摘要：随着新能源技术以及电力电子技术的发展，电网谐波、三相不平衡等电能质量问题日益突出，电网电能质量问题愈加突出。但由于电能质量问题产生原因复杂，治理困难，且尚未形成统一有效的解决方案，正成为目前配电系统中亟待解决的问题。因此及时有效地进行配电台区三相不平衡负荷平衡化补偿、无功功率补偿是非常有必要的。本文研究分析了配电台区电能质量治理混合调控系统，能够提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量及减小投资，减小线路及变压器损耗，提高电网有功传输能力和变压器出力及其运行经济效益。同时系统可有效改善沿线电压分布特性，提高电网供电质量，降低电力网设备发热，延长使用寿命，改善系统稳定性，提高系统安全运行性能。
关键词：配电台区电能质量；多目标控制；动态无缝切换
引言：为研究解决三相不平衡、功率因数低、线路末端电压偏压等电能质量问题，本文阐述了一种配电台区电能质量治理混合调控系统，该系统具有切换时间短，响应速度快，综合效果好，安装维护方便等特点，对于配电台区优化运行，系统稳定性和可靠性都具有重要作用，对于配电台区及配电线路节能降耗，提高资产利用效率等具有显著效果。
2、装置结构及原理
配电台区电能质量治理混合调控系统由主控制器和调控单元两部分构成。主控制器安装于配电台区变压器侧，具有采集台区侧电压、电流以及电能质量分析等主要功能。而调控单元通常安装于馈线支路的用户侧，具有相序切换及无功补偿、线路末端电压稳压功能。当主控制器检测到台区侧三相不平衡、功率因数低或线路末端三相电压偏差时，主控制器会根据遗传算法计算分析，计算分析形成控制指令，发送至对应需要调节的馈线侧调控单元；调控单元根据接收的主控制器调控指令，进行相序调节或投切电容器单元。调控单元安装于馈线用户侧，在馈线侧投切电容器组有利于线路末端电压提升。因此，调控系统同时具有三相负荷平衡、无功功率补偿、平衡三相电压多重功能。
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图1 电能质量治理混合调控系统原理示意图
3、系统接入方案
系统将主控制器安装于变压器侧，作为整个系统控制大脑，执行整个系统的计算分析及控制指令的发送。调控单元安装于位于馈线用户负载侧，为整个系统的指令执行单元。整个系统通过LoRa无线数据数据传送技术，进行组网通讯和数据传送，调控单元通过LoRa无线通讯网络接收主控制器的控制指令。
系统通过将配网中的一部分馈线侧单相负荷加装调控单元，使其变为可控负荷；主控器检测三相负荷的平衡状况、功率因数以及线路末端电压，实时的对单相负荷做出优化决策，使整个台区的负荷均衡的分布在三相供电线路上，且功率因数、电压质量得到有效治理。
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图2 系统接入方案示意图
4、无缝切换控制
调控单元利用电力电子导通特性，实现切换过程无缝切换。就地控制器具备无缝切换特性，能够保证精密仪器、设备以及敏感性负荷的不间断供电，有效保障系统供电可靠性。
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图3 调控单元相序切换原理图
其相序切换过程以A->B为例控制时序如下：
t1:Ka2闭合->Ka1释放->Kb2闭合。由于此时A相电压高于B相电压，Da导通，Db截止，仍为A相输出。
t2（换相时刻）：由于此时B相电压高于A相电压，Db导通，Da截止，转换为B相输出。
t3:Ka2释放->Kb1闭合。由于继电器吸合需要时间，此Db仍在导通状态，B相输出。
t4:Kb2释放。由于此时Kb1已完成闭合，Kb2释放，使得Db截止，输出回路为B相输入经Kb1至负载侧，换相完成。
系统根据控制逻辑的时序过程，能够实现相序间无缝切换，保障调控单元的接入负荷持续可靠运行。
5、低压配电台区三相不平衡治理辅助决策技术
