农村配电网低压 智能开关节能型控制调压器研究

路军，程乐峰，余涛

（1. 广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 526060；2. 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

农村配电网低压 智能开关节能型控制调压器研究

路军1，程乐峰2，余涛2

（1. 广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 526060；2. 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

针对农网380V输电线路末端出现电压过低问题，设计一种低压智能开关节能型控制调压器，直接串联在农网低压台区输电线路上，与用户侧直接相连，在负荷高 峰时简单直接地提高用户侧电压，防止用户电压过低。给出了装置硬件设计方案，设计了第一和第二智能开关，可控制变压器的投退，当电压水平满足要求时，可自动退出运行，具有一定的节能效益。实际运行中只需将装置安装在配变低压侧线路即可，无需进行大规模的线路更换 或者架设高压线路，实施周期短，见效快，工程量小，工程费用较低，通过现场试验证明该装置具有“小投资，解决大问题”的效果。

农村配电网；低电压；调压器；电压波动；节能效益；配电台区

0 引言

我国配电网分布广、设备多、网架结构较为薄弱[1]，尤其对于山区，居住点多且分散，农网显得尤为薄弱。所以农村配网存在以下问题[2-4]：第一，10kV配电线路长，平均长度达16.24公里；第二，台区数量不足，低压供电半径长，未能严格按照“小容量，密布点”的原则进行改造；第三：低压供电线路线径小，造成线路压降进一步增大。基于此，笔者对肇庆市低电压台区配网情况进行了详细的调查，目前，肇庆市低电压台区共有1592个，其中末端电压低于180V的台区有999个。由于受配电网供电半径长、线路及配变重过载等情况的制约，可靠性和电压合格率指标难以得到有效提升，同时群众意见大，在用电高峰期灯管不亮、电饭煲无法用。低电压严重影响用户用电，影响客户满意度，所以应加强对居民端电压质量的重视程度。

截至目前，国内外对电力调压器的研究主要是针对10kV输电线路，研发的调压器装置也是解决10kV输电线路低压问题为主，而针对农村电网380V输电线路的低压问题却少之又少。受配电网供电半径长、线路及配变重过载等情况的制约，低压台区可靠性和电压合格率指标难以得到有效提升，严重影响用户的生活、生产。因此，有必要对农网低电压问题进行研究，其中，文献[3]对基于单相变和混合供电辅助解决农村低电压问题进行了探讨，提出需按照最大限度缩短配变到户距离的原则采用单相配电变压器和三相配电变压器混合供电的新模式；文献[5]针对我国电力系统低压配电网现行的三相四线制供电技术存在供电半径长、低压线损率高、电压损失大以及三相动力电和单相居民用电共用配电变压器使得配电变压器损耗大等缺陷提出了一种单三相混合配电技术；文献[6]发明了一种原边调节的农网低压线路末端补偿器，通过使变压器末端电压和电网电压反向叠加以实现对末端电压的降压补偿；文献[7]则发明了一种自动调容调压配电变压器，但造价太高；文献[8，9]则分别提出一种用于农村电网的高效率稳压器和一种对于分散农村配电系统的固态调压器，但控制方法较繁琐，操作不方便；文献[10]则介绍了中/低压农村配电的电压降低分配模型，以帮助网络规划者选择参数，以尽量减少网络的生命周期成本，可适用于不同负载和类型的网络的最优分配。

对于目前肇庆农网来说，输电线路末端电压低的配电台区主要存在如下问题[11，12]：1）低压供电线路半径小、线径小；2）用电负荷小、负荷波动大；3）用户电压存在明显的负荷高峰，且高峰期内的供电电压不足。比如，用户电压大部分时间能够保持在合格范围内，但在用户煮饭期间，尤其是春节期间，天气寒冷，外出人员返乡过年，集中用电，出现负荷高峰期，电压则低于198V，甚至低至170V左右，持续时间为0.5h～3h。对于第3）点，供电所人员为了满足长线路末端电压，将配变抽头调至最高档位，导致出现线路首端电压高至240V，末端电压低至170V，严重影响电压合格率。

