低压配电线路末端电压质量优化装置的研制

李伟忠

（广东电网有限责任公司梅州供电局，广东 梅州 514000）

0 引言

电压质量是电能质量的一个重要指标，关系到电力用户能否正常用电。电压质量通常从电压幅值、电压频率以及电压波形三项进行考量[1]。其中电压频率较为固定，一般为50 Hz；电压波形虽然难以达到标准的正弦波，但波形只要不过度畸形就不影响低压用户正常用电[2]；而电压幅值一旦过低，则会导致电压有效值过低，此时将影响低压用户的正常用电。我国的低压用电负荷逐年增加，随着用电负荷不断提高，供电电压沿着供电线路逐步递减，严重时将导致线路末端的电力用户因电压过低而无法正常用电[3]。再加上我国农村人口众多，农村地区的低压供电线路过长，这就进一步加剧了农村地区低压线路末端的低电压现象[4]。

为解决低压线路末端低电压问题，研制了一套低压配电线路末端电压质量优化装置。现阶段，10 kV电压等级S9级以上的油浸式配电变压器具有有载调压的功能，低压配电线路末端电压质量优化装置基于配电变压器的有载调压功能进行开发，能够根据低压线路首端电压和末端电压的实际情况对配电变压器进行自动有载调压，从而优化低压线路末端的电压质量，消除低压线路末端的低电压现象。

1 低压配电线路末端电压质量优化装置设计

低压配电线路末端电压质量优化装置主要由两套电压监测装置和一套挡位调节装置组成。电压监测装置图如图1所示。

图1 电压监测装置图

电压监测装置用于监测线路电压，其可根据安装地点是线路首端还是线路末端设置成首端电压监测装置或者末端电压监测装置，用于监测首端电压或者末端电压。电压监测装置主要由液晶显示屏、信号灯、电源灯、固定螺母、按键模块、微机模块、变压模块、AD转换模块和通信模块组成，其中微机模块、变压模块、AD转换模块和通信模块置于装置内部。液晶显示屏在无人为操作的情况下显示监测线路点的实时电压，在工作人员的操作下，可以显示首端电压监测模式或者末端电压监测模式的选择过程。信号灯用于显示电压监测装置当前的通信信号强度，通信信号强度正常则信号灯常亮，通信信号强度弱则信号灯不亮。电源灯用于显示电压监测装置的供电是否正常，装置正常供电则电源灯常亮，装置供电异常时则电源灯不亮。固定螺母用于锁住插入电压监测装置的电源进线，在电压监测装置的底部有4个插入口，分别是A相、B相、C相和中性线的电源进线插入口，电源进线一方面为电压监测装置供电，另一方面作为装置监测电压的采样对象。按键模块用于对电压监测装置的电压监测模式进行设置，从而将电压监测装置设置成首端电压监测装置或者末端电压监测装置；按键模块主要由上行键、下行键和确定键组成，分别控制选项的上下移动及选项确定。微机模块是电压监测装置的数据处理中心，用于处理采集的电压信号以及按键模块的输入信号，并将处理结果输出给液晶显示屏显示，并以无线通信信号发送给挡位调节装置。变压模块将输入装置的220 V强电信号转换成5 V的弱电信号，用于为电压监测装置供电和便于后续电压数据处理。AD转换模块用于将采集的模拟电信号转换成数字电信号，便于微机模块进行数据处理。通信模块采用无线通信方式，通信模式为单工通信，用于向挡位调节装置发送挡位调节信号，每一个电压监测装置均有一个独立的逻辑地址，只有逻辑地址读取正确，才能正确读取无线信号中的数据。

挡位调节装置图如图2所示。

图2 挡位调节装置图

挡位调节装置主要由液晶显示屏、信号灯、电源灯、固定螺母、按键模块、操作臂、微机模块、变压模块、通信模块和舵机模块组成，其中微机模块、变压模块、通信模块和舵机模块置于装置内部。液晶显示屏、信号灯、电源灯、固定螺母、按键模块、微机模块、变压模块的主要作用与电压监测模块相似，在此不多赘述。操作臂可自由伸缩，其伸缩范围为20 cm～1 m，可根据挡位调节装置的安装位置调节其长度，操作臂末端为卡口结构，用于卡住分接开关的操作把手，舵机模块连接着操作臂，控制操作臂上下移动，从而控制变压器进行调挡。挡位调节装置底部的插入口为相线进线口和中性线进线口，其作用是通过变压模块变压后为挡位调节装置供电。通信模块采用无线通信方式，通信模式为单工通信，用于接收电压监测装置发送的挡位调节信号，为识别对应的电压监测装置，挡位调节装置需手动输入首端电压监测装置和末端电压监测装置的逻辑地址。

