低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置的研制

李偉忠

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局，廣東 梅州 514000）

0 引言

電壓質(zhì)量是電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，關(guān)系到電力用戶能否正常用電。電壓質(zhì)量通常從電壓幅值、電壓頻率以及電壓波形三項進(jìn)行考量[1]。其中電壓頻率較為固定，一般為50 Hz；電壓波形雖然難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，但波形只要不過度畸形就不影響低壓用戶正常用電[2]；而電壓幅值一旦過低，則會導(dǎo)致電壓有效值過低，此時將影響低壓用戶的正常用電。我國的低壓用電負(fù)荷逐年增加，隨著用電負(fù)荷不斷提高，供電電壓沿著供電線路逐步遞減，嚴(yán)重時將導(dǎo)致線路末端的電力用戶因電壓過低而無法正常用電[3]。再加上我國農(nóng)村人口眾多，農(nóng)村地區(qū)的低壓供電線路過長，這就進(jìn)一步加劇了農(nóng)村地區(qū)低壓線路末端的低電壓現(xiàn)象[4]。

為解決低壓線路末端低電壓問題，研制了一套低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置。現(xiàn)階段，10 kV電壓等級S9級以上的油浸式配電變壓器具有有載調(diào)壓的功能，低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置基于配電變壓器的有載調(diào)壓功能進(jìn)行開發(fā)，能夠根據(jù)低壓線路首端電壓和末端電壓的實際情況對配電變壓器進(jìn)行自動有載調(diào)壓，從而優(yōu)化低壓線路末端的電壓質(zhì)量，消除低壓線路末端的低電壓現(xiàn)象。

1 低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置設(shè)計

低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置主要由兩套電壓監(jiān)測裝置和一套擋位調(diào)節(jié)裝置組成。電壓監(jiān)測裝置圖如圖1所示。

圖1 電壓監(jiān)測裝置圖

電壓監(jiān)測裝置用于監(jiān)測線路電壓，其可根據(jù)安裝地點是線路首端還是線路末端設(shè)置成首端電壓監(jiān)測裝置或者末端電壓監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測首端電壓或者末端電壓。電壓監(jiān)測裝置主要由液晶顯示屏、信號燈、電源燈、固定螺母、按鍵模塊、微機模塊、變壓模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊組成，其中微機模塊、變壓模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和通信模塊置于裝置內(nèi)部。液晶顯示屏在無人為操作的情況下顯示監(jiān)測線路點的實時電壓，在工作人員的操作下，可以顯示首端電壓監(jiān)測模式或者末端電壓監(jiān)測模式的選擇過程。信號燈用于顯示電壓監(jiān)測裝置當(dāng)前的通信信號強度，通信信號強度正常則信號燈常亮，通信信號強度弱則信號燈不亮。電源燈用于顯示電壓監(jiān)測裝置的供電是否正常，裝置正常供電則電源燈常亮，裝置供電異常時則電源燈不亮。固定螺母用于鎖住插入電壓監(jiān)測裝置的電源進(jìn)線，在電壓監(jiān)測裝置的底部有4個插入口，分別是A相、B相、C相和中性線的電源進(jìn)線插入口，電源進(jìn)線一方面為電壓監(jiān)測裝置供電，另一方面作為裝置監(jiān)測電壓的采樣對象。按鍵模塊用于對電壓監(jiān)測裝置的電壓監(jiān)測模式進(jìn)行設(shè)置，從而將電壓監(jiān)測裝置設(shè)置成首端電壓監(jiān)測裝置或者末端電壓監(jiān)測裝置；按鍵模塊主要由上行鍵、下行鍵和確定鍵組成，分別控制選項的上下移動及選項確定。微機模塊是電壓監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)處理中心，用于處理采集的電壓信號以及按鍵模塊的輸入信號，并將處理結(jié)果輸出給液晶顯示屏顯示，并以無線通信信號發(fā)送給擋位調(diào)節(jié)裝置。變壓模塊將輸入裝置的220 V強電信號轉(zhuǎn)換成5 V的弱電信號，用于為電壓監(jiān)測裝置供電和便于后續(xù)電壓數(shù)據(jù)處理。AD轉(zhuǎn)換模塊用于將采集的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，便于微機模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通信模塊采用無線通信方式，通信模式為單工通信，用于向擋位調(diào)節(jié)裝置發(fā)送擋位調(diào)節(jié)信號，每一個電壓監(jiān)測裝置均有一個獨立的邏輯地址，只有邏輯地址讀取正確，才能正確讀取無線信號中的數(shù)據(jù)。

擋位調(diào)節(jié)裝置圖如圖2所示。

圖2 擋位調(diào)節(jié)裝置圖

擋位調(diào)節(jié)裝置主要由液晶顯示屏、信號燈、電源燈、固定螺母、按鍵模塊、操作臂、微機模塊、變壓模塊、通信模塊和舵機模塊組成，其中微機模塊、變壓模塊、通信模塊和舵機模塊置于裝置內(nèi)部。液晶顯示屏、信號燈、電源燈、固定螺母、按鍵模塊、微機模塊、變壓模塊的主要作用與電壓監(jiān)測模塊相似，在此不多贅述。操作臂可自由伸縮，其伸縮范圍為20 cm～1 m，可根據(jù)擋位調(diào)節(jié)裝置的安裝位置調(diào)節(jié)其長度，操作臂末端為卡口結(jié)構(gòu)，用于卡住分接開關(guān)的操作把手，舵機模塊連接著操作臂，控制操作臂上下移動，從而控制變壓器進(jìn)行調(diào)擋。擋位調(diào)節(jié)裝置底部的插入口為相線進(jìn)線口和中性線進(jìn)線口，其作用是通過變壓模塊變壓后為擋位調(diào)節(jié)裝置供電。通信模塊采用無線通信方式，通信模式為單工通信，用于接收電壓監(jiān)測裝置發(fā)送的擋位調(diào)節(jié)信號，為識別對應(yīng)的電壓監(jiān)測裝置，擋位調(diào)節(jié)裝置需手動輸入首端電壓監(jiān)測裝置和末端電壓監(jiān)測裝置的邏輯地址。

