移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置的研制

摘 要：10 kV配電線路末端低電壓現(xiàn)象是配網(wǎng)運(yùn)行中的常見問題。為解決10 kV配電線路末端低電壓問題，研制了一種移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置。該裝置采集10 kV配電線路的三相線電壓數(shù)據(jù)，并將所采集的線電壓數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的10 kV電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算出補(bǔ)償電壓的結(jié)果，最終依據(jù)補(bǔ)償電壓利用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并調(diào)節(jié)補(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比，使裝置輸出的電壓與10 kV配電線路的實際電壓進(jìn)行擬合，從而實現(xiàn)對10 kV配電線路電壓水平的動態(tài)調(diào)節(jié)，使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標(biāo)準(zhǔn)電壓，改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

關(guān)鍵詞：移動式；10 kV配電線路；低電壓；電壓補(bǔ)償

中圖分類號：TM761+.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0005-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.002

0" " 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國用電負(fù)荷也在激增。用電負(fù)荷過大時，極易導(dǎo)致電能質(zhì)量的下降，其中最明顯的電能質(zhì)量問題便是低電壓問題[1]。10 kV配電線路的末端極其容易出現(xiàn)低電壓問題，造成配電線路末端低電壓的因素有很多。例如上述用電負(fù)荷激增問題導(dǎo)致10 kV配網(wǎng)線路末端出現(xiàn)低電壓；或者由于10 kV配電線路過長，造成電能傳輸過程中在配電線路上的熱損耗過大，導(dǎo)致10 kV配電線路末端出現(xiàn)低電壓；另外，發(fā)電廠或變電站能源供應(yīng)不足時，也會造成10 kV配電線路末端出現(xiàn)低電壓[2-3]。10 kV配電線路一旦出現(xiàn)低電壓問題，將嚴(yán)重影響低電壓區(qū)域內(nèi)電力用戶的正常用電，影響供電的穩(wěn)定性和可靠性，甚至造成用戶的電氣設(shè)備損壞，導(dǎo)致不必要的索賠問題。目前，電網(wǎng)解決10 kV配電線路末端低電壓問題的主要措施是通過調(diào)節(jié)變電站主變壓器的檔位以提高10 kV配電線路的整體電壓水平[4]，但這種方法會直接導(dǎo)致10 kV配電線路出線首端的電壓水平偏高，存在極大的供電安全隱患。

為解決10 kV配電線路末端低電壓問題，研制了一種移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置。該裝置能采集10 kV配電線路的三相電壓數(shù)據(jù)，并將所采集的實際電壓數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的10 kV電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算出所需補(bǔ)償?shù)碾妷翰ㄐ危罱K依據(jù)計算結(jié)果利用發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，使所發(fā)電壓與10 kV配電線路的實際電壓進(jìn)行擬合，從而使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標(biāo)準(zhǔn)電壓，改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

1" " 移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置設(shè)計

如圖1所示，移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置由檢測單元和發(fā)電單元組成。檢測單元包含啟動按鈕、液晶顯示屏、電壓檢測按鈕、檢測用降壓變壓器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、微機(jī)模塊和可充電電源。發(fā)電單元包括發(fā)電機(jī)啟動按鈕、關(guān)機(jī)按鈕、電壓進(jìn)線端口、電壓出線端口、柴油發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償用降壓變壓器模塊。其中，啟動按鈕、液晶顯示屏、電壓檢測按鈕、發(fā)電機(jī)啟動按鈕、關(guān)機(jī)按鈕、電壓進(jìn)線端口和電壓出線端口安裝于裝置表面，檢測用降壓變壓器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、微機(jī)模塊、柴油發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償用降壓變壓器模塊和可充電電源安裝于裝置內(nèi)部。

