TW201807916A - 配電變壓器接線三相平衡相位調整方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置及方法，其主要係於配電變壓器之高壓側皆連接有自動化換相切換開關，再令該自動化換相切換開關連接至三相高壓配電饋線，而於該自動化換相切換開關則連接有微電子控制器，於正常供電情況下，該配電變壓器高壓側僅連接該三相高壓配電饋線單一相別，而利用該微電子控制器控制該自動化換相切換開關之切換；據此，利用微電子控制器控制自動化換相切換開關，以調控配電變壓器連接之相別，有效改善三相高壓配電饋線之三相不平衡情況，降低其三相電壓不平衡率，以可減少電能傳輸損失。

Description

配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置及方法

本發明係有關於一種配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置及方法，尤其是指一種利用微電子控制器控制自動化換相切換開關，以調控配電變壓器連接之相別，有效改善三相高壓配電饋線之三相不平衡情況，降低其三相電壓不平衡率，以可減少電能傳輸損失，而在其整體施行使用上更增實用功效特性之配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置及方法創新設計者。

按，電力系統於供電過程中，其會發生許多造成供電品質下降之問題，其中三相不平衡即為一大問題。

電力系統理論上為平衡三相電壓供電，三相電壓平衡定義為三相電壓大小相等且任兩相之相位需相差１２０度，若三相電源不符合這兩個條件之任何一項，均可稱為三相不平衡，而實際的電力系統往往受到用電負載類型差異、用電時間變化與供電型態等不同種類之因素影響，導致三相不平衡問題產生，當三相不平衡情況發生時，可能產生線路傳輸損失，使電網供電效能下降；此外，三相不平衡嚴重時會引起馬達等電機設備過熱、產生噪音、輸出轉矩降低，甚至造成設備燒損，大幅影響電機的運轉性能和壽命，導致保護電驛誤判，使電網供電穩定度下降。而三相不平衡的原因可大致分為下列因素：

1.阻抗不平衡因素：由於配電系統的線路規劃受到環境及用戶所在地的影響，配電系統結構需考量週遭地形及用戶需求限制，且需與客戶端互相配合進行設計，而線路架構除一般三相線路外，亦有單相及雙相線路進行用戶供電之架構，致使輸配電線路易產生三相不平衡；此外，各相饋線之間隔距離不相等會產生不同大小的互感，使饋線阻抗呈現非對稱性，縱使三相電流平衡，各相所產生的壓降也因而相異，致使受電端的三相電壓不平衡；另，配電變壓器之接線方式繁多，可能隨用電負載需求或保護系統可靠度要求而變，亦或隨饋線架構之不同，而有適應性的接線方式，將於供電時三相阻抗不均而呈現三相阻抗不對稱的情形，進而導致三相電壓不平衡問題產生。

2.負載不平衡因素：因用戶負載特性需考量用電時間、負載類型，而當三相系統需供給單相用電時，較容易造成不平衡情形發生；雖然可於規劃時儘量將負載均勻分配在各相饋線進行供電，但無法保證所有負載都於同一時間用電，於各類負載使用時間不相同的情況下，將容易導致各相供應負載量不盡相同，因而造成三相不平衡的現象發生。

3.故障不平衡因素：於線路上加裝電容器或靜態虛功補償器可有效補償虛部電流，降低饋線三相電流值，而可供併網之電容器有單相型電容器、Δ接線三相型電容器（５）［請參閱第七圖現有之Δ接線電力電容器示意圖所示］及Ｙ接線三相型電容器（６）［請參閱第八圖現有之Ｙ接線電力電容器示意圖所示］之分，Δ接線之電容器可以將諧波電流鎖於Δ迴路中，具有濾波的功能，而Ｙ接線則為目前國內配電系統主要採用之形式；當電容器遭受外力影響時，諸如雷擊或電流突波，可能造成電容器損毀故障，導致線路之三相虛功補償不均衡，造成高中性線電流及電壓變化等問題，不僅造成輸電損失，亦提升電力系統發生故障的可能性。

4.維護不平衡因素：配電線路執行維護、重構或故障隔離時，須先將原饋線上之負載轉由鄰近之其他饋線進行供電；執行負載轉供時，線路切換多為各相逐步進行，故於切換期間會造成相當大的中性線電流，此中性線電流因係切換過程產生，故持續時間短暫，但卻可能造成電驛判斷異常導致跳脫，進而影響供電品質與可靠度。

