江西电网配电变压器三相不平衡综合治理措施的研究(可编辑)

1、江西电网配电变压器三相不平衡综合治理措施的研究 学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签字日期:勿侈年月幻日学位论文作者签名手写:够“苇夯、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太

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3、相不平衡,一般采取的措施是换相和无功补偿。由于单相用电设备使用的同时率较低,用电客户每个月的用电存在的差异较大,通过负荷分析进行换相的措施使配电变压器的三相负荷更加不平衡。通过无功补偿装置,在一定程度上可以减小配电变压器三相不平衡度,但是对电网会产生影响,比如无功补偿设备中的电容器对谐波电流具有放大作用,以及装置的补偿控制策略不能适应所有性质用户的用电需求。本文基于一体化配变监测和综合分析系统,全面掌握江西省配电变压器三相不平衡的现状和各类典型用户的负荷特征。管理方面,针对江西省配电变压器的三相不平衡现状和相关业务流程,提出三相负荷管理要求。技术方面,本文采用一种基于曲折接线变压器和无功分相补

4、偿器的新型中性线电流补偿器和一种拥有智能切换功能的自动换相器,分别以南昌供电公司迎宾变电站象源线配电变压器和德安县供电公司田塘变电站团山线的张十八村配电变压器作为现场测试对象,得出新型中性线电流补偿器和自动换相器的实际效果。此外,对于新建的配变台区,本文采用负荷分配的方法进行负荷平衡;对于运行中的配变台区,本文提出基于优化计算的人工换相策略,运用高效的微分进化算法求出最佳的负荷连接相序制定出最优换相操作表,以德安县供电公司田塘变电站团山线的张十五村配电变压器为例,运用软件对基于优化计算的人工换相策略进行模拟仿真,根据仿真结果制定换相操作表。最后对每项技术性措施提供经济性评估。关键词:配电变压器

5、三相不平衡;电能质量;不平衡补偿;负荷平衡 ? ,., . ,., ., . . , 瓯 , . . . . . ,.,. ? ., .,. , .: ; ; 目 录目 录第一章绪论.课题研究的背景及意义.国内外研究现状.负荷的相平衡.采用无功补偿装置?.课题主要研究内容?第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析?.三相平衡系统的概念.配电变压器三相不平衡的危害分析.增加变压器损耗.损害用电设备.增加线路损耗.感应电动机有功出力减小?.变压器局部金属件温升增高.变压器出力减少.配电变压器额外损耗案例分析?.江西省现状分析?.第三章治理措施的总体设计方案.管理方面?.技术方面?.三相不平衡补偿

6、器.三相不平衡自动换相器?.负荷分配及人工换相调整一第四章技术方面治理措施的实现效果及经济性评估?.三相不平衡补偿器一.三相不平衡自动换相器?.目 录.负荷分配及人工换相调整.新建配变台区的负荷分配措施?一.运行中配变台区负荷换相调整?.技术方面治理措施的经济性评估.三相不平衡补偿器.自动换相器.人工换相调整?.第五章总结与展望.总结.展望?.致谢?参考文献附录主要程序代码及流程图?第一章绪论第一章绪论.课题研究的背景及意义随着江西经济的迅速发展,人民生活水平进一步提高,电力负荷日益增长,对配电网运行的可靠性和供电质量要求越来越高。由于配电网三相负荷不对称,配电变压器低压侧三相四线系统负荷不均

7、匀引起零线中电流过大的现象普遍存在,国家电网公司配电网运行规程中规定,配电变压器的不平衡度年城市不应大于%,中性线电流不应超过额定电流的%。根据江西省配网负荷实测数据,全省城网中在线监测的配电变压器约有台,其中三相不平衡度超过%的数量为台,城网配电变压器不平衡度超过运行规程的比例超过%,配电变压器三相不平衡现象非常突出,带来的危害主要有以下几方面:.配电变压器三相不平衡造成配电变压器单相或两相过负荷,降低了配电变压器的利用率;.变压器绕组一直处于过热状态,将会使配电变压器使用时长缩短,超过某个限度时甚至会烧毁变压器,降低配网供电可靠性】;.三相负载不平衡的配电变压器还会造成用电客户的三相电压偏

8、差很大,降低用电客户端的用电保障,影响我国的经济生产和人民生活;.另外变压器形绕组产生环流和负荷电流不均匀造成变压器损耗增大。因此,为了保证变压器的使用寿命,我们有必要减小和消除变压器的三相不平衡水平,这不仅能减小电能损耗,同时能提高供电的质量水平。根据调研,在实际安装与运行中,线路的标志、接线人员的疏忽和随意性,同时,随着单相用电客户的增容不受限制后,单相用户的容量增长变得不可控制,还有工厂和家庭里功率较大的单相用电负载的接入以及单相负载在不同时段都有可能运行等,都能够引起三相负载的不平衡【。目前,针对配电变压器三相不平衡,各供电公司采取了措施,测量负载功率,通过分析,然后对负载重的相序进行

