移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置的研制

摘 要：10 kV配電線路末端低電壓現象是配網運行中的常見問題。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配電線路低電壓補償裝置。該裝置采集10 kV配電線路的三相線電壓數據，并將所采集的線電壓數據與標準的10 kV電壓數據進行對比，計算出補償電壓的結果，最終依據補償電壓利用柴油發電機進行發電，并調節補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行擬合，從而實現對10 kV配電線路電壓水平的動態調節，使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標準電壓，改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

關鍵詞：移動式；10 kV配電線路；低電壓；電壓補償

中圖分類號：TM761+.1" " 文獻標志碼：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

隨著國民經濟的不斷發展，我國用電負荷也在激增。用電負荷過大時，極易導致電能質量的下降，其中最明顯的電能質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。例如上述用電負荷激增問題導致10 kV配網線路末端出現低電壓；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，導致10 kV配電線路末端出現低電壓；另外，發電廠或變電站能源供應不足時，也會造成10 kV配電線路末端出現低電壓[2-3]。10 kV配電線路一旦出現低電壓問題，將嚴重影響低電壓區域內電力用戶的正常用電，影響供電的穩定性和可靠性，甚至造成用戶的電氣設備損壞，導致不必要的索賠問題。目前，電網解決10 kV配電線路末端低電壓問題的主要措施是通過調節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配電線路低電壓補償裝置。該裝置能采集10 kV配電線路的三相電壓數據，并將所采集的實際電壓數據與標準的10 kV電壓數據進行對比，計算出所需補償的電壓波形，最終依據計算結果利用發電機進行發電，使所發電壓與10 kV配電線路的實際電壓進行擬合，從而使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標準電壓，改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

1" " 移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置設計

如圖1所示，移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置由檢測單元和發電單元組成。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、數模轉換模塊、微機模塊和可充電電源。發電單元包括發電機啟動按鈕、關機按鈕、電壓進線端口、電壓出線端口、柴油發電機和補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、發電機啟動按鈕、關機按鈕、電壓進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、數模轉換模塊、微機模塊、柴油發電機、補償用降壓變壓器模塊和可充電電源安裝于裝置內部。

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據、發電機所發電能的電壓數據（即補償電壓數據）和補償后的10 kV配電線路電壓數據。電壓檢測按鈕用于開啟裝置對10 kV配電線路電壓進行檢測。發電機啟動按鈕用于啟動柴油發電機進行發電。關機按鈕用于關閉整個裝置，當電壓補償發生特殊情況時，可通過該鍵立即停止檢測單元和發電單元的運行。電壓進線端口和電壓出線端口用于連接10 kV配電線路，將裝置所發電能輸送到10 kV配電線路上進行擬合。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配電線路電壓數據降壓成標準的5 V電壓，以供檢測單元進行數據計算。數模轉換模塊是將采集到的模擬電壓信號轉換成數字電壓信號。微機模塊是整個裝置的控制中心，用于處理采集的電壓數據，并輸出所需補償的電壓數據。柴油發電機用于發電，所發電能的電壓等級為標準的10 kV電壓，其柴油加油口位于裝置表面。補償用降壓變壓器模塊是根據微機模塊輸出的補償電壓數據來調整其自身檔位，以保證補償后10 kV配電線路的電壓水平達到10 kV。可充電電源主要為檢測單元充當電源，并且其可在柴油發電機發電時進行充電，以保證檢測單元的正常工作。

移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置的電壓進線端口和電壓出線端口在與10 kV配電線路進行串聯時采用六根電纜線路進行連接。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，避免電纜靠近10 kV配電線路時產生電弧，引起不必要的設備損傷和人身安全問題。

2" " 移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置硬件設計

移動式10 kV配電線路低電壓補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電壓數據為線電壓數據。采集電壓數據時，連續采集10 ms內的模擬電壓數據，之后間隔10 ms再采集下一組模擬電壓數據。移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置在采集到10 kV電壓數據后，經檢測用降壓變壓器模塊進行降壓，輸出幅值為5 V的模擬電壓數據。模擬電壓數據由數模轉換模塊轉換成數字電壓數據，并將轉換后的數字電壓數據輸入微機模塊進行計算。將模擬電壓數據轉換成數字電壓數據時，從第一個模擬電壓數據開始，以1 ms為間隔進行數據轉換，最終轉換成11個數字電壓數據，將這11個數字電壓數據作為一組完整數據儲存到寄存器中，以供微機模塊調用計算。微機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電機啟動按鈕輸入的控制信號以及數模轉換模塊輸入的數字電壓數據，經算法處理后向液晶顯示屏、柴油發電機和補償用降壓變壓器模塊輸出相應的控制信號或數據。