目前已有文獻提出裝設補償設備及採取適當控制策略，改進不平衡配電系統的電壓問題以增進供電品質；而該改善方式及其所面臨的難題如下所述：

1.增設配電變壓器：因國內主要採行開Ｙ－開Δ接線方式進行供電，該接線方式係由兩台配電變壓器組成三相接線供電，會造成較大之三相電壓不平衡率，故可再加裝一台配電變壓器，以構成完整三相接線，藉由增設變壓器，並將單相負載用電與三相負載用電分別由不同變壓器組供電，可有效改善三相電壓不平衡的問題；惟此改善策略尚需考慮電桿、導線及橫擔等擴建設備的投資，並需考量設置空間及民眾觀感等實務執行面所需面臨之難題。

2.調整配電變壓器連接相別：對配電系統內單一節點來說，因需同時供給三相及單相負載用電，故可能造成各相用電量不均的情況，進而導致三相不平衡的情形發生，而當高壓饋線各相的電流不均時，三相不平衡的情況將更加嚴重，因而可藉由調整國內系統使用之開Ｙ－開Ｄ配電變壓器的連接相別，以有效降低各相饋線負載量不均衡的程度，達成減緩三相不平衡問題的目標；惟此改善策略作業期間需將電源切斷以確保施工人員的安全，且可能造成用戶停電時間過久而付出高昂停電成本，此外，人工執行換相作業不僅需要付出較高人力成本實施，也無法隨負載使用時間的變化進行適應性調整。

3.裝設能源儲存系統：能源儲存系統係應用於當系統中饋線之負載量處於高峰時，釋放儲存的電能供給負載，以分擔饋線上的負載量，可促使各相饋線供應之負載量較為平衡，亦可降低各饋線尖峰時刻的供電量，使線路電流及壓降減低，因而有效改善系統之三相不平衡程度；然而，能源儲存系統及其相關控制技術目前尚未成熟，且能源儲存系統價格仍高，屬於先進電網設備，其實際應用效益有待商榷。

4.裝設靜態虛功補償器：三相不平衡的改善可藉由在配電系統之適當位置加裝靜態虛功補償器（７）［Ｓｔａｔｉｃ　Ｖａｒ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＶＣ］達成［請再參閱第九圖現有之靜態虛功補償器示意圖所示］，其主要由利用電力電子零組件（７１）、電容器（７２）及電抗器（７３）組成，靜態虛功補償器（７）可補償饋線虛功率，降低線路電流值，提高傳輸功率因數，減少線路損失，且亦可藉由靜態虛功補償器（７）調控饋線電壓，達成三相不平衡的改善；然而，靜態虛功補償器其價格昂貴，將大幅增加投資成本，此外，靜態虛功補償器尚有可能注入諧波電流到電力系統內的缺點。

而國內電業於配電系統運轉後，用以改善三相不平衡的方式，其主要係以人工執行配電變壓器連接相別的改接，藉此平衡饋線負載量，以降低三相電壓不平衡率；然而，該項作法將可能耗費較大之停電成本及人力成本，並且無法達成即時調整之目的。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之技術方法及缺失再予以研究改良，提供一種配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置及方法，以期達到有效改善三相不平衡的問題。

本發明之主要目的在於提供一種配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置及方法，其主要係利用微電子控制器控制自動化換相切換開關，以調控配電變壓器連接之相別，有效改善三相高壓配電饋線之三相不平衡情況，降低其三相電壓不平衡率，以可減少電能傳輸損失，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

其主要係於配電變壓器之高壓側皆連接有自動化換相切換開關，再令該自動化換相切換開關連接至三相高壓配電饋線，而於該自動化換相切換開關則連接有微電子控制器，於正常供電情況下，該配電變壓器高壓側僅連接該三相高壓配電饋線單一相別，而利用該微電子控制器控制該自動化換相切換開關之切換，且該自動化換相切換開關之切換係於電壓波形之零交越點時進行切換。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置，其中，該自動化換相切換開關為高功率之閘流體、功率電晶體任一種所組成。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置，其中，該自動化換相切換開關為功率電晶體時，為應用零電壓切換［ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＶＳ］、零電流切換［ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＣＳ］任一種柔切方法控制功率電晶體開關切換。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整方法之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

