新型低壓線路末端電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的研制

顏 勇，田 曉，陳 津，顏 麗，蘇 超

（1.國(guó)網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250021；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.山東康潤(rùn)電氣股份有限公司，山東 淄博 255000；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司曲阜供電公司，山東 濟(jì)寧 273100）

0 引言

供電電壓偏差是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，電壓質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性與電氣設(shè)備的使用壽命。近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，農(nóng)村地區(qū)用電負(fù)荷出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、供電能力不足等問(wèn)題開(kāi)始顯現(xiàn)，尤其是低壓線路末端低電壓?jiǎn)栴}較突出［1］。如何滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量日益增長(zhǎng)的較高要求是廣大配電網(wǎng)運(yùn)行管理工作者面臨的重要課題，因此必須對(duì)配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行深入的研究和治理，逐步消除低電壓?jiǎn)栴}［1］。

目前常規(guī)低電壓治理的方法主要有3種：一是加大電網(wǎng)改造投入，但該種方法資金投資較大，適用于負(fù)荷率較高、急需改造的地區(qū)；二是以變電站母線電壓為基準(zhǔn)，調(diào)整主變壓器有載分接開(kāi)關(guān)，但該方法不能保證線路電壓的穩(wěn)定；三是當(dāng)電網(wǎng)感性負(fù)荷較大時(shí)，通過(guò)投切電容來(lái)減少線路無(wú)功電流所引起的壓降，但其調(diào)壓范圍較?。?-5］。

研制新型低壓線路末端電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，在線路末端動(dòng)態(tài)疊加一個(gè)與線路電壓同相位、幅值自動(dòng)調(diào)節(jié)的電壓源，使得輸出電壓始終處于合格范圍內(nèi)，滿(mǎn)足GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》要求的198.0～235.4V，電壓保持在202～234 V內(nèi)。

1 新型低壓線路末端電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置設(shè)計(jì)原理

假設(shè)供電區(qū)域輸出電壓為220 V，由于供電半徑大及線徑過(guò)細(xì)等原因，線路末端電壓降為175 V。通過(guò)功率轉(zhuǎn)換裝置從系統(tǒng)的175 V電壓中獲取45 V電壓，再通過(guò)耦合裝置將45 V電壓耦合至副邊，此時(shí)出線電壓恢復(fù)至220 V。降壓同理，僅將原副邊的極性進(jìn)行調(diào)整。裝置設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 裝置設(shè)計(jì)原理

當(dāng)系統(tǒng)電壓降低或升高時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊調(diào)整到系統(tǒng)所需電壓，再通過(guò)耦合裝置將電壓與系統(tǒng)電壓疊加或相減從而達(dá)到電壓調(diào)整的目的。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

1.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

新型低壓線路末端電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電壓電流信號(hào)采集電路、中央處理器、人機(jī)界面、輸出控制回路、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換裝置、旁路、耦合裝置、智能電容綜合模塊等元器件構(gòu)成。

電壓電流信號(hào)采集電路。通過(guò)外部傳感器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。用于系統(tǒng)電壓、電流的采集。

中央處理器。依據(jù)所采集的系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，向輸出控制回路發(fā)出相應(yīng)的指令。并采集裝置及系統(tǒng)電壓、頻率、電流、有功功率、無(wú)功功率和開(kāi)關(guān)量等信息，與保護(hù)整定值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，即過(guò)壓、過(guò)流、速斷、自診斷、器件損壞等保護(hù)功能。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)

人機(jī)界面。用于參數(shù)的設(shè)置和數(shù)護(hù)的查詢(xún)、展示。

遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。用于數(shù)據(jù)的上傳、遙測(cè)、遙控、搖調(diào)及設(shè)備的遠(yuǎn)程升級(jí)。

功率轉(zhuǎn)換裝置。補(bǔ)償電壓幅值的調(diào)整機(jī)構(gòu)。

旁路。當(dāng)電壓合格時(shí)，將設(shè)備旁路，減少有功損耗。

耦合裝置。根據(jù)電壓調(diào)節(jié)要求，將補(bǔ)償電壓與系統(tǒng)電壓進(jìn)行疊加。

智能電容器綜合模塊。對(duì)線路及變壓器進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。裝置串聯(lián)在供電線路中，由檢測(cè)模塊采集進(jìn)出線電壓、電流信號(hào)，由控制器對(duì)其進(jìn)行分析處理，計(jì)算出當(dāng)前線路進(jìn)出線實(shí)時(shí)電壓、電流有效值、電壓、電流畸變率、有功、無(wú)功、視在功率等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互單元即顯示屏上。

1.2.2 裝置功能

中央處理器根據(jù)分析得到的線路實(shí)時(shí)電壓、電流的有效值，結(jié)合其內(nèi)置的電壓穩(wěn)定控制程序，快速、有效地跟蹤線路瞬時(shí)電壓，并在過(guò)零時(shí)刻精確地控制功率轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行升壓、降壓或者進(jìn)入旁路狀態(tài)。

裝置在運(yùn)行狀態(tài)下，如遇過(guò)載、欠壓、過(guò)壓等情況，還可進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，切換到旁路運(yùn)行。

裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊與后臺(tái)服務(wù)器建立連接后，其參數(shù)、動(dòng)作均可遠(yuǎn)程控制，并生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)表，為配電網(wǎng)精細(xì)化管理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

