一種基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)

潘凱寧，陳志峰，張紫凡，王玕，王智東

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026； 2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

引言

隨著山區(qū)居民生活水平的不斷提高，各種方便山區(qū)生活生產(chǎn)的用電設(shè)備逐步普及，推動(dòng)了居民群體的用電需求不斷升級(jí)[1-3]。而當(dāng)前山區(qū)配電網(wǎng)的供電水平相對(duì)滯后，由于山區(qū)電網(wǎng)線(xiàn)徑較小、迂回供電、供電半徑長(zhǎng)、多單相供電或布局不合理等因素，導(dǎo)致變壓器低壓線(xiàn)路末端電壓過(guò)低，低電壓?jiǎn)栴}頻頻出現(xiàn)，用戶(hù)電器設(shè)備不能正常使用，影響了用戶(hù)的正常生活生產(chǎn)，引起用戶(hù)投訴[4-8]。針對(duì)上述問(wèn)題，當(dāng)前調(diào)壓主要方式只是簡(jiǎn)單地調(diào)高配變二次電壓，不能及時(shí)掌握線(xiàn)路末端的電壓及調(diào)壓效果。為了有效提高線(xiàn)路末端電壓，本文設(shè)計(jì)一種基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓變壓器，有效改善山區(qū)電網(wǎng)線(xiàn)路末端低電壓?jiǎn)栴}。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)

電力物聯(lián)網(wǎng)是近年來(lái)的熱門(mén)技術(shù)，它是將具有感知的傳感器、監(jiān)控軟件和控制器有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，從而大幅提高工業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。

如圖1所示，在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，末端傳感器將采集到的各信息量送入電力智能電子設(shè)備，通過(guò)光纖、4G網(wǎng)絡(luò)等電力通信傳送至電力物聯(lián)網(wǎng)主站，主站檢測(cè)并判斷傳送的信息后，下發(fā)指令至執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)控操作。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)框架

在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面[9-15]：①傳感器技術(shù)：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需要更精確、更高效的傳感器。②數(shù)據(jù)高效集成與處理：電力系統(tǒng)存在的大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效匯集、處理和應(yīng)用。③通信技術(shù)：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)比傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)更快速、更先進(jìn)，因此需要更快速的通信技術(shù)來(lái)支撐。④有效的執(zhí)行與操作技術(shù)：電力控制命令的及時(shí)傳遞與執(zhí)行。⑤安全技術(shù)：安全是電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以通信網(wǎng)絡(luò)方式，代替了傳統(tǒng)電力“硬接線(xiàn)”方式，實(shí)現(xiàn)電力信息得以在更大范圍內(nèi)共享，但網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題也日益突出。隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，更多智能終端和靈活的電力通信設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本文將充分利用當(dāng)前電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，借助安全的電力無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，將配電網(wǎng)電壓電流等信息數(shù)據(jù)采集到SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)“變-線(xiàn)-戶(hù)”電壓情況的匯總， SCADA系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)掌握“變-線(xiàn)-戶(hù)”電壓參數(shù)，還能統(tǒng)一協(xié)調(diào)對(duì)“變-線(xiàn)-戶(hù)”電壓的控制，生成最優(yōu)調(diào)壓策略，完成配電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)電壓方案設(shè)計(jì)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 原理

國(guó)標(biāo)規(guī)定220 V供電電壓偏差允許值為（+7~-10）%，即調(diào)壓范圍（198 V≤Un≤235.4 V）電壓偏差允許值上限為235.4 V，電壓偏差允許值下限為198 V。由于用戶(hù)分散，山區(qū)配電線(xiàn)路普遍較長(zhǎng)，因此常存在線(xiàn)路首端電壓合格，但線(xiàn)路末端電壓偏低的現(xiàn)象。為提高線(xiàn)路末端電壓，常采用的方式是提高首端電壓，而首端電壓的幅值受到嚴(yán)格限制，即不可超過(guò)235.4 V。通常在山區(qū)配電線(xiàn)路中，即使首端電壓達(dá)到上限235.4 V，線(xiàn)路末端的電壓也經(jīng)常低于下限198 V；從而當(dāng)首端電壓低于上限電壓235.4 V時(shí)，末端則會(huì)出現(xiàn)新的低電壓，并低于原先電壓最低值；綜上可知，盡管把首端電壓合格的上限定為235.4 V，在實(shí)際中也難以滿(mǎn)足山區(qū)配電線(xiàn)路末端電壓高于198 V的要求。因此需要更加靈活的調(diào)壓方式。