9、换相,单相用电设备使用的同时率较低,受到不频繁的间断性和四季更替的用电性质的影响,用电客户每个月的用第一章绪论电存在的差异较大,使配电变压器的三相负荷更加不平衡,缺乏对单相负载负荷特征的了解,因此,使管理很难进行调整,效果不理想【。通过无功补偿装置,在一定程度上可以减小配电变压器三相不平衡度,但是对电网会产生影响,比如无功补偿设备中的电容器对谐波电流具有放大作用;装置的补偿控制策略能否适应不同性质用户的用电需求,以及装置的适用性和经济性还有待进一步深入研究。本课题立足于解决江西配网中存在的突出问题,将深入分析三相不平衡对配电变压器的危害和影响,详细调查江西省配电变压器的不平衡现状、负荷特征曲线

10、,研究适合配电变压器三相不平衡的综合处理方式,以及负荷不平衡调整抑制装置在江西配电网中的适用性、经济性和应用前景,最终形成本论文,提供关于治理配电变压器三相不平衡具体的处理方法和措施,为配变的自身安全、用电的经济性和长期稳定运行提供保障。.国内外研究现状.负荷的相平衡当前智能电网发展迅速,越来越多的传感器、智能仪表被装入电力网络,用以保证电力系统各项数据的实时性,这些经过提取的重要数据将会给电网系统的日常运行、改造和维护提供支持,为电网的安全、经济、可靠运行打下了基础【。在负荷侧,例如通过智能电表得到了用户的日负荷曲线,就可以分析用户的用电类型和用电习惯,采用相平衡,交换技术使不平衡配电系统达

11、到平衡。采用负荷相平衡交换技术,使造成配变三相运行不稳定的负荷均匀地分配到每一相,使其的平衡度提高。相平衡是一种直接、高效的负荷平衡方法。其数学模型是一个混合整数非线性模型。相平衡的目标是降低有功功率损失,因此能够增加配电线路的容量,在不改变既有线路情况下满足未来负荷增长需求;改善电压的分布,使得在各相的配电线的电压降落的均匀化。其主要数学模型为建立配电线路损耗、各相在节点处的压降和相电流不平衡度等与各个负载与配网连接的相序索引之间的数学对应关系作为目标函数,然后通过智能优化方法寻找到负载和配网的最佳相序连接方法来使各个目标函数最小【】。第一章绪论.采用无功补偿装置一般情况下,如果某个系统的总

12、功率保持不变,这个系统是三相平衡的,同时它的总功率不会因为时间而变化。但是如果这个系统的总功率围绕某个平衡值上下波动,则是一个三相不平衡的系统,为了把一个三相不平衡系统变换成三相平衡的系统,就必须将具备暂时性保存电磁能量能力的装置装备在使系统保持平衡的设备中,如电力电抗装置和电容装置,构成补偿网络,将不平衡电流补偿成平衡电流【。目前主要使用无功补偿装置.,来实现,无功补偿装置对不平衡电流的无功补偿,从而减小电源侧三相电流的平衡度。这也是国际上治理三相不平衡的措施主要采用的方法,利用无功补偿装置进行补偿能够提高功率因数,降低损耗增加系统运行的稳定性等。前期补偿无功电流的设备如同步调节相位装置、容

13、量固定不变的电容装置、由开关调节参数的并联电抗等虽能满足一定的无功补偿需求,但是其响应速度慢,运行损耗大,不能连续调控且容易与电网发生谐振影响电网安全运行等问题。随着电力电子技术的发展,出现很多灵活控制,安全性高无瞬时停电的静止无功补偿设备,其采用各类不一样的静态型开关投切电容装置或电抗装置,这些设备拥有吸收无功电流的功能,同时也具备发出无功电流的能力,这样不仅可以提升系统的功率因数,还能使系统电压趋于稳态并且将系统的振荡减小到最低等等的功能【】。目前国际上配网中主要采用静止无功补偿器、基于逆变器的配电侧的静止无功发生器.和有源滤波器。.课题主要研究内容本课题依托于采集用户用电信息的系统、负控

14、系统、一体化配变监测和综合分析系统,实时监测配电变压器三相不平衡,并进行实地调研和试点,选择居民小区、写字楼、办公大楼、商场、工厂等具有典型性的用户类型,深入分析其不平衡情况和负荷特征,通过对负荷特征数据的研究分析,提出治理配电变压器三相不平衡的方法和措施。本课题的主要研究包含以下三个方面内容:.深入调查各类典型用户的配电变压器三相不平衡与时间段的关系,分析三相负载不平衡和中性点电流对用户侧电压的影响,分析江西省配电变压器三相不平衡的现状及原因,为研究综合治理方法提供数据基础。.根据江西省配电变压器三相不平衡的现状,提出管理层面的综合治理措第一章绪论施。.针对江西省的现状,重点研究技术层面的治

