低壓配電網(wǎng)智能轉(zhuǎn)供電裝置的研究

廖擁軍方兵華鄧澤航陳麗丹

（1. 廣州供電局有限公司，廣州 510075；2. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

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低壓配電網(wǎng)智能轉(zhuǎn)供電裝置的研究

廖擁軍1方兵華1鄧澤航1陳麗丹2

（1. 廣州供電局有限公司，廣州 510075；2. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣州 510800）

本文從低壓配電網(wǎng)供電現(xiàn)狀分析了供電方式、上級(jí)電源、負(fù)荷情況及停電原因，設(shè)計(jì)了 0.4kV側(cè)低壓母線聯(lián)絡(luò)、低壓干線聯(lián)絡(luò)兩類轉(zhuǎn)供電方案，提出為實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)自動(dòng)轉(zhuǎn)供電，裝置應(yīng)具有自投、自復(fù)、合環(huán)及過(guò)流保護(hù)、通信監(jiān)控等功能，并開(kāi)發(fā)了智能低壓轉(zhuǎn)供電裝置，為低壓配電網(wǎng)開(kāi)展合環(huán)轉(zhuǎn)供電操作提供參考。

低壓配電網(wǎng)；母線聯(lián)絡(luò)；干線聯(lián)絡(luò)；合環(huán)保護(hù)；轉(zhuǎn)供電裝置

近年用電負(fù)荷日益增長(zhǎng)，用戶對(duì)供電可靠性要求越來(lái)越高，10kV中壓系統(tǒng)早已通過(guò)開(kāi)展合環(huán)轉(zhuǎn)供電操作來(lái)避免短時(shí)間停電，但0.4kV低壓系統(tǒng)自動(dòng)合環(huán)轉(zhuǎn)電操作領(lǐng)域仍一片空白［1］。當(dāng)前，配電變壓器停電，低壓負(fù)荷無(wú)法轉(zhuǎn)供已成為中心城區(qū)供電可靠性及客戶滿意度提升的瓶頸。配電變壓器停電時(shí)采用發(fā)電車轉(zhuǎn)供負(fù)荷是常用手段，但存在較大的局限性［2］。一方面，轉(zhuǎn)供電成本高，另一方面，發(fā)電車往往配置數(shù)量不多且容量較小的問(wèn)題。一旦配電變壓器負(fù)荷水平較高或多臺(tái)配電變壓器同時(shí)停電，現(xiàn)有發(fā)電車設(shè)備無(wú)法滿足轉(zhuǎn)供需求而將導(dǎo)致切負(fù)荷。此外，對(duì)于中心城區(qū)，尤其是住宅密集的老城區(qū)，因車體積大、出入困難，發(fā)電車時(shí)常無(wú)法轉(zhuǎn)供位于窄巷中的配電變壓器負(fù)荷。基于此，本文借鑒中壓配電網(wǎng)“環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”形式，提出低壓側(cè)合環(huán)轉(zhuǎn)供電方式，開(kāi)發(fā)低壓配電網(wǎng)智能轉(zhuǎn)供電裝置，對(duì)原本需停電后檢修的配變或低壓線路進(jìn)行不停電作業(yè)，從而避免了倒閘操作，減少了配電網(wǎng)倒負(fù)荷停電的時(shí)間，促進(jìn)供電可靠性的提升。

1 低壓配電網(wǎng)供電現(xiàn)狀分析

1.1國(guó)內(nèi)外低壓配電網(wǎng)供電方式

香港380V低壓設(shè)計(jì)為環(huán)網(wǎng)形式開(kāi)環(huán)運(yùn)行，每個(gè)用戶均有不少于兩路低壓電源供電。低壓配網(wǎng)采用戶內(nèi)全密封開(kāi)關(guān)柜、全電纜及1500kVA或以下油浸變壓器，全部設(shè)備按正常負(fù)載的50%設(shè)計(jì)。新加坡400/220V低壓采用輻射型供電模式，全部地下電纜供電，由規(guī)劃部門(mén)統(tǒng)一制定典型接線，低壓母線處設(shè)置聯(lián)絡(luò)，低壓母線預(yù)留發(fā)電車專用接口［4］。我國(guó)低壓配電網(wǎng)設(shè)計(jì)成放射式、樹(shù)干式、混合式3種類型為主。