针对上述3个集中问题，一般的解决办法为1）线路改造：将低压供电线路中的小线径导线更换为大线径导线，这种方法治标不治本，而且线路更换的工程费用较高；2）新建台区：通过新建台区拆分用电负荷，这种方法需要架设高压线路，增加配变，实施周期长，短期内难以见效，而且工程量大，工程费用很高。因此，现有的解决办法都很难有效解决台区配变低压端线路电压低的问题。

基于此，为了减少投资并快读解决低电压问题，本文开发一种低压智能开关节能型控制调压装置，该装置主要结构包括：第一智能开关、第二智能开关、开关装置和调压器。利用该调压装置，相当于在线路末端用户前加装升压装置，采用投退调压器的方式实现电压提升，解决农网低电压问题。

1 低压台区几种典型接线方式

通过对肇庆全市低电压台区（单相电压低于国标198V）的普查分析，低电压台区有以下几种典型接线形式[13-17]，分别如下图1（a）～（d）所示。其中，接线类型1：低压线路主线供电线路长、线径小，负荷高峰期时导致末端用户电压偏低；接线类型2：低压线路某一支线由于供电线路长、线径小，负荷高峰期时导致该支线末端用户电压偏低；接线类型3：线路T接较多，造成供电线路长、线径小，负荷高峰期时导致末端用户电压偏低；接线类型4：由于10kV电压偏低，导致整个低压台区电压偏低。

图1 低压配电台区四种接线类型Fig.1 Four connection types of lines in low-voltage distribution area

所以，根据对接线类型的划分，可知供电设备（配变、线路）重过载、低压线路供电半径过长、低压线路线径小是造成台区电压偏低的主要因素。逐步优化低压配网网架结构，改造重过载台区和线路，增加电源点分布，是解决低电压问题的根本途径。经调查，肇庆市共有1219个低电压台区供电半径超过500米，占低压台区总数的76.57%；部分低压线路长达2～3千米。低电压台区主干线路线径低于50mm2占低压台区总数的84.55%，主干线路线径低于35mm2占低压台区总数的71.42%。在煮饭等用电负荷高峰期，电压由正常降到198V以下，甚至170V左右，持续时间一般不超过3个小时。低电压台区中月用电量在5000度以下占83.2%，相当部分自然村用户数在30户左右，村平均月用电量不足1500度。具体的低电压台区原因分析如下表1所示。

表1 肇庆市配电压台区低电压原因分析表Tab. 1 Low voltage analysis table of distribution area in city of Zhaoqing

根据表1，配电台区低电压原因分布如图2的饼图所示。

图2 低电压原因分布图Fig.2 Low voltage causes distribution diagram

在每年有限的资金中，把大量资金用在改造电量少、低电压持续时间短的台区，投资效益低。按照目前每年的投资，资金缺口巨大，且要较长时间才能全面解决低压台区问题，所以调压器才是快速解决农网低电压问题的有效途径。经过调查，市场上常规调压器采用调节抽头变比调压，工作环境要求高；试验性的调压器设计复杂，效果不明显。现有调压器不适用于农村配网运行安装方便、运行维护简单、电压波动量大、经济耐用的特点。因此，需要打破常规，跳出原有模式，设计一种低压智能调压装置，采用投退调压器的方式，有效解决农网低电压问题，在实际应用中也是十分有必要的。下面章节介绍该装置的开发。

2 总体结构设计

如下图3所示为低压智能开关节能型控制调压装置的总体结构设计图。该装置结构包括：第一智能开关、第二智能开关、开关装置和调压器。其中，调压器为变比参数为1.1～1.2的变压器，且为三相调压器，该变比范围是通过检测人员实测得到的，调试人员可以根据当地的台区配变低压侧线路的电压状况进行适当的调整，并不限于所述范围。开关装置为交流接触器。台区配变低压侧线路包括A相输电线、B相输电线、C相输电线和零线，分别为图3所示的L1、L2、L3和N。