裝置輸入電壓超出GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)標(biāo)）范圍，則進(jìn)行電壓調(diào)整，使其輸出電壓滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求。具體調(diào)節(jié)過(guò)程如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)電壓降至額定電壓70%時(shí)，裝置通過(guò)功率轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償功能，補(bǔ)償電壓為46 V，極性與系統(tǒng)電壓一致，并通過(guò)功率耦合裝置將補(bǔ)償電壓迭加到系統(tǒng)電壓上，從而保證用戶(hù)側(cè)電壓達(dá)到額定電壓，即輸入電壓-30%Un～+10%Un范圍內(nèi)，輸出電壓保持在-10%Un～+7%Un范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)電壓過(guò)高時(shí)，功率轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換出所需補(bǔ)償電壓，且極性相反，再通過(guò)功率耦合裝置將補(bǔ)償電壓迭加到系統(tǒng)電壓內(nèi)，從而用戶(hù)側(cè)電壓變壓系統(tǒng)額定電壓。

圖3 裝置調(diào)節(jié)過(guò)程示意

2 新型調(diào)壓裝置優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的自耦變壓器也可實(shí)現(xiàn)末端電壓的提升，但其具有損耗大、體積大、重量大、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。

新型調(diào)節(jié)裝置耦合變壓器的主線圈在調(diào)壓器控制回路，副線圈串聯(lián)在配電網(wǎng)線路中，克服了傳統(tǒng)調(diào)壓器存在的以上問(wèn)題。

損耗小、體積小、重量輕。裝置只輸出ΔU×ΔI部分的功率，因而體積、重量大為降低；耦合變壓器采用了單段繞制方式，繞組匝數(shù)相應(yīng)減少一半。因此耦合變壓器比自耦變壓器的體積、重量、損耗都要顯著減少。

響應(yīng)速度快。由于采用了電力電子器件、高速CPU運(yùn)算，因而不受調(diào)壓次數(shù)的限制，跟蹤響應(yīng)速度極快，壽命無(wú)次數(shù)限制，使得末端電壓穩(wěn)定性大為提高，基本消除末端電壓逾限的情況［8-9］。

新型調(diào)節(jié)裝置耦合變壓器除上述優(yōu)點(diǎn)為，還安裝有大尺寸液晶屏，可以較好地對(duì)信息進(jìn)行展示，人機(jī)交互效果較好；采用模糊控制，電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較快，電壓調(diào)整范圍可根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際需求在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，并接受用戶(hù)高端定制；旁路的設(shè)計(jì)可有效保護(hù)裝置；裝置同時(shí)具備手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)2個(gè)模式，并具備遠(yuǎn)程通信功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2017年10月，某配變臺(tái)區(qū)由于用電負(fù)荷的增加，6戶(hù)居民入戶(hù)電壓合格率區(qū)間為50%～78%，嚴(yán)重影響居民生活用電。用戶(hù)負(fù)載功率約為20 kW，制定的改造方案是在6戶(hù)居民入戶(hù)表箱前端6 m處，加裝一臺(tái)低壓線路末端電壓調(diào)節(jié)裝置。該臺(tái)設(shè)備為單相裝置，調(diào)壓范圍為170～260 V，額定容量為20 kW，額定電壓為220 V，最大工作電流為91 A，具備無(wú)功補(bǔ)償功能。

圖4～6為治理前后電壓、電流波形對(duì)比及電壓合格率曲線。可以看出，設(shè)備投運(yùn)前，電壓合格率基本在50%～78%之間，自2017-11-19設(shè)備投運(yùn)后，電壓合格率提升至100%。

圖7、圖8為調(diào)壓裝置安裝后，12月份日均電壓曲線與電壓合格率曲線。由圖可知，裝置投運(yùn)后低電壓情況改善明顯，電壓均在合格范圍之內(nèi)。

圖4 治理前后電壓曲線對(duì)比

圖5 治理前后電流曲線對(duì)比

圖6 11月電壓合格率曲線

圖7 12月日均電壓曲線

圖8 12月份電壓合格率曲線

圖9為裝置功耗曲線，可以看出，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)故障或異常狀態(tài)，運(yùn)行噪音低，設(shè)備日功耗最小值為0.063 kWh，最大值為0.350 kWh，12月日均功耗為0.180 kWh，功耗較低。

圖9 12月裝置功耗曲線

4 結(jié)語(yǔ)

供電電壓偏差是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，隨著農(nóng)村地區(qū)用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，農(nóng)村配電網(wǎng)低壓線路末端低電壓?jiǎn)栴}尤為突出?，F(xiàn)有電壓調(diào)節(jié)裝置存在容易產(chǎn)生無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償或由于自身?yè)p耗過(guò)大影響實(shí)際使用效果的不足。為此，研制一種新型低壓線路末端電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，該裝置采用數(shù)字化智能處理器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流的有效值，并通過(guò)控制繼電器過(guò)零通斷，對(duì)補(bǔ)償電壓大小與極性進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)變壓器同頻、同相、正弦波疊加補(bǔ)償，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

低壓線路末端低電壓治理作為一個(gè)綜合性的問(wèn)題，應(yīng)以合理規(guī)劃、精益化管理、配電網(wǎng)升級(jí)等方面為主，進(jìn)行治理。使用技術(shù)手段治理時(shí)，應(yīng)綜合考慮治理裝置的噪音和自身?yè)p耗，及對(duì)臺(tái)區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、用戶(hù)使用感受所產(chǎn)生的影響。