其主要係於配電變壓器之高壓側皆連接有自動化換相切換開關，令該自動化換相切換開關連接至三相高壓配電饋線，而於該自動化換相切換開關則連接有微電子控制器，利用該微電子控制器控制該自動化換相切換開關之切換，該微電子控制器之控制，係包含：

a.降低受控電力系統之最大電壓不平衡率評估指標：電壓不平衡率之計算方式則是考慮三相供電之線電壓做為依據，如下式所示：

其中｜Ｖ_ａｂ ｜、｜Ｖ_ｂｃ ｜、｜Ｖ_ｃａ ｜為三相系統之線電壓大小值，Ｖ_ａｖｇ 為三相線電壓平均值；

電壓不平衡率之改善，可等效為風險性評估指標，並可表示下式：

其中ｆ_１ （‧）為第一項評估指標，Ｎ_Ｂ 為安裝自動化相別切換開關之節點總數，Ｖ_ｉ ^ａｖｇ 表示為第ｉ個節點之三相線電壓平均值，Ｖ_ｉ ^ａｂ 、Ｖ_ｉ ^ｂｃ 、Ｖ_ｉ ^ｃａ 分別為第ｉ個節點三相之線電壓值；

b.降低受控電力系統之最大中性線電流值評估指標：中性線電流之改善與否可等效為安全性評估指標，並可將該評估指標表示如下式如示：

其中ｆ_２ （‧）為第二項評估指標，Ｉ_ｉ ^Ｎ 為第ｉ個節點之中性線電流，Ｉ_ｉ ^ａ 、Ｉ_ｉ ^ｂ 與Ｉ_ｉ ^ｃ 為第ｉ個節點之三相相電流，該目標亦為計算得到各節點的中性線電流值後，取系統之最大中性線電流值做為調控依據；

c.受控電力系統之供電電能損失評估指標：評估受控電力系統之供電電能損失，可等效為經濟性評估指標，並可將該評估指標表示如下式所示：

d.分析評估指標求得決策結果：經上述三個評估指標之分析，使該微電子控制器可有決策之依循性，求得適當決策結果，故目標函數可如下式所示：

其中，X_c 為待求解之控制變數所組成的向量，控制變數乃是由配電網路中所有需被調整相別之配電變壓器組成的集合，X_d 則為待求解之相依變數所組成的向量，係將控制變數代入系統進行潮流運算所得，相依變數為潮流運算後所得的各節點三相線電壓及三相相電流，w₁ 、w₂ 和w₃ 為考量之目標成分權重。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，該降低受控電力系統之最大電壓不平衡率評估指標，進一步考量配電網路之電力潮流需 符合電力供需平衡原則，配電網路電力潮流之供需平衡限制條件表示如下：

其中，Ｐ_ｉ＋１ 與Ｑ_ｉ＋１ 分別表示第ｉ＋１個節點流出之實功率與虛功率；Ｐ_{Ｌ，ｉ＋１} 與Ｑ_Ｌ，＋１ 分別表示第ｉ＋１個節點供應之實功率與虛功率；Ｖ_ｉ 為第ｉ個節點之電壓；Ｒ_{ｉ，ｉ＋１} 與Ｘ_{ｉ，ｉ＋１} 為連接第ｉ個節點與第ｉ＋１個節點之線路的電阻與電抗。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，該降低受控電力系統之最大電壓不平衡率評估指標，當電壓不平衡率過高時，係針對電壓不平衡率進行限制，電壓不平衡率之限制式表示如下式所示：

其中，（ＶＵ％）_ｉ 為第ｉ個節點之電壓不平衡率，由此式可知，各節點之電壓不平衡率均需小於（ＶＵ％）_ｍａｘ 上限值，將電壓不平衡率之限制規範設定為２％。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，降低受控電力系統之最大中性線電流值評估指標，於進行換相控制之潮流運算時，即融入中性線電流上限值之考量，以確保系統運轉安全度，此中性線電流之限制式可表示如下式所示：

其中，Ｉ_ｉ ^Ｎ 表示第ｉ個節點之中性線電流，且各節點之中性線電流值均需小於國內電業所規範之中性線電流上限值，其規範為中性線電流不可大於１２０安培。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，為確保電力系統之供電電壓穩定，避免電氣設備使用不適當電壓導致受損，故需限制三相相電壓維持在可行區間內，將三相相電壓限制式表示如下式所示：

其中，Ｖ_ｉ ^ａ 、Ｖ_ｉ ^ｂ 與Ｖ_ｉ ^ｃ 為第ｉ個節點之三相相電壓，Ｖ_ｉ ^ｍｉｎ 及Ｖ_ｉ ^ｍａｘ 為考量安全運轉之電壓最小值與最大值，將電壓運轉限制值設定為０﹒９５標么值至１﹒０５標么值間。

本發明配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，於電力系統中，各饋線均有其傳輸容量上限值，其對應之限制式如下式所示：

