移动式10kV配电线路低电压补偿装置的研制

0引言

随着国民经济的不断发展,我国用电负荷也在激增。用电负荷过大时,极易导致电能质量的下降,其中最明显的电能质量问题便是低电压问题^[1]。10kV 配电线路的末端极其容易出现低电压问题,造成配电线路末端低电压的因素有很多。例如上述用电负荷激增问题导致10 kV配网线路末端出现低电压;或者由于10 kV配电线路过长,造成电能传输过程中在配电线路上的热损耗过大,导致10 kV配电线路末端出现低电压;另外,发电厂或变电站能源供应不足时,也会造成10kV配电线路末端出现低电压^[2—3]。10kV配电线路一旦出现低电压问题,将严重影响低电压区域内电力用户的正常用电,影响供电的稳定性和可靠性,甚至造成用户的电气设备损坏,导致不必要的索赔问题。目前,电网解决10 kV配电线路末端低电压问题的主要措施是通过调节变电站主变压器的档位以提高10 kV配电线路的整体电压水平^[4],但这种方法会直接导致10 kV配电线路出线首端的电压水平偏高,存在极大的供电安全隐患。

为解决10 kV配电线路末端低电压问题,研制了一种移动式10 kV配电线路低电压补偿装置。该装置能采集10 kV配电线路的三相电压数据,并将所采集的实际电压数据与标准的10 kV电压数据进行对比,计算出所需补偿的电压波形,最终依据计算结果利用发电机进行发电,使所发电压与10 kV配电线路的实际电压进行拟合,从而使10 kV配电线路末端的电压水平趋近于标准电压,改善10 kv配电线路末端的低电压问题。

1移动式10 kV配电线路低电压补偿装置设计

如图1所示,移动式10 kV配电线路低电压补偿装置由检测单元和发电单元组成。检测单元包含启动按钮、液晶显示屏、电压检测按钮、检测用降压变压器模块、数模转换模块、微机模块和可充电电源。发电单元包括发电机启动按钮、关机按钮、电压进线端口、电压出线端口、柴油发电机和补偿用降压变压器模块。其中,启动按钮、液晶显示屏、电压检测按钮、发电机启动按钮、关机按钮、电压进线端口和电压出线端口安装于装置表面,检测用降压变压器模块、数模转换模块、微机模块、柴油发电机、补偿用降压变压器模块和可充电电源安装于装置内部。

启动按钮用于启动整个装置。液晶显示屏用于显示10 kV配电线路的实际电压数据、发电机所发电能的电压数据(即补偿电压数据)和补偿后的10 kV配电线路电压数据。电压检测按钮用于开启装置对10 kV配电线路电压进行检测。发电机启动按钮用于启动柴油发电机进行发电。关机按钮用于关闭整个装置,当电压补偿发生特殊情况时,可通过该键立即停止检测单元和发电单元的运行。电压进线端口和电压出线端口用于连接10 kV配电线路,将装置所发电能输送到10 kV配电线路上进行拟合。检测用降压变压器模块连接于电压出线端口处,用于将采集的10 kV配电线路电压数据降压成标准的5 V电压,以供检测单元进行数据计算。数模转换模块是将采集到的模拟电压信号转换成数字电压信号。微机模块是整个装置的控制中心,用于处理采集的电压数据,并输出所需补偿的电压数据。柴油发电机用于发电,所发电能的电压等级为标准的10 kV电压,其柴油加油口位于装置表面。补偿用降压变压器模块是根据微机模块输出的补偿电压数据来调整其自身档位,以保证补偿后10 kV配电线路的电压水平达到10 kV。可充电电源主要为检测单元充当电源,并且其可在柴油发电机发电时进行充电,以保证检测单元的正常工作。

移动式10 kV配电线路低电压补偿装置的电压进线端口和电压出线端口在与10 kV配电线路进行串联时采用六根电缆线路进行连接。在装置与线路的连接和断开这两个过程中均需提前断开距离连接点最近的10 kV分接开关,避免电缆靠近10 kV配电线路时产生电弧,引起不必要的设备损伤和人身安全问题。

2移动式10kV配电线路低电压补偿装置硬件设计

移动式10 kV配电线路低电压补偿装置硬件原理图如图2所示。

10 kV配电线路没有中性线,所以采集的10 kV 电压数据为线电压数据。采集电压数据时,连续采集10 ms内的模拟电压数据,之后间隔10 ms再采集下一组模拟电压数据。移动式10 kV配电线路低电压补偿装置在采集到10 kV电压数据后,经检测用降压变压器模块进行降压,输出幅值为5 V的模拟电压数据。模拟电压数据由数模转换模块转换成数字电压数据,并将转换后的数字电压数据输入微机模块进行计算。将模拟电压数据转换成数字电压数据时,从第一个模拟电压数据开始,以1 ms为间隔进行数据转换,最终转换成11个数字电压数据,将这11个数字电压数据作为一组完整数据储存到寄存器中,以供微机模块调用计算。微机模块作为整个装置的计算和控制中心,其接收电压检测按钮和发电机启动按钮输入的控制信号以及数模转换模块输入的数字电压数据,经算法处理后向液晶显示屏、柴油发电机和补偿用降压变压器模块输出相应的控制信号或数据。

