馈线自动调压器设计方法

馈线自动调压器设计方法研究
郑建华1，张庆磊2，王宝华2
（1.江苏昆山供电公司江苏昆山215300；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094）
摘要：针对10kV 农村电网电压质量问题，提出了一种新型的有载调压器--10kV 馈线自动调压器的设计方法，即详细说明了该调压器档位动作电压的整定原理及档位控制器的设计。

该装置具有良好的控制和保护功能，并且可以通过无线通信实现外部控制。

关键词：电压质量；调压器；晶闸管控制自动调压器（TVR ）中图分类号：TM714.2
文献标识码：A
文章编号：1674－6236（2012）24-0162-03
Study on design of feeder automatic voltage regulator
ZHENG Jian -hua 1，ZHANG Qing -lei 2，WANG Bao -hua 2
（1.Jiangsu Kunshan Electric Power Corporation ，Kunshan 215300，China ；
2.School of Automation ，Nanjing University of Science and Technology ，Nanjing 210094，China ）
Abstract:Regarding voltage quality problem of 10kV rural power system ，a new kind of design of 10kV feeder automatic voltage regulator is proposed.Present detailed rule of how transformer ratio changed with voltage and design of tap control.The regulator is proved to have complete control and protective function and can be controlled outside through wireless communication.
Key words:voltage quality ；voltage regulator ；TVR （Thyristor Voltage Regulation ）
收稿日期：2012-07-28
稿件编号：201207171
作者简介：郑建华（1973—），男，江苏常州人，硕士。

研究方向：电网调度及管理。

经过农网改造工程后，农村配电网络有了很大的改善，但是受到地形地貌、投资规模的限制，布点不合理，致使部分
10kV 输电线路的供电半径超出了合理范围[1]。

随着季节、昼
夜的变化，电压波动大，造成了电能质量不合格、线损较大等问题，严重影响了农民生活、生产[2-3]。

为此，论文设计了一种新型的调压装置：馈线自动调压器。

1调压器工作原理
自动调压器是一种自动跟踪输入电压变化而保证其输出电压稳定的装置，可以广泛运用于6kV 、10kV 以及35kV 供电系统中，在20%的范围内对输入电压进行自动调节[4]。

设备安装在距线路首端1/2处或2/3处，可以使线路的电压质量得到保证，对于主变不具备有载调压的变电站，也可以将自动调压器安装在变电站主变出线侧，实现有载调压[5]。

变压器二次侧有若干抽头，利用单片机控制晶闸管开断来提供不同等级的电压调节，从而实现馈线调压的目的[6-8]。

2调压器档位动作电压整定
馈线调压器可以针对不同的负荷情况进行档位调整，
根据线路电压改变变比，从而达到调压的目的，其拥有7个档位，30%的调压范围，使调压器可以很好地适应农村调压要求。

2.1调压器档位电压整定原理
受到负荷波动的影响，线路末端的电压会发生变化，针
对不同的电压降落，必须调整调压器的档位设置。

图1描述了一个典型的农村输电模型。

其中线路长度设为L km ，线路末端功率设为S=P+jQ MVA 。

对换挡的要求：保证线路末端电压在7%的变化范围内；一般情况下不能越级换挡；换挡次数应尽可能的少。

假设变比为K ，线路首端电压为U 0，末端电压为U 1，调压器输入电压为U in ，输出电压为U out ，且U out =KU in 。

根据模型，有以下等式：
U 1=U out -ΔU 1
（1）
其中ΔU 1为调压器安装点到线路末端的电压降，x 为调
压器安装点到首端的距离，且有：
ΔU 1=L -x x （U 0-U in ）×U 0
U out
（2）
（U 0-U in ）是线路首端到安装处的压降，α=U 0out
是调压器安装处前后的线路电压等级比。

令L -x x
=K t ，代入得：
电子设计工程
Electronic Design Engineering
第20卷Vol.20第24期No.242012年12月Dec.2012
图
1
农村输电线路
Fig.1Rural power system
KU in -K t （U 0-U in ）×U 0U out
=U t
（3）
其中线路末端电压U 1需满足约束条件9.7<U 1<10.7，代入上式则可以求得在K 已知条件下的U in 范围，但显然由于
U 0U out
的存在，需要求解一元二次方程，会面临伪根的问题，论文对此方程进行了简化。

对α=U 0U out
分析，U out 与U 1成相同的增减趋势，U 0为常
数，所以α=U 0U out
与U 1成反比。

还可以分析得到当U 1=9.3时，
α≈1；而U 1=10.7时，α略小于1。

所以可以把约束方程写为：
9.3＜KU in -K t （U 0-U in ）＜10.5
（4）
即：
9.3-10.5K t t ＜U in
<10.5（1+K t ）
t
（5）
2.2
整定举例
从式（5）可以看出，实际上档位动作的整定只和调压器输入电压U in 和调压器安装处距离与线路长度比K t 有关，而无需测得线路末端的实际负荷，这样大大简化了实际工程的难度。

以某实际输电线路为例，仍然采用图1所示的模型，输电线路长度为20km ，调压器通常安装在线路中间，这里取距线路首端距离x =9km ，K t =11，代入式（5）可得：
22.13K +1.22＜U in
＜23.33
K +1.22
（6）
对所有档位进行分析，如表1所示。