2 低压配电线路末端电压质量优化装置硬件原理

低压配电线路末端电压质量优化装置硬件原理图如图3所示。

图3 低压配电线路末端电压质量优化装置硬件原理图

低压配电线路末端电压质量优化装置硬件原理如下：电压监测装置通过按键模块输入设置成首端电压监测装置或末端电压监测装置；挡位调节装置通过按键模块输入对应的首端电压监测装置或末端电压监测装置的逻辑地址，用于无线通信接收挡位调节信号；末端电压监测装置通过电源进线采集220 V模拟电压信号，220 V模拟电压信号通过变压模块降压成5 V模拟电压信号，再通过AD转换模块转换成5 V数字电压信号，并输入末端电压监测装置微机模块进行数据处理；末端电压监测装置微机模块将处理后的结果输出给液晶显示屏显示，并通过无线信号将挡位调节信号发送给挡位调节装置微机模块；首端电压监测装置的硬件原理与末端电压监测装置的硬件原理相同；挡位调节装置微机模块在接收到首端电压监测装置和末端电压监测装置的挡位调节信号后，控制舵机模块操作操作臂对配电变压器进行有载调压。

3 低压配电线路末端电压质量优化装置软件设计

配电变压器有载调压总共分为9个挡位，从低到高依次为-10%、-7.5%、-5%、-2.5%、0%、+2.5%、+5%、+7.5%、+10%。供电系统对正常电压值的规定为-10%～+7%，对于有效值220 V的低压交流电，对应的正常电压有效值为198～235.4 V，电压低于198 V时，影响正常家用电器的使用，电压超过235.4 V时，长时间运行容易造成家用电器烧毁。

在此定义末端电压监测装置监测的三相电压值为UA0、UB0、UC0，首端电压监测装置监测的三相电压值为UA1、UB1、UC1，配电变压器有载调压的挡位标志值为sign，sign的取值从小到大依次为-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，依次代表配电变压器有载调压的9个挡位（-10%、-7.5%、-5%、-2.5%、0%、+2.5%、+5%、+7.5%、+10%）。低压配电线路末端电压质量优化装置软件流程图如图4所示。

图4 低压配电线路末端电压质量优化装置软件流程图

末端电压监测装置监测低压线路末端的三相电压，当三相其中一相电压低于198 V时，证明此时线路负荷过大，导致线路末端出现低电压现象。此时判断首端电压监测装置监测的首端三相电压是否存在任意一相电压超过235.4 V，若首端电压没有超出正常电压范围，则sign自加1，挡位调节装置利用舵机控制操作臂将配电变压器的挡位调节至标志值sign所对应的挡位；然后重复判断首端电压监测的电压值是否存在超过235.4 V的情况，在首端电压不超过235.4 V的情况下，尽可能提高配电变压器的挡位，使末端电压尽可能地增大，以满足线路末端用户的用电需求；当提挡调压至首端电压存在一相电压超过235.4 V时，首端电压过高，首端电力用户存在安全用电风险，此时sign自减1，并将配电变压器调节至sign值对应的挡位。当末端电压在正常电压范围内而首端电压出现任意相超过235.4 V时，证明此时线路负荷正在减少，线路整体电压值正在升高，此时sign自减1，配电变压器调节至sign值对应的挡位，并重复判断首端电压值是否存在超过235.4 V的现象，只要首端电压值超出235.4 V，sign不断自减，直至首端电压在正常电压范围内。

4 结束语

低压配电线路末端电压质量优化装置基于配电变压器的有载调压功能进行开发，由末端电压监测装置、首端电压监测装置和挡位调节装置组成。末端电压监测装置和首端电压监测装置监测低压线路末端和首端的实时三相电压值，在线路末端三相电压中存在任意一相电压低于198 V时，在首端电压不超过235.4 V的情况下，挡位调节装置对配电变压器进行有载调压，从而提高线路末端电压值，优化低压线路末端的电压质量，消除低压线路末端的低电压现象。