饋線自動調壓器設計方法研究

鄭建華，張慶磊，王寶華

（1.江蘇昆山供電公司 江蘇 昆山 215300；2.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094）

經過農網改造工程后，農村配電網絡有了很大的改善，但是受到地形地貌、投資規模的限制，布點不合理，致使部分10 kV輸電線路的供電半徑超出了合理范圍[1]。隨著季節、晝夜的變化，電壓波動大，造成了電能質量不合格、線損較大等問題，嚴重影響了農民生活、生產[2-3]。為此，論文設計了一種新型的調壓裝置：饋線自動調壓器。

1 調壓器工作原理

自動調壓器是一種自動跟蹤輸入電壓變化而保證其輸出電壓穩定的裝置，可以廣泛運用于6 kV、10 kV以及35 kV供電系統中，在20%的范圍內對輸入電壓進行自動調節[4]。設備安裝在距線路首端1/2處或2/3處，可以使線路的電壓質量得到保證，對于主變不具備有載調壓的變電站，也可以將自動調壓器安裝在變電站主變出線側，實現有載調壓[5]。變壓器二次側有若干抽頭，利用單片機控制晶閘管開斷來提供不同等級的電壓調節，從而實現饋線調壓的目的[6-8]。

2 調壓器檔位動作電壓整定

饋線調壓器可以針對不同的負荷情況進行檔位調整，根據線路電壓改變變比，從而達到調壓的目的，其擁有7個檔位，30%的調壓范圍，使調壓器可以很好地適應農村調壓要求。

2.1 調壓器檔位電壓整定原理

受到負荷波動的影響，線路末端的電壓會發生變化，針對不同的電壓降落，必須調整調壓器的檔位設置。圖1描述了一個典型的農村輸電模型。其中線路長度設為L km，線路末端功率設為S=P+jQ MVA。

圖1 農村輸電線路Fig.1 Rural power system

對換擋的要求：保證線路末端電壓在7%的變化范圍內；一般情況下不能越級換擋；換擋次數應盡可能的少。

假設變比為K，線路首端電壓為U0，末端電壓為U1，調壓器輸入電壓為Uin，輸出電壓為Uout，且 Uout=KUin。

根據模型，有以下等式：

其中ΔU1為調壓器安裝點到線路末端的電壓降，x為調壓器安裝點到首端的距離，且有：

（U0-Uin）是線路首端到安裝處的壓降是調壓器安裝處前后的線路電壓等級比。令=Kt，代入得：

其中線路末端電壓U1需滿足約束條件9.7

即：

2.2 整定舉例

從式（5）可以看出，實際上檔位動作的整定只和調壓器輸入電壓Uin和調壓器安裝處距離與線路長度比Kt有關，而無需測得線路末端的實際負荷，這樣大大簡化了實際工程的難度。

以某實際輸電線路為例，仍然采用圖1所示的模型，輸電線路長度為20 km，調壓器通常安裝在線路中間，這里取距線路首端距離x=9 km，Kt=，代入式（5）可得：

對所有檔位進行分析，如表1所示。

表1 檔位與變比Tab.1 Tap change and transformer ratio

對某一個檔位，滿足末端電能質量要求的輸入電壓范圍，其范圍上下限就是該檔位的動作電壓（換擋電壓）。每一個檔位都有自己相對應的動作電壓，在數軸上可以更直觀地看出這一關系。

圖2 檔位控制Fig.2 Control of taps

其中1檔空置，因為在正常情況下，輸入電壓不會超過2檔的上限。1檔可以作為特殊運行條件時的檔位，例如單相接地短路情況下的帶故障運行。下面就是檔位到達動作電壓時，切換的情況：

需注意的是4檔降檔時，直接降到2檔，因為3、4兩檔的動作下限較近，若電壓變化較大，則可能4檔降到3檔后又必須立即降到2檔，增加了動作次數。所以為了降低動作次數，允許跨級換擋。