2 低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置硬件原理

低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置硬件原理圖如圖3所示。

圖3 低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置硬件原理圖

低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置硬件原理如下：電壓監(jiān)測裝置通過按鍵模塊輸入設(shè)置成首端電壓監(jiān)測裝置或末端電壓監(jiān)測裝置；擋位調(diào)節(jié)裝置通過按鍵模塊輸入對應(yīng)的首端電壓監(jiān)測裝置或末端電壓監(jiān)測裝置的邏輯地址，用于無線通信接收擋位調(diào)節(jié)信號；末端電壓監(jiān)測裝置通過電源進(jìn)線采集220 V模擬電壓信號，220 V模擬電壓信號通過變壓模塊降壓成5 V模擬電壓信號，再通過AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成5 V數(shù)字電壓信號，并輸入末端電壓監(jiān)測裝置微機模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；末端電壓監(jiān)測裝置微機模塊將處理后的結(jié)果輸出給液晶顯示屏顯示，并通過無線信號將擋位調(diào)節(jié)信號發(fā)送給擋位調(diào)節(jié)裝置微機模塊；首端電壓監(jiān)測裝置的硬件原理與末端電壓監(jiān)測裝置的硬件原理相同；擋位調(diào)節(jié)裝置微機模塊在接收到首端電壓監(jiān)測裝置和末端電壓監(jiān)測裝置的擋位調(diào)節(jié)信號后，控制舵機模塊操作操作臂對配電變壓器進(jìn)行有載調(diào)壓。

3 低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置軟件設(shè)計

配電變壓器有載調(diào)壓總共分為9個擋位，從低到高依次為-10%、-7.5%、-5%、-2.5%、0%、+2.5%、+5%、+7.5%、+10%。供電系統(tǒng)對正常電壓值的規(guī)定為-10%～+7%，對于有效值220 V的低壓交流電，對應(yīng)的正常電壓有效值為198～235.4 V，電壓低于198 V時，影響正常家用電器的使用，電壓超過235.4 V時，長時間運行容易造成家用電器燒毀。

在此定義末端電壓監(jiān)測裝置監(jiān)測的三相電壓值為UA0、UB0、UC0，首端電壓監(jiān)測裝置監(jiān)測的三相電壓值為UA1、UB1、UC1，配電變壓器有載調(diào)壓的擋位標(biāo)志值為sign，sign的取值從小到大依次為-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，依次代表配電變壓器有載調(diào)壓的9個擋位（-10%、-7.5%、-5%、-2.5%、0%、+2.5%、+5%、+7.5%、+10%）。低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置軟件流程圖如圖4所示。

圖4 低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置軟件流程圖

末端電壓監(jiān)測裝置監(jiān)測低壓線路末端的三相電壓，當(dāng)三相其中一相電壓低于198 V時，證明此時線路負(fù)荷過大，導(dǎo)致線路末端出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象。此時判斷首端電壓監(jiān)測裝置監(jiān)測的首端三相電壓是否存在任意一相電壓超過235.4 V，若首端電壓沒有超出正常電壓范圍，則sign自加1，擋位調(diào)節(jié)裝置利用舵機控制操作臂將配電變壓器的擋位調(diào)節(jié)至標(biāo)志值sign所對應(yīng)的擋位；然后重復(fù)判斷首端電壓監(jiān)測的電壓值是否存在超過235.4 V的情況，在首端電壓不超過235.4 V的情況下，盡可能提高配電變壓器的擋位，使末端電壓盡可能地增大，以滿足線路末端用戶的用電需求；當(dāng)提擋調(diào)壓至首端電壓存在一相電壓超過235.4 V時，首端電壓過高，首端電力用戶存在安全用電風(fēng)險，此時sign自減1，并將配電變壓器調(diào)節(jié)至sign值對應(yīng)的擋位。當(dāng)末端電壓在正常電壓范圍內(nèi)而首端電壓出現(xiàn)任意相超過235.4 V時，證明此時線路負(fù)荷正在減少，線路整體電壓值正在升高，此時sign自減1，配電變壓器調(diào)節(jié)至sign值對應(yīng)的擋位，并重復(fù)判斷首端電壓值是否存在超過235.4 V的現(xiàn)象，只要首端電壓值超出235.4 V，sign不斷自減，直至首端電壓在正常電壓范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

低壓配電線路末端電壓質(zhì)量優(yōu)化裝置基于配電變壓器的有載調(diào)壓功能進(jìn)行開發(fā)，由末端電壓監(jiān)測裝置、首端電壓監(jiān)測裝置和擋位調(diào)節(jié)裝置組成。末端電壓監(jiān)測裝置和首端電壓監(jiān)測裝置監(jiān)測低壓線路末端和首端的實時三相電壓值，在線路末端三相電壓中存在任意一相電壓低于198 V時，在首端電壓不超過235.4 V的情況下，擋位調(diào)節(jié)裝置對配電變壓器進(jìn)行有載調(diào)壓，從而提高線路末端電壓值，優(yōu)化低壓線路末端的電壓質(zhì)量，消除低壓線路末端的低電壓現(xiàn)象。