顏 勇，田 曉，陳 津，顏 麗，蘇 超

（1.國網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司，山東 濟南 250021；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；3.山東康潤電氣股份有限公司，山東 淄博 255000；4.國網(wǎng)山東省電力公司曲阜供電公司，山東 濟寧 273100）

0 引言

供電電壓偏差是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，電壓質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性、可靠性與電氣設(shè)備的使用壽命。近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，農(nóng)村地區(qū)用電負(fù)荷出現(xiàn)了快速增長，農(nóng)村配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、供電能力不足等問題開始顯現(xiàn)，尤其是低壓線路末端低電壓問題較突出［1］。如何滿足用戶對電能質(zhì)量日益增長的較高要求是廣大配電網(wǎng)運行管理工作者面臨的重要課題，因此必須對配電網(wǎng)低電壓問題進行深入的研究和治理，逐步消除低電壓問題［1］。

目前常規(guī)低電壓治理的方法主要有3種：一是加大電網(wǎng)改造投入，但該種方法資金投資較大，適用于負(fù)荷率較高、急需改造的地區(qū)；二是以變電站母線電壓為基準(zhǔn)，調(diào)整主變壓器有載分接開關(guān)，但該方法不能保證線路電壓的穩(wěn)定；三是當(dāng)電網(wǎng)感性負(fù)荷較大時，通過投切電容來減少線路無功電流所引起的壓降，但其調(diào)壓范圍較?。?-5］。

研制新型低壓線路末端電壓自動調(diào)節(jié)裝置，在線路末端動態(tài)疊加一個與線路電壓同相位、幅值自動調(diào)節(jié)的電壓源，使得輸出電壓始終處于合格范圍內(nèi)，滿足GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》要求的198.0～235.4V，電壓保持在202～234 V內(nèi)。

1 新型低壓線路末端電壓自動調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

1.1 裝置設(shè)計原理

假設(shè)供電區(qū)域輸出電壓為220 V，由于供電半徑大及線徑過細(xì)等原因，線路末端電壓降為175 V。通過功率轉(zhuǎn)換裝置從系統(tǒng)的175 V電壓中獲取45 V電壓，再通過耦合裝置將45 V電壓耦合至副邊，此時出線電壓恢復(fù)至220 V。降壓同理，僅將原副邊的極性進行調(diào)整。裝置設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 裝置設(shè)計原理

當(dāng)系統(tǒng)電壓降低或升高時，通過轉(zhuǎn)換模塊調(diào)整到系統(tǒng)所需電壓，再通過耦合裝置將電壓與系統(tǒng)電壓疊加或相減從而達到電壓調(diào)整的目的。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

1.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

新型低壓線路末端電壓自動調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電壓電流信號采集電路、中央處理器、人機界面、輸出控制回路、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換裝置、旁路、耦合裝置、智能電容綜合模塊等元器件構(gòu)成。

電壓電流信號采集電路。通過外部傳感器，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。用于系統(tǒng)電壓、電流的采集。

中央處理器。依據(jù)所采集的系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)，通過計算，向輸出控制回路發(fā)出相應(yīng)的指令。并采集裝置及系統(tǒng)電壓、頻率、電流、有功功率、無功功率和開關(guān)量等信息，與保護整定值進行對比，對設(shè)備進行相應(yīng)的保護，即過壓、過流、速斷、自診斷、器件損壞等保護功能。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)

人機界面。用于參數(shù)的設(shè)置和數(shù)護的查詢、展示。

遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。用于數(shù)據(jù)的上傳、遙測、遙控、搖調(diào)及設(shè)備的遠(yuǎn)程升級。

功率轉(zhuǎn)換裝置。補償電壓幅值的調(diào)整機構(gòu)。

旁路。當(dāng)電壓合格時，將設(shè)備旁路，減少有功損耗。

耦合裝置。根據(jù)電壓調(diào)節(jié)要求，將補償電壓與系統(tǒng)電壓進行疊加。

智能電容器綜合模塊。對線路及變壓器進行無功功率補償。裝置串聯(lián)在供電線路中，由檢測模塊采集進出線電壓、電流信號，由控制器對其進行分析處理，計算出當(dāng)前線路進出線實時電壓、電流有效值、電壓、電流畸變率、有功、無功、視在功率等數(shù)據(jù)，并實時顯示在人機交互單元即顯示屏上。

1.2.2 裝置功能

中央處理器根據(jù)分析得到的線路實時電壓、電流的有效值，結(jié)合其內(nèi)置的電壓穩(wěn)定控制程序，快速、有效地跟蹤線路瞬時電壓，并在過零時刻精確地控制功率轉(zhuǎn)換單元進行升壓、降壓或者進入旁路狀態(tài)。

裝置在運行狀態(tài)下，如遇過載、欠壓、過壓等情況，還可進行自動保護，切換到旁路運行。

裝置通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊與后臺服務(wù)器建立連接后，其參數(shù)、動作均可遠(yuǎn)程控制，并生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表，為配電網(wǎng)精細(xì)化管理提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