其中，Ｉ_ｌ ^ａ 、Ｉ_ｌ ^ｂ 與Ｉ_ｌ ^ｃ 為第ｌ條饋線之三相線電流，Ｉ_ｌ ^ｍａｘ 為第ｌ條饋線之額定容量，各線電流均需小於饋線可傳輸的額定值。

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

首先，由於國內配電網路裝設之配電變壓器主要採用開Ｙ－開Δ接線，以同時供應三相與單相負載用戶所需之用電量，請參閱第一圖本發明之架構示意圖所示，本發明主要係於配電變壓器（１）之高壓側皆連接有自動化換相切換開關（２），再令該自動化換相切換開關（２）連接至三相高壓配電饋線（３），該自動化換相切換開關（２）可為高功率之閘流體或功率電晶體所組成，而於該自動化換相切換開關（２）則連接有微電子控制器（４），於正常供電情況下，該配電變壓器（１）高壓側僅連接該三相高壓配電饋線（３）單一相別。

其中，由於功率電晶體開關導通瞬間或截止瞬間，功率電晶體開關仍同時存在電壓與電流，導致開關持續產生功率消耗，並易造成開關損壞，因此可應用零電壓切換［ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＶＳ］與零電流切換［ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＣＳ］等柔切方法控制功率電晶體開關，亦即於開關跨壓為零或無電流流經開關時，進行開關之切換，可有效降低開關切換期間所產生之切換損失。此外，由於交流電之電壓波形與電流波形均具有零交越之特性，亦即當電壓或電流波形由正半週轉變為負半週［正值變為負值］，或波形由負半週轉變為正半週［負值變為正值］之轉換期間，電壓或電流值將變為零，因此若於此零交越點進行開關切換的動作，能有助於降低開關切換期間所需承受之電壓應力。

該自動化換相切換開關（２）之切換，請再一併參閱第二圖本發明之偵測電壓波形零交越點示意圖所示，其係假設該三相高壓配電饋線（３）與該自動化換相切換開關（２）間係處於Ａ相開關導通，Ｂ、Ｃ相開關截止的狀態，此時該配電變壓器（１）供應的負載用電係由高壓側之Ａ相饋線供給，而當Ａ相饋線所傳輸的電流量較大，Ｃ相饋線較小時，此時欲將該配電變壓器（１）由Ａ相供電轉移至Ｃ相供電時，需分別偵測Ａ相與Ｃ相電壓波形之零交越點，接著再令該自動化換相切換開關（２）進行開關切換之動作，亦即需先於Ａ相之電壓零點時，給予Ａ相之該自動化換相切換開關（２）的功率電晶體或閘流體訊號，將其截止切離後，再迅速於Ｃ相之電壓零點時，給予Ｃ相之該自動化換相切換開關（２）的功率電晶體或閘流體訊號，將該自動化換相切換開關（２）導通使負載用電轉由Ｃ相供給，完成相別調整的程序。

該微電子控制器（４）之控制，則係先考量電壓不平衡率計算，本發明係採用國內電力公司主要採行美國電機製造協會［Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＮＥＭＡ］標準規範所定義的計算方式，其所採用電壓不平衡率之計算方式則是考慮三相供電之線電壓做為依據，如下式所示：

(1)

(2)

其中｜Ｖ_ａｂ ｜、｜Ｖ_ｂｃ ｜、｜Ｖ_ｃａ ｜為三相系統之線電壓大小值，Ｖ_ａｖｇ 為三相線電壓平均值，此計算方式為各線間電壓值與三相線間電壓平均值之差，取其中最大值與三相電壓平均值之比值。

再以降低受控電力系統之最大電壓不平衡率做為計畫之評估指標之一，而改善電壓不平衡，可降低電網設備運轉風險，避免用戶負載受到影響而失效，故電壓不平衡率之改善，可等效為風險性評估指標，並可表示下式：

(3)

其中ｆ_１ （‧）為第一項評估指標，Ｎ_Ｂ 為安裝自動化相別切換開關之節點總數，Ｖ_ｉ ^ａｖｇ 表示為第ｉ個節點之三相線電壓平均值，Ｖ_ｉ ^ａｂ 、Ｖ_ｉ ^ｂｃ 、Ｖ_ｉ ^ｃａ 分別為第ｉ個節點三相之線電壓值，該決策目標之運作方式，係計算得到各節點的電壓不平衡率後，取系統內最大電壓不平衡率作為目標函數值，再藉由智慧運算技術進行各配電變壓器之選擇以調控降低該值，則可有效降低系統整體電壓不平衡率，使輸配電系統運轉風險降低。

