移動式10kV配電線路低電壓補償裝置的研制

0引言

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國用電負荷也在激增。用電負荷過大時,極易導(dǎo)致電能質(zhì)量的下降,其中最明顯的電能質(zhì)量問題便是低電壓問題^[1]。10kV 配電線路的末端極其容易出現(xiàn)低電壓問題,造成配電線路末端低電壓的因素有很多。例如上述用電負荷激增問題導(dǎo)致10 kV配網(wǎng)線路末端出現(xiàn)低電壓;或者由于10 kV配電線路過長,造成電能傳輸過程中在配電線路上的熱損耗過大,導(dǎo)致10 kV配電線路末端出現(xiàn)低電壓;另外,發(fā)電廠或變電站能源供應(yīng)不足時,也會造成10kV配電線路末端出現(xiàn)低電壓^[2—3]。10kV配電線路一旦出現(xiàn)低電壓問題,將嚴重影響低電壓區(qū)域內(nèi)電力用戶的正常用電,影響供電的穩(wěn)定性和可靠性,甚至造成用戶的電氣設(shè)備損壞,導(dǎo)致不必要的索賠問題。目前,電網(wǎng)解決10 kV配電線路末端低電壓問題的主要措施是通過調(diào)節(jié)變電站主變壓器的檔位以提高10 kV配電線路的整體電壓水平^[4],但這種方法會直接導(dǎo)致10 kV配電線路出線首端的電壓水平偏高,存在極大的供電安全隱患。

為解決10 kV配電線路末端低電壓問題,研制了一種移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置。該裝置能采集10 kV配電線路的三相電壓數(shù)據(jù),并將所采集的實際電壓數(shù)據(jù)與標準的10 kV電壓數(shù)據(jù)進行對比,計算出所需補償?shù)碾妷翰ㄐ?最終依據(jù)計算結(jié)果利用發(fā)電機進行發(fā)電,使所發(fā)電壓與10 kV配電線路的實際電壓進行擬合,從而使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標準電壓,改善10 kv配電線路末端的低電壓問題。

1移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置設(shè)計

如圖1所示,移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置由檢測單元和發(fā)電單元組成。檢測單元包含啟動按鈕、液晶顯示屏、電壓檢測按鈕、檢測用降壓變壓器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、微機模塊和可充電電源。發(fā)電單元包括發(fā)電機啟動按鈕、關(guān)機按鈕、電壓進線端口、電壓出線端口、柴油發(fā)電機和補償用降壓變壓器模塊。其中,啟動按鈕、液晶顯示屏、電壓檢測按鈕、發(fā)電機啟動按鈕、關(guān)機按鈕、電壓進線端口和電壓出線端口安裝于裝置表面,檢測用降壓變壓器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、微機模塊、柴油發(fā)電機、補償用降壓變壓器模塊和可充電電源安裝于裝置內(nèi)部。

啟動按鈕用于啟動整個裝置。液晶顯示屏用于顯示10 kV配電線路的實際電壓數(shù)據(jù)、發(fā)電機所發(fā)電能的電壓數(shù)據(jù)(即補償電壓數(shù)據(jù))和補償后的10 kV配電線路電壓數(shù)據(jù)。電壓檢測按鈕用于開啟裝置對10 kV配電線路電壓進行檢測。發(fā)電機啟動按鈕用于啟動柴油發(fā)電機進行發(fā)電。關(guān)機按鈕用于關(guān)閉整個裝置,當(dāng)電壓補償發(fā)生特殊情況時,可通過該鍵立即停止檢測單元和發(fā)電單元的運行。電壓進線端口和電壓出線端口用于連接10 kV配電線路,將裝置所發(fā)電能輸送到10 kV配電線路上進行擬合。檢測用降壓變壓器模塊連接于電壓出線端口處,用于將采集的10 kV配電線路電壓數(shù)據(jù)降壓成標準的5 V電壓,以供檢測單元進行數(shù)據(jù)計算。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊是將采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號。微機模塊是整個裝置的控制中心,用于處理采集的電壓數(shù)據(jù),并輸出所需補償?shù)碾妷簲?shù)據(jù)。柴油發(fā)電機用于發(fā)電,所發(fā)電能的電壓等級為標準的10 kV電壓,其柴油加油口位于裝置表面。補償用降壓變壓器模塊是根據(jù)微機模塊輸出的補償電壓數(shù)據(jù)來調(diào)整其自身檔位,以保證補償后10 kV配電線路的電壓水平達到10 kV?？沙潆婋娫粗饕獮闄z測單元充當(dāng)電源,并且其可在柴油發(fā)電機發(fā)電時進行充電,以保證檢測單元的正常工作。

移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置的電壓進線端口和電壓出線端口在與10 kV配電線路進行串聯(lián)時采用六根電纜線路進行連接。在裝置與線路的連接和斷開這兩個過程中均需提前斷開距離連接點最近的10 kV分接開關(guān),避免電纜靠近10 kV配電線路時產(chǎn)生電弧,引起不必要的設(shè)備損傷和人身安全問題。

