新型低压线路末端电压自动调节装置的研制

颜 勇，田 晓，陈 津，颜 丽，苏 超

（1.国网山东综合能源服务有限公司，山东 济南 250021；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；3.山东康润电气股份有限公司，山东 淄博 255000；4.国网山东省电力公司曲阜供电公司，山东 济宁 273100）

0 引言

供电电压偏差是衡量电能质量的重要指标之一，电压质量直接关系到电力系统的安全性、经济性、可靠性与电气设备的使用寿命。近年来，随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，农村地区用电负荷出现了快速增长，农村配电网结构薄弱、供电能力不足等问题开始显现，尤其是低压线路末端低电压问题较突出［1］。如何满足用户对电能质量日益增长的较高要求是广大配电网运行管理工作者面临的重要课题，因此必须对配电网低电压问题进行深入的研究和治理，逐步消除低电压问题［1］。

目前常规低电压治理的方法主要有3种：一是加大电网改造投入，但该种方法资金投资较大，适用于负荷率较高、急需改造的地区；二是以变电站母线电压为基准，调整主变压器有载分接开关，但该方法不能保证线路电压的稳定；三是当电网感性负荷较大时，通过投切电容来减少线路无功电流所引起的压降，但其调压范围较小［2-5］。

研制新型低压线路末端电压自动调节装置，在线路末端动态叠加一个与线路电压同相位、幅值自动调节的电压源，使得输出电压始终处于合格范围内，满足GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》要求的198.0～235.4V，电压保持在202～234 V内。

1 新型低压线路末端电压自动调节装置设计

1.1 装置设计原理

假设供电区域输出电压为220 V，由于供电半径大及线径过细等原因，线路末端电压降为175 V。通过功率转换装置从系统的175 V电压中获取45 V电压，再通过耦合装置将45 V电压耦合至副边，此时出线电压恢复至220 V。降压同理，仅将原副边的极性进行调整。装置设计原理如图1所示。

图1 装置设计原理

当系统电压降低或升高时，通过转换模块调整到系统所需电压，再通过耦合装置将电压与系统电压叠加或相减从而达到电压调整的目的。

1.2 装置结构及功能实现

1.2.1 装置结构

新型低压线路末端电压自动调节装置结构如图2所示，主要由电压电流信号采集电路、中央处理器、人机界面、输出控制回路、远程通信系统、功率转换装置、旁路、耦合装置、智能电容综合模块等元器件构成。

电压电流信号采集电路。通过外部传感器，将模拟信号转为数字信号。用于系统电压、电流的采集。

中央处理器。依据所采集的系统电压、电流数据，通过计算，向输出控制回路发出相应的指令。并采集装置及系统电压、频率、电流、有功功率、无功功率和开关量等信息，与保护整定值进行对比，对设备进行相应的保护，即过压、过流、速断、自诊断、器件损坏等保护功能。

图2 装置结构

人机界面。用于参数的设置和数护的查询、展示。

远程通信系统。用于数据的上传、遥测、遥控、摇调及设备的远程升级。

功率转换装置。补偿电压幅值的调整机构。

旁路。当电压合格时，将设备旁路，减少有功损耗。

耦合装置。根据电压调节要求，将补偿电压与系统电压进行叠加。

智能电容器综合模块。对线路及变压器进行无功功率补偿。装置串联在供电线路中，由检测模块采集进出线电压、电流信号，由控制器对其进行分析处理，计算出当前线路进出线实时电压、电流有效值、电压、电流畸变率、有功、无功、视在功率等数据，并实时显示在人机交互单元即显示屏上。

1.2.2 装置功能

中央处理器根据分析得到的线路实时电压、电流的有效值，结合其内置的电压稳定控制程序，快速、有效地跟踪线路瞬时电压，并在过零时刻精确地控制功率转换单元进行升压、降压或者进入旁路状态。