15、理措施:研究采用一种基于曲折接线变压器和无功分相补偿器的新型中性线电流补偿器:运用具备智能切换功能的自动换相器对相序进行切换;提出基于优化计算的人工换相策略。.采用现场实地测试和软件仿真的方法,对上述技术性措施的实际效果进行分析,并提供上述技术性措施的经济性评估。第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析.三相平衡系统的概念在电网的正常运行中,三相电压正序对称,、三相正序互成万/,三相电流亦正序对称,、三相正序互成万/,这样的系统称为三相平衡对称系统。当系统由于断相、单相用户用电不平衡等原因造成三相电压或电流不再正序对称,如幅值不再相等,角度不再互成万

16、/等情况下就称为三相不平衡。三相平衡的基本原理如图.所示,电路中若仅接电阻负荷尺。这是一个功率因数为,三相不平衡的系统【】。设三相电压对称且正序,即:.。,一。,。觇厂?一碥敞.? /?、,、一?一图.三相平衡化电路图在其他两相分别接入电抗为少儿/弧的电感和电抗为一,弧的电容,使二者产生谐振,从而构成三相平衡系统。第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析图.三相平衡系统的相量图该三相平衡系统的相量图如图.示。电容装置电流厶。超前电压吼。,电感装置电流乞滞后电压瓯。,电感电流的均方根值和电容电流的均方根值相等,因此可以形成电感和电容的谐振条件】。同时,电阻电流与吒同相。由厶乞一乞,厶。和。一厶

17、。可以看出。此时三相线电流,丘,丘的方均根值相等,相位互差。所以经过上面的介绍和分析,平衡系统可以由三相电流不平衡系统通过平衡化电路实现。.配电变压器三相不平衡的危害分析.增加变压器损耗配电变压器的功率损耗通常有两种,一种为空载损耗,简称铁损,另一种为负载损耗,简称铜损【。一般情况下,空载损耗是固定不变的。由于变压器所带的负载不断变化,负载损耗也会随之而改变,在忽略其它因素的情况下,负载损耗与此变压器的负载电流的二次方成正比关系【。配电变压器三相不平衡运行时,三相绕组的总损耗可计算为:, . .一、.最正鬈皿式中爿、,、分别为每一相的负荷电流;为变压器二次绕组的电阻【】。在二叮侧/.状态时,各

18、相绕组的电流为,爿/,三相绕组的总损耗为【:第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析.鼻:阮,口,/】×则在三相不平衡的状态下,附加的损耗为四:厶.。.损害用电设备低压配电系统的配电方式一般分为三相三线制和三相四线制两种接线方式,而我国大部分地区采用的是三相四线制接线方式,当三相负载不对称运行时,变压器二次侧的三相电流不对称,在中性线中产生零序电流,零序电流所感应出的电动势使二次侧电压不对称,即中性点位移,如图.所示,图中、只是三相对称电压【。当三相对称运行时,中心点电压;当三相不对称运行时,:,:;:可以看出二次侧的相电压将出现不对称问题,每一单相负载相电压的对称程度会随着中性点

19、偏移的不同程度而产生变化,使某一相的相电压过低,而某一相的相电压过高,严重时甚至会接近线电压,导致部分负载不能在额定电压状态下工作,从而降低部分家用电器的耐用。程度,有时还会出现烧毁的情况【图.中性点电压渫移不意.增加线路损耗。采用三线路中产生的功率损耗与流经线路的电流的平方存在正比关系相四线制供电的电路中,在三相电压对称下三相电流平衡时线路的功率损耗最小。在三相电流失衡的状态下运行时,线路中的失衡电流产生的附加损耗就会使线路中的功率增加】。当三相四线制供电时,在三相平衡的状态下,其有功的功率损耗为:第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析.异,三相不平衡时每相的负荷电流为,一、曰、,平均负

20、荷电流为.,。,爿,口/则三相不平衡度:.膨半枷似式中为每相不平衡度;为每相负荷电流。因为,伊岛,则中性线电流为,彳,曰,么缈,.,【爿占曰】【寻尻尾皮尻【风。哦.、殷印延尾殷魄一龙因此不平衡是线路损耗为.只,盖; 式中为中性线电阻设为。则:只:刍,尻尾殷】成【尾.殷龙】风尾口一九不平衡时线损增加率为:.二% 彳将式.、.代入式.,整理得叩历群臃扣以风删.皮九】尾殷矽一九.第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析因为成尾皮,把此式代入式.,得以尾雕以风九 .以一以尾矽一以九一九由公式可见,不对称度越大,电网线路输送指定容量的电能所消耗的附加。能量越大.感应电动机有功出力减小一般情况下,配电变

