基于用戶(hù)用電體驗(yàn)的智能配電有載調(diào)壓變壓器研制

廖宇峰，何治安

（廣東電網(wǎng)廣州供電局，廣州 510900）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民生活水平不斷提高，對(duì)用電質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。2019年，某地區(qū)客戶(hù)提及“電壓不穩(wěn)”、“電壓低”的工單量分別同比上升了110%和50%。導(dǎo)致用戶(hù)電壓質(zhì)量達(dá)不到要求的主要原因是配電網(wǎng)中，季節(jié)性負(fù)荷變化大，線路供電半徑長(zhǎng)，三相負(fù)荷不平衡明顯，在高峰負(fù)荷期間，電壓波動(dòng)明顯，尤其是在線路末端容易產(chǎn)生電壓偏低[1-2]。當(dāng)前，解決上述問(wèn)題主要有以下幾種方式：一是新增臺(tái)區(qū)布點(diǎn)，縮短供電半徑；二是更換殘舊線路及適當(dāng)換大線徑，減少線路上電壓損失；三是調(diào)整臺(tái)區(qū)首段電壓。本文將主要研究第三種方式。

針對(duì)目前普遍使用的無(wú)勵(lì)磁油浸變壓器和干式變壓器，主要通過(guò)停電調(diào)整變壓器的分接頭來(lái)達(dá)到改變臺(tái)區(qū)首段電壓的目的。在負(fù)荷高峰期，適當(dāng)提高首段電壓，在負(fù)荷低谷期，要適當(dāng)降低首段電壓。一般情況下，一年需要調(diào)整兩次。這種方式雖然簡(jiǎn)單，但是不僅需要消耗大量的人力資源，而且，在用戶(hù)對(duì)供電可靠性要求越來(lái)越高的今天，這種方式無(wú)疑降低了用戶(hù)的用電體驗(yàn)。另外一種方式是在電壓波動(dòng)大的臺(tái)區(qū)使用有載調(diào)壓變壓器，通過(guò)檢測(cè)首段電壓的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器分接頭以達(dá)到改變臺(tái)區(qū)首段電壓的目的。這種方式可以節(jié)省人力，也無(wú)須停電，用戶(hù)用電不受影響，但是有載調(diào)壓變壓器比普通變壓器貴，一次投入成本相對(duì)較高。上述兩種方式都是通過(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)區(qū)首段電壓來(lái)改善末端電壓質(zhì)量，都有一定效果，但實(shí)際上，解決問(wèn)題都不徹底。因?yàn)樗鼈兌純H僅根據(jù)首段電壓的情況來(lái)調(diào)整變壓器的分接頭，而實(shí)際臺(tái)區(qū)用戶(hù)的電壓質(zhì)量如何并沒(méi)有掌握，而這恰恰是最應(yīng)該解決的問(wèn)題[3-4]。

本文主要設(shè)計(jì)一種新型智能配電有載調(diào)壓變壓器，根據(jù)用戶(hù)的電壓質(zhì)量來(lái)綜合自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變壓器分接頭，達(dá)到真正實(shí)時(shí)提升用戶(hù)電壓質(zhì)量的目的。

1 智能有載調(diào)壓變壓器

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，智能配電有載調(diào)壓變壓器主要由有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)裝置、配電變壓器本體、調(diào)壓控制裝置、電壓采集模塊、通信模塊等部分組成。

圖1 智能有載調(diào)壓變壓器總體結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的配電有載調(diào)壓變壓器不同，本文研究的智能有載調(diào)壓變壓器的調(diào)壓判據(jù)不僅是配變臺(tái)區(qū)首端是否合格，而是綜合考慮了用戶(hù)端的電壓合格情況，以用戶(hù)端電壓合格為首要，結(jié)合首端電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合判定，最后對(duì)變壓器的分接頭進(jìn)行合理調(diào)整[5]。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

（1）有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)

連接10 kV線路配電變壓器的高壓側(cè)，接收來(lái)自調(diào)壓控制裝置的命令，根據(jù)命令執(zhí)行有載調(diào)壓動(dòng)作。

本文采用的永磁真空調(diào)壓開(kāi)關(guān)，其額定電壓10 kV，最高電壓12 kV，最大額定通過(guò)電流50 A，支持有載調(diào)壓的高壓分接檔位為±2×2.5%，觸頭電阻25℃時(shí)高壓小于1 mΩ，電氣壽命不小于50 000次，機(jī)械壽命不小于100 000次。其主要特點(diǎn)包括采用真空滅弧室不污染變壓器油，可真正實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，調(diào)壓主開(kāi)關(guān)采用雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，儲(chǔ)能依靠外部配套高性能電容實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部無(wú)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，直線式傳動(dòng)，無(wú)拉簧、拐臂、齒輪等易損件，開(kāi)關(guān)壽命高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，體積緊湊。獨(dú)立油室，安裝于變壓器頂蓋外側(cè)，同變壓器本體油隔離。可選配遠(yuǎn)距離通訊配件，在遠(yuǎn)方進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及參數(shù)調(diào)整等操作。電氣壽命大于5萬(wàn)次，可做到與變壓器同壽命，壽命期內(nèi)免維護(hù)[6]。

（2）配電變壓器本體

配電變壓器本體與普通配電變壓器功能一致。

（3）調(diào)壓控制裝置

接收來(lái)自臺(tái)區(qū)首端及用戶(hù)端電壓采集模塊采集的電壓數(shù)據(jù)，按照約定的判據(jù)進(jìn)行綜合研判，然后輸出調(diào)壓動(dòng)作指令給有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