装置在运行状态下，如遇过载、欠压、过压等情况，还可进行自动保护，切换到旁路运行。

装置通过网络通信模块与后台服务器建立连接后，其参数、动作均可远程控制，并生成统计数据报表，为配电网精细化管理提供有力的数据支撑。

装置输入电压超出GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》（以下简称国标）范围，则进行电压调整，使其输出电压满足国标要求。具体调节过程如图3所示。当系统电压降至额定电压70%时，装置通过功率转换单元实现电压补偿功能，补偿电压为46 V，极性与系统电压一致，并通过功率耦合装置将补偿电压迭加到系统电压上，从而保证用户侧电压达到额定电压，即输入电压-30%Un～+10%Un范围内，输出电压保持在-10%Un～+7%Un范围内。当系统电压过高时，功率转换单元转换出所需补偿电压，且极性相反，再通过功率耦合装置将补偿电压迭加到系统电压内，从而用户侧电压变压系统额定电压。

图3 装置调节过程示意

2 新型调压装置优势

传统的自耦变压器也可实现末端电压的提升，但其具有损耗大、体积大、重量大、响应速度慢等缺点。

新型调节装置耦合变压器的主线圈在调压器控制回路，副线圈串联在配电网线路中，克服了传统调压器存在的以上问题。

损耗小、体积小、重量轻。装置只输出ΔU×ΔI部分的功率，因而体积、重量大为降低；耦合变压器采用了单段绕制方式，绕组匝数相应减少一半。因此耦合变压器比自耦变压器的体积、重量、损耗都要显著减少。

响应速度快。由于采用了电力电子器件、高速CPU运算，因而不受调压次数的限制，跟踪响应速度极快，寿命无次数限制，使得末端电压稳定性大为提高，基本消除末端电压逾限的情况［8-9］。

新型调节装置耦合变压器除上述优点为，还安装有大尺寸液晶屏，可以较好地对信息进行展示，人机交互效果较好；采用模糊控制，电压调节响应速度较快，电压调整范围可根据用户的实际需求在较大范围内进行调整，并接受用户高端定制；旁路的设计可有效保护装置；装置同时具备手动调节和自动调节2个模式，并具备远程通信功能。

3 现场应用

2017年10月，某配变台区由于用电负荷的增加，6户居民入户电压合格率区间为50%～78%，严重影响居民生活用电。用户负载功率约为20 kW，制定的改造方案是在6户居民入户表箱前端6 m处，加装一台低压线路末端电压调节装置。该台设备为单相装置，调压范围为170～260 V，额定容量为20 kW，额定电压为220 V，最大工作电流为91 A，具备无功补偿功能。

图4～6为治理前后电压、电流波形对比及电压合格率曲线。可以看出，设备投运前，电压合格率基本在50%～78%之间，自2017-11-19设备投运后，电压合格率提升至100%。

图7、图8为调压装置安装后，12月份日均电压曲线与电压合格率曲线。由图可知，装置投运后低电压情况改善明显，电压均在合格范围之内。

图4 治理前后电压曲线对比

图5 治理前后电流曲线对比

图6 11月电压合格率曲线

图7 12月日均电压曲线

图8 12月份电压合格率曲线

图9为装置功耗曲线，可以看出，设备运行平稳，未出现故障或异常状态，运行噪音低，设备日功耗最小值为0.063 kWh，最大值为0.350 kWh，12月日均功耗为0.180 kWh，功耗较低。

图9 12月装置功耗曲线

4 结语

供电电压偏差是衡量电能质量的重要指标之一，随着农村地区用电负荷的快速增长，农村配电网低压线路末端低电压问题尤为突出。现有电压调节装置存在容易产生无功功率过补偿或由于自身损耗过大影响实际使用效果的不足。为此，研制一种新型低压线路末端电压自动调节装置，该装置采用数字化智能处理器，可实时检测电压、电流的有效值，并通过控制继电器过零通断，对补偿电压大小与极性进行调整。通过对变压器同频、同相、正弦波叠加补偿，保证输出电压的稳定性。

低压线路末端低电压治理作为一个综合性的问题，应以合理规划、精益化管理、配电网升级等方面为主，进行治理。使用技术手段治理时，应综合考虑治理装置的噪音和自身损耗，及对台区经济运行、用户使用感受所产生的影响。