為解決山區(qū)配電線(xiàn)路電壓合格率的問(wèn)題，本文提出一種變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓變壓器。該設(shè)備的調(diào)壓范圍為（Uc≤Un≤Ua），Ua的值根據(jù)不同情況確定，要求取值應(yīng)兼顧首端電壓和末端電壓，盡可能抬高末端電壓，同時(shí)確保首端電壓不至于太高，不會(huì)燒壞電器設(shè)備。

以220 V電壓合格率為例，本文提出的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓方案，首先按照國(guó)標(biāo)設(shè)置調(diào)壓范圍（198≤Un≤235.4）進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于末端電壓往往隨著首端電壓的升高等比升高，因此逐步調(diào)高首端電壓，使得末端電壓不斷靠近198 V的電壓值，并記錄調(diào)節(jié)過(guò)程中的電壓數(shù)據(jù)。當(dāng)首端電壓低于235.4 V；則在末端還可以調(diào)到更高的電壓；當(dāng)首端電壓已升至235.4 V，則停止調(diào)壓。

接著檢測(cè)國(guó)標(biāo)調(diào)壓后線(xiàn)路末端電壓值，當(dāng)線(xiàn)路末端仍然出現(xiàn)低電壓時(shí)，則選擇自定義調(diào)壓，調(diào)壓范圍為（260 V≤Un≤Um），Um的值根據(jù)不同情況確定。設(shè)Um=260 V；首端電壓從235.4 V開(kāi)始逐漸升高，末端電壓也逐漸升高，檢測(cè)并記錄此時(shí)首末端電壓值。當(dāng)末端電壓達(dá)到198 V時(shí)，如果此時(shí)首端電壓低于260 V；則在末端還可以調(diào)到更高的電壓；如果首端電壓U1高于260 V，則停止調(diào)壓。

2.2 方案實(shí)現(xiàn)

本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)圖如圖2所示。智能終端實(shí)時(shí)采集本地的變戶(hù)電壓信息，檢測(cè)后經(jīng)具有加解密安全功能的4G無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，將變戶(hù)電壓信息傳送至SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)匯總變戶(hù)電壓信息后，進(jìn)行變戶(hù)聯(lián)動(dòng)的調(diào)壓策略判斷，得到較優(yōu)的調(diào)壓結(jié)果，再次通過(guò)具有加解密安全功能的4G無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，將調(diào)壓指令發(fā)送至對(duì)應(yīng)的智能終端。智能終端接收來(lái)自于4G無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)壓指令，對(duì)其進(jìn)行安全解密后，確認(rèn)調(diào)壓信息的有效性，并執(zhí)行調(diào)壓命令。

圖2 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)

借助于電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，SCADA系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集配電線(xiàn)路聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以及用戶(hù)表計(jì)的電壓參數(shù)，然后對(duì)線(xiàn)路不同位置上安裝的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處的電壓參數(shù)以及調(diào)壓設(shè)備的裕度進(jìn)行比較運(yùn)算，生成最優(yōu)調(diào)壓策略。本裝置的調(diào)壓策略，是以臺(tái)區(qū)低電壓的值為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)線(xiàn)路首端電壓與臺(tái)區(qū)電壓以改變末端低電壓，周而復(fù)始，使得調(diào)壓與臺(tái)區(qū)低電壓產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓。

電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)通訊系統(tǒng)將電壓數(shù)據(jù)以及最優(yōu)調(diào)壓策略傳輸給SCADA系統(tǒng)。由SCADA系統(tǒng)給具體的寬幅調(diào)壓配變下達(dá)調(diào)壓指令，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能的具體思路是：戶(hù)表電壓采集器采集臺(tái)區(qū)內(nèi)所有戶(hù)表的電壓并傳輸給檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置檢測(cè)出其中最低的電壓U0；當(dāng)U0低于198 V，則認(rèn)定電壓過(guò)低需要啟動(dòng)調(diào)壓流程，調(diào)壓裝置對(duì)變壓器的二次電壓進(jìn)行調(diào)壓。其中調(diào)檔裝置由儲(chǔ)能彈簧驅(qū)動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

其中，調(diào)壓參數(shù)主要包括各個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處的最低電壓和最高電壓出現(xiàn)的時(shí)間、持續(xù)的時(shí)間、出現(xiàn)的周期、趨勢(shì)、規(guī)律、單位時(shí)間內(nèi)電壓的變化量△U/△t，以及其它戶(hù)表產(chǎn)生的低電壓現(xiàn)相關(guān)信息。