啟動按鈕用于啟動整個裝置。液晶顯示屏用于顯示10 kV配電線路的實際電壓數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)所發(fā)電能的電壓數(shù)據(jù)（即補(bǔ)償電壓數(shù)據(jù)）和補(bǔ)償后的10 kV配電線路電壓數(shù)據(jù)。電壓檢測按鈕用于開啟裝置對10 kV配電線路電壓進(jìn)行檢測。發(fā)電機(jī)啟動按鈕用于啟動柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。關(guān)機(jī)按鈕用于關(guān)閉整個裝置，當(dāng)電壓補(bǔ)償發(fā)生特殊情況時，可通過該鍵立即停止檢測單元和發(fā)電單元的運(yùn)行。電壓進(jìn)線端口和電壓出線端口用于連接10 kV配電線路，將裝置所發(fā)電能輸送到10 kV配電線路上進(jìn)行擬合。檢測用降壓變壓器模塊連接于電壓出線端口處，用于將采集的10 kV配電線路電壓數(shù)據(jù)降壓成標(biāo)準(zhǔn)的5 V電壓，以供檢測單元進(jìn)行數(shù)據(jù)計算。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是將采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號。微機(jī)模塊是整個裝置的控制中心，用于處理采集的電壓數(shù)據(jù)，并輸出所需補(bǔ)償?shù)碾妷簲?shù)據(jù)。柴油發(fā)電機(jī)用于發(fā)電，所發(fā)電能的電壓等級為標(biāo)準(zhǔn)的10 kV電壓，其柴油加油口位于裝置表面。補(bǔ)償用降壓變壓器模塊是根據(jù)微機(jī)模塊輸出的補(bǔ)償電壓數(shù)據(jù)來調(diào)整其自身檔位，以保證補(bǔ)償后10 kV配電線路的電壓水平達(dá)到10 kV。可充電電源主要為檢測單元充當(dāng)電源，并且其可在柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電時進(jìn)行充電，以保證檢測單元的正常工作。

移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置的電壓進(jìn)線端口和電壓出線端口在與10 kV配電線路進(jìn)行串聯(lián)時采用六根電纜線路進(jìn)行連接。在裝置與線路的連接和斷開這兩個過程中均需提前斷開距離連接點最近的10 kV分接開關(guān)，避免電纜靠近10 kV配電線路時產(chǎn)生電弧，引起不必要的設(shè)備損傷和人身安全問題。

2" " 移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置硬件設(shè)計

移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置硬件原理圖如圖2所示。

10 kV配電線路沒有中性線，所以采集的10 kV電壓數(shù)據(jù)為線電壓數(shù)據(jù)。采集電壓數(shù)據(jù)時，連續(xù)采集10 ms內(nèi)的模擬電壓數(shù)據(jù)，之后間隔10 ms再采集下一組模擬電壓數(shù)據(jù)。移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置在采集到10 kV電壓數(shù)據(jù)后，經(jīng)檢測用降壓變壓器模塊進(jìn)行降壓，輸出幅值為5 V的模擬電壓數(shù)據(jù)。模擬電壓數(shù)據(jù)由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓數(shù)據(jù)輸入微機(jī)模塊進(jìn)行計算。將模擬電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓數(shù)據(jù)時，從第一個模擬電壓數(shù)據(jù)開始，以1 ms為間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換成11個數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，將這11個數(shù)字電壓數(shù)據(jù)作為一組完整數(shù)據(jù)儲存到寄存器中，以供微機(jī)模塊調(diào)用計算。微機(jī)模塊作為整個裝置的計算和控制中心，其接收電壓檢測按鈕和發(fā)電機(jī)啟動按鈕輸入的控制信號以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸入的數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)算法處理后向液晶顯示屏、柴油發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償用降壓變壓器模塊輸出相應(yīng)的控制信號或數(shù)據(jù)。

3" " 移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置軟件設(shè)計

定義detection為電壓檢測標(biāo)志，當(dāng)電壓檢測按鈕按下時，微機(jī)模塊將detection設(shè)置為1，即為高電平；start為發(fā)電機(jī)啟動標(biāo)志，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動按鈕按下時，微機(jī)模塊將start設(shè)置為1；只有按下關(guān)機(jī)按鈕，detection和start才會歸零變?yōu)榈碗娖?。UAB、UBC、UCA分別為移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置采集到的10 kV配電線路的三相線電壓的有效值，Umax為UAB、UBC、UCA三個線電壓有效值中的最大值，U補(bǔ)償為液晶顯示屏上顯示的補(bǔ)償電壓的有效值，U補(bǔ)償0為裝置首次對10 kV配電線路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電壓有效值，U補(bǔ)償1為裝置已對10 kV配電線路進(jìn)行首次補(bǔ)償后的動態(tài)補(bǔ)償下的補(bǔ)償電壓有效值，n0為裝置首次對10 kV配電線路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比，n1為裝置已對10 kV配電線路進(jìn)行首次補(bǔ)償后的動態(tài)補(bǔ)償下的補(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比。

