基于用户用电体验的智能配电有载调压变压器研制

廖宇峰，何治安

（广东电网广州供电局，广州 510900）

0 引言

随着经济的发展，居民生活水平不断提高，对用电质量的要求也越来越高。2019年，某地区客户提及“电压不稳”、“电压低”的工单量分别同比上升了110%和50%。导致用户电压质量达不到要求的主要原因是配电网中，季节性负荷变化大，线路供电半径长，三相负荷不平衡明显，在高峰负荷期间，电压波动明显，尤其是在线路末端容易产生电压偏低[1-2]。当前，解决上述问题主要有以下几种方式：一是新增台区布点，缩短供电半径；二是更换残旧线路及适当换大线径，减少线路上电压损失；三是调整台区首段电压。本文将主要研究第三种方式。

针对目前普遍使用的无励磁油浸变压器和干式变压器，主要通过停电调整变压器的分接头来达到改变台区首段电压的目的。在负荷高峰期，适当提高首段电压，在负荷低谷期，要适当降低首段电压。一般情况下，一年需要调整两次。这种方式虽然简单，但是不仅需要消耗大量的人力资源，而且，在用户对供电可靠性要求越来越高的今天，这种方式无疑降低了用户的用电体验。另外一种方式是在电压波动大的台区使用有载调压变压器，通过检测首段电压的变化，自动调节变压器分接头以达到改变台区首段电压的目的。这种方式可以节省人力，也无须停电，用户用电不受影响，但是有载调压变压器比普通变压器贵，一次投入成本相对较高。上述两种方式都是通过调节台区首段电压来改善末端电压质量，都有一定效果，但实际上，解决问题都不彻底。因为它们都仅仅根据首段电压的情况来调整变压器的分接头，而实际台区用户的电压质量如何并没有掌握，而这恰恰是最应该解决的问题[3-4]。

本文主要设计一种新型智能配电有载调压变压器，根据用户的电压质量来综合自动实时调节变压器分接头，达到真正实时提升用户电压质量的目的。

1 智能有载调压变压器

1.1 结构设计

如图1所示，智能配电有载调压变压器主要由有载调压开关装置、配电变压器本体、调压控制装置、电压采集模块、通信模块等部分组成。

图1 智能有载调压变压器总体结构

与传统的配电有载调压变压器不同，本文研究的智能有载调压变压器的调压判据不仅是配变台区首端是否合格，而是综合考虑了用户端的电压合格情况，以用户端电压合格为首要，结合首端电压数据，进行综合判定，最后对变压器的分接头进行合理调整[5]。

1.2 模块设计

（1）有载调压开关

连接10 kV线路配电变压器的高压侧，接收来自调压控制装置的命令，根据命令执行有载调压动作。

本文采用的永磁真空调压开关，其额定电压10 kV，最高电压12 kV，最大额定通过电流50 A，支持有载调压的高压分接档位为±2×2.5%，触头电阻25℃时高压小于1 mΩ，电气寿命不小于50 000次，机械寿命不小于100 000次。其主要特点包括采用真空灭弧室不污染变压器油，可真正实现免维护，调压主开关采用双稳态永磁机构，可靠性高，使用寿命长，储能依靠外部配套高性能电容实现，内部无储能机构，直线式传动，无拉簧、拐臂、齿轮等易损件，开关寿命高，结构简单，运行可靠，体积紧凑。独立油室，安装于变压器顶盖外侧，同变压器本体油隔离。可选配远距离通讯配件，在远方进行数据查看及参数调整等操作。电气寿命大于5万次，可做到与变压器同寿命，寿命期内免维护[6]。

（2）配电变压器本体

配电变压器本体与普通配电变压器功能一致。

（3）调压控制装置

接收来自台区首端及用户端电压采集模块采集的电压数据，按照约定的判据进行综合研判，然后输出调压动作指令给有载调压开关。控制流程图如图2所示。

图2 调压控制流程图

（4）电压采集模块

该模块的主要功能是采集台区首段的电压及用户点的电压信息。台区首端电压采集模块安装在台区，采集台区首端输出的三相电压信息，通过RS485传输给调压控制装置。用户端电压采集装置模块安装在用户电能计量表计之前，采集用户的进线电压信息，通过一定的通信方式传输给调压控制装置。该模块包括数据采集电路、数据处理电路及通信电路[7-9]。

（5）通信模块

该模块的主要功能是将电压采集模块采集的数据按照一定的规约传输给调压控制器。本文中的通信模块主要包括两个部分。一是传输台区首段采集到的电压数据，该部分使用的通信方式为RS485有线传输。二是传输用户端采集到的电压数据，该部分使用的通信方式为LoRa。该通信方式成本低、可靠性高。其主要通信参数包括：工作频段为470～510 MHz免费频段，通信信道16个，调制方式为LoRa调制方式，同时兼容并支持GFSK、FSK等传统调制方式。发射功率为19±1 dBm，接收灵敏度达-136±1 dBm，波特率可选1 200 bit/s、3 800 bit/s、7 500 bit/s，默认 3 800 bit/s；最大通信距离为空旷条件2 000 m。

图3 调压原理图

图4 智能有载调压变压器成果图

1.3 调压原理

变压器通过调压开关接入不同匝数的高压绕组，调节匝数比实现调节变压器低压侧输出电压。以A相为例，调压原理图如图3所示。各电压分接档位切换过程为：高档时，K1-1接通、K2-1接通，N1段进入带电回路，输出电压Ua=UA·N0/N1；中档时，K1-2接通、K2-1接通，N1段、N2段串联进入带电回路，输出电压Ua=UA·N0/（N1+N2）；低档时，K2-2接通，N1段、N2段、N3段串联进入带电回路，输出电压Ua=UA·N0/（N1+N2+N3）。

2 智能有载调压变压器的实现

在台区所有用户中，选取有代表性的用户进行采集电压数据，根据各模块的功能，设计出智能有载调压变压器如图4所示。根据设计图纸，研制出的配电智能有载调压变压器如图5所示。

图5 智能有载调压变压器实物图

3 智能有载调压变压器的应用效果

该智能有载调压变压器研制成功后，于2019年11月底在某地区配网台区挂网运行，运行数据如图6、图7所示。

图6 智能有载调压变压器台区首段运行电压数据

图7 智能有载调压变压器用户端电压数据

图6 为该台区在智能有载调压变压器安装前后的运行电压数据，数据表明，使用智能有载调压变压器前，该台区电压合格率不高，更换为智能有载调压变压器运行后，连续几个月台区首段电压合格率均为100%。

图7为该台区在智能有载调压变压器运行后用户端检测到的电压数据（之前因技术手段不足，未能实时监测用户端电压数据），数据表明，用户端的电压数据均在合格的范畴。

4 结束语

本文针对当前存在的用户端电压与台区首端电压难以同时合格的问题，以满足用户用电体验为首要目标，综合考虑台区首端电压质量，研制了一种智能配电有载调压变压器。该变压器在获取了用户端的电压数据后，与台区首端电压数据一起形成综合判据，然后根据判断结果，在不停电的情况下，自动调整配变分接头，实现了在满足用户用电需求的情况下，台区首端电压也合格的目标。该变压器还可以在原有普通油浸式变压器的基础上进行改造，节约投资成本。