3" " 移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置軟件設計

定義detection為電壓檢測標志，當電壓檢測按鈕按下時，微機模塊將detection設置為1，即為高電平；start為發電機啟動標志，當發電機啟動按鈕按下時，微機模塊將start設置為1；只有按下關機按鈕，detection和start才會歸零變為低電平。UAB、UBC、UCA分別為移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置采集到的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補償為液晶顯示屏上顯示的補償電壓的有效值，U補償0為裝置首次對10 kV配電線路進行補償的補償電壓有效值，U補償1為裝置已對10 kV配電線路進行首次補償后的動態補償下的補償電壓有效值，n0為裝置首次對10 kV配電線路進行補償的補償用降壓變壓器模塊的變比，n1為裝置已對10 kV配電線路進行首次補償后的動態補償下的補償用降壓變壓器模塊的變比。

微機模塊在處理一組數字電壓數據時，根據11個數字電壓數據所呈現的趨勢擬合成一個標準的余弦波形，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，所以補償電壓與10 kV配電線路電壓進行擬合時，兩余弦函數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，開發出一套10 kV配電線路低電壓動態補償數學模型。移動式10 kV配電線路低電壓補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配電線路進行補償。此時判斷detection是否等于1，當detection等于1時，代表電壓檢測按鈕已按下，此時微機模塊開始對采集的電壓數據進行計算，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，并計算出對應的U補償0和n0。U補償0和n0的計算公式如下式所示：

U補償0=10-Umax，n0=

在計算出U補償0和n0后，將U補償0賦值給U補償，并在液晶顯示屏上顯示出UAB、UBC、UCA和U補償的對應數據。最后判斷start是否等于1，start等于1則表明發電機啟動按鈕已按下，此時啟動柴油發電機進行發電，并將補償用降壓變壓器模塊的變比調節成n0。

若最初判斷的start等于1，則表示裝置已對10 kV配電線路進行補償，此時對10 kV配電線路進行動態補償。首先微機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的對應數據。接著判斷Umax是否大于11 kV，Umax不大于11 kV，則表示補償后的10 kV配電線路電壓值在安全運行范圍內，無須對補償電壓做出調整；Umax大于11 kV，則表示補償后的10 kV配電線路電壓值超出安全運行范圍，需要對補償電壓做出調整。Umax大于11 kV時，微機模塊重新計算對應的補償電壓U補償1和補償用降壓變壓器模塊的變比n1，U補償1和n1的計算公式如下式所示：

U補償1=10-Umax+U補償0，n1=

U補償1和n1計算完成之后，運用有載調壓技術將補償用降壓變壓器模塊的變比調節成n1，以此將10 kV配電線路的電壓有效值重新調節成10 kV。最后將U補償1賦值給U補償，并在液晶顯示屏上更新顯示U補償的數據。

4" " 結束語

移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置通過采集10 kV配電線路三個線電壓有效值中的最大值Umax，并將Umax與標準的10 kV電壓數據進行對比，計算出補償電壓有效值，最終依據計算結果利用柴油發電機進行發電，并調節補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行擬合，從而實現對10 kV配電線路電壓水平的動態調整，使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標準電壓，改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

[參考文獻]

[1] 王永鐸.10 kV配電網線路的建設與改造分析[J].中國外資，2013（22）：283.

[2] 宋強.基于大數據分析的配電網低電壓變化態勢預測研究[J].自動化技術與應用，2024，43（3）：96-98.

[3] 都興雙，李洪春，楊家輝，等.三相三柱鐵心變壓器低電壓阻抗相間差異原因研究[J].變壓器，2024，61（2）：58-62.

[4] 張海彬.10 kV配電線路低電壓問題及處理措施[J].電工技術，2017（8）：73-74.

收稿日期：2024-04-11

作者簡介：朱嘉隆（1990—），男，廣東汕頭人，工程師，研究方向：配網自動化運行管理。