21、压器的三相负载是不平衡的,从而使变压器的三相电压不平衡,三相失衡的电压可以等效分解为三个电压分量,分别是正序、负序和零序分量。当这三个电压分量接入电动机以后,正序和负序分量同时作用,正序电势分量产生的磁场比负序电势分量产生的磁场大,感应电动机仍然是与正序电势分量产生的磁场的旋转方向一致,但是由于负序电势分量产生的旋转磁场对正序电势分量产生的旋转磁场起到制动作用,使电机的输出功率降低,有功出力减小。由于感应电动机通常不存在中性线,所以零序分量的电流不能通过,也不会产生零序分量的磁场。设转子相对正序的旋转转差率为,则相对负序的旋转转差率为【】?.,?一?二?一,式中刀?定子正序磁场转速?转子转速感

22、应电动机的阻抗随着转差率而变化,故对于正序和负序电流有不同的阻抗,其等值电路如图.。负序等值电路正序等值电路图.感应电动机的正序和负序等值电路第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析在表示负序阻抗的电路图.中,当数值很小时,;豇;,实际上为短路阻抗,通常可以把励磁支路略去。为当转子电流的频率为瓯时的转子电阻,巧为当转子电流的频率为一溉时的转子电阻。在集肤效应的作用下,巧要比吃大。而漏抗:同样在此效应作用下,通常略小于:,可以用系数七仳计及这种影响:【。电机在正常运行情况下,和/一相对于漏因此负序电流和负序电压的关系为亿峋,燕燕设电动机起动电流的倍数为如,则式.可以转换为.气:,幽篑。静可以取

23、。式中为的替代系数尼。当时,按图.,推导出转子的正序电流分量为【】亿?一毒正序电流所带来的电磁功率为.只四,丢?,詈负序电流所带来的电磁功率为.,丢丢则可推导出正序分量产生的转矩为【】.?卫,罅 第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析式中?电机极对数;缈?同步角频率负序产生的转矩为 .:一缸,熹 国、“ 一很显然,负序分量的电流会产生反作用的转矩,电机的总转矩为【】.:旦 乏 二一负序电流产生的负序磁场不但使电动机总转矩下降从而降低电动机的过载能力,同时因为正反磁场的周期性的作用,使转矩周期脉动有可能引起电动机的震动。.变压器局部金属件温升增高零序电流的产生是因为配电变压器运行时三相负载不

24、对称,由于零序电流的大小与变压器电压的不对称度有关,三相电压不对称度越大,零序电流越大【】。零序电流若流过变压器内部,就会导致铁心出现零序磁通。配电变压器处于低压侧,而高压侧的零序电流为,故无法通过高压零序磁通与低压零序磁通相抵消的方法来消除变压器内部的零序磁通,导致变压器的钢材部件通过大量的零序磁通【】。通常这些钢材部件不具备导磁的功能,同时由于磁滞现象和涡流损耗的存在,使钢材部件自身发热,导致变压器某些部位的温度上升过快,变压器因此消耗更多的额外功耗【引。.变压器出力减少由配电变压器的原理可知,配电变压器的最大允许出力是由每一相的额定容量决定的【¨。同时,配电变压器每一相的额定容

25、量取决于其绕组的性能,而变压器的绕组结构是根据变压器三相负载平衡的运行工况设计的。假如配电变压器在三相负载失衡的情况下运行,必然有一相的负载较轻且剩余较多容量,直接导致配电变压器出力大量减少【】。因此得出结论,变压器的出力降低程度由三相负载运行时的失衡程度有关,具体关系表现为配变的出力会随着三相负载运行时的失衡程度的增大而降低。因此,配变在上述情况下运行时是无法输第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析出额定容量的,导致变压器的备用容量同时减少,过载能力无法得到保证,所以配变极易出现单相过载。配变过载运行严重时会导致自身大量发热,可能会造成配变烧损口。.配电变压器额外损耗案例分析以.、/.型

26、号的变压器为例,通过实验可以得到,零序电阻.,零序电抗.,低压侧绕组电阻,.。.运行工况一:、.时,三相不平衡度为.%,负载率为.%;可计算得到:为零序阻抗,;¨.;中性点偏移电压?.;当、两相电压正常时,。,。,相最大电压。 .,相最小电压。.。” ”零序电流损耗功率:?.铜损增量:只,只:,;皿,.。,。,。/×,.总损耗功率增量衅.;一年内损耗电量.×?,电费以.元/?计算,该配变一年因三相不平衡额外损失电费为:电费单价×年损耗电量.元/?× ?.元.运行工况二:厶、凡、。、。.时,三相不平衡度为.%,负载率为.%;可计算得到:为零序阻抗