3 換檔控制器設計

目前普遍采用的換擋做法是電機帶動檔位開關閘刀的移動，但如何做到保證電機轉動的快速、準確始終是一個問題。為了達到更好的控制效果，論文采用晶閘管控制系統。

3.1 晶閘管控制原理

晶閘管是可以用來實現利用弱電流控制大功率電路，饋線調壓器使用了7對雙向晶閘管來控制檔位，如圖2所示，每對晶閘管連接了變壓器不同的繞組，從而對應不同的變比。

圖3 晶閘管控制檔位Fig.3 Tap controlled by thyristor

3.2 單片機換檔控制器設計

雙向晶閘管的控制只需要TTL門電路電壓驅動即可，可以直接與單片機的輸出口相連，為了節約輸出端口，只使用3個端口，外接3-8譯碼器以驅動7個檔位控制如圖3所示。

圖4 單片機控制晶閘管Fig.4 Single chip processor drive thyristor

4 智能控制系統的設計

對于一個帶控制芯片的調壓器來說，僅有自動調壓功能是不夠的，也沒有充分利用單片機的性能，一個完整的控制系統如圖4所示，其還包含鍵盤輸入、顯示電路、無線通信、外部時鐘、外部存儲以及故障保護。

圖5 系統硬件結構圖Fig.5 Structure diagram of the hardware system

鍵盤輸入可以對程序進行調整，無線通訊可以對調壓器的運行進行實時監控，外部時鐘保證在單片機掉電的情況下仍然可以記錄時間，外部存儲可以安全的存儲大量的系統運行數據以便后續研究，故障保護可以使單片機在非正常運行條件下進入特殊運行模式來滿足輸電任務要求，并在故障條件下保護單片機不受損害，與繼電保護裝置配合對輸電線路進行保護。

5 結 論

通過建立輸電線路模型，進行潮流計算，可以確定調壓器檔位動作電壓的整定規則。對于變壓器分接頭控制，舍棄傳統的機械控制技術，采用更方便、快捷的晶閘管控制，其設計簡單易行，具有很好的控制效果。饋線自動調壓器具有較寬的調壓范圍，可以有效地確保輸電線路的電壓質量。

[1]郅建杰．10 kV 饋線自動調壓器[J]．山西電力，2006（3）：68-70．ZHIJian-jie．10 kVFeedback automatic pressuremodulation[J]．Shanxi Electric Power，2006（3）：68-70．

[2]楊輝．變電站電壓和無功的綜合控制研究[J]．裝備制造技術，2010，38（9）：44-46.YANGHui．Study on voltage and reactive power synthetically control[J].Equipment Manufacturing Technology，2010，38（9）：44-46.

[3]王乙伊．低壓配電網無功補償方式的研究[J]．廣東電力，2007，20（2）：33-36.WANG Yi-yi．Research on reactive power compensating modes for low voltage distribution network[J]．Guangdong Electric Power，2007，20（2）：33-36.

[4]單福友．綜合自動化監控系統在35 kV變電站的應用[J]．河北煤炭，2007，30（05）：24，56．SHAN Fu-you．Application of the complex automatic monitor system in 35 kV electric power station[J]．Hebei Coal，2007，30（05）：24，56．

[5]方敏．10 kV饋線自動調壓器的應用[J]．云南電力技術，2009，37（5）：48-49．FANGMin．Application of 10 kV feedback voltage automatic regulator[J].Yunnan Electric Power，2009，37（5）：48-49．

[6]沈紅衛．基于單片機的智能系統設計與實現 [M]．北京：電子工業出版社，2005．

[7]王兆安，黃俊．電力電子技術[M]．北京：機械工業出版社，2000．

[8]周志文．基于單片機的晶閘管交流調壓器設計[J]．機械研究與應用，2009，22（1）：70-71，74.ZHOU Zhi-wen．Design of the thyristor AC voltage regulator controller based on single chip microcomputer[J]．Mechanical Research&Application，2009，22（1）：70-71，74．