基于用戶用電體驗的智能配電有載調壓變壓器研制

廖宇峰，何治安

（廣東電網廣州供電局，廣州 510900）

0 引言

隨著經濟的發展，居民生活水平不斷提高，對用電質量的要求也越來越高。2019年，某地區客戶提及“電壓不穩”、“電壓低”的工單量分別同比上升了110%和50%。導致用戶電壓質量達不到要求的主要原因是配電網中，季節性負荷變化大，線路供電半徑長，三相負荷不平衡明顯，在高峰負荷期間，電壓波動明顯，尤其是在線路末端容易產生電壓偏低[1-2]。當前，解決上述問題主要有以下幾種方式：一是新增臺區布點，縮短供電半徑；二是更換殘舊線路及適當換大線徑，減少線路上電壓損失；三是調整臺區首段電壓。本文將主要研究第三種方式。

針對目前普遍使用的無勵磁油浸變壓器和干式變壓器，主要通過停電調整變壓器的分接頭來達到改變臺區首段電壓的目的。在負荷高峰期，適當提高首段電壓，在負荷低谷期，要適當降低首段電壓。一般情況下，一年需要調整兩次。這種方式雖然簡單，但是不僅需要消耗大量的人力資源，而且，在用戶對供電可靠性要求越來越高的今天，這種方式無疑降低了用戶的用電體驗。另外一種方式是在電壓波動大的臺區使用有載調壓變壓器，通過檢測首段電壓的變化，自動調節變壓器分接頭以達到改變臺區首段電壓的目的。這種方式可以節省人力，也無須停電，用戶用電不受影響，但是有載調壓變壓器比普通變壓器貴，一次投入成本相對較高。上述兩種方式都是通過調節臺區首段電壓來改善末端電壓質量，都有一定效果，但實際上，解決問題都不徹底。因為它們都僅僅根據首段電壓的情況來調整變壓器的分接頭，而實際臺區用戶的電壓質量如何并沒有掌握，而這恰恰是最應該解決的問題[3-4]。

本文主要設計一種新型智能配電有載調壓變壓器，根據用戶的電壓質量來綜合自動實時調節變壓器分接頭，達到真正實時提升用戶電壓質量的目的。

1 智能有載調壓變壓器

1.1 結構設計

如圖1所示，智能配電有載調壓變壓器主要由有載調壓開關裝置、配電變壓器本體、調壓控制裝置、電壓采集模塊、通信模塊等部分組成。

圖1 智能有載調壓變壓器總體結構

與傳統的配電有載調壓變壓器不同，本文研究的智能有載調壓變壓器的調壓判據不僅是配變臺區首端是否合格，而是綜合考慮了用戶端的電壓合格情況，以用戶端電壓合格為首要，結合首端電壓數據，進行綜合判定，最后對變壓器的分接頭進行合理調整[5]。

1.2 模塊設計

（1）有載調壓開關

連接10 kV線路配電變壓器的高壓側，接收來自調壓控制裝置的命令，根據命令執行有載調壓動作。

本文采用的永磁真空調壓開關，其額定電壓10 kV，最高電壓12 kV，最大額定通過電流50 A，支持有載調壓的高壓分接檔位為±2×2.5%，觸頭電阻25℃時高壓小于1 mΩ，電氣壽命不小于50 000次，機械壽命不小于100 000次。其主要特點包括采用真空滅弧室不污染變壓器油，可真正實現免維護，調壓主開關采用雙穩態永磁機構，可靠性高，使用壽命長，儲能依靠外部配套高性能電容實現，內部無儲能機構，直線式傳動，無拉簧、拐臂、齒輪等易損件，開關壽命高，結構簡單，運行可靠，體積緊湊。獨立油室，安裝于變壓器頂蓋外側，同變壓器本體油隔離。可選配遠距離通訊配件，在遠方進行數據查看及參數調整等操作。電氣壽命大于5萬次，可做到與變壓器同壽命，壽命期內免維護[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）調壓控制裝置

