路軍，程樂峰，余濤

（1. 廣東電網有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526060；2. 華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640）

配電臺區(qū)低壓智能調壓控制系統(tǒng)關鍵技術研究

路軍1，程樂峰2，余濤2

（1. 廣東電網有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526060；2. 華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640）

為了解決線路末端低電壓問題，設計了一種配電臺區(qū)低壓智能調壓控制系統(tǒng)，并對其關鍵技術進行了研究。系統(tǒng)包括電壓檢測裝置、開關控制單元和變壓器。通過對配變低壓側線路的電壓進行檢測，當電壓值超出預設范圍時，輸出控制信號根據預定的變壓器比例對輸入的電壓進行調壓。在電壓出現波動時自動投入變壓器進行變壓，電壓正常時則自動退出，通過旁路對用戶側進行供電，使其電壓質量得到有效提升。利用該系統(tǒng)在高要市某配電臺區(qū)進行現場測試，試驗表明用戶側低電壓問題得到了有效解決，保證了電壓合格率，對其他支路用戶電壓影響小，保障了配電網安全穩(wěn)定運行。

配電網；低壓臺區(qū)；智能；調壓器；控制系統(tǒng)；配網自動化

0 引言

低電壓會嚴重影響到用戶用電，影響客戶滿意，對于低壓臺區(qū)眾多的地區(qū)，長期低電壓對居民生活影響尤其嚴重[1-5]。以肇慶為例，通過調查統(tǒng)計，肇慶地區(qū)共有低電壓臺區(qū)1592個，若采取常規(guī)手段改造來解決低電壓問題，則資金缺口巨大，按目前每年的投資，要較長時間才能全面解決。低電壓臺區(qū)具有如下特點：低壓供電線路半徑長、導線線徑小、低壓時間短、用電電量小。經調查，肇慶全市共有1219個低電壓臺區(qū)供電半徑超過500米，占低壓臺區(qū)總數的76.57%；部分低壓線路長達2～3千米。低電壓臺區(qū)主干線路線徑低于50mm2，占低壓臺區(qū)總數的84.55%，主干線路線徑低于35mm2占低壓臺區(qū)總數的71.42%。在煮飯等用電負荷高峰期，電壓由正常值降到198V以下，甚至170V左右，持續(xù)時間一般不超過3個小時。低電壓臺區(qū)中月用電量在5000度以下占83.2%，相當部分自然村用戶數在30戶左右，村平均月用電量不足1500度。

據調查，對于肇慶，目前解決低電壓問題的主要手段為更換低壓導線增大線徑或加裝新變壓器縮短供電半徑，但存在改造資金缺口大、解決時間長、投資效益低的問題[6-8]。將全局的低壓臺區(qū)全部改造，改造金額約需8個億，2012年投入低壓改造資金不足1個億，資金缺口大。按計劃解決全部低電壓問題約5年，項目從立項到實施一般超過一年，不能快速解決低電壓抱怨問題。在每年有限的資金中，把大量資金用在改造電量少、低電壓持續(xù)時間短的臺區(qū)，投資效益低。因此，需要打破常規(guī)，跳出原有模式，采用投退調壓器的方式來應對目前調壓器的缺點。經過調查，市場上常規(guī)調壓器采用調節(jié)抽頭變比調壓，工作環(huán)境要求高；試驗性的調壓器設計復雜，效果不明顯?，F有調壓器不適用于農村配網運行安裝方便、運行維護簡單、電壓波動量大、經濟耐用的特點[9-11]。

基于此，本文研發(fā)一種配電臺區(qū)低壓智能調壓器，并對其關鍵技術進行研究。該調壓器設計了旁路接觸器，通過檢測到配電變壓器的低壓側線路電壓，并根據配電變壓器的低壓側線路電壓控制變壓器的投退（當電壓偏低時，自動投入調壓器進行升壓，使供電電壓提高，符合電壓要求；當電壓屬于正常范圍時，通過旁路供電，供電電壓滿足要求。所以在電壓水平滿足要求時，調壓器不投入運行，直接消除了這期間調壓器的運行損耗，起到了顯著的節(jié)能效果，而對系統(tǒng)三相電壓進行分相調控，同時也解決了三相不平衡的問題；同時該裝置采用油浸式自耦調壓器，使調壓器運行時的冷卻及節(jié)能效果更好。所以本文所開發(fā)的低壓智能調壓器在解決農村電網380V線路低壓問題是非常有效的，對改善農村電網低壓臺區(qū)電壓水平有著直接的效益，具有意義重大的工程價值。