圖2 調(diào)壓控制流程圖

（4）電壓采集模塊

該模塊的主要功能是采集臺(tái)區(qū)首段的電壓及用戶(hù)點(diǎn)的電壓信息。臺(tái)區(qū)首端電壓采集模塊安裝在臺(tái)區(qū)，采集臺(tái)區(qū)首端輸出的三相電壓信息，通過(guò)RS485傳輸給調(diào)壓控制裝置。用戶(hù)端電壓采集裝置模塊安裝在用戶(hù)電能計(jì)量表計(jì)之前，采集用戶(hù)的進(jìn)線電壓信息，通過(guò)一定的通信方式傳輸給調(diào)壓控制裝置。該模塊包括數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路及通信電路[7-9]。

（5）通信模塊

該模塊的主要功能是將電壓采集模塊采集的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)約傳輸給調(diào)壓控制器。本文中的通信模塊主要包括兩個(gè)部分。一是傳輸臺(tái)區(qū)首段采集到的電壓數(shù)據(jù)，該部分使用的通信方式為RS485有線傳輸。二是傳輸用戶(hù)端采集到的電壓數(shù)據(jù)，該部分使用的通信方式為L(zhǎng)oRa。該通信方式成本低、可靠性高。其主要通信參數(shù)包括：工作頻段為470～510 MHz免費(fèi)頻段，通信信道16個(gè)，調(diào)制方式為L(zhǎng)oRa調(diào)制方式，同時(shí)兼容并支持GFSK、FSK等傳統(tǒng)調(diào)制方式。發(fā)射功率為19±1 dBm，接收靈敏度達(dá)-136±1 dBm，波特率可選1 200 bit/s、3 800 bit/s、7 500 bit/s，默認(rèn) 3 800 bit/s；最大通信距離為空曠條件2 000 m。

圖3 調(diào)壓原理圖

圖4 智能有載調(diào)壓變壓器成果圖

1.3 調(diào)壓原理

變壓器通過(guò)調(diào)壓開(kāi)關(guān)接入不同匝數(shù)的高壓繞組，調(diào)節(jié)匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)輸出電壓。以A相為例，調(diào)壓原理圖如圖3所示。各電壓分接檔位切換過(guò)程為：高檔時(shí)，K1-1接通、K2-1接通，N1段進(jìn)入帶電回路，輸出電壓Ua=UA·N0/N1；中檔時(shí)，K1-2接通、K2-1接通，N1段、N2段串聯(lián)進(jìn)入帶電回路，輸出電壓Ua=UA·N0/（N1+N2）；低檔時(shí)，K2-2接通，N1段、N2段、N3段串聯(lián)進(jìn)入帶電回路，輸出電壓Ua=UA·N0/（N1+N2+N3）。

2 智能有載調(diào)壓變壓器的實(shí)現(xiàn)

在臺(tái)區(qū)所有用戶(hù)中，選取有代表性的用戶(hù)進(jìn)行采集電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)各模塊的功能，設(shè)計(jì)出智能有載調(diào)壓變壓器如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，研制出的配電智能有載調(diào)壓變壓器如圖5所示。

圖5 智能有載調(diào)壓變壓器實(shí)物圖

3 智能有載調(diào)壓變壓器的應(yīng)用效果

該智能有載調(diào)壓變壓器研制成功后，于2019年11月底在某地區(qū)配網(wǎng)臺(tái)區(qū)掛網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

圖6 智能有載調(diào)壓變壓器臺(tái)區(qū)首段運(yùn)行電壓數(shù)據(jù)

圖7 智能有載調(diào)壓變壓器用戶(hù)端電壓數(shù)據(jù)

圖6 為該臺(tái)區(qū)在智能有載調(diào)壓變壓器安裝前后的運(yùn)行電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，使用智能有載調(diào)壓變壓器前，該臺(tái)區(qū)電壓合格率不高，更換為智能有載調(diào)壓變壓器運(yùn)行后，連續(xù)幾個(gè)月臺(tái)區(qū)首段電壓合格率均為100%。

圖7為該臺(tái)區(qū)在智能有載調(diào)壓變壓器運(yùn)行后用戶(hù)端檢測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)（之前因技術(shù)手段不足，未能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶(hù)端電壓數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)表明，用戶(hù)端的電壓數(shù)據(jù)均在合格的范疇。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前存在的用戶(hù)端電壓與臺(tái)區(qū)首端電壓難以同時(shí)合格的問(wèn)題，以滿(mǎn)足用戶(hù)用電體驗(yàn)為首要目標(biāo)，綜合考慮臺(tái)區(qū)首端電壓質(zhì)量，研制了一種智能配電有載調(diào)壓變壓器。該變壓器在獲取了用戶(hù)端的電壓數(shù)據(jù)后，與臺(tái)區(qū)首端電壓數(shù)據(jù)一起形成綜合判據(jù)，然后根據(jù)判斷結(jié)果，在不停電的情況下，自動(dòng)調(diào)整配變分接頭，實(shí)現(xiàn)了在滿(mǎn)足用戶(hù)用電需求的情況下，臺(tái)區(qū)首端電壓也合格的目標(biāo)。該變壓器還可以在原有普通油浸式變壓器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，節(jié)約投資成本。