27、,;爵¨.;中性点偏移电压。?。当、两相电压正常时,。,。,相最大电压。 ,相最小电压。” ”零序电流损耗功率:露?。.第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析铜损增量:,.必圪.露,;,.。厶,。/】总损耗功率增量:必.;一年内损耗电量形.?,电费以.元/?计算,该配变一年因三相不平衡额外损失电费为:电费单价×年损耗电量.元/?×.元从上述两个计算实例可失:.由于三相不平衡引起配变的额外损耗中,以零序电流损耗为主,运行工况中,零序电流损耗为铜损增量的.倍;运行工况二中,零序电流损耗为铜损增量的倍;.配变负载率不变,为.%时,三相不平衡度由.%升高到.%时,增加

28、.倍,额外损耗由.增加到.,增加.倍,可见三相不平衡升高时,额外损耗将大幅度增加。.江西省现状分析根据年月日江西省城网负荷实测的数据分析,全省城网中在线监测的配电变压器约有台,配变三相不平衡度不超过%共计台,仅占总数的.%;三相不平衡度大于%、小于%共计台,占总数的.%;三相不平衡度大于%共计台,占总数的.%。详见图.。年江匿配电变压器三相不平衡状况列耋%爹“箩巧衢师船图. 年江西配电变压器三相不平衡状况根据一体化配变监测系统年月日晚:数据,全省城网中在线监测的配电变压器共计约台,三相不平衡小于%的配变数量为台,第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析占总数的.%;三相不平衡度大于%、小于%

29、的配变台数为台,占总数的.%;三相不平衡度大于%、小于%的配变数量为台,占总数的.%;三相不平衡度超%的数量为台,占总数的.%。详见图.。,。,?、,?。,?。,、?、?年江西配电变压器三 年江西配电变压器三相不平衡状况 相不平衡状况%心不平孵度%:三篡啪%:篆黧删%不平衡度%淼三旦图.年江西配 电变压器三相不平衡状况以九江供电公司城网的配变为对象进行统计分析,根据一体化配变监测系统年月日晚:数据,对配变数据进行统计分析,统计数据中不包含轻载配变,即剔除单相平均负荷电流不超过配变额定电流%的配变,三相不平衡典型日监测数据中有/的数据超过%定义为长期处于三相不平衡的配变。本次统计配变总数量共计台

30、;三相不平衡超过%的配变数量为台简称超标配变,剔除单相负荷电流不超过额定电流%的配变后实际数量为台,占配变总数量的.%,长期处于三相不平衡配变数量为台,占配变总数量的.%,占超标配变数量的.%。表.九江公司城网配变三相不平衡统计分析三相不平衡超过%数量 长期三相不平衡配变数量总数量配变台比例 比例数量台 数量台九江公司.% .%根据一体化配变监测系统年月日晚:数据,江西省城网配变总数量为台,以九江公司长期处于三相不平衡配变的统计比例测算,江西省城网中处于长期三相不平衡状态的配变数量为台。第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析通过现场调查发现,造成配电变压器三相负荷不平衡运行的主要原因有以下

31、几个方面:.治理上存在薄弱环节一直以来,配变的三相不平衡都不是主要的考察对象,所以对其的治理重视程度长期欠缺,导致治理措施缺乏目的性和针对性,从而当配变三相不平衡出现并越来越严重时,运行维护人员无所适从,导致相当数量的配电变压器长时间地运行在三相负荷极度失衡的状态下【】。如图所示,从配变监测系统中查看两个台区的负荷曲线,发现两个台区负荷分配不均,定期监测调整工作不到位,造成配电变压器长时间地在三相不平衡状态下运行。¨洲¨乱誓二一一。一一一一,尘。二一、?一甜 一一 图.负荷曲线.相负荷小,两相负荷相当次流:一?,一一/一一一?/、一”、。一、/一?一一一/?轴“ 图.负荷曲

32、线.相负荷小,相负荷大.单相用电设备影响单相用电线路中大多为家庭用户,此类用户中的照明电器和动力设备或者照明、动力混合设备占用电设备的大多数,而这些用电设备的负荷同时率一般较低,而且不同时段的用电存在很大差异,容易使变压器三相负荷失衡,加大第二章配电变压器三相不平衡的危害与现状分析治理难度。如图所示,该配变三相不平衡主要是由于单相用电负荷差异较大所致,从负荷曲线可发现相负荷在:至:期间增大,导致配变三相不平衡超标。移:删.瑰警三刍岳厂/ ,图.负荷曲线相负荷突增.电网格局不合理的影响由于居民用电的负荷发展是无序的,并且大部分为单相用电,导致配变台区对于三相电流失衡的问题难以进行合理的调整,这种