而該微電子控制器（４）之控制考量的第二項評估指標，係為降低受控系統之最大中性線電流值，中性線電流來自於三相系統Ｙ接線時，將各相之一端相連接構成中性接點，一般常將該中性接點連接於大地迴路，以導出諧波電流及三相不平衡電流避免電力系統發生供電問題及電力設備故障損壞，當三相電壓不平衡時，同時亦會造成中性線電流升高，進而增加系統電力傳輸損失，國內電業因採行開Ｙ－開Δ架構之接線方式同時供應三相負載及單相負載用電，因而容易因各相負載不平衡造成更高之中性線電流產生，其計算公式如下式所示：

(4)

其中Ｉ_ａ 、Ｉ_ｂ 及Ｉ_ｃ 分別為配電變壓器接線高壓側之三相相電流，Ｉ_Ｎ 即為中性線電流，當三相平衡時，因三相電流大小相等，各相角度彼此相差１２０度，故流經中性線之電流等於０。

中性線電流倘若過大，可能造成設備運轉損壞，亦可能會使保護系統跳脫，致使系統運轉安全受到影響，故中性線電流之改善與否可等效為安全性評估指標，並可將該評估指標表示如下式如示：

(5)

其中ｆ_２ （‧）為第二項評估指標，Ｉ_ｉ ^Ｎ 為第ｉ個節點之中性線電流，Ｉ_ｉ ^ａ 、Ｉ_ｉ ^ｂ 與Ｉ_ｉ ^ｃ 為第ｉ個節點之三相相電流，該目標亦為計算得到各節點的中性線電流值後，取系統之最大中性線電流值做為調控依據。

而該微電子控制器（４）之控制考量的第三項評估指標，係為評估系統之供電電能損失，藉由減少供電電能損失，可增加系統之供電運轉效益，使電業發電所需電量降低，進而減少發電成本，具經濟層面之效益，可等效為經濟性評估指標，並可將該評估指標表示如下式所示：

(6)

經上述三個評估目標之分析，可判斷是否有效達成系統運轉可靠度及運轉效能改善，並使該微電子控制器（４）可有決策之依循性，展現高效之改善效益，而該微電子控制器（４）之決策則除分別考慮各評估指標進行測試外，亦考慮於綜合三評估指標函數之間協調以求得適當決策結果，故目標函數可如下式所示：

(7)

其中，X_c 為待求解之控制變數所組成的向量，控制變數乃是由配電網路中所有需被調整相別之配電變壓器（１）組成的集合，X_d 則為待求解之相依變數所組成的向量，係將控制變數代入系統進行潮流運算所得，相依變數為潮流運算後所得的各節點三相線電壓及三相相電流，w₁ 、w₂ 和w₃ 為考量之目標成分權重，此係代表綜合決策時之各評估目標之重要程度。

另，配電網路之電力潮流需符合電力供需平衡原則，配電網路電力潮流之供需平衡限制條件表示如下：

(8)

(9)

其中，Ｐ_ｉ＋１ 與Ｑ_ｉ＋１ 分別表示第ｉ＋１個節點流出之實功率與虛功率；Ｐ_{Ｌ，ｉ＋１} 與Ｑ_Ｌ，＋１ 分別表示第ｉ＋１個節點供應之實功率與虛功率；Ｖ_ｉ 為第ｉ個節點之電壓；Ｒ_{ｉ，ｉ＋１} 與Ｘ_{ｉ，ｉ＋１} 為連接第ｉ個節點與第ｉ＋１個節點之線路的電阻與電抗。

又當電壓不平衡率過高時，不僅降低供電效能與穩定度，還可能導致用戶設備損壞，故需針對電壓不平衡率進行限制，以確保供電品質。電壓不平衡率之限制式表示如下式所示：

(10)

其中，（ＶＵ％）_ｉ 為第ｉ個節點之電壓不平衡率，由此式可知，各節點之電壓不平衡率均需小於（ＶＵ％）_ｍａｘ 上限值，而由分析國外電壓不平衡率之標準規範亦知，目前電壓不平衡率之規範大多以２％作為限制標準，故本發明於後續模擬分析之探討中，亦將電壓不平衡率之限制規範設定為２％。

電力公司之設計人員於規劃配電網路時，即需審慎考量中性線電流上限值，以避免系統誤判，導致保護電驛誤動作。故本發明進行換相控制之潮流運算時，即融入中性線電流上限值之考量，以確保系統運轉安全度，此中性線電流之限制式可表示如下式所示：

(11)

其中，Ｉ_ｉ ^Ｎ 表示第ｉ個節點之中性線電流，且各節點之中性線電流值均需小於國內電業所規範之中性線電流上限值，其規範為中性線電流不可大於１２０安培。

為確保電力系統之供電電壓穩定，避免電氣設備使用不適當電壓導致受損，故需限制三相相電壓維持在可行區間內，而本發明將三相相電壓限制式表示如下式所示：

(12)