3移动式10kV配电线路低电压补偿装置软件设计

定义detection为电压检测标志,当电压检测按钮按下时,微机模块将detection设置为1,即为高电平; start为发电机启动标志,当发电机启动按钮按下时,微机模块将 start 设置 为 1 ; 只有 按 下关机按钮 ,detection和start才会归零变为低电平。U_AB、U_BC、U_CA分别为移动式10 kV配电线路低电压补偿装置采集到的10kV配电线路的三相线电压的有效值,U_max为U_AB、U_BC、U_CA三个线电压有效值中的最大值,U_补偿为液晶显示屏上显示的补偿电压的有效值,U_补偿0为装置首次对10 kV配电线路进行补偿的补偿电压有效值,U_补偿1为装置已对10 kV配电线路进行首次补偿后的动态补偿下的补偿电压有效值,n₀为装置首次对10 kV配电线路进行补偿的补偿用降压变压器模块的变比,n₁为装置已对10 kV配电线路进行首次补偿后的动态补偿下的补偿用降压变压器模块的变比。

微机模块在处理一组数字电压数据时,根据11个数字电压数据所呈现的趋势拟合成一个标准的余弦波形,并取该波形的幅值计算其有效值,以此方法分别推算出U_AB、U_BC、U_CA。由于补偿电压与10 kV配电线路电压的余弦波形频率相同、相角相同、幅值不同,所以补偿电压与10kV配电线路电压进行拟合时,两余弦函数模型的叠加可简化为其幅值的叠加,即等同于电压有效值的叠加。基于上述原理,开发出一套10 kV配电线路低电压动态补偿数学模型。移动式10 kV配电线路低电压补偿装置软件流程图如图3所示。

首先判断start是否等于1,start不等于1,则表示此时装置并未对10 kV配电线路进行补偿。此时判断detection是否等于1,当detection等于1时,代表电压检测按钮已按下,此时微机模块开始对采集的电压数据进行计算,分别计算出U_AB、U_BC、U_CA。接着将三个线电压有效值中的最大值赋值给U_max,并计算出对应的U_补偿0和n₀。U_补偿0和n₀的计算公式如下式所示:

在计算出U_补偿0和n₀后,将U补偿0赋值给U补偿,并在液晶显示屏上显示出U_AB、U_BC、U_CA和U_补偿的对应数据。最后判断start是否等于1,start等于1则表明发电机启动按钮已按下,此时启动柴油发电机进行发电,并将补偿用降压变压器模块的变比调节成n₀。

若最初判断的start等于1,则表示装置已对10 kV配电线路进行补偿,此时对10 kV配电线路进行动态补偿。首先微机模块分别采集计算出U_AB、U_BC、U_CA,并将这三个线电压有效值中的最大值赋值给U_max,液晶 显示屏上更新显示出U_AB、U_BC和U_CA的对应数据。接着判断U_max是否大于11 kV,U_max不大于11 kV,则表示补偿后的10 kV配电线路电压值在安全运行范围内,无须对补偿电压做出调整;U_max大于11 kV,则表示补偿后的10 kV配电线路电压值超出安全运行范围,需要对补偿电压做出调整。U_max大于11 kV时,微机模块重新计算对应的补偿电压U_补偿1和补偿用降压变压器模块的变比n₁,U_补偿1和n₁的计算公式如下式所示:

U_补偿1和n₁计算完成之后,运用有载调压技术将补偿用降压变压器模块的变比调节成n₁,以此将10 kV 配电线路的电压有效值重新调节成10kV。最后将U_补偿1赋值给U_补偿,并在液晶显示屏上更新显示U_补偿的数据。

4结束语

移动式10 kV配电线路低电压补偿装置通过采集10 kV配电线路三个线电压有效值中的最大值U_max,并将U_max与标准的10 kV电压数据进行对比,计算出补偿电压有效值,最终依据计算结果利用柴油发电机进行发电,并调节补偿用降压变压器模块的变比,使装置输出的电压与10 kV配电线路的实际电压进行拟合,从而实现对10 kV配电线路电压水平的动态调整,使10 kV配电线路末端的电压水平趋近于标准电压,改善10 kV配电线路末端的低电压问题。

[参考文献]

[1]王永铎.10kV配电网线路的建设与改造分析[J].中国外资,2013(22):283.

[2]宋强.基于大数据分析的配电网低电压变化态势预测研究[J].自动化技术与应用,2024,43(3):96-98.

[3]都兴双,李洪春,杨家辉,等.三相三柱铁心变压器低电压阻抗相 间差异原 因研究 [J].变压器 ,2024,61 (2):58-62.

[4]张海彬.10kV配电线路低电压问题及处理措施[J].电工技术,2017(8):73-74.

2024年第16期第2篇