针对调控系统在配电台区的应用，根据配电台区系统三相不平衡及相关电能质量现状，需要对调控系统的整体配置及安装进行规划设计。为此基于潮流计算的三相不平衡治理辅助决策技术根据配电台区的电网结构和负荷特性，将电力系统优化潮流计算应用于配电网调控系统位置的优化计算。
辅助决策系统核心组件包括：配电台区系统建模、优化算法、潮流计算、网损分析、图形界面。配电线路数据导入软件后，软件根据配电台区拓扑结构搭建相应的低压线路系统模型。根据线路等值参数，形成配电台区系统数学模型，计算线路潮流，在全局优化目标下分析计算最优的布点位置，实现调控系统优化配置。其主要作用如下：
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图4 调控系统辅助解决策系统
量化管理。调控系统辅助解决策系统量化出线各个馈线长度、规格，以及各个节点电压和电流值，有利于找出解决低压配电系统出现的三相不平衡问题，测算出最佳的方案，有利于提高工作效率。
为调控系统实施提供理论依据。根据线路结构和负荷，量化出线路运行状态，有利于设计合理的调控系统总体布局及设计方案，为系统安装配置提供理论依据和实施指导。
降损节能，提高电能质量。辅助决策系统将给出调控系统安装前后数据对比及运行效果预测，对于节能降耗，提高配电变压器利用效率以及提高电压稳定性具有显著效果。
结合典型的低压线路设计原则和基于实际运行的供电线路，搭建各类供电线路模型进行研究，寻找出其中的固有规律，得到各种典型类型台区的影响电能质量的主要因素，制定调控系统的配置和安装策略，用以作为项目实施的安装配置指导依据。
6、分布式自治控制策略研究
当负荷调控装置与控制终端之间出现通讯故障时，负荷调控装置通过电压互感器和电流互感器实时测量三相电压和当前负载相的电流，实时计算负载相的有功功率、无功功率、功率因数、判别当前工作相位等供电参数，分析当前馈线三相不平衡状况，通过相与相间及相与零间接入电容的方式，对功率因数的补偿具有较好效果，使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化。
同时针对调控系统的通讯功能需求，基于LoRa技术设计开发了调控单元的自组网通讯控制算法，实现了完全可即插即用的特性，无须人工进行任何干预，使我们更容易部署并维护该系统解决方案。
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图5 LoRa Mesh网络自组网通讯处理流程
7、运行效果
本项目应用选址宜兴湖洑镇某配电台区，周边有多个著名旅游度假景点，在供用电方面，旅游景点多数集中在山区丘陵地带，配电线路长度长，供电半径大，其电力用户主要由普通居民、农家乐和民宿等组成，用电设备以单相负荷为主，以及小部分三相负荷构成。
该公变容量为400kVA，其中农家乐和民宿负荷容量高达120kVA，约占配变总容量的30%。台区共计接入电力用户129户，其中普通居民用户114家，非居民用户15家。其中主要用电负荷为照明、空调、取暖等居民生活用电。此外，该台区下用户还装有5套屋顶分布式光伏发电系统，共计安装容量40kWp；同时，该台区农家乐、民宿安装有两套交流充电桩共计14kW，为客户提供电动汽车充电服务。
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该公变台区在项目实施前，平均三相不平衡度达24.5%;系统实施后，台区侧平均三相不平衡度降低至10.2%，达到了配电系统不平衡度小于15%的运行指标要求。同时，系统实施运行后，台区侧平均功率因数由0.91提高至0.98。
8、结论
通过项目实施应用，负荷调控能够自动、实时、快速地将用电负荷均分在各相上，代替了人工换相，节省了人力资源；从根本上解决了该台区由于旅游季电力负荷突增突降，以及光伏、电动汽车充电给台区带来的三相不平衡的难题，同时一定程度上提高了台区侧功率因数，降低了线路损耗，延长了变压器寿命，确保了电网安全稳定和供用电可靠性。
参考文献：
【1】盛万兴，王金丽，王金宇等.农村电网电压质量治理技术与应用【M】.北京：中国电力出版设，2012.