图3 总体结构设计图Fig.3 Overall architecture design diagram

基于图3，各组件具体连接方式为：调压器的输出端通过开关装置与台区配变低压侧线路的用户侧的A相输电线、B相输电线和C相输电线连接；第二智能开关的输入端与台区配变低压侧线路的电源侧的A相输电线、B相输电线、C相输电线以及零线连接，第二智能开关的输出端的A相输电线、B相输电线、C相输电线与调压器的输入端连接，同时台区配变低压侧线路的零线与调压器的输入端连接；第一智能开关的输入端与台区配变低压侧线路的电源侧的A相输电线、B相输电线、C相输电线以及零线连接，第一智能开关的输出端和台区配变低压侧线路的用户侧的A相输电线、B相输电线以及C相输电线连接。

第一智能开关的控制发送端分别与第二智能开关的控制接收端、开关装置连接；第二智能开关的控制发送端分别与第一智能开关的控制接收端、开关装置连接；第一智能开关检测台区配变低压侧线路的A相输电线、B相输电线、C相输电线分别与零线之间的相位电压值，并根据检测的相位电压值输出控制信号至第二智能开关和开关装置，接收第二智能开关输出的控制信号；第二智能开关检测台区配变低压侧线路的A相输电线、B相输电线、C相输电线分别与零线之间的相位电压值，并根据检测的相位电压值输出控制信号至第一智能开关和开关装置，接收第一智能开关输出的控制信号。

装置工作原理可描述为：第一智能开关构成正常供电链路，第二智能开关、调压器以及开关装置构成电压调整链路。第一智能开关和第二智能开关同时检测台区配变低压侧线路的电源侧的相位电压值，并根据检测的电压大小和预设值进行比较，对其所连接的智能开关和开关装置发送合闸/分闸信号，并执行接收到的信号。

具体来说，当出现用电高峰时，如可预设检测到台区配变低压侧线路电压下降至200V及以下时为用电高峰出现，第一智能开关发送合闸信号给第二智能开关和开关装置，第二智能开关合闸的同时发送分闸信号给第一智能开关并且发送合闸信号给开关装置，开关装置合闸，约0.2s后第一智能开关分闸，台区配变低压侧线路的电源侧经由电压调整线路中的调压器进行调压后给用户侧输电。

当用电高峰过去时，如可预设检测到台区配变低压侧线路电压回升至215V时为用电高峰过去，第二智能开关发送合闸信号给第一智能开关和分闸信号给开关装置，第一智能开关合闸的同时发送分闸信号给第二智能开关和开关装置，开关装置分闸，约0.2s后第二智能开关分闸，台区配变低压侧线路的电源侧切换回正常台区配变低压侧线路直接给用户侧输电。此时，调压器处于不带电状态，避免了调压器一端带电引起的空载损耗，在节能方面有极大的提高。

需要补充的是，为了避免由于第一智能开关和第二智能开关同时处于合闸而导致第一智能开关、第二智能开关、调压器和开关装置形成回路，所以第一智能开关需要通过接收第二智能开关的信号来执行合闸或分闸动作；第二智能开关需要通过接收第一智能开关的信号来执行合闸或分闸动作；开关装置需要同时接收第一智能开关和第二智能开关的信号才动作，从而提高装置的安全性。

该低压智能开关型控制调压装置，增设调压器对供电电压进行调整，利用智能开关对调压器的投退进行选择，同时当调压器退出时，调压器处于不带电状态，避免了调压器一端带电引起的空载损耗，在节能方面有极大的提高。使用时只需台区配变低压侧线路中安装该装置即可，无需进行大规模的线路更换或者架设高压线路，实施周期短，见效快，工程量小，工程费用较低，有效解决台区配变低压端线路电压低的问题并且有节能效果。

3 具体硬件设计

如下图4所示为低压智能开关节能型控制调压装置的第一智能开关和第二智能开关的结构示意图。下面结合图4分别对第一、二智能开关和第一、二处理器进行硬件设计。

图4 第一智能开关和第二智能开关结构示意图Fig.4 The architecture design diagram of the first and second smart switch