1.2低壓上級(jí)電源點(diǎn)分析

低壓配電的上級(jí)電源點(diǎn)通常為單臺(tái)變壓器或雙臺(tái)變壓器房，每臺(tái)配變各自相對(duì)獨(dú)立供電給所轄配電范圍。以廣州地區(qū)低壓配網(wǎng)為例，大多采用以配變?yōu)橹行牡臉?shù)干式、放射式結(jié)構(gòu)。雙配變房占約為5%，新建的一些用戶在低壓側(cè)設(shè)置發(fā)電車專用接口。

1.3低壓配電負(fù)荷分析

城市低壓配電網(wǎng)一般采取分區(qū)供電，廣州市中心區(qū)內(nèi)配變到用戶的供電半徑一般在 200m左右，但一些負(fù)荷密度大的老城區(qū)，單臺(tái)配供電半徑可達(dá)300m。配變?nèi)萘浚◤V州天河區(qū)為例）以 630kVA、800kVA和1000kVA為主，每種容量配變低壓側(cè)出線一般為2回、4回和6路。在夏大方式，大部分變壓器負(fù)載較重，負(fù)載率約為 60%～70%，少數(shù)臺(tái)區(qū)負(fù)載達(dá)80%以上。而在冬小方式，部分配變處于低載運(yùn)行狀態(tài)。以住宅用戶為供電目標(biāo)的配變負(fù)載率僅 15%～20%，造成配變利用率不高，技術(shù)線損增大。

1.4低壓停電原因分析

設(shè)備定檢、維護(hù)、用戶接入、缺陷處理、事故處理以及上級(jí)電網(wǎng)檢修需要等操作，經(jīng)常使用先停電后倒電的方法，造成停電次數(shù)較多，時(shí)間較長(zhǎng)，影響企業(yè)正常生產(chǎn)，給人民生活帶來(lái)不便。

2 低壓配電網(wǎng)合環(huán)供電方案設(shè)計(jì)

2.1低壓母線聯(lián)絡(luò)的供電方案

統(tǒng)建小區(qū)的雙配變房，可在其兩臺(tái)配變的0.4kV側(cè)低壓母線間設(shè)置低壓智能轉(zhuǎn)供電投切裝置，而對(duì)于一些距離較近（150m以內(nèi)）的配變臺(tái)區(qū)低壓母線之間，也可通過(guò)低壓聯(lián)絡(luò)專線后設(shè)置低壓智能轉(zhuǎn)供電投切裝置，如圖1所示。

圖1中，當(dāng)#1配變故障或需要檢修時(shí)，投切裝置先合上K12母聯(lián)開(kāi)關(guān)（采用斷路器），再斷開(kāi)#1

圖1　低壓母線聯(lián)絡(luò)供電方案

配變的 K1開(kāi)關(guān)，保證設(shè)備檢修和倒閘過(guò)程中#1配變低壓側(cè)母線連續(xù)供電，不會(huì)造成母線的短時(shí)失壓，實(shí)現(xiàn)帶電倒閘或合環(huán)操作。

2.2低壓干線聯(lián)絡(luò)的供電方案

對(duì)于單臺(tái)配變獨(dú)立供電的臺(tái)區(qū)，除圖1（b）所示的采用專用低壓線進(jìn)行聯(lián)絡(luò)方案外，在有條件的不同臺(tái)變供電干線間設(shè)置聯(lián)絡(luò)，原理結(jié)線如圖2所示。

圖2　低壓側(cè)干線合環(huán)供電方案

3 帶合環(huán)保護(hù)功能低壓轉(zhuǎn)供電裝置開(kāi)發(fā)

3.1基本功能需求

為實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)自動(dòng)轉(zhuǎn)供電，裝置應(yīng)具有自投、自復(fù)、合環(huán)及過(guò)流保護(hù)功能，自復(fù)及合環(huán)操作時(shí)需判斷兩段母線的電壓幅值及相位，并具有一鍵自動(dòng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電功能，相關(guān)動(dòng)作信息應(yīng)主動(dòng)上報(bào)主站或者相關(guān)責(zé)任人。裝置應(yīng)配備通信接口，并預(yù)留無(wú)線通信擴(kuò)展功能。另外，裝置還應(yīng)滿足“三遙”需求，即：遙信、遙測(cè)、遙控。

3.2保護(hù)邏輯功能需求

1）開(kāi)發(fā)的低壓智能轉(zhuǎn)供電裝置應(yīng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)切換、自投、自復(fù)功能，以圖3為例。

正常運(yùn)行時(shí)K1、K2開(kāi)關(guān)在合閘狀態(tài)，K12處于熱備用狀態(tài)，當(dāng)裝置檢測(cè)到K1或K2其中一路電壓正常失壓時(shí)，延時(shí)合上K12開(kāi)關(guān)。

