潘凱寧，陳志峰，張紫凡，王玕，王智東

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026； 2.華南理工大學廣州學院，廣州 510800）

引言

隨著山區(qū)居民生活水平的不斷提高，各種方便山區(qū)生活生產(chǎn)的用電設(shè)備逐步普及，推動了居民群體的用電需求不斷升級[1-3]。而當前山區(qū)配電網(wǎng)的供電水平相對滯后，由于山區(qū)電網(wǎng)線徑較小、迂回供電、供電半徑長、多單相供電或布局不合理等因素，導致變壓器低壓線路末端電壓過低，低電壓問題頻頻出現(xiàn)，用戶電器設(shè)備不能正常使用，影響了用戶的正常生活生產(chǎn)，引起用戶投訴[4-8]。針對上述問題，當前調(diào)壓主要方式只是簡單地調(diào)高配變二次電壓，不能及時掌握線路末端的電壓及調(diào)壓效果。為了有效提高線路末端電壓，本文設(shè)計一種基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓變壓器，有效改善山區(qū)電網(wǎng)線路末端低電壓問題。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)

電力物聯(lián)網(wǎng)是近年來的熱門技術(shù)，它是將具有感知的傳感器、監(jiān)控軟件和控制器有機的聯(lián)系起來，從而大幅提高工業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。

如圖1所示，在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，末端傳感器將采集到的各信息量送入電力智能電子設(shè)備，通過光纖、4G網(wǎng)絡(luò)等電力通信傳送至電力物聯(lián)網(wǎng)主站，主站檢測并判斷傳送的信息后，下發(fā)指令至執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)控操作。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)框架

在電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，其關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面[9-15]：①傳感器技術(shù)：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需要更精確、更高效的傳感器。②數(shù)據(jù)高效集成與處理：電力系統(tǒng)存在的大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效匯集、處理和應(yīng)用。③通信技術(shù)：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)比傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)更快速、更先進，因此需要更快速的通信技術(shù)來支撐。④有效的執(zhí)行與操作技術(shù)：電力控制命令的及時傳遞與執(zhí)行。⑤安全技術(shù)：安全是電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以通信網(wǎng)絡(luò)方式，代替了傳統(tǒng)電力“硬接線”方式，實現(xiàn)電力信息得以在更大范圍內(nèi)共享，但網(wǎng)絡(luò)安全問題也日益突出。隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，更多智能終端和靈活的電力通信設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用，本文將充分利用當前電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，借助安全的電力無線通訊技術(shù)，將配電網(wǎng)電壓電流等信息數(shù)據(jù)采集到SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，實現(xiàn)配電網(wǎng)“變-線-戶”電壓情況的匯總， SCADA系統(tǒng)不僅可以實時掌握“變-線-戶”電壓參數(shù)，還能統(tǒng)一協(xié)調(diào)對“變-線-戶”電壓的控制，生成最優(yōu)調(diào)壓策略，完成配電網(wǎng)優(yōu)質(zhì)電壓方案設(shè)計。

2 方案設(shè)計

2.1 原理

國標規(guī)定220 V供電電壓偏差允許值為（+7~-10）%，即調(diào)壓范圍（198 V≤Un≤235.4 V）電壓偏差允許值上限為235.4 V，電壓偏差允許值下限為198 V。由于用戶分散，山區(qū)配電線路普遍較長，因此常存在線路首端電壓合格，但線路末端電壓偏低的現(xiàn)象。為提高線路末端電壓，常采用的方式是提高首端電壓，而首端電壓的幅值受到嚴格限制，即不可超過235.4 V。通常在山區(qū)配電線路中，即使首端電壓達到上限235.4 V，線路末端的電壓也經(jīng)常低于下限198 V；從而當首端電壓低于上限電壓235.4 V時，末端則會出現(xiàn)新的低電壓，并低于原先電壓最低值；綜上可知，盡管把首端電壓合格的上限定為235.4 V，在實際中也難以滿足山區(qū)配電線路末端電壓高于198 V的要求。因此需要更加靈活的調(diào)壓方式。