其中，Ｖ_ｉ ^ａ 、Ｖ_ｉ ^ｂ 與Ｖ_ｉ ^ｃ 為第ｉ個節點之三相相電壓，Ｖ_ｉ ^ｍｉｎ 及Ｖ_ｉ ^ｍａｘ 為考量安全運轉之電壓最小值與最大值。國內電業之運轉電壓規範值，則將電壓運轉限制值設定為０﹒９５標么值至１﹒０５標么值間。

於電力系統中，各饋線均有其傳輸容量上限值，故三相線電流均需小於饋線所能承受的上限值，以避免饋線燒損，其對應之限制式如下式所示：

(13)

其中，Ｉ_ｌ ^ａ 、Ｉ_ｌ ^ｂ 與Ｉ_ｌ ^ｃ 為第ｌ條饋線之三相線電流，Ｉ_ｌ ^ｍａｘ 為第ｌ條饋線之額定容量，各線電流均需小於饋線可傳輸的額定值，故本發明將依據實際饋線之額定傳輸容量作為限制依據。

又，為利於相關人員評估經自動化換相切換開關（２）調控前及調控後之改善效能，因此提出一套適用於本發明配電變壓器（１）相別調整決策之數值評估方法，以作為相關人員判斷調控前後電網運轉效能改善程度，此數值評估表示式如下：

(14)

其中，Ｆ為經由演算法調控後所得之目標函數值，Ｆ_ｂ 為系統中之基準目標函數值，於上述中已建立經濟性、安全性及風險性等三個評估指標，而於(7)式中則建立於三指標間綜合評估之目標函數，本發明係以降低電壓不平衡率為主要考量，故將(7)式中ｗ_１ 、ｗ_２ 和ｗ_３ 等三個權重值分別設為０﹒４、０﹒３與０﹒３，俟於建立完成目標函數後，續將該式之綜合評估函數套入至(14)式中進行分數評估，經(14)式運算後乘上百分比即可得到該系統之綜合運轉效能評估，本發明即依照此評估指標予以提供目前運轉狀態之優良與否的相關資訊，當評估分數約為８０分以上時為系統調控後處於較佳之狀態，而６０分到８０分為一般狀態，６０分以下為較差之狀態。

使得本發明於操作使用上，其係假設該自動化換相切換開關（２）導通Ａ相與Ｂ相進行供電，而此時該配電變壓器（１）高壓側之Ａ相饋線供應的總負載量較Ｂ相饋線高，而Ｃ相饋線之負載量則較Ａ相與Ｂ相饋線輕，故為使各相饋線之負載量可平均分配，則需將此兩具該配電變壓器（１）的供電相別由Ａ相與Ｂ相調整為Ｂ相與Ｃ相。至於在調控此兩具該配電變壓器（１）所供電的相別之前，需先經該微電子控制器（４）依上述評估目標方式作判斷，以評估判斷完畢後，將該自動化換相切換開關（２）中之Ｂ相開關進行互鎖作業，亦即於換相作業時，僅能控制Ａ相與Ｃ相之功率電晶體開關，以避免兩具該配電變壓器（１）所連接之相別均連接至Ｂ相。待確認完此兩具該配電變壓器（１）可調控之相別後，則需分別偵測Ａ相與Ｃ相電壓波形之零交越點，接著再進行開關切換之動作，亦即需先將Ａ相之功率電晶體開關切離市電後，再將Ｃ相之功率電晶體開關閉合，即可完成換相調整之程序。

而本發明為驗證應用可行性，請參下列測試：

測試一：

首先僅以降低電壓不平衡率之評估指標評估相別調控前後之改善效能，並利用修正型ＩＥＥＥ　１３節點測試系統進行驗證，請參閱第三圖本發明之測試一系統線路示意圖所示，該系統可受換相調控之控制變數達到８個，使調控的所有可能組合數來到３^８ ＝６５６１種可能情形，首先利用窮舉搜尋法［ｅｘｈａｕｓｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ］進行驗證分析，得到最適應於該系統之最佳電壓不平衡率值，由表１可比較系統原始相別連接情形與經由窮舉搜尋法所獲得之最佳相別連接情形，其中６４５節點並無改變，而由表２所可知二次配電站所在之６７０節點進行供電的各相負載量，顯示經調控後各相負載量較為平衡，目標函數值有效降低，而且系統最大電壓不平衡率從２﹒３１％降低為０﹒３１％。 表１　考量改善電壓不平衡率之單目標調控結果表 表２　修正型１３節點系統改善結果比較表