3.1 第一智能开关设计

如上图4所示，第一智能开关包括第一电压检测电路、第一处理器和第一接触器。第一电压检测电路与第一接触器串联。第一电压检测电路、第一接触器、第二智能开关、开关装置分别与第一处理器连接。第一电压检测电路与台区配变低压侧线路的电源侧连接。第一接触器与台区配变低压侧线路的用户侧连接。其中，第一电压检测电路与台区配变低压侧线路的电源侧的A相输电线、B相输电线以及C相输电线连接，第一处理器与台区配变低压侧线路的零线连接。

3.2 第二智能开关设计

如上图4所示，第二智能开关包括第二电压检测电路、第二处理器和第二接触器。第二电压检测电路与第二接触器串联。第二电压检测电路、第二接触器、第一智能开关的第一处理器、开关装置分别与第二处理器连接。第二电压检测电路与台区配变低压侧线路的电源侧连接。第二接触器与调压器连接。其中，第二电压检测电路与台区配变低压侧线路的电源侧的A相输电线、B相输电线以及C相输电线连接，第一处理器与台区配变低压侧线路的电源侧的电源侧的零线连接。

3.3 智能开关工作原理

当台区配变低压侧线路的电源侧接入到第一智能开关时，首先将由第一电压检测电路对相位电压进行检测，然后检测结果发送至第一处理器，第一处理器根据检测结果发送合闸/分闸信号给第二智能开关的第二处理器和开关装置，第二处理器控制第二接触器执行动作。

当台区配变低压侧线路的电源侧接入到第二智能开关时，首先将由第二电压检测电路对相位电压进行检测，然后检测结果发送至第二处理器，第二处理器根据检测结果发送合闸/分闸信号给第一智能开关的第二处理器和开关装置，第二处理器控制第二接触器执行动作。

3.4 处理器设计

第一处理器包括单片机、ARM芯片、FPGA芯片或DSP芯片，第二处理器包括单片机、ARM芯片、FPGA芯片或DSP芯片。如下图5所示为嵌入式ARM架构设计图。

图5 ARM架构设计Fig.5 The architecture design of ARM

该架构以ARM920T芯片为核心，在设计中，芯片外部搭载了LCD触屏显示部分、3G部分、WIFI部分、SD卡存储部分、Flash闪存、电源部分、USB接口部分、SPI总线接口、JTAG接口部分、串行RS232、RS485接口部分，搭建起一个稳定、功能齐全的嵌入式控制系统。芯片外部通过异步传输标准接口RS232串口在底层直接与DSP芯片链接，实现ARM芯片与DSP的信息交互。LCD触屏显示部分实现了检测操作的触屏化，人机交互功能更加完善，实现了输电线路复杂参数的快速输入，添加和删除方便。

4 测试应用

四会市虾罗村全村用电户共有28户，平均月用电量683度，所在大布台区分4路出线，虾罗支线长度1.45km，线径BLV25线，最大用电负荷25千瓦，最小负荷0.2千瓦。用户在负荷高峰期时电压低于170V，经常发生用户投诉。虾罗村电压情况如下图6所示。

图6 虾罗村电压情况Fig.6 Voltage state of Xialuo countryside

在虾罗村村头加装一台30kVA低压智能调压器，基本解决了虾罗村用户电压过低而影响生活、生产的问题，现场试验如下图7所示。

图7 现场试验Fig.7 Field testing

现场试验分析如下：

1）电压情况

加装调压器后，监测系统显示，低电压得到明显提升，电压值全在合格范围内，解决了低电压问题。虾罗村调压器安装后电压如下图8所示。

图8 虾罗村安装本文设计调压装置后的电压情况Fig.8 The voltage state of Xialuo countryside after installing the voltage regulator designed in this paper

2）损耗情况

安装的低压智能调压器是设计了旁路接触器，通过检测到配电变压器的低压侧线路电压，并根据配电变压器的低压侧线路电压控制变压器的投退（当电压偏低时，自动投入调压器进行升压，使供电电压提高，符合电压要求；当电压属于正常范围时，通过旁路供电，供电电压满足要求。）所以在电压水平满足要求时，调压器不投入运行，直接消除了这期间调压器的运行损耗，起到了显著的节能效果，如下图9所示。

