一种基于电力物联网的变户联动调压系统

潘凯宁，陈志峰，张紫凡，王玕，王智东

（1.广东电网有限责任公司韶关供电局，韶关 512026； 2.华南理工大学广州学院，广州 510800）

引言

随着山区居民生活水平的不断提高，各种方便山区生活生产的用电设备逐步普及，推动了居民群体的用电需求不断升级[1-3]。而当前山区配电网的供电水平相对滞后，由于山区电网线径较小、迂回供电、供电半径长、多单相供电或布局不合理等因素，导致变压器低压线路末端电压过低，低电压问题频频出现，用户电器设备不能正常使用，影响了用户的正常生活生产，引起用户投诉[4-8]。针对上述问题，当前调压主要方式只是简单地调高配变二次电压，不能及时掌握线路末端的电压及调压效果。为了有效提高线路末端电压，本文设计一种基于电力物联网的变户联动调压变压器，有效改善山区电网线路末端低电压问题。

1 电力物联网

电力物联网是近年来的热门技术，它是将具有感知的传感器、监控软件和控制器有机的联系起来，从而大幅提高工业生产效率、节约生产成本。

如图1所示，在电力物联网架构中，末端传感器将采集到的各信息量送入电力智能电子设备，通过光纤、4G网络等电力通信传送至电力物联网主站，主站检测并判断传送的信息后，下发指令至执行机构执行相应的调控操作。

图1 电力物联网框架

在电力物联网架构中，其关键技术主要有以下几方面[9-15]：①传感器技术：工业物联网技术的发展，需要更精确、更高效的传感器。②数据高效集成与处理：电力系统存在的大量多源异构数据的高效汇集、处理和应用。③通信技术：工业物联网比传统的监控技术更快速、更先进，因此需要更快速的通信技术来支撑。④有效的执行与操作技术：电力控制命令的及时传递与执行。⑤安全技术：安全是电力工业物联网的基础，由于工业物联网以通信网络方式，代替了传统电力“硬接线”方式，实现电力信息得以在更大范围内共享，但网络安全问题也日益突出。随着智能电网发展，更多智能终端和灵活的电力通信设备在电力系统中得到应用，本文将充分利用当前电力物联网技术方案，借助安全的电力无线通讯技术，将配电网电压电流等信息数据采集到SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，实现配电网“变-线-户”电压情况的汇总， SCADA系统不仅可以实时掌握“变-线-户”电压参数，还能统一协调对“变-线-户”电压的控制，生成最优调压策略，完成配电网优质电压方案设计。

2 方案设计

2.1 原理

国标规定220 V供电电压偏差允许值为（+7~-10）%，即调压范围（198 V≤Un≤235.4 V）电压偏差允许值上限为235.4 V，电压偏差允许值下限为198 V。由于用户分散，山区配电线路普遍较长，因此常存在线路首端电压合格，但线路末端电压偏低的现象。为提高线路末端电压，常采用的方式是提高首端电压，而首端电压的幅值受到严格限制，即不可超过235.4 V。通常在山区配电线路中，即使首端电压达到上限235.4 V，线路末端的电压也经常低于下限198 V；从而当首端电压低于上限电压235.4 V时，末端则会出现新的低电压，并低于原先电压最低值；综上可知，尽管把首端电压合格的上限定为235.4 V，在实际中也难以满足山区配电线路末端电压高于198 V的要求。因此需要更加灵活的调压方式。

为解决山区配电线路电压合格率的问题，本文提出一种变户联动调压变压器。该设备的调压范围为（Uc≤Un≤Ua），Ua的值根据不同情况确定，要求取值应兼顾首端电压和末端电压，尽可能抬高末端电压，同时确保首端电压不至于太高，不会烧坏电器设备。

以220 V电压合格率为例，本文提出的变户联动调压方案，首先按照国标设置调压范围（198≤Un≤235.4）进行调节。由于末端电压往往随着首端电压的升高等比升高，因此逐步调高首端电压，使得末端电压不断靠近198 V的电压值，并记录调节过程中的电压数据。当首端电压低于235.4 V；则在末端还可以调到更高的电压；当首端电压已升至235.4 V，则停止调压。

接着检测国标调压后线路末端电压值，当线路末端仍然出现低电压时，则选择自定义调压，调压范围为（260 V≤Un≤Um），Um的值根据不同情况确定。设Um=260 V；首端电压从235.4 V开始逐渐升高，末端电压也逐渐升高，检测并记录此时首末端电压值。当末端电压达到198 V时，如果此时首端电压低于260 V；则在末端还可以调到更高的电压；如果首端电压U1高于260 V，则停止调压。