為解決山區(qū)配電線路電壓合格率的問題，本文提出一種變戶聯(lián)動調(diào)壓變壓器。該設(shè)備的調(diào)壓范圍為（Uc≤Un≤Ua），Ua的值根據(jù)不同情況確定，要求取值應(yīng)兼顧首端電壓和末端電壓，盡可能抬高末端電壓，同時確保首端電壓不至于太高，不會燒壞電器設(shè)備。

以220 V電壓合格率為例，本文提出的變戶聯(lián)動調(diào)壓方案，首先按照國標設(shè)置調(diào)壓范圍（198≤Un≤235.4）進行調(diào)節(jié)。由于末端電壓往往隨著首端電壓的升高等比升高，因此逐步調(diào)高首端電壓，使得末端電壓不斷靠近198 V的電壓值，并記錄調(diào)節(jié)過程中的電壓數(shù)據(jù)。當首端電壓低于235.4 V；則在末端還可以調(diào)到更高的電壓；當首端電壓已升至235.4 V，則停止調(diào)壓。

接著檢測國標調(diào)壓后線路末端電壓值，當線路末端仍然出現(xiàn)低電壓時，則選擇自定義調(diào)壓，調(diào)壓范圍為（260 V≤Un≤Um），Um的值根據(jù)不同情況確定。設(shè)Um=260 V；首端電壓從235.4 V開始逐漸升高，末端電壓也逐漸升高，檢測并記錄此時首末端電壓值。當末端電壓達到198 V時，如果此時首端電壓低于260 V；則在末端還可以調(diào)到更高的電壓；如果首端電壓U1高于260 V，則停止調(diào)壓。

2.2 方案實現(xiàn)

本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓系統(tǒng)圖如圖2所示。智能終端實時采集本地的變戶電壓信息，檢測后經(jīng)具有加解密安全功能的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)，將變戶電壓信息傳送至SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)匯總變戶電壓信息后，進行變戶聯(lián)動的調(diào)壓策略判斷，得到較優(yōu)的調(diào)壓結(jié)果，再次通過具有加解密安全功能的4G無線通信網(wǎng)絡(luò)，將調(diào)壓指令發(fā)送至對應(yīng)的智能終端。智能終端接收來自于4G無線通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)壓指令，對其進行安全解密后，確認調(diào)壓信息的有效性，并執(zhí)行調(diào)壓命令。

圖2 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓系統(tǒng)

借助于電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，SCADA系統(tǒng)可以實時采集配電線路聯(lián)絡(luò)開關(guān)以及用戶表計的電壓參數(shù)，然后對線路不同位置上安裝的聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的電壓參數(shù)以及調(diào)壓設(shè)備的裕度進行比較運算，生成最優(yōu)調(diào)壓策略。本裝置的調(diào)壓策略，是以臺區(qū)低電壓的值為基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)線路首端電壓與臺區(qū)電壓以改變末端低電壓，周而復始，使得調(diào)壓與臺區(qū)低電壓產(chǎn)生聯(lián)動效果，實現(xiàn)自動調(diào)壓。

電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過通訊系統(tǒng)將電壓數(shù)據(jù)以及最優(yōu)調(diào)壓策略傳輸給SCADA系統(tǒng)。由SCADA系統(tǒng)給具體的寬幅調(diào)壓配變下達調(diào)壓指令，調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)壓功能的具體思路是：戶表電壓采集器采集臺區(qū)內(nèi)所有戶表的電壓并傳輸給檢測裝置，檢測裝置檢測出其中最低的電壓U0；當U0低于198 V，則認定電壓過低需要啟動調(diào)壓流程，調(diào)壓裝置對變壓器的二次電壓進行調(diào)壓。其中調(diào)檔裝置由儲能彈簧驅(qū)動或電機驅(qū)動。

其中，調(diào)壓參數(shù)主要包括各個聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的最低電壓和最高電壓出現(xiàn)的時間、持續(xù)的時間、出現(xiàn)的周期、趨勢、規(guī)律、單位時間內(nèi)電壓的變化量△U/△t，以及其它戶表產(chǎn)生的低電壓現(xiàn)相關(guān)信息。

戶表電壓采集器采集臺區(qū)內(nèi)所有戶表的電壓并傳輸給檢測裝置，檢測裝置檢測出其中最低的電壓U0；當U0低于198 V，調(diào)壓裝置對變壓器的二次電壓進行調(diào)壓。自定義調(diào)壓的上限Um設(shè)定為一個區(qū)間（Um1≤Um≤Um2），根據(jù)不同的情況確定Um的值。

