低壓配電線路末端電壓質量優化裝置的研制

李偉忠

（廣東電網有限責任公司梅州供電局，廣東 梅州 514000）

0 引言

電壓質量是電能質量的一個重要指標，關系到電力用戶能否正常用電。電壓質量通常從電壓幅值、電壓頻率以及電壓波形三項進行考量[1]。其中電壓頻率較為固定，一般為50 Hz；電壓波形雖然難以達到標準的正弦波，但波形只要不過度畸形就不影響低壓用戶正常用電[2]；而電壓幅值一旦過低，則會導致電壓有效值過低，此時將影響低壓用戶的正常用電。我國的低壓用電負荷逐年增加，隨著用電負荷不斷提高，供電電壓沿著供電線路逐步遞減，嚴重時將導致線路末端的電力用戶因電壓過低而無法正常用電[3]。再加上我國農村人口眾多，農村地區的低壓供電線路過長，這就進一步加劇了農村地區低壓線路末端的低電壓現象[4]。

為解決低壓線路末端低電壓問題，研制了一套低壓配電線路末端電壓質量優化裝置。現階段，10 kV電壓等級S9級以上的油浸式配電變壓器具有有載調壓的功能，低壓配電線路末端電壓質量優化裝置基于配電變壓器的有載調壓功能進行開發，能夠根據低壓線路首端電壓和末端電壓的實際情況對配電變壓器進行自動有載調壓，從而優化低壓線路末端的電壓質量，消除低壓線路末端的低電壓現象。

1 低壓配電線路末端電壓質量優化裝置設計

低壓配電線路末端電壓質量優化裝置主要由兩套電壓監測裝置和一套擋位調節裝置組成。電壓監測裝置圖如圖1所示。

圖1 電壓監測裝置圖

電壓監測裝置用于監測線路電壓，其可根據安裝地點是線路首端還是線路末端設置成首端電壓監測裝置或者末端電壓監測裝置，用于監測首端電壓或者末端電壓。電壓監測裝置主要由液晶顯示屏、信號燈、電源燈、固定螺母、按鍵模塊、微機模塊、變壓模塊、AD轉換模塊和通信模塊組成，其中微機模塊、變壓模塊、AD轉換模塊和通信模塊置于裝置內部。液晶顯示屏在無人為操作的情況下顯示監測線路點的實時電壓，在工作人員的操作下，可以顯示首端電壓監測模式或者末端電壓監測模式的選擇過程。信號燈用于顯示電壓監測裝置當前的通信信號強度，通信信號強度正常則信號燈常亮，通信信號強度弱則信號燈不亮。電源燈用于顯示電壓監測裝置的供電是否正常，裝置正常供電則電源燈常亮，裝置供電異常時則電源燈不亮。固定螺母用于鎖住插入電壓監測裝置的電源進線，在電壓監測裝置的底部有4個插入口，分別是A相、B相、C相和中性線的電源進線插入口，電源進線一方面為電壓監測裝置供電，另一方面作為裝置監測電壓的采樣對象。按鍵模塊用于對電壓監測裝置的電壓監測模式進行設置，從而將電壓監測裝置設置成首端電壓監測裝置或者末端電壓監測裝置；按鍵模塊主要由上行鍵、下行鍵和確定鍵組成，分別控制選項的上下移動及選項確定。微機模塊是電壓監測裝置的數據處理中心，用于處理采集的電壓信號以及按鍵模塊的輸入信號，并將處理結果輸出給液晶顯示屏顯示，并以無線通信信號發送給擋位調節裝置。變壓模塊將輸入裝置的220 V強電信號轉換成5 V的弱電信號，用于為電壓監測裝置供電和便于后續電壓數據處理。AD轉換模塊用于將采集的模擬電信號轉換成數字電信號，便于微機模塊進行數據處理。通信模塊采用無線通信方式，通信模式為單工通信，用于向擋位調節裝置發送擋位調節信號，每一個電壓監測裝置均有一個獨立的邏輯地址，只有邏輯地址讀取正確，才能正確讀取無線信號中的數據。

擋位調節裝置圖如圖2所示。

圖2 擋位調節裝置圖

擋位調節裝置主要由液晶顯示屏、信號燈、電源燈、固定螺母、按鍵模塊、操作臂、微機模塊、變壓模塊、通信模塊和舵機模塊組成，其中微機模塊、變壓模塊、通信模塊和舵機模塊置于裝置內部。液晶顯示屏、信號燈、電源燈、固定螺母、按鍵模塊、微機模塊、變壓模塊的主要作用與電壓監測模塊相似，在此不多贅述。操作臂可自由伸縮，其伸縮范圍為20 cm～1 m，可根據擋位調節裝置的安裝位置調節其長度，操作臂末端為卡口結構，用于卡住分接開關的操作把手，舵機模塊連接著操作臂，控制操作臂上下移動，從而控制變壓器進行調擋。擋位調節裝置底部的插入口為相線進線口和中性線進線口，其作用是通過變壓模塊變壓后為擋位調節裝置供電。通信模塊采用無線通信方式，通信模式為單工通信，用于接收電壓監測裝置發送的擋位調節信號，為識別對應的電壓監測裝置，擋位調節裝置需手動輸入首端電壓監測裝置和末端電壓監測裝置的邏輯地址。

