Во многих странах мира электроснабжение потребителей от распределительных подстанций осуществляется по трехфазным четырехпроводным электрическим сетям на номинальных уровнях линейных/фазных напряжений 400/230 В с допустимым длительным отклонением ±10 % [1]. В низковольтных сетях благодаря простоте систем защиты преимущественно используется схемы одностороннего питания с радиально-магистральной конфигурацией [1, 2]. Для повышения надежности электроснабжения все большее применение находят сети многостороннего питания и со слабозамкнутой кольцевой конфигурацией, а также получаемые путем объединения этих сетей в сетчатые конфигурации [1, 2]. В таких схемах выключатели в точке токораздела являются нормально-разомкнутыми, т.е. питание является односторонним. При отключении питания от основного источника включается секционный аппарат. К низковольтным сетям подключаются многочисленные одно- и трехфазные потребители мощностью от десятков ватт до нескольких сотен киловатт с индивидуальным активным, активно-индуктивным или активно-емкостным характером электропотребления. Схемы подключения однофазных потребителей: фаза – нулевой провод, ,
. Трехфазные потребители подключают на фазные напряжения
,
,
с прямым
(
,
) и обратным
(
,
) чередованием фаз. Из-за неравномерного подключения однофазных и трехфазных потребителей к узлам и различия спроса на электроэнергию у этих потребителей в трехфазных сетях возникает нагрузочная несимметрия, которая приводит к несимметрии напряжения, завышенным техническим потерям в сети, к токовым повышенным нагрузкам в одной из фаз в линиях электропередачи. Более подробно с причинами возникновения и последствиями дисбаланса можно ознакомиться в [3].
Наименее затратным методом снижения дисбаланса фазных нагрузок является балансировка – переключение потребителей и ответвлений-фидеров с одной фазы на другую, по возможности, с равномерной загрузкой каждой фазы по данным о фактическом электропотреблении из сети [3]. Такое перераспределение можно осуществить по среднечасовым показаниям интеллектуальных счетчиков, установленных у потребителей. В связи с этим актуальна разработка методов балансировки нагрузки между фазами в электросети, приводящим к снижению несимметрии токов и потерь электроэнергии по показаниям интеллектуальных счетчиков.
Для решения задачи балансировки нагрузки фаз в низковольтных электросетях предлагается использовать модифицированный эвристический алгоритм [4]. Балансировку предлагается выполнять не по току нагрузки потребителя [3], а по мощности, передаваемой от узла питания фидера к потребителю
, которую можно рассчитать по измеренной мощности потребителя и модулю напряжений [5]:
, (1)
где – измеренная нагрузка фазы
потребителя
;
,
– измеренные модули напряжений у источника питания и у
- го потребителя фазы
относительно нейтрального провода.
Для каждого режима осуществляется выбор схемы подключения фаз однофазных потребителей и фаз
,
,
трехфазных потребителей к фазам электросети
,
,
в последовательности от узла
фидера к первому и от потребителя с наибольшей нагрузкой к потребителю с наименьшей нагрузкой в узле сети, так чтобы индекс небаланса в узлах
сети был минимальным
,
где ,
,
– мощности, передаваемые от узла питания 1 фидера в нагрузочный узел
сети, определяемые как сумма мощностей (1) потребителей подключенных к фазам
,
,
узла
;
– среднее значение мощности, рассчитываемое по формуле
.
Из множества полученных оптимальных для каждого режима схем подключения потребителей к фазам электросети выбирают наиболее часто используемую схему, которая будет применена при конфигурации подключений потребителей к электросети.