1 臺區(qū)電壓偏低原因分析

農村地區(qū)地域廣闊，用電負荷分散。臺區(qū)電壓偏低主要原因是[10-12]：電源布點不足、線路供電半徑過大以及重過載。而臺區(qū)電壓偏低主要有兩種情況：1）臺區(qū)首端電壓偏低；2）臺區(qū)首端電壓合格末端電壓偏低。下面就這2種情況簡要分析如下。

1.1 臺區(qū)首端電壓偏低

臺區(qū)首端電壓偏低主要原因在于，配變上級電源10kV線路電壓偏低，配變檔位選擇不正確等[12，13]。因此，解決臺區(qū)首端電壓偏低措施：一是通過完善電網結構，縮短10kV線路供電長度，或者采用10kV升壓器，解決10kV線路末端電壓偏低問題；二是根據負荷特性，調控變電站10kV母線電壓，或者調整配變檔位。

1.2 臺區(qū)末端用戶電壓偏低

臺區(qū)末端用戶電壓偏低的主要原因則在于，低壓無功補償不足、臺區(qū)配變重過載、負荷三相不平衡、低壓線路供電半徑過大等[14，15]。解決此類低電壓問題，一方面加快重過載配變及負荷三相不平衡的臺區(qū)改造；另一方面合理配置低壓無功補償容量，在無功基本平衡的情況下，針對農村低電壓問題推廣應用低壓調壓器，改善用戶電壓質量。對于不滿足低壓調壓器應用條件時，可采用拆分臺區(qū)，減少低壓線路供電半徑，或者增大低壓線路線徑方法。

由于采用低壓調壓器投資小，項目周期短，所以優(yōu)先考慮采用低壓調壓器。調壓器是電力供應系統(tǒng)中關鍵的設備之一，它承擔著電壓變換、電流分配傳輸，并提供電力服務。因此，調壓器的正確運行是對電力系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質、經濟運行的保證。

在傳統(tǒng)電力供應系統(tǒng)中，電網側直接提供單相電壓或三相電壓給用戶側，為了有效使得用戶側的輸出電壓達到額定的某一電壓，需要增加調壓器對電網側的單相電壓或三相電壓進行變壓調控[16-19]。但是，在電網側提供三相電壓的過程中，電網側A相、B相、C相輸出端的電壓會在運行過程中產生不同的波動變化，如果此時利用調壓器同時對電網側三相電壓進行變壓，電網側處于低壓工作狀態(tài)的相電壓會在調壓器作用下進一步升壓提供正常電壓給用戶側，電網側處于正常工作狀態(tài)的相電壓會在調壓器作用下進一步升壓提供給用戶側，造成提供給用戶側的電壓過高的問題，不利于電網側三相電壓在輸出過程中的平衡。

1.3 農村低電壓問題解決思路

有針對性的分相調壓，利用電壓繼電器檢測線路各相電壓情況，并利用檢測結果控制交流接觸器，進而控制調壓器分相投退。利用此方法，本文研發(fā)一種配電臺區(qū)低壓智能調壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用于農村電網。當臺區(qū)某一相處于峰期時，某一相電壓偏低，開發(fā)系統(tǒng)的功能模塊檢測電壓到達某一數值時，自動投入某一相調壓器，使臺區(qū)某一相電壓提高，并符合電壓要求。當臺區(qū)處于谷期時，功能模塊檢測某一相電壓達到某另一數值時，自動退出某一相調壓器，通過旁路供電，臺區(qū)電壓滿足要求。有效克服了三相不平衡時，為了提高低壓相的電壓將正常相的電壓提升為過高電壓的問題，達到了“專相”提升電壓的效果，使得用戶端三相電壓能夠平衡。當某一相調壓器退出時，某一相調壓器處于隔離狀態(tài)，避免了某一相調壓器退出時一端帶電引起的空載損耗，在節(jié)能方面有極大的提高。本實用新型投資小，見效快，有效解決了農村低電壓的問題，真正達到了“小投資解決大問題”的效果[6，20，21]。

2 理論模型計算

2.1 低壓臺區(qū)簡化模型

農網配電臺區(qū)電壓偏低有兩種情況：一種是臺區(qū)首端電壓偏低導致臺區(qū)整體電壓偏低，另一種是臺區(qū)首端電壓合格末端電壓偏低。針對這兩類低電壓臺區(qū)，分析評估在不同條件下低壓調壓器接入后對用戶電壓的改善效果，論證應用調壓器的可行性及適用條件。調壓效果分析采用的低壓臺區(qū)簡化模型如圖1所示。

圖1 低壓臺區(qū)等效模型Fig.1 Equivalent model of low-voltage area

臺區(qū)配變容量50kVA，線徑35mm2，負荷沿線路均勻分布，三相負荷平衡。據統(tǒng)計，90%臺區(qū)低壓線路半徑不超過2km，因此，在低壓臺區(qū)等效模型中，線路長度取2km。國家標準規(guī)定220V電壓等級電壓合格范圍為198～235V，故設定調壓器動作值為198V。為保證調壓后電壓不超過235V上限，則調壓器變比不應超過235/198=1.18。