圖3　一次系統(tǒng)方案

2）合環(huán)轉(zhuǎn)供電：裝置檢測(cè)到開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓幅值、相位角等正常時(shí)，人工或后臺(tái)操作t1時(shí)刻合上K12，t2時(shí)刻斷開(kāi)K1或者K2分別實(shí)現(xiàn)Ⅰ段、Ⅱ段轉(zhuǎn)供電；t1＜t2時(shí)，可實(shí)現(xiàn)不間斷轉(zhuǎn)供電。

3）閉鎖功能：當(dāng)兩路電源電壓或相角差不滿足自投條件時(shí)，閉鎖一鍵轉(zhuǎn)供電，延時(shí)后閉鎖復(fù)歸。

當(dāng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電后，檢測(cè)到母聯(lián)電流超過(guò)設(shè)定限值時(shí)，立即分閘并閉鎖合閘，延時(shí)后閉鎖復(fù)歸。

4）裝置應(yīng)能檢測(cè)開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓差、相角差等，合環(huán)條件判定值可通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定。

3.3硬件電路設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

裝置硬件主要包括電壓采集、電流采集、開(kāi)關(guān)量采集、繼電器輸出、通信、按鍵及液晶顯示幾個(gè)模塊。裝置通過(guò)電壓和電流互感器分別采集兩段進(jìn)線的電壓和電流數(shù)據(jù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入模塊采集開(kāi)關(guān)量輸入（開(kāi)關(guān)狀態(tài)），單片機(jī)對(duì)采集到的電壓電流和開(kāi)入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，控制相應(yīng)繼電器執(zhí)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自投、自復(fù)、合環(huán)及過(guò)電流保護(hù)等功能。

1）裝置電源設(shè)計(jì)及CPU選擇

裝置采用雙路隔離輸出高性能開(kāi)關(guān)電源，可從Ⅰ段與Ⅱ段母線取電，當(dāng)一段失壓時(shí)，裝置無(wú)縫切換至另一段電源。輸入電壓范圍：AC/DC 85～265V；輸出功率：不小于8W；承受雷擊浪涌：4kV。

裝置CPU部分采用32位工業(yè)級(jí)ARM單片機(jī)，72MHz主頻，12位AD轉(zhuǎn)換，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間，時(shí)鐘年誤差小于2min，溫漂小于5×10-6。存儲(chǔ)器空間：FLASH，256K；RAM，48K；EEPROM，32K。

2）模擬量采集設(shè)計(jì)

采集6路交流電壓，用于判別線路Ⅰ段三相電壓、線路Ⅱ段三相電壓；采集3路交流電流，用于判別母聯(lián)三相電流；采集范圍：交流電壓 AC 0～300V，交流電流AC 0～100A，每周波采樣64個(gè)點(diǎn)，誤差小于2%。

3）開(kāi)關(guān)量輸入和輸出設(shè)計(jì)

7路輸入，包括Ⅰ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)、Ⅱ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、閉鎖裝置、合環(huán)操作、遙控操作；采用空接點(diǎn)輸入，裝置內(nèi)部提供電源，AC/DC 85～265V通用；10ms去抖時(shí)間；3000V隔離耐壓。

8路輸出，包括跳Ⅰ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)、合Ⅰ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)、跳Ⅱ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)、合Ⅱ段進(jìn)線開(kāi)關(guān)、跳聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、合聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、保護(hù)跳閘出口、動(dòng)作信號(hào)。開(kāi)出類型為有源輸出，與裝置電源電壓相同。繼電器采用大功率電磁繼電器，接點(diǎn)容量達(dá)到 10A 250V AC/30V DC，可直接作用于斷路器跳合閘。

4）人機(jī)接口及通信設(shè)計(jì)

人機(jī)接口設(shè)計(jì)包括鍵盤(pán)、顯示、信號(hào)燈和硬件復(fù)位，具體說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1　人接接口設(shè)計(jì)說(shuō)明

開(kāi)發(fā)的低壓智能轉(zhuǎn)供電裝置通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，包含通信接口路數(shù)、隔離類型、波特率和通信協(xié)議等方面。

表2　通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.4軟件部分設(shè)計(jì)