33、现象普遍存在偏远农村和城中村。解决这类问题的方法是对低压电网的布局进行彻底地改造,提高三相四线制供电的覆盖率,这样能大幅度改善线路的附加损耗、电压的质量和稳定性、低压电网的耐用性和安全性等问题。.临时用电及季节性用电影响临时用电和季节性用电都有一定的时间性,用电增容不收费后,但凡在生产的时节,农村里的单相水泵应用极为广泛,这些单相设备不仅位置分散,而且其用电时长和时段都难以把握,同时,三相负荷平衡分配的措施没能在治理上有所实现,又无法对此类用电进行监测以及及时对配变进行三相负荷平衡的调整,无论是启动还是停用此类设备,都影响到配变的三相负荷平衡程度,并且设备的容量越大,配变的三相负荷不平衡越严重

34、四。第三章治理措施的总体设计方案第三章治理措施的总体设计方案针对江西省配电变压器三相不平衡运行现状,为进一步提高配变台区的供电可靠性,延长配变使用寿命,提高配变出力,降低台区设备故障率,提高电压合格率和降低台区线损,制定配电变压器三相不平衡综合治理措施,抑制配电变压器三相不平衡。治理措施主要从管理和技术两个方面着手。.管理方面配电变压器三相不平衡管理措施贯穿配变台区的规划设计、施工、验收和运维等四个环节。.规划设计环节加强新建配变台区负荷相序分配管理,配变台区在规划设计阶段,应严格审查用户申报资料,尤其是负荷大小和负荷性质,预测负荷增长趋势,做好用户数量、负荷大小、负荷性质、班次安排等统计分析

35、工作,根据调研资料和数据,确定配变台区的布局位置和出线方式;建立负荷相序分配表,将各类用电性质的用户按照负荷大小均匀分配,从源头上抑制配电变压器三相不平衡。配变台区设计资料应包含配变一次接线图、低压线路的单线图和地理接线图和户变关系图。.施工环节低压线路、三相相序标示清楚,相序按照规定的顺序排列,施工时严格按照用户负荷相序分配表执行,严禁私自改变用户接入相别。.验收环节工程验收时依照用户负荷相序分配表,验收合格后相序分配表需存底备案,并移交至运维管理部门。.运行维护环节运维部门应加强配变三相不平衡监测和相序调整工作,针对运行中三相不平衡超标的配变,定期开展人工换相工作,监测数据应包含三相电压、

36、三相电流以及零线电流,数据应包含多个时刻的负荷数据,选取的监测时刻应具有代第三章 治理措施的总体设计方案表性,反映出用户的负荷特征,通过对负荷数据进行优化决策计算,获得最佳换相调整方案。运行监测管理加强配变运行监测管理,尤其是负荷高峰期,对负载率高的配变应缩短监测周期,避免配变因单相过载;针对三相不平衡配变,及时开展人工换相工作。台区变更管理加强各级低压分接箱管理,统一配备锁具,避免私自搭接更改线路和调整相别,任何台区线路变更、负荷调整以及相序调整应工作都应统一归口管理,并在台区变更记录上备案。线损管理由于配变三相不平衡运行状况直接影响台区线损,应当将台区线损指标分解到人,通过签订台区线损目标

37、责任书,定期统计上报报台区线损等工作,加强台区线路考核和管理力度,进一步降低配变台区线损。电压合格率管理由于配变三相不平衡运行状况直接影响台区电压合格率,应加强台区电压合格率监测工作,对电压监测设备、无功补偿装置加强巡视检查力度,合理调节配变分压档位,并做好相关的记录和设备台账管理工作。.技术方面目前配电变压器三相不平衡治理技术方面主要采用人工调整换相、三相不平衡补偿器和三相不平衡自动换相器。.三相不平衡补偿器配电变压器三相不平衡补偿器基于曲折接线变压器和无功分相补偿器,曲折接线变压器是一种三相绕组经过特殊方式连接而成的变压器,具有正序阻抗高,零序阻抗低等特点,可使零序电流经过曲折变压器而不再

38、通过中性线,曲折接线变压器主要补偿中线电流。无功分相补偿器主要平衡相间电流,提高配电变压器的功率因素,改善电压质量。因此,若配变台区的用户负荷特征较复杂,由于单相用户负荷差异较大造成三相不平衡,中性线电流超过额定电流的%和功率因数低于.等情况,考虑采用三相不平衡补偿器。第三章治理措施的总体设计方案中性线电流补偿器的主电路结构如图.,得益于曲折接线变压器内部形成的阻抗值极小的通路,逆变器可以通过曲折变压器将电流注入系统,起到补偿中性线的作用【】。由图.所示,逆变器处于曲折变压器的中性点和中性线之间,电压分量对称且都通往曲折变压器,因此逆变器所承受的仅仅是零序的电压分量加上、次的谐波电压,这样的好