裝置輸入電壓超出GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》（以下簡稱國標(biāo)）范圍，則進行電壓調(diào)整，使其輸出電壓滿足國標(biāo)要求。具體調(diào)節(jié)過程如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)電壓降至額定電壓70%時，裝置通過功率轉(zhuǎn)換單元實現(xiàn)電壓補償功能，補償電壓為46 V，極性與系統(tǒng)電壓一致，并通過功率耦合裝置將補償電壓迭加到系統(tǒng)電壓上，從而保證用戶側(cè)電壓達到額定電壓，即輸入電壓-30%Un～+10%Un范圍內(nèi)，輸出電壓保持在-10%Un～+7%Un范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時，功率轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換出所需補償電壓，且極性相反，再通過功率耦合裝置將補償電壓迭加到系統(tǒng)電壓內(nèi)，從而用戶側(cè)電壓變壓系統(tǒng)額定電壓。

圖3 裝置調(diào)節(jié)過程示意

2 新型調(diào)壓裝置優(yōu)勢

傳統(tǒng)的自耦變壓器也可實現(xiàn)末端電壓的提升，但其具有損耗大、體積大、重量大、響應(yīng)速度慢等缺點。

新型調(diào)節(jié)裝置耦合變壓器的主線圈在調(diào)壓器控制回路，副線圈串聯(lián)在配電網(wǎng)線路中，克服了傳統(tǒng)調(diào)壓器存在的以上問題。

損耗小、體積小、重量輕。裝置只輸出ΔU×ΔI部分的功率，因而體積、重量大為降低；耦合變壓器采用了單段繞制方式，繞組匝數(shù)相應(yīng)減少一半。因此耦合變壓器比自耦變壓器的體積、重量、損耗都要顯著減少。

響應(yīng)速度快。由于采用了電力電子器件、高速CPU運算，因而不受調(diào)壓次數(shù)的限制，跟蹤響應(yīng)速度極快，壽命無次數(shù)限制，使得末端電壓穩(wěn)定性大為提高，基本消除末端電壓逾限的情況［8-9］。

新型調(diào)節(jié)裝置耦合變壓器除上述優(yōu)點為，還安裝有大尺寸液晶屏，可以較好地對信息進行展示，人機交互效果較好；采用模糊控制，電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較快，電壓調(diào)整范圍可根據(jù)用戶的實際需求在較大范圍內(nèi)進行調(diào)整，并接受用戶高端定制；旁路的設(shè)計可有效保護裝置；裝置同時具備手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)2個模式，并具備遠(yuǎn)程通信功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2017年10月，某配變臺區(qū)由于用電負(fù)荷的增加，6戶居民入戶電壓合格率區(qū)間為50%～78%，嚴(yán)重影響居民生活用電。用戶負(fù)載功率約為20 kW，制定的改造方案是在6戶居民入戶表箱前端6 m處，加裝一臺低壓線路末端電壓調(diào)節(jié)裝置。該臺設(shè)備為單相裝置，調(diào)壓范圍為170～260 V，額定容量為20 kW，額定電壓為220 V，最大工作電流為91 A，具備無功補償功能。

圖4～6為治理前后電壓、電流波形對比及電壓合格率曲線。可以看出，設(shè)備投運前，電壓合格率基本在50%～78%之間，自2017-11-19設(shè)備投運后，電壓合格率提升至100%。

圖7、圖8為調(diào)壓裝置安裝后，12月份日均電壓曲線與電壓合格率曲線。由圖可知，裝置投運后低電壓情況改善明顯，電壓均在合格范圍之內(nèi)。

圖4 治理前后電壓曲線對比

圖5 治理前后電流曲線對比

圖6 11月電壓合格率曲線

圖7 12月日均電壓曲線

圖8 12月份電壓合格率曲線

圖9為裝置功耗曲線，可以看出，設(shè)備運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)故障或異常狀態(tài)，運行噪音低，設(shè)備日功耗最小值為0.063 kWh，最大值為0.350 kWh，12月日均功耗為0.180 kWh，功耗較低。

圖9 12月裝置功耗曲線

4 結(jié)語

供電電壓偏差是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，隨著農(nóng)村地區(qū)用電負(fù)荷的快速增長，農(nóng)村配電網(wǎng)低壓線路末端低電壓問題尤為突出。現(xiàn)有電壓調(diào)節(jié)裝置存在容易產(chǎn)生無功功率過補償或由于自身損耗過大影響實際使用效果的不足。為此，研制一種新型低壓線路末端電壓自動調(diào)節(jié)裝置，該裝置采用數(shù)字化智能處理器，可實時檢測電壓、電流的有效值，并通過控制繼電器過零通斷，對補償電壓大小與極性進行調(diào)整。通過對變壓器同頻、同相、正弦波疊加補償，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

低壓線路末端低電壓治理作為一個綜合性的問題，應(yīng)以合理規(guī)劃、精益化管理、配電網(wǎng)升級等方面為主，進行治理。使用技術(shù)手段治理時，應(yīng)綜合考慮治理裝置的噪音和自身損耗，及對臺區(qū)經(jīng)濟運行、用戶使用感受所產(chǎn)生的影響。