3 電壓調(diào)節(jié)流程實現(xiàn)

本文提出的變戶聯(lián)動調(diào)壓針對配電網(wǎng)特點進行了流程優(yōu)化，使得所設(shè)計的電壓調(diào)節(jié)流程具有簡便性，具體如圖3所示。

圖3 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓流程

SCADA系統(tǒng)收集來自于智能終端關(guān)于配電網(wǎng)線路聯(lián)絡(luò)開關(guān)以及用戶表計的電壓數(shù)據(jù)，進行協(xié)調(diào)控制，判斷線路最低電壓U0是否大于等于198 V，U0符合條件則說明無低電壓現(xiàn)象出現(xiàn)，則不需調(diào)壓。

不符合條件則說明需要啟動調(diào)壓流程調(diào)整電壓。首先進入以國標調(diào)壓標準為本系統(tǒng)調(diào)壓范圍的流程，如經(jīng)過調(diào)壓，最低電壓U0升高至198 V及以上，則停止調(diào)壓。

如果以國標為調(diào)壓范圍的調(diào)壓流程無法使最低電壓升至198 V及以上，則進入自定義調(diào)壓過程。在自定義調(diào)壓流程中，首先系統(tǒng)會根據(jù)當前的電壓數(shù)據(jù)以及上一次的調(diào)壓過程定義該次的電壓調(diào)節(jié)范圍，將電壓調(diào)節(jié)范圍適當?shù)姆艑挘脤挿{(diào)壓配變調(diào)節(jié)配電線路的電壓幅值。如果經(jīng)過自動化調(diào)壓流程后，低電壓問題得到了解決，則停止調(diào)壓。如若電壓仍不符合標準，則再次調(diào)整系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)范圍。

本文提出的調(diào)壓方式可達到在不損害用戶設(shè)備的前提下，使配電線路上的用戶盡可能的獲得質(zhì)量較高電能。

4 應(yīng)用

本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓系統(tǒng)，已在富含小水電的韶光山區(qū)電網(wǎng)進行示范應(yīng)用。在本系統(tǒng)投運前，主要依靠各個變壓器自身特性和本地信息進行電壓調(diào)壓，容易存在過調(diào)、欠調(diào)和頻繁調(diào)節(jié)等問題，導致電壓波動較大，部分時段過壓問題嚴重，容易存在過壓燒壞電器等問題。

采用基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓系統(tǒng)后，避免了僅依靠本地信息進行調(diào)壓的傳統(tǒng)方法，通過安全的電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（具有加解密功能的4G通信網(wǎng)絡(luò)），實現(xiàn)了智能終端和SCADA系統(tǒng)變戶電壓信息的安全交互，并基于高效的變戶調(diào)壓策略，實現(xiàn)有效的調(diào)壓，示范應(yīng)用效果實現(xiàn)了山區(qū)可靠、穩(wěn)定電壓供給，如圖4所示。

圖4 變戶聯(lián)動調(diào)壓系統(tǒng)效果圖

5 結(jié)語

本文提出的基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動調(diào)壓變壓器能夠?qū)Ξ斍盃顩r進行智能研判，并為寬幅調(diào)壓配變下達正確的調(diào)壓指令，提高了山區(qū)配電系統(tǒng)的線路電壓合格率，避免了僅依靠調(diào)壓器自身特性的傳統(tǒng)調(diào)壓方法無法解決富含小水電等山區(qū)電壓波動較大的問題。

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的變戶聯(lián)動的調(diào)壓系統(tǒng)采用了電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過實時監(jiān)測配電線路上隔離開關(guān)以及用戶表計上采集到的電壓數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了電壓數(shù)據(jù)實時檢測、實時查看、遠程操作和協(xié)調(diào)控制功能。由于采用了自適應(yīng)的方式調(diào)整設(shè)備的調(diào)壓范圍，可以適應(yīng)山區(qū)電力用戶分散造成的配電線路過長，造成的線路末端電壓過低的情況，使配電線路上的用戶盡可能的獲得質(zhì)量較高電能。