接著將所採用之求解方法進行效能驗證分析，其中由第四圖本發明修正型１３節點系統各匯流排電壓不平衡率改善比較圖所示，可知調控前後系統各匯流排之電壓不平衡率已有改善。

測試二：

為評估多個運轉目標是否有助於提升系統整體改善效益，因而將電壓不平衡率、線路總損失及中性線電流等所提之三種目標函數同時納入考量。表３顯示部分節點經由調控改變所連接之相別，而由表４可知各目標對應之改善情形，顯示系統最大電壓不平衡率、系統最大中性線電流及系統電能損失均有效降低，再請一併參閱第五圖本發明於三目標考量下最佳調控策略之各節點電壓不平衡率結果比較圖所示，可知系統各節點之電壓不平衡率經調控後可獲得整體性之改善成效，此外，請再一併參閱第六圖本發明於三目標考量下最佳調控策略改善之各中性線電流結果比較圖所示，亦顯示配電站附近之源頭節點於負載不平衡之情形下中性線電流有較高的情形，而經由換相調控後亦可達成有效改善。 表３　三目標最佳智慧決策調控結果表 表４　換相調控改善效能比較結果表

藉由以上所述說明本發明之使用實施可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係利用微電子控制器控制自動化換相切換開關，以調控配電變壓器連接之相別，有效改善三相高壓配電饋線之三相不平衡情況，降低其三相電壓不平衡率，以可減少電能傳輸損失，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體方法，不僅未曾見諸於同類產品中，於申請前文獻中亦未發現有相同技術存在在先，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

（１）‧‧‧配電變壓器

（２）‧‧‧自動化換相切換開關

（３）‧‧‧三相高壓配電饋線

（４）‧‧‧微電子控制器

（５）‧‧‧Δ接線三相型電容器

（６）‧‧‧Ｙ接線三相型電容器

（７）‧‧‧靜態虛功補償器

（７１）‧‧‧電力電子零組件

（７２）‧‧‧電容器

（７３）‧‧‧電抗器

第一圖：本發明之架構示意圖

第二圖：本發明之偵測電壓波形零交越點示意圖

第三圖：本發明之測試一系統線路示意圖

第四圖：本發明修正型１３節點系統各匯流排電壓不平衡率改善比較圖

第五圖：本發明於三目標考量下最佳調控策略之各節點電壓不平衡率結果比較圖

第六圖：本發明於三目標考量下最佳調控策略改善之各中性線電流結果比較圖

第七圖：現有之Δ接線電力電容器示意圖

第八圖：現有之Ｙ接線電力電容器示意圖

第九圖：現有之靜態虛功補償器示意圖

Claims (9)