調壓器變比最高為1：1.18，用戶電壓過低的情況下使用調壓器升壓，仍無法滿足標準要求。故安裝點電壓應不低于198/1.18=168V。

2.2 臺區(qū)首端電壓偏低情況

影響臺區(qū)首端電壓偏低的主要因素是上級電源10kV線路電壓偏低。因此，針對臺區(qū)首端電壓偏低導致臺區(qū)整體電壓偏低情況，測試調壓器調壓效果時可暫不考慮臺區(qū)功率因素、負載率等其他因素對用戶電壓的影響，對在臺區(qū)首端位置安裝調壓器進行效果評估。

測試條件：臺區(qū)首端電壓196V，功率因素0.8，配變負載率60%，總負荷30kVA，調壓前臺區(qū)各節(jié)點電壓偏低。在距離臺區(qū)首端0.4km處加裝調壓器，最大調壓范圍+15%，如下圖2所示。

圖2 低壓臺區(qū)等效模型及調壓器安裝位置Fig.2 Equivalent model of low-voltage areaand the voltage regulator installing position

調壓前后各節(jié)點電壓、視在功率、線損對比如下表1所示。

表1 調壓前后各節(jié)點測量數據對比Tab.1 Measuring data comparison of each node before and after the voltage regulation

由上表可見，在臺區(qū)首端加裝調壓器，調壓后各節(jié)點電壓提高約15%，配變負載率提高約10%，節(jié)點3～5電壓低于電燈正常工作所需的180V，調壓效果不理想。因此，在臺區(qū)首端電壓偏低情況下，加裝調壓器不能有效改善全部用戶電壓質量。

2.3 臺區(qū)首端電壓合格末端用戶電壓偏低情況

臺區(qū)首端電壓合格，影響臺區(qū)末端用戶電壓偏低的主要因素有線路供電長度、功率因數、配變負載率等。在此，著重考慮在長線路情況下，臺區(qū)功率因數、配變負載率對調壓效果的影響。

（1）測算功率因數對調壓效果的影響

測試條件：臺區(qū)首端電壓230V，配變負載率60%，總負荷30kVA，調壓前節(jié)點4、節(jié)點5電壓偏低。在距離線路首端1.2km處加裝調壓器，最大調壓范圍＋15%，如下圖3所示。

圖3 在距離線路首端1.2km處加裝調壓器Fig.3 install the voltage regulator at the distance of 1.2km from the beginning of the line

在配變功率因數0.8情況下，調壓前后各節(jié)點電壓、視在功率、線損對比見表2。

在配變功率因數0.7情況下，調壓前后各節(jié)點電壓、視在功率、線損對比見表3。

由表2、表3可見，功率因數為0.7時，調壓器投入后，節(jié)點3電壓由180.6V下降到175.3 V，低于電燈正常工作所需的180V，調壓效果不理想。在功率因數為0.8，臺區(qū)無功相對平衡情況下，調壓器投入后，提升臺區(qū)末端電壓，調壓效果較好。

表2 配變功率因素為0.8情況下的調壓前后 各節(jié)點測量數據對比Tab.2 Measuring data comparison of each node before and after the voltage regulation in case that the power factor of transformer is set 0.8

表3 配變功率因素為0.7情況下的調壓前后 各節(jié)點測量數據對比Tab.3 Measuring data comparison of each node before and after the voltage regulation in case that the power factor of transformer is set 0.7

（2）測算配變負載率對調壓效果的影響

測算條件：臺區(qū)首端電壓230V，功率因素0.8，總負荷30kVA，調壓前節(jié)點4、節(jié)點5電壓偏低。在距離線路首端1.2km處加裝調壓器，最大調壓范圍+15%。

在配變負載率80%情況下，調壓前后各節(jié)點電壓、視在功率、線損對比見表4。

表4 配變負載率為80%情況下的調壓前后 各節(jié)點測量數據對比Tab.4 Measuring data comparison of each node before and after the voltage regulation in case that the load rate of transformer is 80%

在配變負載率70%情況下，調壓前后各節(jié)點電壓、視在功率、線損對比如見表5。

表5 配變負載率為70%情況下的調壓前后 各節(jié)點測量數據對比Tab.5 Measuring data comparison of each node before and after the voltage regulation in case that the load rate of transformer is 70%