2.2 方案实现

本文提出的基于电力物联网的变户联动调压系统图如图2所示。智能终端实时采集本地的变户电压信息，检测后经具有加解密安全功能的4G无线通信网络，将变户电压信息传送至SCADA系统。SCADA系统汇总变户电压信息后，进行变户联动的调压策略判断，得到较优的调压结果，再次通过具有加解密安全功能的4G无线通信网络，将调压指令发送至对应的智能终端。智能终端接收来自于4G无线通信网络的调压指令，对其进行安全解密后，确认调压信息的有效性，并执行调压命令。

图2 基于电力物联网的变户联动调压系统

借助于电力工业物联网，SCADA系统可以实时采集配电线路联络开关以及用户表计的电压参数，然后对线路不同位置上安装的联络开关处的电压参数以及调压设备的裕度进行比较运算，生成最优调压策略。本装置的调压策略，是以台区低电压的值为基础，调节线路首端电压与台区电压以改变末端低电压，周而复始，使得调压与台区低电压产生联动效果，实现自动调压。

电力工业物联网通过通讯系统将电压数据以及最优调压策略传输给SCADA系统。由SCADA系统给具体的宽幅调压配变下达调压指令，调节系统电压。

基于电力物联网的变户联动调压系统实现调压功能的具体思路是：户表电压采集器采集台区内所有户表的电压并传输给检测装置，检测装置检测出其中最低的电压U0；当U0低于198 V，则认定电压过低需要启动调压流程，调压装置对变压器的二次电压进行调压。其中调档装置由储能弹簧驱动或电机驱动。

其中，调压参数主要包括各个联络开关处的最低电压和最高电压出现的时间、持续的时间、出现的周期、趋势、规律、单位时间内电压的变化量△U/△t，以及其它户表产生的低电压现相关信息。

户表电压采集器采集台区内所有户表的电压并传输给检测装置，检测装置检测出其中最低的电压U0；当U0低于198 V，调压装置对变压器的二次电压进行调压。自定义调压的上限Um设定为一个区间（Um1≤Um≤Um2），根据不同的情况确定Um的值。

3 电压调节流程实现

本文提出的变户联动调压针对配电网特点进行了流程优化，使得所设计的电压调节流程具有简便性，具体如图3所示。

图3 基于电力物联网的变户联动调压流程

SCADA系统收集来自于智能终端关于配电网线路联络开关以及用户表计的电压数据，进行协调控制，判断线路最低电压U0是否大于等于198 V，U0符合条件则说明无低电压现象出现，则不需调压。

不符合条件则说明需要启动调压流程调整电压。首先进入以国标调压标准为本系统调压范围的流程，如经过调压，最低电压U0升高至198 V及以上，则停止调压。

如果以国标为调压范围的调压流程无法使最低电压升至198 V及以上，则进入自定义调压过程。在自定义调压流程中，首先系统会根据当前的电压数据以及上一次的调压过程定义该次的电压调节范围，将电压调节范围适当的放宽，利用宽幅调压配变调节配电线路的电压幅值。如果经过自动化调压流程后，低电压问题得到了解决，则停止调压。如若电压仍不符合标准，则再次调整系统的电压调节范围。

本文提出的调压方式可达到在不损害用户设备的前提下，使配电线路上的用户尽可能的获得质量较高电能。

4 应用

本文提出的基于电力物联网的变户联动调压系统，已在富含小水电的韶光山区电网进行示范应用。在本系统投运前，主要依靠各个变压器自身特性和本地信息进行电压调压，容易存在过调、欠调和频繁调节等问题，导致电压波动较大，部分时段过压问题严重，容易存在过压烧坏电器等问题。

采用基于电力物联网的变户联动调压系统后，避免了仅依靠本地信息进行调压的传统方法，通过安全的电力物联网技术（具有加解密功能的4G通信网络），实现了智能终端和SCADA系统变户电压信息的安全交互，并基于高效的变户调压策略，实现有效的调压，示范应用效果实现了山区可靠、稳定电压供给，如图4所示。

图4 变户联动调压系统效果图

5 结语

本文提出的基于电力物联网的变户联动调压变压器能够对当前状况进行智能研判，并为宽幅调压配变下达正确的调压指令，提高了山区配电系统的线路电压合格率，避免了仅依靠调压器自身特性的传统调压方法无法解决富含小水电等山区电压波动较大的问题。

基于电力物联网的变户联动的调压系统采用了电力工业物联网技术，通过实时监测配电线路上隔离开关以及用户表计上采集到的电压数据，实现了电压数据实时检测、实时查看、远程操作和协调控制功能。由于采用了自适应的方式调整设备的调压范围，可以适应山区电力用户分散造成的配电线路过长，造成的线路末端电压过低的情况，使配电线路上的用户尽可能的获得质量较高电能。