2移動式10kV配電線路低電壓補償裝置硬件設(shè)計

移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置硬件原理圖如圖2所示。

10 kV配電線路沒有中性線,所以采集的10 kV 電壓數(shù)據(jù)為線電壓數(shù)據(jù)。采集電壓數(shù)據(jù)時,連續(xù)采集10 ms內(nèi)的模擬電壓數(shù)據(jù),之后間隔10 ms再采集下一組模擬電壓數(shù)據(jù)。移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置在采集到10 kV電壓數(shù)據(jù)后,經(jīng)檢測用降壓變壓器模塊進行降壓,輸出幅值為5 V的模擬電壓數(shù)據(jù)。模擬電壓數(shù)據(jù)由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓數(shù)據(jù),并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓數(shù)據(jù)輸入微機模塊進行計算。將模擬電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓數(shù)據(jù)時,從第一個模擬電壓數(shù)據(jù)開始,以1 ms為間隔進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,最終轉(zhuǎn)換成11個數(shù)字電壓數(shù)據(jù),將這11個數(shù)字電壓數(shù)據(jù)作為一組完整數(shù)據(jù)儲存到寄存器中,以供微機模塊調(diào)用計算。微機模塊作為整個裝置的計算和控制中心,其接收電壓檢測按鈕和發(fā)電機啟動按鈕輸入的控制信號以及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸入的數(shù)字電壓數(shù)據(jù),經(jīng)算法處理后向液晶顯示屏、柴油發(fā)電機和補償用降壓變壓器模塊輸出相應(yīng)的控制信號或數(shù)據(jù)。

3移動式10kV配電線路低電壓補償裝置軟件設(shè)計

定義detection為電壓檢測標志,當(dāng)電壓檢測按鈕按下時,微機模塊將detection設(shè)置為1,即為高電平; start為發(fā)電機啟動標志,當(dāng)發(fā)電機啟動按鈕按下時,微機模塊將 start 設(shè)置 為 1 ; 只有 按 下關(guān)機按鈕 ,detection和start才會歸零變?yōu)榈碗娖?。U_AB、U_BC、U_CA分別為移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置采集到的10kV配電線路的三相線電壓的有效值,U_max為U_AB、U_BC、U_CA三個線電壓有效值中的最大值,U_補償為液晶顯示屏上顯示的補償電壓的有效值,U_補償0為裝置首次對10 kV配電線路進行補償?shù)难a償電壓有效值,U_補償1為裝置已對10 kV配電線路進行首次補償后的動態(tài)補償下的補償電壓有效值,n₀為裝置首次對10 kV配電線路進行補償?shù)难a償用降壓變壓器模塊的變比,n₁為裝置已對10 kV配電線路進行首次補償后的動態(tài)補償下的補償用降壓變壓器模塊的變比。

微機模塊在處理一組數(shù)字電壓數(shù)據(jù)時,根據(jù)11個數(shù)字電壓數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的趨勢擬合成一個標準的余弦波形,并取該波形的幅值計算其有效值,以此方法分別推算出U_AB、U_BC、U_CA。由于補償電壓與10 kV配電線路電壓的余弦波形頻率相同、相角相同、幅值不同,所以補償電壓與10kV配電線路電壓進行擬合時,兩余弦函數(shù)模型的疊加可簡化為其幅值的疊加,即等同于電壓有效值的疊加。基于上述原理,開發(fā)出一套10 kV配電線路低電壓動態(tài)補償數(shù)學(xué)模型。移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置軟件流程圖如圖3所示。

首先判斷start是否等于1,start不等于1,則表示此時裝置并未對10 kV配電線路進行補償。此時判斷detection是否等于1,當(dāng)detection等于1時,代表電壓檢測按鈕已按下,此時微機模塊開始對采集的電壓數(shù)據(jù)進行計算,分別計算出U_AB、U_BC、U_CA。接著將三個線電壓有效值中的最大值賦值給U_max,并計算出對應(yīng)的U_補償0和n₀。U_補償0和n₀的計算公式如下式所示:

在計算出U_補償0和n₀后,將U補償0賦值給U補償,并在液晶顯示屏上顯示出U_AB、U_BC、U_CA和U_補償的對應(yīng)數(shù)據(jù)。最后判斷start是否等于1,start等于1則表明發(fā)電機啟動按鈕已按下,此時啟動柴油發(fā)電機進行發(fā)電,并將補償用降壓變壓器模塊的變比調(diào)節(jié)成n₀。

若最初判斷的start等于1,則表示裝置已對10 kV配電線路進行補償,此時對10 kV配電線路進行動態(tài)補償。首先微機模塊分別采集計算出U_AB、U_BC、U_CA,并將這三個線電壓有效值中的最大值賦值給U_max,液晶 顯示屏上更新顯示出U_AB、U_BC和U_CA的對應(yīng)數(shù)據(jù)。接著判斷U_max是否大于11 kV,U_max不大于11 kV,則表示補償后的10 kV配電線路電壓值在安全運行范圍內(nèi),無須對補償電壓做出調(diào)整;U_max大于11 kV,則表示補償后的10 kV配電線路電壓值超出安全運行范圍,需要對補償電壓做出調(diào)整。U_max大于11 kV時,微機模塊重新計算對應(yīng)的補償電壓U_補償1和補償用降壓變壓器模塊的變比n₁,U_補償1和n₁的計算公式如下式所示:

U_補償1和n₁計算完成之后,運用有載調(diào)壓技術(shù)將補償用降壓變壓器模塊的變比調(diào)節(jié)成n₁,以此將10 kV 配電線路的電壓有效值重新調(diào)節(jié)成10kV。最后將U_補償1賦值給U_補償,并在液晶顯示屏上更新顯示U_補償的數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

移動式10 kV配電線路低電壓補償裝置通過采集10 kV配電線路三個線電壓有效值中的最大值U_max,并將U_max與標準的10 kV電壓數(shù)據(jù)進行對比,計算出補償電壓有效值,最終依據(jù)計算結(jié)果利用柴油發(fā)電機進行發(fā)電,并調(diào)節(jié)補償用降壓變壓器模塊的變比,使裝置輸出的電壓與10 kV配電線路的實際電壓進行擬合,從而實現(xiàn)對10 kV配電線路電壓水平的動態(tài)調(diào)整,使10 kV配電線路末端的電壓水平趨近于標準電壓,改善10 kV配電線路末端的低電壓問題。

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2024年第16期第2篇