由表4、表5可見，在配變負載率80%情況下，節(jié)點3電壓調壓后只有177.7V，已低于電燈正常工作所需的180V。因此，在配變負載率為70%的情況下，調壓器投入后，能夠明顯改善臺區(qū)末端電壓質量。

2.4 低壓調壓器使用條件

根據低壓調壓器工作原理，應用低壓臺區(qū)等效模型進行理論分析計算，測算得到低壓調壓器使用條件如下：

1）用戶端電壓不得低于168V；

2）臺區(qū)首端電壓合格；

3）配變功率因數不宜低于0.8；

4）配變平均負載率不宜高于70%。

所以當低壓臺區(qū)滿足以上條件的情況下，出現低壓問題可以采用低壓調壓控制系統(tǒng)，即調壓器來進行有效改善。

3 低壓智能調壓控制系統(tǒng)設計

3.1 三相調壓控制系統(tǒng)設計

基于前面對配電臺區(qū)低壓原因的分析，有必要針對現有技術的不足，設計一種三相調壓控制系統(tǒng)，應用穩(wěn)定，可靠性高，有效克服了三相電壓輸出的不平衡。

為解決上述技術問題，所設計的三相調壓控制系統(tǒng)，其結構主要包括：調壓器、控制器單元、第一接觸器、第二接觸器、第三接觸器、第四接觸器、第五接觸器和第六接觸器。其中，

調壓器的輸入端分別連接第一接觸器、第二接觸器和第三接觸器，而第一接觸器、第二接觸器、第三接觸器分別連接電網側輸電線的A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線；調壓器的輸出端與用戶側輸電線連接；控制器單元的檢測端與A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線連接，分別用于檢測A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線電壓；控制器單元的控制端分別連接第一至第六接觸器，用于控制它們的通斷；電網側輸電線分別通過第四接觸器、第五接觸器和第六接觸器與用戶側輸電線連接，用于提供電壓給用戶側輸電線。具體系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 三相調壓控制系統(tǒng)設計結構Fig.4 design architecture of three-phase voltage regulation control system

三相調壓控制系統(tǒng)通過分別對A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線電壓進行檢測，配合控制器單元對各接觸器的通斷進行控制，使得在A相輸電線、B相輸電線或C相輸電線電壓處于低壓狀態(tài)時，通過控制相應的接觸器的通斷狀態(tài)，配合調壓器單獨對A相輸電線、B相輸電線或C相輸電線電壓進行調節(jié)，而防止因其中一相輸電線電壓降低而同時對三相輸電線進行調壓，應用穩(wěn)定，可靠性高，有效克服了電網側三相輸電線電壓輸出的不平衡；同時，通過第一接觸器、第二接觸器和第三接觸器的通斷來分別讓A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線單獨與調壓器進行連接，使得調壓器不需要使用時，能有效避免調壓器輸入端與電網側輸電線連接造成的損耗，更利于節(jié)能。

其中控制器單元分別對A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線電壓進行檢測分析，當A相輸電線、B相輸電線或C相輸電線電壓低于預設值時，控制器單元控制第一接觸器、第二接觸器、第三接觸器、第四接觸器、第五接觸器和第六接觸器的通斷，使得電網側輸電線電壓經調壓器升壓后提供給用戶側輸電線。

具體地，控制器單元的結構原理圖如下圖5所示，控制器單元包括處理器和電壓檢測電路，處理器為單片機、ARM芯片、PFGA芯片或DSP芯片，電壓檢測電路的輸入端對應控制器單元的檢測端，處理器的輸出端對應控制器單元的控制端，電壓檢測電路的輸入端連接A相輸電線、B相輸電線和C相輸電線，用于分別檢測A相輸電線、B相輸電線和C相輸電線電壓；處理器的輸入端連接電壓檢測電路的輸出端，處理器分別對A相輸電線、B相輸電線、C相輸電線電壓進行檢測分析，處理器的輸出端連接第一接觸器、第二接觸器、第三接觸器、第四接觸器、第五接觸器和第六接觸器，用于控制第一接觸器、第二接觸器、第三接觸器、第四接觸器、第五接觸器和第六接觸器的通斷。即A相電壓檢測電路用以檢測A相輸電線電壓并發(fā)送信號給處理器，B相電壓檢測電路用以檢測B相輸電線電壓并發(fā)送信號給處理器，C相電壓檢測電路用以檢測C相輸電線電壓并發(fā)送信號給處理器。

圖5 控制器單元結構設計Fig.5 design architecture of the controller unit

3.2 雙繞組調壓控制系統(tǒng)的設計

在傳統(tǒng)電力供應系統(tǒng)中，電網側直接提供單相電壓或三相電壓給用戶側，為了有效使得用戶側的輸出電壓達到額定的某一電壓，需要增加調壓器對電網側的單相電壓或三相電壓進行變壓調控。

