马龙标 张佳琦
华蓝设计（集团）有限公司， 广西 南宁 530012
摘 要：在传统的低压配电负载平衡控制方法中，单相换相负载不稳定，低压配电网络中存在三相负载不平衡的问题，本设计采用智能建筑电气低压配电负载平衡控制方法。构建了负载平衡控制的全过程框架，设计了三相负载平衡控制装置，通过功能单元实现了单相负载的稳相；采用叶节点负荷优先安排方法对负荷分配方案进行优化，抑制谐波的产生，实现电流电压的稳定分配。建立不平衡补偿数学模型，实现低压配电负载平衡的最佳控制效果，从而完成智能建筑电气低压配电负载平衡控制方法的研究。
关键词：智能化建筑；电气低压配电；负荷平衡；控制方法
1 智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法研究
1.1 设计三相负荷平衡控制装置
在智能建筑电气低压配电网中，主要是由于单相负荷不能在三相之间均匀分布，导致三相负荷不平衡，从而造成配电网和电器的损坏。改善这种情况,需要从根本上根据配电母线和分支力量大小,每个阶段的单相负载在一个合理的方式,不影响光滑的变化阶段,并在这个过程中需要注意确保单相负载不会影响正常的电力供应,并尽可能将三相单相负载均匀地分配到各支路之间，以减少配电网三相不平衡程度。根据以上要求，本文设计了三相负荷平衡控制装置，如图1所示。
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图1三相负荷平衡控制装置设计简图
在上图设计的平衡控制装置中，主要有以下功能单元:实时数据采集单元、实时通信单元、三相电流不平衡度计算单元、极限分析单元和最优换相指令计算单元。这些功能单元共同构成负载自平衡的上位控制装置。通过对配电网三相功率信号的采集和计算，判断不平衡程度是否满足国家标准的要求。判断结果得到后，将结果转化为平衡装置，通过负载平衡的自适应换相策略和判断结果，计算出各支路切削后的负载相序组合，并选择最优解，最终控制静态换相开关装置，由闭合开关装置完成动作，并保证其可靠性。同时，利用所设计的负载平衡控制装置，可以在不影响负载正常耗电量的情况下，替换三相母线上各负载支路的相序。从上述的设计简图中可以看出，三相负荷自平衡装置投切过程的实现，必须依靠静止换相开关装置，该装置实际上是电力电子开关，本文能使用的晶闸管开关半导体进行替代，晶闸管拥有三个极，结构为PNPN型四层结构，这种结构能够通过小电流来控制一些具有特大电流的电子器件。本文选择的晶闸管开关功率为36MVA，具有较快的开关时间，其工作过程是可控的，且耐用效率高。至此完成三相负荷平衡控制装置的设计。
1.2 优化负荷分配方案
在本文的负荷分配过程中，可以部署的负荷有数百个，一些传统的遗传算法由于实际收敛速度的问题不能应用于实际工程中。本文设计的负载均衡控制方法需要从实际出发，以减少负载节点之间的损耗为目的，提出一种基于网络拓扑结构的叶节点有限负载分配方案。配电网中叶节点负荷优先级的安排主要从叶节点向根节点推进，如图2所示。
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图2叶节点负荷优先安排示意图
从上图可以明显地看出与用户j有关的电流，当各个用户负荷的功率因数相同时，那么，用户J传输线路电阻Rj上出现的线损可以表示为：
（1）式中，Ij表示用户的负荷电流，Iaj－1、Ibj－1、Icj－1表示用户节点的三相电流，kaj、kbj、kcj表示用户与配电网之间三相的连接因子，取值为1和0，取值为1时表示连接，取值为0时表示不连接。经过叶节点的负荷优先安排，用户节点的三相电流与用户电流需要达到一定的平衡，目的是抑制谐波的产生。上文中设计的三相负荷平衡装置中，主要是能够对输出电流进行跟踪控制，除此之外还需要控制直流侧支撑电容器的电压。维持电压的传统常用方法为在电容器的外端增加并联的外部电源，但是会增加整个负荷平衡控制装置的重量、体积和开发成本。
3 实验
3.1 实验准备
为了验证本文设计的智能建筑电气低压配电负载平衡控制方法的有效性，本文需要设计实验进行验证。根据本文的理论分析，在仿真软件中设计了负载平衡控制装置。在实验中，实验的样机选择的是浮点数字信号处理芯片，并搭建了如图5所示的样机。
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图5实验样机
上述实验装置中，电源电压设置为恒定的200V，实验样机中绝缘栅双极型晶体管开关频率为10.2kHz，样机中包含的直流电压参考值为800V，电容器值为2115μF，交流电感值为1mF。在上述的实验条件下，使用本文设计的低压配电负荷平衡控制方法进行不平衡以及无功的补偿实验。在上面的实验装置中模拟出10个电力用户，以电源端为起始，开始依次编号。在设置的过程中，安排电源端直连的第1个用户其中的距离为3m，其余用户与用户之间的距离也同样设置为3m，保证距离之间不存在差异，从而保证各个电力用户的功率因数也相同。为了验证本文设计的方法对三相不平衡负荷电流的补偿效果，本文在纯阻性三相不平衡负载工况下进行了实验验证，计算三相不平衡度，三相不平衡度主要是指三相电力系统中三相的不平衡程度，计算公式如下所示：
（4）式中，I1表示用电流的负序分量方均根值，I2为电流的负序分量方均根值。对电网的三相电流进行采样，通过对称分量法得到三相不平衡电流，经过计算得到不平衡度，并对结果进行分析。
3.2 实验结果与分析
在上述实验条件下，仅仅设置实验装置中的B相电网接入5欧姆的纯阻性负荷，A相与C相均为空载状态。在相同实验条件下，应用本文设计的低压配电负荷平衡控制方法对其进行平衡调节补偿。从上述的实验结果可以看出，在使用本文设计的负荷平衡控制方法之前，由于电网中仅有B相接入了负荷，A相和C相都是空载情况，导致了电流值为0，三相电流不平衡度为300%，严重超过了我国电力系统的公共连接点中正常电流的不平衡度的允许值；在电力设备系统中使用了本文设计的方法后，从图片上可以看出，补偿后的三相网侧电流波形基本能够实现正弦对称，从表中的数值能够计算出，三相不平衡度约为12.1%，由此可见，本文设计的智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法能够有效的对电力系统中的配电负荷进行平衡，降低电力系统中的不平衡度。
结束语：
随着我国电力系统建设规模的扩大，用户的用电负荷也在不断增加。在智能建筑的低压配电网中，当三相不平衡发生时，就会导致一些异常动作，损坏配电网和电器，导致电能的浪费和损失。
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