Результативность эвристического алгоритма балансировки нагрузки фаз иллюстрируется на примере магистрального фидера, рисунке 1, к фазам которого подключены 24 частных дома, имеющих однофазную и трехфазную нагрузки. На рисунке 1 рядом с номерами домов указаны фазы подключения нагрузок, для определения которых было проведено специальное исследование [6]. Узел 1 фидера на рисунке 1 является питающим, узлы 2 и 6 – транзитными, в фазах а и b узел 7 также транзитный. Таким образом, фазы а и b содержат по 7, а фаза с − 8 нагрузочных узлов. На опорах 3−5 и 8, 10, 11 магистрального фидера установлено по три счетчика, на опоре 7 − два, а на опоре 9 − четыре счетчика, по одному трехфазному счетчику установлено на опорах 8, 10, 11 и два на опоре 3, остальные счетчики однофазные. Учет потребляемой электроэнергии потребителями осуществляется установленными на опорах фидера интеллектуальными трехфазными и однофазными счетчиками, а измерение суммарной поступающей в фидер электроэнергии производится балансным трехфазным счетчиком. Дополнительно к измерениям потребляемой электроэнергии, используемые интеллектуальные счетчики выполняют измерения среднечасовых значений активной и реактивной мощности и модулей напряжений.
Рисунок 1 – Схема подключения потребителей к электросети до балансирования электрических нагрузок
Рисунок 2 – Среднечасовые значения модулей напряжений для фаз а, b, c в 11-ти узлах фидера для 168 срезов измерений
По недельным 168 измерениям напряжений и нагрузок, графики которых построены соответственно на рисунке 2 и 3, после балансирования нагрузок с помощью эвристического алгоритма выбрана новая схема подключения потребителей к фазам фидера на рисунке 4.
Рисунок 3 – Среднечасовые значения активных нагрузок для фаз а, b, c в 11-ти узлах фидера для 168 срезов измерений
Рисунок 4 – Схема подключения потребителей к электросети после балансирования электрических нагрузок
Сравнение графиков токов на рисунках 5 и 6 в наиболее нагруженной первой секции шин в фазах до и после балансирования показывает снижение токов нагрузки в фазе c и незначительное увеличение токов в фазах a и b. Максимальные токи в фазах первой секции шин до и после балансирования в среднем снизились на 9,04 А, а минимальные токи практически не изменились.
Рисунок 5 – Фазные токи в первой секции шин в срезах измерений от 169 до 744 до балансирования
Рисунок 6 – Фазные токи в первой секции шин в срезах измерений от 169 до 744 после балансирования
Рисунок 7 – Максимальные индексы небаланса токов в срезах измерений от 169 до 744 до и после балансировки
Максимальные индексы небаланса фазных токов в секциях фидера на рисунке 7, после балансирования снизились в среднем на 0,58.
Рисунок 8 – Токи в фазах сети и нулевом проводе в 169 режиме до и после балансирования
После балансировки профили фазных токов в секциях шин оказались близкими и подобными друг к другу, а ток в нулевом проводе стал ниже фазных токов. Для сравнения на рисунке построены профили фазных токов и тока в нулевом проводе до и после балансировки в 169 режиме.
Улучшились профили напряжений вдоль фидера. Например, в 169 режиме напряжение в фазе с, на рисунке 7, до балансировки нагрузки снижалось с 248,53 В (в первом узле) до 227, 98 В (в 11 узле), после балансировки до 232,54 В. Напряжение в фазе b в этом же режиме (см. рисунок 7) до балансировки с 242,28 В (в первом узле) снижалось до 238,38 В (в 8 узле) и возрастало до 240,69 В (в 11 узле), а после балансировки плавно снижается до 235,86 В.
Рисунок 9 – Профили напряжения в узлах сети в 169 режиме до и после балансирования
Рисунок 10 – Часовые потери электроэнергии (потери мощности) до и после балансировки нагрузки и при симметричной нагрузке
Потери электроэнергии, часовые значения которых построены на рисунке 10, в результате балансирования нагрузки снизились с 723,42 кВт×ч до 653,23 кВт×ч, т.е. на 9,7 %. Для сравнения при симметричной нагрузке потери снижаются до 607,03 кВт×ч, т.е. 16,09 %.
Дальнейшее снижения потерь обусловленных несбалансированностью фазных нагрузок возможно с помощью устройств симметрирования [3].