1. 一種配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置，其主要係於配電變壓器之高壓側皆連接有自動化換相切換開關，再令該自動化換相切換開關連接至三相高壓配電饋線，而於該自動化換相切換開關則連接有微電子控制器，於正常供電情況下，該配電變壓器高壓側僅連接該三相高壓配電饋線單一相別，而利用該微電子控制器控制該自動化換相切換開關之切換，且該自動化換相切換開關之切換係於電壓波形之零交越點時進行切換。
2. 如申請專利範圍第１項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置，其中，該自動化換相切換開關為高功率之閘流體、功率電晶體任一種所組成。
3. 如申請專利範圍第１或２項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整裝置，其中，該自動化換相切換開關為功率電晶體時，為應用零電壓切換［ｚｅｒｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＶＳ］、零電流切換［ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＣＳ］任一種柔切方法控制功率電晶體開關切換。
4. 一種配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其主要係於配電變壓器之高壓側皆連接有自動化換相切換開關，令該自動化換相切換開關連接至三相高壓配電饋線，而於該自動化換相切換開關則連接有微電子控制器，利用該微電子控制器控制該自動化換相切換開關之切換，該微電子控制器之控制，係包含： a、降低受控電力系統之最大電壓不平衡率評估指標：電壓不平衡率之計算方式則是考慮三相供電之線電壓做為依據，如下式所示： 其中｜Ｖ_ａｂ ｜、｜Ｖ_ｂｃ ｜、｜Ｖ_ｃａ ｜為三相系統之線電壓大小值，Ｖ_ａｖｇ 為三相線電壓平均值； 電壓不平衡率之改善，可等效為風險性評估指標，並可表示下式： 其中ｆ_１ （‧）為第一項評估指標，Ｎ_Ｂ 為安裝自動化相別切換開關之節點總數，Ｖ_ｉ ^ａｖｇ 表示為第ｉ個節點之三相線電壓平均值，Ｖ_ｉ ^ａｂ 、Ｖ_ｉ ^ｂｃ 、Ｖ_ｉ ^ｃａ 分別為第ｉ個節點三相之線電壓值； b.降低受控電力系統之最大中性線電流值評估指標：中性線電流之改善與否可等效為安全性評估指標，並可將該評估指標表示如下式如示： 其中ｆ_２ （‧）為第二項評估指標，Ｉ_ｉ ^Ｎ 為第ｉ個節點之中性線電流，Ｉ_ｉ ^ａ 、Ｉ_ｉ ^ｂ 與Ｉ_ｉ ^ｃ 為第ｉ個節點之三相相電流，該目標亦為計算得到各節點的中性線電流值後，取系統之最大中性線電流值做為調控依據； c.受控電力系統之供電電能損失評估指標：評估受控電力系統之供電電能損失，可等效為經濟性評估指標，並可將該評估指標表示如下式所示：d.分析評估指標求得決策結果：經上述三個評估指標之分析，使該微電子控制器可有決策之依循性，求得適當決策結果，故目標函數可如下式所示：其中，X_c 為待求解之控制變數所組成的向量，控制變數乃是由配電網路中所有需被調整相別之配電變壓器組成的集合，X_d 則為待求解之相依變數所組成的向量，係將控制變數代入系統進行潮流運算所得，相依變數為潮流運算後所得的各節點三相線電壓及三相相電流，w₁ 、w₂ 和w₃ 為考量之目標成分權重。
5. 如申請專利範圍第４項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，該降低受控電力系統之最大電壓不平衡率評估指標，進一步考量配電網路之電力潮流需 符合電力供需平衡原則，配電網路電力潮流之供需平衡限制條件表示如下： 其中，Ｐ_ｉ＋１ 與Ｑ_ｉ＋１ 分別表示第ｉ＋１個節點流出之實功率與虛功率；Ｐ_{Ｌ，ｉ＋１} 與Ｑ_Ｌ，＋１ 分別表示第ｉ＋１個節點供應之實功率與虛功率；Ｖ_ｉ 為第ｉ個節點之電壓；Ｒ_{ｉ，ｉ＋１} 與Ｘ_{ｉ，ｉ＋１} 為連接第ｉ個節點與第ｉ＋１個節點之線路的電阻與電抗。
6. 如申請專利範圍第４項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，該降低受控電力系統之最大電壓不平衡率評估指標，當電壓不平衡率過高時，係針對電壓不平衡率進行限制，電壓不平衡率之限制式表示如下式所示：其中，（ＶＵ％）_ｉ 為第ｉ個節點之電壓不平衡率，由此式可知，各節點之電壓不平衡率均需小於（ＶＵ％）_ｍａｘ 上限值，將電壓不平衡率之限制規範設定為２％。
7. 如申請專利範圍第４項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，降低受控電力系統之最大中性線電流值評估指標，於進行換相控制之潮流運算時，即融入中性線電流上限值之考量，以確保系統運轉安全度，此中性線電流之限制式可表示如下式所示：其中，Ｉ_ｉ ^Ｎ 表示第ｉ個節點之中性線電流，且各節點之中性線電流值均需小於國內電業所規範之中性線電流上限值，其規範為中性線電流不可大於１２０安培。
8. 如申請專利範圍第４項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，為確保電力系統之供電電壓穩定，避免電氣設備使用不適當電壓導致受損，需限制三相相電壓維持在可行區間內，將三相相電壓限制式表示如下式所示：其中，Ｖ_ｉ ^ａ 、Ｖ_ｉ ^ｂ 與Ｖ_ｉ ^ｃ 為第ｉ個節點之三相相電壓，Ｖ_ｉ ^ｍｉｎ 及Ｖ_ｉ ^ｍａｘ 為考量安全運轉之電壓最小值與最大值，將電壓運轉限制值設定為０﹒９５標么值至１﹒０５標么值間。
9. 如申請專利範圍第４項所述配電變壓器接線三相平衡相位調整方法，其中，於電力系統中，各饋線均有其傳輸容量上限值，其對應之限制式如下式所示：其中，Ｉ_ｌ ^ａ 、Ｉ_ｌ ^ｂ 與Ｉ_ｌ ^ｃ 為第ｌ條饋線之三相線電流，Ｉ_ｌ ^ｍａｘ 為第ｌ條饋線之額定容量，各線電流均需小於饋線可傳輸的額定值。