图9 虾罗村安装本文设计调压装置后的电压对比情况Fig.9 The voltage state comparison of Xialuo countryside after installing the voltage regulator designed in this paper

所以只有在虾罗村的低压智能调压器安装处的电压低于预设值，低压智能调压器才会投入运行。查询计量自动化系统数据，调压器实时损耗小，为0.13千瓦，10月18日16：30至10月19日16：15（累计24小时）电量数据：调压器前录得电量为1.61*20（倍率）＝32.2千瓦时，调压器后录得电量为1.45*20（倍率）＝29千瓦时，损耗32.2-29＝3.2千瓦时，损耗率为3.2/32.2＝9.94%。

查询营销系统，大布台区前2个月线损8.87%，前2个月供电量55499千瓦时，日均供电量约为910千瓦时。如按目前的损耗情况下，调压器日损耗电量3.2千瓦时，对台区的损耗率3.2/910＝0.35%，也即虾罗村的调压器增加了大布台区0.35%的线损率，增加了0.35%/8.87%＝3.96%，在可以接受范围内，每天损耗不到3度电，对其他支路用户电压影响很小。

3）对比分析

以四会虾罗村为例，通过仿真计算，在解决农村电网低压问题的各种方案对比如表2所示。通过比对可以看出，线路改造以及新建变压器拆分台区的方案在投资上是安装低压智能调压器的20倍左右，而且实施方案的周期远远大于安装低压智能调压器，所以综合看来，加装低压智能调压器达到了“小投资解决大问题”的效果。

表2 3种调压方案对比Tab. 2 Comparisons of three kinds of voltage regulation scheme

5 总结

针对台区配变低压端线路电压低的问题，本文设计了一种低压智能开关节能型控制调压装置，给出了硬件设计方案。该方案增设调压器对供电电压进行调整，利用智能开关对调压器的投退进行选择，同时当调压器退出时，调压器处于不带电状态，避免了调压器一端带电引起的空载损耗，在节能方面有极大的提高。使用时只需台区配变低压侧线路中安装本装置即可，无需进行大规模的线路更换或者架设高压线路，实施周期短，见效快，工程量小，工程费用较低，有效解决台区配变低压端线路电压低的问题并且有节能效果。虾罗村的现场试验证明了加装低压智能调压器可达到“小投资解决大问题”的效果。

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Research on Energy-saving-type of Low-voltage Smart Switching Control Regulator in Rural Distribution Network

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)

Aimed at the problems of too-low voltage occurred in 380V transmission line terminal in rural distribution network, a low-voltage smart switching energy-saving-type control regulator is designed, which is directly connected to transmission line in rural distribution area in series, as well as to the users. It can simply and directly improve the voltage on user side in load peak period, thus avoids low voltage. The hardware scheme is given and the fi rst and second smart switches are designed to control the operation of transformer. When the voltage level meets requirements, operation of regulator exits automatically, thus has a certain energy-saving effi ciency. The device is just installed in lines on low-voltage side of transformer in actual operation, which avoids a large scale of lines replacement or setting up high-voltage lines. The scheme has advantages of short construction period, quick effect, few engineering task and low engineering cost. It’s proved by fi eld test that the device really has an effect of “low cost and big problems solving”.

Rural distribution network; Low voltage; Voltage regulator; Voltage fluctuation; Energy saving efficiency; Distribution area

路军，程乐峰，余涛. 农村配电网低压 智能开关节能型控制调压器研究[J]. 新型工业化，2016，6（10）：29-37，51.

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.10.005

: LU Jun, CHENG Le-feng, YU Tao. Research on Energy-saving-type of Low-voltage Smart Switching Control Regulator in Rural Distribution Network[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(10)： 29-37, 51.

广东电网公司职工技术创新项目(GDDW14201403030700054) 及中国南方电网科技项目资助

路军（1962-），男，通信作者，硕士，肇庆供电局技术专责，主要从事向：配网自动化和电力生产设备管理等 ；程乐峰（1990-），男，博士研究生，主要研究方向为配网自动化、电力系统智能优化及控制等 ；余涛（1974-），男，教授，主要研究领域为复杂电力系统的非线性控制理论和仿真、智能控制算法等