在電網側提供的三相電壓的某一相或兩相電壓處于低壓狀態(tài)時，調壓器會對電網側的三相電壓同時進行升壓提供給用戶側，如此，會造成電網側處于正常工作狀態(tài)的相電壓會在調壓器作用下進一步升壓提供給用戶側，造成提供給用戶側的電壓過高的問題，不利于電網側三相電壓在輸出過程中的平衡。

基于此，有必要針對現有技術的不足，設計一種雙繞組調壓控制系統(tǒng)，應用穩(wěn)定，可靠性高，有效控制調壓器與電網側輸電線間的通斷，克服了三相電壓輸出的不平衡。

設計的雙繞組調壓控制系統(tǒng)主要結構包括：調壓器、控制器單元、第一開關單元和第二開關單元。其中，調壓器的輸入端連接第一開關單元，第一開關單元連接電網側輸電線調壓器為油浸式感應電壓器，公共繞組和二次繞組之間充滿變壓器油，調壓器在運行中，靠近公共繞組和二次繞組的變壓器油受熱后溫度升高，體積膨脹，比重減小而上升，經冷卻裝置冷卻后再進入調壓器油箱的底部，從而形成油的循環(huán)，在循環(huán)過程中，將熱量散發(fā)給冷卻裝置，從而使公共繞組和二次繞組得到冷卻，負荷能力變強。

調壓器為雙繞組感應調壓器，并設置有公共繞組和二次繞組，其公共繞組置于定子上，用于調壓器的原邊；調壓器的二次繞組置于轉子上，用于調壓器的副邊；公共繞組一端連接第一開關單元，公共繞組另一端與二次繞組一端連接，二次繞組另一端連接用戶側輸電線。

圖6 雙繞組調壓控制系統(tǒng)的設計結構Fig.6 the architecture design diagram of double winding voltage control system

控制器單元的檢測端與電網側輸電線連接，用于檢測電網側輸電線電壓；控制器單元的控制端分別連接第一開關單元和第二開關單元，用于控制第一開關單元和第二開關單元的通斷；電網側輸電線通過第二開關單元與用戶側輸電線連接，用于提供電壓給用戶側輸電線。

該雙繞組調壓控制系統(tǒng)可解決調壓器散熱問題，該系統(tǒng)調壓器的輸入端連接第一開關單元，第一開關單元連接電網側輸電線；調壓器為雙繞組感應調壓器，調壓器設置有公共繞組和二次繞組，調壓器的公共繞組一端連接第一開關單元，公共繞組另一端與二次繞組一端連接，二次繞組另一端連接用戶側輸電線；控制器單元與電網側輸電線連接；控制器單元分別連接第一開關單元和第二開關單元。該雙繞組調壓控制系統(tǒng)的設計結構如下圖6所示。

3.3 自耦調壓控制系統(tǒng)的設計

在電網側提供的三相電壓的某一相或兩相電壓處于低壓狀態(tài)時，調壓器會對電網側的三相電壓同時進行升壓提供給用戶側，如此，會造成電網側處于正常工作狀態(tài)的相電壓會在調壓器作用下進一步升壓提供給用戶側，造成提供給用戶側的電壓過高的問題，不利于電網側三相電壓在輸出過程中的平衡。

針對現有技術的不足，還需設計一種自耦調壓控制系統(tǒng)，應用穩(wěn)定，可靠性高，有效控制調壓器與電網側輸電線間的通斷，克服了三相電壓輸出的不平衡。

該自耦調壓控制系統(tǒng)，包括調壓器、控制器單元、第一開關單元和第二開關單元。其中，調壓器的輸入端連接第一開關單元，第一開關單元連接電網側輸電線。自耦調壓控制系統(tǒng)的結構與雙繞組調壓控制系統(tǒng)類似，其中調壓器電路結構原理圖如圖7所示。

圖7 調壓器電路結構原理圖Fig.7 circuit structure schematic diagram of double winding voltage control system

所設計的自耦調壓控制系統(tǒng)，具有如下幾點特征。

1）該系統(tǒng)中一次繞組為從單繞組中抽出部分線匝構造，用于調壓器的原邊；二次繞組為包括一次繞組的抽出部分線匝在內的單繞組構造，用于調壓器的副邊。

2）調壓器為油浸式自耦變壓器，一次繞組和二次繞組之間充滿變壓器油。

3）系統(tǒng)中控制器單元包括處理器和電壓檢測電路，電壓檢測電路的輸入端對應控制器單元的檢測端，處理器的輸出端對應控制器單元的控制端。并且，電壓檢測電路的輸入端連接電網側輸電線，用于檢測電網側輸電線電壓；處理器的輸入端連接電壓檢測電路的輸出端，輸出端連接第一開關單元和第二開關單元，用于控制第一開關單元和第二開關單元的通斷。