39、处是使逆变器的输出电压很低,连直流侧的电容电压也可设置较低的值【。图.中性线电流补偿器原理图由上原理图可知,该补偿装置是由整流器为逆变器提供直流电源。若直流环节的电压过高,容易带来开关应力过大和增加损耗的问题。此补偿装置可以通过控制曲折变压器的变比来实现调节直流环节电压的目的【。另一方面,为了使补偿装置吸收有功功率后不至于直流电压过高,该补偿装置用可控开关替换二极管,这样使能量就能双向流动。虽然补偿装置中的整流器采用的是可控件,但其价格也较便宜。因为整流器只为逆变器补偿电流导致的有功功率流动和逆变器本身的损耗提供能量,同时,在电网的运行中,对电压的失衡和突变都有限制,导致逆变器的有功功率流动要

40、保持在较低的水平,所以可以采用容量较小、价格便宜的器件,例如开关的可控整流桥【。另外,若在曲折变压器的二次侧采用型接线,可以进一步节省成本。.补偿器的控制方法为简化控制系统,本论文运用电流滞环比较的方法对逆变器的电流进行调第三章治理措施的总体设计方案节,控制原理图如图.。图中:和分别表示补偿器的参考电流和逆变器的实际输出电流【。滞环比较器信号图.补偿器的逆变器电流控制原理参考电流是以不同的控制目标而设定不同的值。若要求逆变器补偿中线的所有电流,可以将参考电流的值设定为中线电流;若只要求补偿中线电流中的部分分量,可以将此分量单独检测出来,再将此分量作为参考电流。.整流器控制由于运用电流滞环比较的

41、方法对逆变器的电流实现控制,此方法的特点是对直流侧电压没有严格要求,因此直流电压的波动不会对补偿中线的电流产生过大的影响【。在整流器的控制上,本论文采用的是工频控制方法,目的是降低开关频率。各开关的触发脉冲的形成方法如图.所示。惜。咐;,图.开关的触发脉冲的形成方法由图.得知, ,。分别为整流器三相的线电压,必须始终在整流桥的输入端维持双向能量通道,来保证能量能够双向流动【】。此外,必须使整流桥的上部开关巧。,巧,巧,和下部开关巧:,巧。,巧。分别仅有不超过一个开关处于导通状态,以此避免整流器直流侧发生短路【。另外,连接在相同桥臂的个开关不能同时处于导通状态。如果上部开关或下部开关有多于一个的

42、开关被同时开通,则整流桥内部会发生三相交流系统的短路。因此,必须在开关交替切换的过程中设第三章治理措施的总体设计方案置合理的死区时间。如图.所示,就是为了设置死区时间而设计的。这种方法是通过模拟二极管的开关特性来进行控制,每个开关在每个工频周期内只开关次,因此开关的耗能小,且此控制方法容易实现。若整流器的直流侧需要高稳定性的直流电压,可以把整流器的控制方法调整为单位功率因数的整流,同时提高整流器的开关频率。.三相不平衡自动换相嚣三相不平衡自动换相器主要由主控制器和自动切换单元组成,主控制器采集三相电流和零线电流,计算出配电变压器不平衡度,根据变压器出口三相电流、零线电流,以及节点的接入相序和用

43、户负载情况,通过配电变压器平衡控制策略,获取最佳相别切换方案。通过自动切换单元切换用户的相别,减小三相电流不平衡带来的危害,使电网平稳运行,提高供电质量。目前国内切换开关的切换时间最快为一秒钟,即换相时将引起用户瞬时停电,因此,针对功率因数不低于.的配变台区,在对电压不敏感的用户节点上,考虑安装三相不平衡自动换相器。微功率无线通信?. ? ?.用户集裘箱 用户集表箱荦 用户集表输 用户集表箱霹图.三相不平衡自动换相器原理图第三章治理措施的总体设计方案三相不平衡自动换相器主要由主控制器和自动切换单元组成,主控制器采集配变出的三相电流和零线电流,根据设置的换相控制策略,通过自动切换单元调整单相用户

44、的用电相别,改善配电变压器的三相不平衡度,三相不平衡自动换相器原理如图.。.主控制器主控制器采集三相电流和零线电流,计算出配电变压器不平衡度,根据节点的接入相序和采集的用户负载情况,执行配电变压器平衡控制策略,选择出最佳的换相方案。通过换相,使三相的电流不平衡度降低,减轻配电变压器三相电流不平衡危害的影响,提高电力系统的稳定性,保证用户的用电安全。三相不平衡自动换相器的控制策略是基于用户负荷曲线相序平衡,在三相电流不平衡度和用户负载连接类型建立函数,通过优化方法搜寻到负载的最佳相序连接模式,从而使负荷电流的不平衡度达到最小的目的【】。.上,眈%,。,式中,眈,分别为口,相电流和三相平均电流的差