1）軟件工作原理

（1）備自投原理

裝置備自投功能實(shí)現(xiàn)原理，與傳統(tǒng)的備自投運(yùn)行、正向（逆向）動(dòng)作條件相同。

（2）合環(huán)操作原理

正向運(yùn)行條件：①U1＞U1y，U2＞U2y，即兩段母線電壓正常；②K1和K2處于合閘位置；③3DL處于分閘位置；④合環(huán)操作功能投入。

當(dāng)正向運(yùn)行條件滿足時(shí)，裝置判斷 15s后進(jìn)入正向運(yùn)行方式。

合環(huán)動(dòng)作條件：①裝置處于正向運(yùn)行狀態(tài)；②最大電壓差和相位差在設(shè)定范圍內(nèi)，并保持3s以上；③兩段母線電壓均正常；④合環(huán)操作功能投入。

當(dāng)以上條件滿足時(shí)，裝置接收到合環(huán)操作命令后裝置將延時(shí)合環(huán)合閘時(shí)間（T3h）后動(dòng)作，合上K12開(kāi)關(guān)，確認(rèn)合上后將延時(shí)合環(huán)分閘時(shí)間（T3f），再跳開(kāi)K1（K2）開(kāi)關(guān)。

（3）保護(hù)配置及工作原理

開(kāi)發(fā)的裝置具有三相三段式定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)功能，對(duì)于每一段保護(hù)，當(dāng)A、B、C三相電流中任一相保護(hù)電流大于相應(yīng)保護(hù)的電流整定值并達(dá)到整定延時(shí)后保護(hù)動(dòng)作。

另參照國(guó)際電工IEC 255標(biāo)準(zhǔn)，裝置提供了標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限、正常反時(shí)限、極端反時(shí)限三種反時(shí)限特性方程，如式（1）、式（2）和式（3）所示。

①標(biāo)準(zhǔn)：

②正常：

③極端：

式中，t為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，tp為反時(shí)限時(shí)間常數(shù)；I為實(shí)際故障電流，Ip為反時(shí)限起動(dòng)電流。

裝置嚴(yán)格按照上述動(dòng)作方程進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)實(shí)際電流I超過(guò)起動(dòng)電流Ip后裝置每隔5ms計(jì)算一次并將結(jié)果進(jìn)行積累，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的門(mén)檻值后反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作出口。

裝置還配置了定時(shí)限零序過(guò)流保護(hù)，當(dāng)采集的零序電流值大于零序整定值并達(dá)到整定延時(shí)后保護(hù)動(dòng)作。零序過(guò)流保護(hù)可以選擇跳閘或僅發(fā)告警信號(hào)。

2）軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖5所示。

圖5　軟件流程圖

裝置軟件部分采用C語(yǔ)言編程，模塊化設(shè)計(jì)，包括以下幾個(gè)部分：

（1）初始化和人機(jī)接口模塊

裝置上電或復(fù)位后即運(yùn)行初始化模塊，主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，配置CPU內(nèi)核及各種外設(shè)的運(yùn)行方式，內(nèi)存的初始化，各種定值、裝置參數(shù)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘的讀取，液晶顯示器初始化等工作。

人機(jī)接口模塊分為鍵盤(pán)操作和液晶顯示兩個(gè)子模塊。鍵盤(pán)操作用于讀取按鍵操作的鍵值，并根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)操作。液晶顯示模塊則根據(jù)當(dāng)前需要顯示的界面及顯示緩沖區(qū)內(nèi)容去刷新液晶顯示器。

（2）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊

數(shù)據(jù)采集主要完成 9個(gè)通道模擬量數(shù)據(jù)的采集，準(zhǔn)備每個(gè)模擬通道每周波采集64個(gè)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊完成9個(gè)通道模擬量幅值及相位運(yùn)算，采用傅氏算法，為采用數(shù)據(jù)抗干擾判別、64點(diǎn)傅立葉運(yùn)算、相位運(yùn)算、平方及開(kāi)方運(yùn)算、平均值濾波運(yùn)算。

（3）開(kāi)關(guān)量采集模塊

讀入外部7路開(kāi)入量的狀態(tài)（其中1路為備用），做好開(kāi)入量去抖及冗余檢查。

（4）備自投功能模塊和過(guò)電流保護(hù)模塊

實(shí)現(xiàn)低壓自投自復(fù)功能，一鍵轉(zhuǎn)供電功能及備自投動(dòng)作一些閉鎖邏輯：手跳進(jìn)線備自投不能動(dòng)作，遙控跳進(jìn)線備自投不能動(dòng)作，保護(hù)跳進(jìn)線備自投不能動(dòng)作，偷跳進(jìn)線備自投需要?jiǎng)幼鳎型獠块]鎖時(shí)備自投不能動(dòng)作等等。