4）系統(tǒng)中處理器為單片機、ARM芯片、PFGA芯片或DSP芯片。

自耦調壓控制系統(tǒng)通過對電網側輸電線電壓進行檢測，配合控制器單元對第一接觸器和第二接觸器的通斷進行控制，使得在電網側輸電線電壓處于低壓狀態(tài)時，通過調壓器讓用戶側輸電線電壓得到有效提高；并配合采用油浸式自耦變壓器設計，利用變壓器油的絕緣性、導熱性特點將單繞組進行冷卻，有效解決了調壓器散熱問題，同時，單繞組的溫升低，承載負荷能力變強，使得在同樣的額定容量下，自耦變壓器的尺寸較小，重量輕，占地面積小，維護方便，便于運輸和安裝。

4 低壓智能調壓器的開發(fā)設計

在配電網中，目前較為普遍的一種現象是：一個臺區(qū)往往要分出幾條支線，每個支線供一個較遠小村落用電，每個支線上用戶都在30戶以下，用戶比較分散，用電負荷在10kw左右，負荷波動相別不定，有時A相增高，有時B相增高。用戶電壓大部分時間能夠保持在合格范圍內，但是在集中用電期間，容易在短期內出現負荷高峰期，此時，末端電壓就會被拉低，一般低于198V，嚴重時甚至低至170V左右，而且會持續(xù)一段時間。

針對于上述問題，現有解決低電壓問題的常規(guī)方法為線路改造或新建臺區(qū)。如果采用采取低壓導線換大線經，只能治標不治本，不能從根本上解決問題，而且工程費用較高；如果采用新建臺區(qū)拆分負荷，需另外架設高壓線路，增加配電變壓器，這種方案實施周期長，短時難以見效，而且工程費用較高，難以普遍推廣應用。

因此，有必要針對上述由于用電峰期或谷期時，電壓波動大，導致電壓質量差、合格率低的問題，在第3章調壓控制系統(tǒng)的基礎上開發(fā)設計一種低壓智能調壓器。

4.1 結構設計

設計的調壓器主要結構包括五個部分，即電壓檢測裝置、第一控制開關、第二控制開關、第三控制開關和變壓器。其中，電壓檢測裝置檢測配電變壓器的低壓側線路的電壓值，當電壓值超出預設的電壓值范圍時，輸出控制信號控制第一、第二控制開關閉合，以及輸出控制信號控制第三控制開關斷開；且當電壓值進入預設的電壓值范圍時，輸出控制信號控制第一、第二控制開關斷開，以及輸出控制信號控制第三控制開關閉合；變壓器根據設定的變壓比例對輸入的電壓進行調壓。調壓器在電壓出現波動時自動投入變壓器進行變壓，電壓正常時能夠自動退出變壓器，通過旁路對用戶側進行供電，使用戶側電壓質量得到有效提升，保證了電壓合格率，保障了配電網安全穩(wěn)定運行。其原理結構如下圖8所示。

圖8 智能調壓器設計結構Fig.8 the architecture design diagram of smart voltage regulator

4.2 各組件連接關系

基于圖8所示的總體結構設計，主要包含5個組件，即電壓檢測裝置、第一控制開關、第二控制開關、第三控制開關和變壓器，這5個部分的連接關系為：

電壓檢測裝置的輸入端與配電變壓器的低壓側線路連接，并分別與第一控制開關、第二控制開關以及第三控制開關的控制端連接；第一控制開關、變壓器、第二控制開關依次連接；其中，第一控制開關與配電變壓器的低壓側線路連接，第二控制開關與用戶側線路連接；第三控制開關連接在配電變壓器的低壓側線路與用戶側線路連接之間。

該調壓器各組件的連接關系具有如下特點：

1）電壓檢測裝置與變壓器連接，電壓檢測裝置還用于根據電壓值計算變比參數，并根據變比參數控制變壓器的變壓比例。

2）該配電網調壓裝置，電壓檢測裝置包括電壓檢測電路和處理器；電壓檢測電路的輸入端與配電變壓器的低壓側線路連接，輸出端與處理器連接；處理器與第一控制開關、第二控制開關、第三控制開關連接，還與變壓器連接。

