功能中包含查看历史数据、数据库备份、恢复数据库功能。在查看历史数据界面中，选定筛选条件，即可选择目标数据进行查看、分析。
3.3.3台账
台账管理界面主要记录当前台区的位置信息以及台区中下位机的硬件信息。通过台账界面可以了解台区的下位机安装位置以及运行情况。
4.三相负荷不平衡治理策略
本文采用分级调整的方式来进行三相负荷不平衡现象的治理。三相电流不平衡度的计算如式（1）所示。式（1）中为三相电流平均值。本文设置两级的电流不平衡度阈值δL%和δH%。当δ%>δL%时，三相不平衡调补装置通过内部算法自动改变补偿模式，动态调整系统的有功负荷分布，同时补偿无功负荷；当δ%>δH%时，利用智能算法运算得到最优的换相策略，同时远程操作换相开关，切换其供电相序，实现三相负荷不平衡度的调整。
4.1电容补偿模型
我国的低压配电网一般采用三相四线制系统，但是目前绝大多数的不平衡补偿方法是针对三相三线制的，通常只考虑负序分量的存在，而没有考虑零序分量[5]。在三相四线制系统中，如果未对零序电流进行补偿，将无法实现不平衡电流的完全补偿。
文献[6]通过叠加原理和对称分量法，推导出适合于三相四线制低压配电网络不平衡负荷的补偿理论，并在此基础上推导出了调补模型。
4.2换相开关的配置原则
换相开关配置的数量原则是使开关所涵盖的用户表数为配电台区负荷较重用户的1/3左右。换相开关必须安装在负荷大的三相四线制的电缆分支箱或用户表箱位置。
4.3控制策略
系统的控制遵循“保证电压不越限，最大限度地平衡三相电流”的原则[7]。本研究用三相电流不平衡度、无功功率和电压三个量作为判据。在保证电压合格的范围内，实现三相不平衡负荷动态补偿。
当台区上传负荷数据时，先计算三相电流不平衡度δ%，判断δ%是否越限。若越限则调用智能算法计算当前负荷情况下的最优换相策略，并遥控换相开关，实施换相策略；否则判断台区的三相电压是否在正常范围。
本文设置了四个电压界限：UHM，ULM分别为高电压界限、低电压界限；UH，UL分别为过电压界限、欠电压界限。电容器组控制策略图如图5所示。现在对控制策略图的各个区域进行说明：
区域1：电网电压U高于过电压界限UH，为了避免电容器组在高电压下工作，引起电容器组的过热和绝缘损坏，快速切除电容器组；
区域2：电网电压U高于高电压界限UHM但是低于过电压界限UH，表示电网中不缺乏无功功率，此时采取“少量缺无功不投，过补则切”的控制策略；
区域3：电网电压U高于低电压界限ULM，却低于高电压界限UHM时，可采取“缺无功则投，过补则切”的控制策略；
区域4：电网电压U高于欠电压界限UL，却低于低电压界限ULM时，表示电网中缺乏无功功率，此时采取“缺无功则投，少量过补不切”的控制策略；
区域5：电网电压U低于欠电压界限UL时，考虑到电网电压过低，低于控制器的正常工作范围，快速切除电容器组。
图5 控制策略图
LabVIEW中的程序执行实现流程图如图6所示。|QY|为台区当前无功越限值，Qs为设定的少量无功越限界限。
图6 控制策略程序执行流程图
5.实测波形分析
本文的系统安装在某市后甲垅II号台区，图7是现场台区在系统投入运行前后三相电流对比数据，下位机每隔15分钟上传一次数据。
图7 台区电流负荷对比图
后甲垅II号台区属于农村台区，由于单相用户用电时间的不同时性以及线路规划不合理存在了三相负荷不平衡问题。从图7可以明显看到，在用电高峰期，即图中的10:00~12:00，系统未投入前，三相电流出现不平衡现象，在系统投入后，成功的将有功负荷均分至三相，有效解决了三相不平衡问题。
6. 结论
本系统解决了大多数农村台区存在的三相负荷不平衡问题，通过安装智能换相开关和三相不平衡调补装置，动态调整台区的三相负荷分布，就地补偿无功功率，不仅降低了系统的三相负荷不平衡度，提升了末端电压，而且还保护了变压器，降低了台区用电损耗。
在台区出现不平衡问题时，系统自动控制投切电容器组，保证台区的正常运行，减少了运维人员的工作量。本系统具有良好的经济效益，目前已在现场运行数月，稳定可靠。