于振超，朱德良，孟令欣，滕培青

（中電裝備山東電子有限公司，山東 濟(jì)南 250109）

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電力設(shè)備也在朝著智能化、移動(dòng)化、大數(shù)據(jù)化方向發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力方面的應(yīng)用給予了終端設(shè)備新的生命力。未來(lái)的中國(guó)電力必將是各種電力設(shè)備之間、用戶與智能終端之間、電網(wǎng)企業(yè)與設(shè)備之間的互聯(lián)互通、信息共享，同時(shí)電力工作人員可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)快速地排障檢修所轄范圍內(nèi)的電力設(shè)備[1]。

配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡對(duì)配電網(wǎng)供電安全、供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，是配電網(wǎng)運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)之一。為了加快推進(jìn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，促進(jìn)傳統(tǒng)電力向智能電力轉(zhuǎn)型，推進(jìn)落實(shí)各電力公司對(duì)配電網(wǎng)精益化管理的需要，治理低壓臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡已經(jīng)成了迫在眉睫的工作。能源控制器具備信息采集、物聯(lián)代理及邊緣計(jì)算功能，支撐營(yíng)銷、配電及新興業(yè)務(wù)。需要采用硬件平臺(tái)化、功能軟件化、結(jié)構(gòu)模塊化、軟硬件解耦、通信協(xié)議自適配設(shè)計(jì)，滿足高性能高并發(fā)、大容量存儲(chǔ)、多對(duì)象采集需求，集配電臺(tái)區(qū)供用電信息采集、各采集終端或電能表數(shù)據(jù)收集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及通訊組網(wǎng)、就地化分析決策、協(xié)同計(jì)算等功能于一體的智能化終端設(shè)備[2]。將換相開(kāi)關(guān)與能源控制器結(jié)合是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

本文首先介紹換相開(kāi)關(guān)的功能特點(diǎn)及應(yīng)用，再將能源控制器與換相開(kāi)關(guān)結(jié)合應(yīng)用到三相負(fù)荷不平衡的臺(tái)區(qū)治理中；然后進(jìn)行整個(gè)三相負(fù)荷不平衡治理系統(tǒng)出廠前的試驗(yàn)驗(yàn)證分析；最后將換向開(kāi)關(guān)與三相不平衡能源控制器應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中去檢驗(yàn)整套三相調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)際效果。

1 換相開(kāi)關(guān)的功能及應(yīng)用

在三相負(fù)荷不平衡的治理中，換相開(kāi)關(guān)具有至關(guān)重要的作用，它能夠從整個(gè)臺(tái)區(qū)根源部解決三相負(fù)荷不平衡的問(wèn)題。相比其他的調(diào)節(jié)設(shè)備，換相開(kāi)關(guān)是裝在用戶的表箱側(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控臺(tái)區(qū)邊緣的用電情況并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。換相開(kāi)關(guān)在換相過(guò)程中能夠無(wú)時(shí)延切換，不會(huì)放大諧波，具有工作噪音小、帶電功耗低等特點(diǎn)。

換相開(kāi)關(guān)是由三相繼電器組成的換相切換器。在接收到能源控制器的換相指令后，開(kāi)關(guān)會(huì)將原有的繼電器狀態(tài)改變，切換至目標(biāo)繼電器的命令狀態(tài)[3]。如何保證換相過(guò)程中不對(duì)相關(guān)電器造成影響是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，為此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)換相開(kāi)關(guān)的可靠性。

在電力設(shè)備正常給各種家用電器供電的過(guò)程中，所有電器的用電波形是一種正弦波。在裝上換相開(kāi)關(guān)后，換相開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程中能夠在坐標(biāo)的零點(diǎn)位置將相位切換，是最佳時(shí)刻，既可以保證用電安全，又不會(huì)被用戶覺(jué)察[4]。第63 頁(yè)圖1 為換相時(shí)的電壓波動(dòng)。

圖1 負(fù)載端電壓波形圖

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，換相開(kāi)關(guān)在相序之間的切換零誤差都小于一個(gè)周波，能夠在10 ms 內(nèi)完成切換。同時(shí)，在開(kāi)關(guān)換相過(guò)程中需要做到的就是過(guò)零投切，即過(guò)零投切誤差不應(yīng)該大于1 ms。通過(guò)波形檢測(cè)的結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 過(guò)零切相時(shí)間波形圖

由上可得，換相開(kāi)關(guān)在相位切換過(guò)程中能夠無(wú)視覺(jué)感受地帶電工作，準(zhǔn)確無(wú)誤地根據(jù)換相指令進(jìn)行換相，給用戶一個(gè)良好的用電體驗(yàn)。