3）該配電網調壓裝置，根據電壓值計算變比參數包括：k=U0/ Ux。其中，k為變比參數，U0為額定電壓，Ux為檢測配電變壓器的低壓側線路的電壓值。

4）電壓檢測裝置用于分別檢測配電變壓器的低壓側線路A相、B相、C相的電壓值，當電壓值超出預設的壓值范圍時，輸出控制信號控制第一控制開關、第二控制開關閉合對應的單相線路，以及輸出控制信號控制第三控制開關斷開對應的單相線路；且當電壓值進入預設的壓值范圍時，輸出控制信號控制第一控制開關、第二控制開關斷開對應的單相線路，以及輸出控制信號控制第三控制開關閉合對應的單相線路；三相變壓器根據設定的變壓比例分別對對應的單相線路輸入的電壓進行調壓。

5）電壓檢測裝置與三相變壓器連接，電壓檢測裝置還用于根據電壓值計算A相、B相、C相的變比參數，并根據變比參數控制三相變壓器對應的單相線路的變壓比例。

6）電壓值計算A相、B相、C相的變比參數包括：kA=U0/ UA，kB=U0/ UB，kC=U0/ UC。其中，kA為配電變壓器的低壓側線路A相D 變比參數，kB為配電變壓器的低壓側線路B相的變比參數，kC為配電變壓器的低壓側線路C相的變比參數，U0為額定電壓。

如圖9所示為三相線路的配電網調壓裝置結構示意圖。

圖9 三相線路的配電網調壓裝置結構示意圖Fig.9 Three-phase line distribution network voltage regulator device structure diagram

三相變壓器根據設定的變壓比例（1：k）分別對對應的單相線路輸入的電壓進行調壓；一般情況下，k值為1.1至1.2之間，具體可以根據實際使用環(huán)境進行設定。

如圖9所示，電壓檢測裝置與三相變壓器連接，電壓檢測裝置還用于根據電壓值計算A相、B相、C相的變比參數，并根據變比參數控制三相變壓器對應的單相線路的變壓比例。裝置可根據電壓變化來分別智能調節(jié)變壓器A相、B相、C相的變壓比例，從而可以使得用戶側得到穩(wěn)定的電壓值，提高了供電質量，保證了電壓合格率，保障了配電網安全穩(wěn)定運行。

5 試驗研究

5.1 現場試驗

本文所開發(fā)低壓智能調壓控制系統(tǒng)在高要市蛟塘鎮(zhèn)良村（小塘村）進行了現場試驗，該村配電網于2004年進行了全面技術改造。隨著居民生活水平的不斷提高，居民的用電量也不斷提高，為滿足居民用電需求良村臺區(qū)配變容量已經進行了兩次增容：2007年由原來的100kVA增容至160kVA，2011年增容至315kVA。

但隨著用電量的不斷提高，低壓線路已經不滿足居民用電需要，如該臺區(qū)供電的自然村小塘村從良村臺區(qū)配變到小塘村低壓出線約1.2kM，且線徑偏?。ㄖ骶€70mm2，村內巷線35mm2）。在夏季、冬季的居民用電高峰季節(jié)，由于電壓偏低問題引起了用戶投訴。

為能在有限投資的前提下，解決居民電壓偏低問題，決定采用在低壓線路安裝低壓智能調壓器的手段來緩解低電壓的現狀。目前，已經在小塘村低壓側線路入村附近安裝了變比為1：1.1的調壓器，該調壓器容量為20kVA，采用自耦式接線，并采用繼電器實現分相投切。在調壓器前后各安裝一套計量終端，利用計量自動化系統(tǒng)對調壓器的進行數據收集，該調壓控制系統(tǒng)安裝位置如圖10所示。

圖10 現場安裝位置Fig.10 the site installation location

調壓前和調壓后計量終端電壓分別如圖11和圖12所示。

圖11 調壓前計量終端電壓Fig.11 the metering terminal voltage before voltage regulation

圖12 調壓后計量終端電壓Fig.12 the metering terminal voltage after voltage regulation

5.2 試驗分析

（1）電壓分析：

從計量系統(tǒng)調出的數據觀察分析，在負荷低峰時段入村各相電壓正常。

（a）11月11日18時用電負荷突增，A相電壓降至200V，調壓器A相動作，將A相電壓升至223V，其他兩相不動作；約半個小時后負荷下降，調壓器返回；在調壓器動作前、動作后，入村三相電壓正常。

（b）11月12日18時用電負荷突增，A相電壓降至204V，調壓器A相動作，將A相電壓升至228V，其他兩相不動作；約半個小時后負荷下降，調壓器返回；在調壓器動作前、動作后，入村三相電壓正常。

從上述結果可得知，該調壓器的投入對電壓起到明顯改善作用，具體調壓效果如圖13所示。

圖13 調壓器前后計量終端電壓對比Fig.13 voltage comparisons of metering terminal before and after voltage regulation

（2）損耗分析：

（a）空載損耗：通過對比調壓器前、調壓器后計量終端的“瞬時總有功”記錄數值，該調壓器空載損耗約110W（空載損耗主要為勵磁損耗，勵磁損耗隨電壓的變化而變化，取去除明顯出錯的數據后取平均值的方法得出空載損耗近似值）；