過(guò)流保護(hù)模塊主要為帶方向三段過(guò)電流保護(hù)。

（5）合環(huán)操作模塊

主要進(jìn)行低壓合環(huán)操作，避免倒閘操作時(shí)對(duì)用戶停電，一旦裝置接收到合環(huán)操作的命令（包括就地與遠(yuǎn)方遙控合環(huán)操作），應(yīng)進(jìn)行合環(huán)條件判定，并將合環(huán)操作結(jié)果反饋（合環(huán)成功或者不滿足合環(huán)）給主程序，顯示在人機(jī)界面或者后臺(tái)系統(tǒng)。

（6）繼電器輸出模塊和故障記錄模塊

主要執(zhí)行繼電器輸出，比較簡(jiǎn)單，但繼電器輸出時(shí)間應(yīng)設(shè)置為可調(diào)整，以滿足不同開(kāi)關(guān)的要求。

故障記錄模塊主要對(duì)自投、自復(fù)、保護(hù)與合環(huán)操作進(jìn)行記錄，包括各種動(dòng)作類型、動(dòng)作時(shí)間、9個(gè)模擬量的大小、模擬量動(dòng)作前兩個(gè)周波及動(dòng)作后6個(gè)周波波形等。

（7）數(shù)據(jù)保存模塊

主要對(duì)RAM、ROM進(jìn)行操作，讀取、寫(xiě)入定值、裝置參數(shù)、故障記錄及故障波形、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等數(shù)據(jù)。

（8）通信模塊和程序監(jiān)視模塊

通信分為RS 485通信和GPRS無(wú)線通信模塊。程序監(jiān)視模塊即看門(mén)狗模塊，裝置準(zhǔn)備設(shè)置四級(jí)看門(mén)狗：兩級(jí)硬件看門(mén)狗（外部獨(dú)立看門(mén)狗芯片和CPU硬件獨(dú)立看門(mén)狗）和兩級(jí)軟件看門(mén)狗。這四級(jí)看門(mén)狗之間還通過(guò)軟件相互監(jiān)視，確保裝置在任何情況下均不會(huì)死機(jī)。

3.5裝置試驗(yàn)及成品

開(kāi)發(fā)的低壓帶合環(huán)保護(hù)功能的裝置采用702微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀、萬(wàn)用表、測(cè)試工裝、筆記本電腦、兆歐表、耐壓試驗(yàn)儀等設(shè)備進(jìn)行了絕緣、耐壓、模擬量采樣、通信等試驗(yàn)，并由微機(jī)控制器、功能板等搭建模擬試驗(yàn)裝置，如圖6（a）所示，低壓智能轉(zhuǎn)供電成套裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖6（b）所示。某雙公變綜合房低壓側(cè)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的材料清單見(jiàn)表3。

表3　雙公變房低壓母聯(lián)改造材料清單

因?qū)儆诘蛪嚎刂圃O(shè)備，要求產(chǎn)品工作壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉，低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電裝置硬件成本不超過(guò)600元，工作壽命可達(dá)到10年以上。

圖6　開(kāi)發(fā)的裝置模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

4 結(jié)論

在低壓配變（線路）日常檢修或事故時(shí)，需停電進(jìn)行，造成低壓負(fù)荷無(wú)法轉(zhuǎn)供，影響整片區(qū)域正常供電。考慮到低壓配電網(wǎng)運(yùn)行直接關(guān)系著對(duì)用戶的服務(wù)，影響著供電可靠性，本文開(kāi)發(fā)了帶合環(huán)保護(hù)功能的低壓智能轉(zhuǎn)供電裝置，可實(shí)現(xiàn)零秒倒閘，減少低壓網(wǎng)故障或停電影響，安全性好，操作簡(jiǎn)單易推廣，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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Research on Intelligent Spare Power Automatic Switch Device for Low-voltage Distribution Grid

Liao Yongjun1Fang Binghua1Deng Zehang1Chen Lidan2
（1. Guangzhou Southern Power Group Electric Apparatus Co.，Ltd，Guangzhou 510285；2. Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou 510800）

In order to improve the flexibility of its operation mode and load transfer capability，two power supply scheme such as bus connection mode and connection between two main cable end from different distribution transformer are designed in this paper，the intelligent low-voltage spare power automatic switch device should include the functions that automatic operation，to resume，closed loop，over-current protection and communication monitoring，provide the reference for the low voltage distribution network to carry out closed loop operation.

low voltage distribution grid； bus connection； main cable connection； closed loop current； intelligent switch device

廖擁軍（1967-），男，工程師，本科，主要從事配電網(wǎng)規(guī)劃工作。

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（K-GZM2014-004）