2 低壓配電線路末端電壓質量優化裝置硬件原理

低壓配電線路末端電壓質量優化裝置硬件原理圖如圖3所示。

圖3 低壓配電線路末端電壓質量優化裝置硬件原理圖

低壓配電線路末端電壓質量優化裝置硬件原理如下：電壓監測裝置通過按鍵模塊輸入設置成首端電壓監測裝置或末端電壓監測裝置；擋位調節裝置通過按鍵模塊輸入對應的首端電壓監測裝置或末端電壓監測裝置的邏輯地址，用于無線通信接收擋位調節信號；末端電壓監測裝置通過電源進線采集220 V模擬電壓信號，220 V模擬電壓信號通過變壓模塊降壓成5 V模擬電壓信號，再通過AD轉換模塊轉換成5 V數字電壓信號，并輸入末端電壓監測裝置微機模塊進行數據處理；末端電壓監測裝置微機模塊將處理后的結果輸出給液晶顯示屏顯示，并通過無線信號將擋位調節信號發送給擋位調節裝置微機模塊；首端電壓監測裝置的硬件原理與末端電壓監測裝置的硬件原理相同；擋位調節裝置微機模塊在接收到首端電壓監測裝置和末端電壓監測裝置的擋位調節信號后，控制舵機模塊操作操作臂對配電變壓器進行有載調壓。

3 低壓配電線路末端電壓質量優化裝置軟件設計

配電變壓器有載調壓總共分為9個擋位，從低到高依次為-10%、-7.5%、-5%、-2.5%、0%、+2.5%、+5%、+7.5%、+10%。供電系統對正常電壓值的規定為-10%～+7%，對于有效值220 V的低壓交流電，對應的正常電壓有效值為198～235.4 V，電壓低于198 V時，影響正常家用電器的使用，電壓超過235.4 V時，長時間運行容易造成家用電器燒毀。

在此定義末端電壓監測裝置監測的三相電壓值為UA0、UB0、UC0，首端電壓監測裝置監測的三相電壓值為UA1、UB1、UC1，配電變壓器有載調壓的擋位標志值為sign，sign的取值從小到大依次為-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，依次代表配電變壓器有載調壓的9個擋位（-10%、-7.5%、-5%、-2.5%、0%、+2.5%、+5%、+7.5%、+10%）。低壓配電線路末端電壓質量優化裝置軟件流程圖如圖4所示。

圖4 低壓配電線路末端電壓質量優化裝置軟件流程圖

末端電壓監測裝置監測低壓線路末端的三相電壓，當三相其中一相電壓低于198 V時，證明此時線路負荷過大，導致線路末端出現低電壓現象。此時判斷首端電壓監測裝置監測的首端三相電壓是否存在任意一相電壓超過235.4 V，若首端電壓沒有超出正常電壓范圍，則sign自加1，擋位調節裝置利用舵機控制操作臂將配電變壓器的擋位調節至標志值sign所對應的擋位；然后重復判斷首端電壓監測的電壓值是否存在超過235.4 V的情況，在首端電壓不超過235.4 V的情況下，盡可能提高配電變壓器的擋位，使末端電壓盡可能地增大，以滿足線路末端用戶的用電需求；當提擋調壓至首端電壓存在一相電壓超過235.4 V時，首端電壓過高，首端電力用戶存在安全用電風險，此時sign自減1，并將配電變壓器調節至sign值對應的擋位。當末端電壓在正常電壓范圍內而首端電壓出現任意相超過235.4 V時，證明此時線路負荷正在減少，線路整體電壓值正在升高，此時sign自減1，配電變壓器調節至sign值對應的擋位，并重復判斷首端電壓值是否存在超過235.4 V的現象，只要首端電壓值超出235.4 V，sign不斷自減，直至首端電壓在正常電壓范圍內。

4 結束語

低壓配電線路末端電壓質量優化裝置基于配電變壓器的有載調壓功能進行開發，由末端電壓監測裝置、首端電壓監測裝置和擋位調節裝置組成。末端電壓監測裝置和首端電壓監測裝置監測低壓線路末端和首端的實時三相電壓值，在線路末端三相電壓中存在任意一相電壓低于198 V時，在首端電壓不超過235.4 V的情況下，擋位調節裝置對配電變壓器進行有載調壓，從而提高線路末端電壓值，優化低壓線路末端的電壓質量，消除低壓線路末端的低電壓現象。