（b）負載損耗：由于秋季居民用電量不大，觀測到調壓器投入的時間較段短，且調壓器未曾達到額定容量運行（20kVA），按統(tǒng)計數據初步估計負載略大于損耗250W；

（c）總損耗分析：11月11日0時至11月13日0時（48小時），調壓器前計量終端行度為8.18，調壓器后計量終端行度為7.8，兩值相減并剩以倍率（15倍），得出該調壓器在48小時內耗費了5.7kWH的電量，占輸入小塘村該時段總電量的4.6%。

（3）對整個臺區(qū)電壓及無功影響分析：

a）電壓影響：從計量系統(tǒng)調出良村臺區(qū)計量終端數據，觀察負荷高峰時段，小塘村用電量僅占整個臺區(qū)約10%，且調壓器動作前后良村臺區(qū)首端電壓幾乎沒有變化。

良村臺區(qū)配變容量為315kVA，使用的調壓器額定容量為20kVA，調壓器的使用對于這種配變容量較大臺區(qū)影響不大。對于配變容量較?。ㄈ?0kVA）的臺區(qū)，調壓器動作前后對電壓的影響仍需進一步考證。

b）無功影響：該調壓器采用自耦式接線，屬于感性元件，在投入系統(tǒng)時需要消耗無功功率。

通過對比調壓器前、調壓器后計量終端的“瞬時總無功”記錄數值，采用取平均數的方法，得出該調壓器消耗無功約1kVar，占良村臺區(qū)消耗總無功約5%。

6 總結

本文設計了一種配電臺區(qū)低壓智能調壓控制系統(tǒng)，總的來說，具有如下特點：直接將低電壓升壓到合格電壓范圍內，并且裝設有過電壓保護器、低壓開關過流跳閘等保護；可根據用戶情況設計調壓器容量，同時可做成單相調壓器，適合所有用戶的電壓調整需求；調壓器智能控制調壓，可保證三相輸出電壓值在正常范圍內；調壓器的損耗受負荷影響很小，在有功、無功變化大的情況，同樣可以將電壓提升，且調壓器負載損耗低；調壓器可根據用戶需要，解決用戶電壓問題。同時可利用在接有小水電的發(fā)、供混合線路的臺區(qū)電壓低和電壓高的場合。因此，可適用于所有臺區(qū)存在電壓問題的情況。從技術上解決了農村電網380V輸電線路低電壓問題，對改善農村電網低壓臺區(qū)電壓水平有著直接的效益，提高客戶滿意度的效果十分顯著，具有重要的工程應用價值。

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Key Technologies Study of Smart Low-voltage Regulation Control System in Distribution Area

LU Jun1, CHENG Le-feng2, YU Tao2
(1. Zhaoqing Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd, Zhaoqing, 526060, China; 2. Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China)

In order to solve low-voltage problems in line terminal, a low-voltage regulation control system in distribution area was developed, and its key technologies were studied. The system includes voltage detection device, switch control unit and transformer. The line voltage on transformer low-voltage side is measured. When voltage exceeds preset range, the controlling signals are output to regulate the input voltage according to preset ratio of transformer. The transformer can be automatically put into operation when a voltage fluctuation occurs; otherwise, the transformer is out of operation automatically when voltage is normal. Then the power is supplied for users via the bypass circuit, moreover, the power quality is improved effectively. A field test is made in a certain distribution area of Gaoyao city. Test results show that user side problems of low voltage have been totally solved, and the voltage qualified rate is ensured. The systems has a litter impact on voltage of electricity users who in other branches, as well as ensures a safe and stable operation for distribution network.

Distribution network; Low-voltage area; Smart; Voltage regulator; Control system; Distribution automation

路軍，程樂峰，余濤. 配電臺區(qū)低壓智能調壓控制系統(tǒng)關鍵技術研究[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（11）：35-47.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.11.004

: LU Jun, CHENG Le-feng, YU Tao. Key Technologies Study of Smart Low-voltage Regulation Control System in Distribution Area[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(11) : 35-47.

廣東電網公司職工技術創(chuàng)新項目（GDDW14201403030700054）及中國南方電網科技項目資助。

路軍（1962-），男，碩士，通信作者，肇慶供電局技術專責，主要從事向：配網自動化和電力生產設備管理等；程樂峰（1990-），男，博士研究生，主要研究方向為配網自動化、電力系統(tǒng)智能優(yōu)化及控制等；余濤（1974-），男，教授，主要研究領域為復雜電力系統(tǒng)的非線性控制理論和仿真、智能控制算法等