戶(hù)表電壓采集器采集臺(tái)區(qū)內(nèi)所有戶(hù)表的電壓并傳輸給檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置檢測(cè)出其中最低的電壓U0；當(dāng)U0低于198 V，調(diào)壓裝置對(duì)變壓器的二次電壓進(jìn)行調(diào)壓。自定義調(diào)壓的上限Um設(shè)定為一個(gè)區(qū)間（Um1≤Um≤Um2），根據(jù)不同的情況確定Um的值。

3 電壓調(diào)節(jié)流程實(shí)現(xiàn)

本文提出的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓針對(duì)配電網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行了流程優(yōu)化，使得所設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)流程具有簡(jiǎn)便性，具體如圖3所示。

圖3 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓流程

SCADA系統(tǒng)收集來(lái)自于智能終端關(guān)于配電網(wǎng)線(xiàn)路聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以及用戶(hù)表計(jì)的電壓數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，判斷線(xiàn)路最低電壓U0是否大于等于198 V，U0符合條件則說(shuō)明無(wú)低電壓現(xiàn)象出現(xiàn)，則不需調(diào)壓。

不符合條件則說(shuō)明需要啟動(dòng)調(diào)壓流程調(diào)整電壓。首先進(jìn)入以國(guó)標(biāo)調(diào)壓標(biāo)準(zhǔn)為本系統(tǒng)調(diào)壓范圍的流程，如經(jīng)過(guò)調(diào)壓，最低電壓U0升高至198 V及以上，則停止調(diào)壓。

如果以國(guó)標(biāo)為調(diào)壓范圍的調(diào)壓流程無(wú)法使最低電壓升至198 V及以上，則進(jìn)入自定義調(diào)壓過(guò)程。在自定義調(diào)壓流程中，首先系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的電壓數(shù)據(jù)以及上一次的調(diào)壓過(guò)程定義該次的電壓調(diào)節(jié)范圍，將電壓調(diào)節(jié)范圍適當(dāng)?shù)姆艑挘脤挿{(diào)壓配變調(diào)節(jié)配電線(xiàn)路的電壓幅值。如果經(jīng)過(guò)自動(dòng)化調(diào)壓流程后，低電壓?jiǎn)栴}得到了解決，則停止調(diào)壓。如若電壓仍不符合標(biāo)準(zhǔn)，則再次調(diào)整系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)范圍。

本文提出的調(diào)壓方式可達(dá)到在不損害用戶(hù)設(shè)備的前提下，使配電線(xiàn)路上的用戶(hù)盡可能的獲得質(zhì)量較高電能。

4 應(yīng)用

本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)，已在富含小水電的韶光山區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行示范應(yīng)用。在本系統(tǒng)投運(yùn)前，主要依靠各個(gè)變壓器自身特性和本地信息進(jìn)行電壓調(diào)壓，容易存在過(guò)調(diào)、欠調(diào)和頻繁調(diào)節(jié)等問(wèn)題，導(dǎo)致電壓波動(dòng)較大，部分時(shí)段過(guò)壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重，容易存在過(guò)壓燒壞電器等問(wèn)題。

采用基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)后，避免了僅依靠本地信息進(jìn)行調(diào)壓的傳統(tǒng)方法，通過(guò)安全的電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（具有加解密功能的4G通信網(wǎng)絡(luò)），實(shí)現(xiàn)了智能終端和SCADA系統(tǒng)變戶(hù)電壓信息的安全交互，并基于高效的變戶(hù)調(diào)壓策略，實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)壓，示范應(yīng)用效果實(shí)現(xiàn)了山區(qū)可靠、穩(wěn)定電壓供給，如圖4所示。

圖4 變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)調(diào)壓變壓器能夠?qū)Ξ?dāng)前狀況進(jìn)行智能研判，并為寬幅調(diào)壓配變下達(dá)正確的調(diào)壓指令，提高了山區(qū)配電系統(tǒng)的線(xiàn)路電壓合格率，避免了僅依靠調(diào)壓器自身特性的傳統(tǒng)調(diào)壓方法無(wú)法解決富含小水電等山區(qū)電壓波動(dòng)較大的問(wèn)題。

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶(hù)聯(lián)動(dòng)的調(diào)壓系統(tǒng)采用了電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電線(xiàn)路上隔離開(kāi)關(guān)以及用戶(hù)表計(jì)上采集到的電壓數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)查看、遠(yuǎn)程操作和協(xié)調(diào)控制功能。由于采用了自適應(yīng)的方式調(diào)整設(shè)備的調(diào)壓范圍，可以適應(yīng)山區(qū)電力用戶(hù)分散造成的配電線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)，造成的線(xiàn)路末端電壓過(guò)低的情況，使配電線(xiàn)路上的用戶(hù)盡可能的獲得質(zhì)量較高電能。