微機(jī)模塊在處理一組數(shù)字電壓數(shù)據(jù)時，根據(jù)11個數(shù)字電壓數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的趨勢擬合成一個標(biāo)準(zhǔn)的余弦波形，并取該波形的幅值計算其有效值，以此方法分別推算出UAB、UBC、UCA。由于補(bǔ)償電壓與10 kV配電線路電壓的余弦波形頻率相同、相角相同、幅值不同，所以補(bǔ)償電壓與10 kV配電線路電壓進(jìn)行擬合時，兩余弦函數(shù)模型的疊加可簡化為其幅值的疊加，即等同于電壓有效值的疊加。基于上述原理，開發(fā)出一套10 kV配電線路低電壓動態(tài)補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型。移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置軟件流程圖如圖3所示。

首先判斷start是否等于1，start不等于1，則表示此時裝置并未對10 kV配電線路進(jìn)行補(bǔ)償。此時判斷detection是否等于1，當(dāng)detection等于1時，代表電壓檢測按鈕已按下，此時微機(jī)模塊開始對采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分別計算出UAB、UBC、UCA。接著將三個線電壓有效值中的最大值賦值給Umax，并計算出對應(yīng)的U補(bǔ)償0和n0。U補(bǔ)償0和n0的計算公式如下式所示：

U補(bǔ)償0=10-Umax，n0=

在計算出U補(bǔ)償0和n0后，將U補(bǔ)償0賦值給U補(bǔ)償，并在液晶顯示屏上顯示出UAB、UBC、UCA和U補(bǔ)償?shù)膶?yīng)數(shù)據(jù)。最后判斷start是否等于1，start等于1則表明發(fā)電機(jī)啟動按鈕已按下，此時啟動柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并將補(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比調(diào)節(jié)成n0。

若最初判斷的start等于1，則表示裝置已對10 kV配電線路進(jìn)行補(bǔ)償，此時對10 kV配電線路進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。首先微機(jī)模塊分別采集計算出UAB、UBC、UCA，并將這三個線電壓有效值中的最大值賦值給Umax，液晶顯示屏上更新顯示出UAB、UBC和UCA的對應(yīng)數(shù)據(jù)。接著判斷Umax是否大于11 kV，Umax不大于11 kV，則表示補(bǔ)償后的10 kV配電線路電壓值在安全運(yùn)行范圍內(nèi)，無須對補(bǔ)償電壓做出調(diào)整；Umax大于11 kV，則表示補(bǔ)償后的10 kV配電線路電壓值超出安全運(yùn)行范圍，需要對補(bǔ)償電壓做出調(diào)整。Umax大于11 kV時，微機(jī)模塊重新計算對應(yīng)的補(bǔ)償電壓U補(bǔ)償1和補(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比n1，U補(bǔ)償1和n1的計算公式如下式所示：

U補(bǔ)償1=10-Umax+U補(bǔ)償0，n1=

U補(bǔ)償1和n1計算完成之后，運(yùn)用有載調(diào)壓技術(shù)將補(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比調(diào)節(jié)成n1，以此將10 kV配電線路的電壓有效值重新調(diào)節(jié)成10 kV。最后將U補(bǔ)償1賦值給U補(bǔ)償，并在液晶顯示屏上更新顯示U補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。

4" " 結(jié)束語

移動式10 kV配電線路低電壓補(bǔ)償裝置通過采集10 kV配電線路三個線電壓有效值中的最大值Umax，并將Umax與標(biāo)準(zhǔn)的10 kV電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算出補(bǔ)償電壓有效值，最終依據(jù)計算結(jié)果利用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并調(diào)節(jié)補(bǔ)償用降壓變壓器模塊的變比，使裝置輸出的電壓與10 kV配電線路的實際電壓進(jìn)行擬合，從而實現(xiàn)對10 kV配電線路電壓水平的動態(tài)調(diào)整，使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標(biāo)準(zhǔn)電壓，改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

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收稿日期：2024-04-11

作者簡介：朱嘉?。?990—），男，廣東汕頭人，工程師，研究方向：配網(wǎng)自動化運(yùn)行管理。