对某一个档位，满足末端电能质量要求的输入电压范围，其范围上下限就是该档位的动作电压（换挡电压）。

每一个档位都有自己相对应的动作电压，在数轴上可以更直观地看出这一关系。

其中1
档空置，
因为在正常情况下，输入电压不会超过2
档的上限。

1档可以作为特殊运行条件时的档位，例如单相接地短路情况下的带故障运行。

下面就是档位到达动作电压时，切换的情况：
6←7→闭锁5←6→74←5→62←4→52←3→4
闭锁←2→3
1空置
需注意的是4档降档时，直接降到2档，因为3、4两档的动作下限较近，若电压变化较大，则可能4档降到3档后又必须立即降到2档，增加了动作次数。

所以为了降低动作次数，允许跨级换挡。

3换档控制器设计
目前普遍采用的换挡做法是电机带动档位开关闸刀的
移动，但如何做到保证电机转动的快速、准确始终是一个问题。

为了达到更好的控制效果，论文采用晶闸管控制系统。

3.1晶闸管控制原理
晶闸管是可以用来实现利用弱电流控制大功率电路，馈
线调压器使用了7对双向晶闸管来控制档位，如图2所示，每对晶闸管连接了变压器不同的绕组，从而对应不同的变比。

3.2单片机换档控制器设计
双向晶闸管的控制只需要TTL 门电路电压驱动即可，可
以直接与单片机的输出口相连，为了节约输出端口，只使用3个端口，外接3-8译码器以驱动7个档位控制如图3所示。

4
智能控制系统的设计
对于一个带控制芯片的调压器来说，仅有自动调压功能
是不够的，也没有充分利用单片机的性能，一个完整的控制系统如图4所示，其还包含键盘输入、显示电路、无线通信、外部时钟、外部存储以及故障保护。

图3
晶闸管控制档位
Fig.3Tap controlled by thyristor
图2
档位控制
Fig.2Control of taps
图4
单片机控制晶闸管
Fig.4
Single chip processor drive thyristor
表1
档位与变比
Tab.1Tap change and transformer ratio
档位变比U in /kV 110：10.00（9.97，10.50）210：10.33（9.82，10.36）310：10.67（9.68，10.20）410：11.00（9.54，10.06）510：11.33（9.41，9.92）610：11.67（9.27，9.77）7
10：12.00
（9.14，9.64）
《电子设计工程》2012年第24期
图
5
系统硬件结构图
Fig.5Structure diagram of the hardware system
键盘输入可以对程序进行调整，无线通讯可以对调压器的运行进行实时监控，外部时钟保证在单片机掉电的情况下仍然可以记录时间，外部存储可以安全的存储大量的系统运行数据以便后续研究，故障保护可以使单片机在非正常运行条件下进入特殊运行模式来满足输电任务要求，并在故障条件下保护单片机不受损害，与继电保护装置配合对输电线路进行保护。

5结论
通过建立输电线路模型，进行潮流计算，可以确定调压器档位动作电压的整定规则。

对于变压器分接头控制，舍弃传统的机械控制技术，采用更方便、快捷的晶闸管控制，其设计简单易行，具有很好的控制效果。

馈线自动调压器具有较宽的调压范围，可以有效地确保输电线路的电压质量。

参考文献：
[1]郅建杰．10kV 馈线自动调压器[J]．山西电力，2006（3）：68-70．ZHI Jian -jie ．10kV Feedback automatic pressure modulation[J]．Shanxi Electric Power ，2006（3）：68-70．
[2]杨辉．变电站电压和无功的综合控制研究[J]．装备制造技
术，2010，38（9）：44-46.
YANG Hui ．Study on voltage and reactive power synthetically control [J].Equipment Manufacturing Technology ，2010，38
（9）：44-46.
[3]王乙伊．低压配电网无功补偿方式的研究[J]．广东电力，
2007，20（2）：33-36.
WANG Yi -yi ．Research on reactive power compensating modes for low voltage distribution network [J]．Guangdong Electric Power ，2007，20（2）：33-36.
[4]单福友．综合自动化监控系统在35kV 变电站的应用[J]．
河北煤炭，2007，30（05）：24，56．
SHAN Fu -you ．Application of the complex automatic monitor system in 35kV electric power station[J]．Hebei Coal ，2007，30（05）：24，56．
[5]方敏．10kV 馈线自动调压器的应用[J]．云南电力技术，2009，
37（5）：48-49．
FANG Min ．Application of 10kV feedback voltage automatic regulator[J].Yunnan Electric Power ，2009，37（5）：48-49．[6]沈红卫．基于单片机的智能系统设计与实现[M]．北京：电
子工业出版社，2005．
[7]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，
2000．
[8]周志文．基于单片机的晶闸管交流调压器设计[J]．机械研
究与应用，2009，22（1）：70-71，74.
ZHOU Zhi -wen ．Design of the thyristor AC voltage regulator controller based on single chip microcomputer[J]．Mechanical Research &Application ，2009，22（1）：70-71，74．
[3]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出
版社，2007.
[4]周志敏，周纪海，纪爱华.太阳能LED 路灯设计与应用[M].
北京：电子工业出版社，2010.
[5]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育
出版社，2006.
[6]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].3版.北京：清华大
学出版社，2010.
[7]董尚斌.电子线路[M].北京：清华大学出版社，2006.。