45、值。口, .眈.钟. 一.,。:盘掣 式中厶”,。分别为用户负载换相后通过三相潮流程序计算的口,相电流。行为安装自动换相器的用户数,为换相的开关次数。./式中,为第,个用户换相标记,若换相则为,不换相则为。在确保开关次数最小的情况下,满足设定的配变三相不平衡条件。三相负荷相序平衡是基于对负荷模式的研究来获得充足的改善电网稳定性的信息,并根据此信息进行决策。按照获得的用户负荷模式对用户进行负荷类第三章治理措施的总体设计方案型的分类,根据归类后的负荷模式曲线在特定的时间段对属于同一负荷模式类用户采取均衡分配连接方法达到三相负荷的平衡【】。基于负荷模式识别的相序平衡有几个原则:尽量在同一负荷模式下相

46、序平衡;对于每个用户在连续时间内要求开关换相次数和总开关次数尽可能的少;对于在同一负荷模式下无法做到平衡的,和其他负荷模式下用户综合平衡。控制策略采用模糊均值聚类算法的负荷模式识别,在采用模糊均值聚类前先消除负荷的数量级对模式分析产生的影响,通常采用极值将负荷序列归一化【。;:?,?,?,玎归一化后,数据在,】之间,用以提取负荷形态。算法通过求规划矩阵,和聚类中心,使聚类目标函数最小化【】,.厶,矿:主甜孑彰,.,”川式中为样本数据的个数,为加权指数通常为,为聚类中心数,或是样本点和聚类中心距离,模糊矩阵,矩阵的元素表示第,.,类的隶属度存在第/,.,个数据样本点。通过用户日或月负荷曲线对用户

47、负荷进行模式分类,将其属于相同负荷模式的用户负荷用优化算法寻找到最佳接入电网的相序方式,从而实现负荷端的就地分类分时平衡,从而在源头上最大程度减小配网的不平衡度。.自动切换单元自动切换单元对线路的电压、电流及漏电信息进行收集,运用通讯设备或无线电力载波模块,把收集到的电压、电流以及漏电信息上传到监控模块和主控制器。自动切换单元的作用主要是对三相负荷进行自动的平衡调整,按照所下达的指令对供电相别进行自动选择,同时也可针对过压、过流等故障对变压器进行保护;除此之外,还具有线路漏电保护的功能,防止人体触电的发生。第三章治理措施的总体设计方案切换开关是三相不平衡自动调节系统的执行设备,如图.,主回路三

48、极触头三组独立设计,零线无开关触点,采用高性能微控制器,工作时微控制器通过高低电平分析判断每一相的闭合和分断,任意两相之间不能同时导通,即任意时候最多只能一个输出高电平只能一极触头闭合,接受换相指令时先分断后闭合;功能单元也经微控制器模块通过信号采集模块的数据采集来分析运算,由微控制器发出指令控制主回路的分合实现电源、漏电、过载、电击等故障保护。其中负荷电流互感器用于检测实时负荷电流,通过检测到的实时负荷数据确定过电流保护,剩余电流互感器用于检测剩余电流,用于绝缘不好或电击引起的漏电信号经放大器放大后输入单片机,由微控制器再经计算分析鉴别控制漏电和电击保护,电压检测单元提供电源故障保护,通信单

49、元实现信息数据远程交换提供通道【】。图.自动换相单元原理图切换开关是自动切换单元的核心部件,目前国内厂家生产的切换开关采用机械式,主要性能参数如下:额定电压:电源侧为三相四线,负载侧为;额定频率:;额定电流:;控制电流可调额定剩余电流动作值: /分档可调;漏电分断时间:.;欠电压动作保护:%过电压动作保护:%换相时间:;第三章治理措施的总体设计方案图.自动换相器实物图.负荷分配及人工换相调整负荷的人工换相调整策略基于微分进化优化计算,选取该配变的若干单相用户,连续测量多个时刻配变三相不平衡和单相用户负荷的数据,监测时刻应具有代表性,能反映出用户的负荷特征,对测量数据进行优化决策计算,得出调整方

50、案。单相用户选取时应先考察用户的用电特征,分析造成配变三相不平衡的用户及其所处位置,选取不同用电特征的用户,通过不同用电特征用户之间的相序调整,改善配变三相负荷特征不一致的状况;另外换相调整主要集中在负荷最大和最小的相序上,因此在负荷最大和最小的相序上应选择用户数量更多、负荷更大的。.新建配变台区负荷分配根据低压单相用户的用电性质,将低压单相用户分为居民用户、工业用户和商业用户。如图.,居民用户的用电高峰时刻主要出现在.和。工商业用户的用电高峰和办公时间有密切关系,如图.,白班单位和企业的用电高峰时刻一般出现在:;如图.,晚班企业的用电高峰时刻出现在:,并一直持续到晚班结束,约为凌晨:倒班企业的日用电负荷波动不大,可见居民用户和工商业用户的用电特征上存在明显差异,工商业用户的负荷曲线和班次安排有直接关系。第三章治理措施的总体设计方案一次侧电流 ? 负荷高峰时刻出现在:和:图.居民用户.湖滨小区配变一次侧电流。.