智能控制器部分相當(dāng)于監(jiān)控整個(gè)臺(tái)區(qū)用電情況的匯集單元，能夠與臺(tái)區(qū)的換相開(kāi)關(guān)通過(guò)LoRa 或者載波等通信方式進(jìn)行通信，通過(guò)嵌入的換相策略實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[5]。智能控制器共有7 個(gè)部分，分別是交采模塊、換相策略模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊、微控制單元（Microcontroller Unit，MCU） 模塊、顯示模塊、下行通信模塊和4G 通信模塊[6]。

按照此方案類推，對(duì)于其他復(fù)雜臺(tái)區(qū)的設(shè)備安裝，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境特點(diǎn)有針對(duì)性地確定換相開(kāi)關(guān)的安裝數(shù)量和位置，通過(guò)與智能控制器的協(xié)調(diào)，將臺(tái)區(qū)負(fù)載率和不平衡度控制在要求范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)驗(yàn)證分析

通過(guò)上述安裝設(shè)備的方法可以解決三相負(fù)荷不平衡的問(wèn)題，但是整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在出廠前需要做大量的試驗(yàn)分析來(lái)驗(yàn)證方案的可行性，包括通信、換相、采集等。換相調(diào)試和檢驗(yàn)無(wú)法滿足輸出不同負(fù)載的要求，尤其在大負(fù)載下進(jìn)行調(diào)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)室及生成過(guò)程中會(huì)存在設(shè)備及作業(yè)人員操作不當(dāng)?shù)炔话踩蛩?。為確保不因設(shè)備及人為故障導(dǎo)致不合格產(chǎn)品流出及保護(hù)人身、設(shè)備的安全，規(guī)范合理地用電，可通過(guò)三相調(diào)節(jié)測(cè)試臺(tái)來(lái)模擬各種大負(fù)載和動(dòng)態(tài)化不平衡的情況，其中試驗(yàn)的條件是三相負(fù)荷不平衡不是由線路嚴(yán)重接線不均導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)中所用的負(fù)載多為容性白熾燈[7]，能源控制器所采集的電流是通過(guò)放大電流互感器后采集而來(lái)[8]。表1 為換相后三相不平衡度統(tǒng)計(jì)表。

表1 換相后三相不平衡度統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)表1 可知，在模擬臺(tái)區(qū)安裝換相開(kāi)關(guān)的前提下，在臺(tái)區(qū)的固定負(fù)載數(shù)量固定的情況下，可將整個(gè)臺(tái)區(qū)的三相負(fù)載不平衡度降到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的20%以下。由此可知整套調(diào)節(jié)系統(tǒng)是可以安裝掛試的。

3 實(shí)際案例應(yīng)用

以2019 年棗木欄臺(tái)區(qū)為例。該臺(tái)區(qū)位于農(nóng)村地區(qū)，用電情況復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)存在嚴(yán)重三相不平衡現(xiàn)象而導(dǎo)致以下問(wèn)題：一是負(fù)載率短時(shí)內(nèi)高低落差大；二是變壓器最大輸出容量和利用率嚴(yán)重降低；三是低電壓和停電等問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生；四是臺(tái)區(qū)過(guò)載能力降低。在臺(tái)區(qū)設(shè)備安裝之前，首先將相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)一日不同時(shí)間段的三相電流的動(dòng)態(tài)曲線，并制作安裝方案。安裝前的三相不平衡度見(jiàn)圖3。

圖3 安裝前（2019 年9 月4 日）的供電所三相不平衡度

通過(guò)換相開(kāi)關(guān)與能源控制器相結(jié)合的三相負(fù)荷不平衡治理方案，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝后，三相負(fù)荷不平衡、線損率等都得到了明顯的改善，臺(tái)區(qū)精益化管理能力得到了明顯提升，見(jiàn)圖4。

圖4 安裝后（2020 年7 月26 日）的供電所三相電流動(dòng)態(tài)圖

同此，其他臺(tái)區(qū)的治理情況也得到了驗(yàn)證，不同試點(diǎn)不同時(shí)間的復(fù)雜情況均得到了改善，得到相關(guān)電力公司的好評(píng)，有助于此方案的推廣完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

換相開(kāi)關(guān)與能源控制器相結(jié)合的三相不平衡治理方案能夠降低三相不平衡，進(jìn)而降低線損率。整體的換相調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)于隨機(jī)性、動(dòng)態(tài)化的臺(tái)區(qū)三相負(fù)載不平衡治理具有顯著成效。但是，由于存在臺(tái)區(qū)用電復(fù)雜多樣化、用電設(shè)備種類復(fù)雜化、現(xiàn)場(chǎng)施工繁瑣化等問(wèn)題，對(duì)換相開(kāi)關(guān)和能源控制器提出了不少考驗(yàn)。

后期將會(huì)針對(duì)實(shí)際情況，對(duì)換相策略模塊和換相模塊進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)，圍繞運(yùn)維管控為主、技術(shù)改造為輔的策略，為配電臺(tái)區(qū)的精益化管理作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。