接收來自臺區首端及用戶端電壓采集模塊采集的電壓數據，按照約定的判據進行綜合研判，然后輸出調壓動作指令給有載調壓開關。控制流程圖如圖2所示。

圖2 調壓控制流程圖

（4）電壓采集模塊

該模塊的主要功能是采集臺區首段的電壓及用戶點的電壓信息。臺區首端電壓采集模塊安裝在臺區，采集臺區首端輸出的三相電壓信息，通過RS485傳輸給調壓控制裝置。用戶端電壓采集裝置模塊安裝在用戶電能計量表計之前，采集用戶的進線電壓信息，通過一定的通信方式傳輸給調壓控制裝置。該模塊包括數據采集電路、數據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據按照一定的規約傳輸給調壓控制器。本文中的通信模塊主要包括兩個部分。一是傳輸臺區首段采集到的電壓數據，該部分使用的通信方式為RS485有線傳輸。二是傳輸用戶端采集到的電壓數據，該部分使用的通信方式為LoRa。該通信方式成本低、可靠性高。其主要通信參數包括：工作頻段為470～510 MHz免費頻段，通信信道16個，調制方式為LoRa調制方式，同時兼容并支持GFSK、FSK等傳統調制方式。發射功率為19±1 dBm，接收靈敏度達-136±1 dBm，波特率可選1 200 bit/s、3 800 bit/s、7 500 bit/s，默認 3 800 bit/s；最大通信距離為空曠條件2 000 m。

圖3 調壓原理圖

圖4 智能有載調壓變壓器成果圖

1.3 調壓原理

變壓器通過調壓開關接入不同匝數的高壓繞組，調節匝數比實現調節變壓器低壓側輸出電壓。以A相為例，調壓原理圖如圖3所示。各電壓分接檔位切換過程為：高檔時，K1-1接通、K2-1接通，N1段進入帶電回路，輸出電壓Ua=UA·N0/N1；中檔時，K1-2接通、K2-1接通，N1段、N2段串聯進入帶電回路，輸出電壓Ua=UA·N0/（N1+N2）；低檔時，K2-2接通，N1段、N2段、N3段串聯進入帶電回路，輸出電壓Ua=UA·N0/（N1+N2+N3）。

2 智能有載調壓變壓器的實現

在臺區所有用戶中，選取有代表性的用戶進行采集電壓數據，根據各模塊的功能，設計出智能有載調壓變壓器如圖4所示。根據設計圖紙，研制出的配電智能有載調壓變壓器如圖5所示。

圖5 智能有載調壓變壓器實物圖

3 智能有載調壓變壓器的應用效果

該智能有載調壓變壓器研制成功后，于2019年11月底在某地區配網臺區掛網運行，運行數據如圖6、圖7所示。

圖6 智能有載調壓變壓器臺區首段運行電壓數據

圖7 智能有載調壓變壓器用戶端電壓數據

圖6 為該臺區在智能有載調壓變壓器安裝前后的運行電壓數據，數據表明，使用智能有載調壓變壓器前，該臺區電壓合格率不高，更換為智能有載調壓變壓器運行后，連續幾個月臺區首段電壓合格率均為100%。

圖7為該臺區在智能有載調壓變壓器運行后用戶端檢測到的電壓數據（之前因技術手段不足，未能實時監測用戶端電壓數據），數據表明，用戶端的電壓數據均在合格的范疇。

4 結束語

本文針對當前存在的用戶端電壓與臺區首端電壓難以同時合格的問題，以滿足用戶用電體驗為首要目標，綜合考慮臺區首端電壓質量，研制了一種智能配電有載調壓變壓器。該變壓器在獲取了用戶端的電壓數據后，與臺區首端電壓數據一起形成綜合判據，然后根據判斷結果，在不停電的情況下，自動調整配變分接頭，實現了在滿足用戶用電需求的情況下，臺區首端電壓也合格的目標。該變壓器還可以在原有普通油浸式變壓器的基礎上進行改造，節約投資成本。