低壓不停電作業方案及其優化策略

李俊林，張晏玉，劉 曉，林勸立，張 旭

（廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510620）

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，為滿足人民追求美好生活的電力需求，供電企業越來越重視用戶的用電體驗，并逐漸向能源服務提供商轉型。電力的商品屬性愈發凸顯，提高供電可靠性和保障用戶享受優質電力服務成為供電企業健康發展的必備條件［1］。由于歷史原因，配電網的發展水平尚低，網架、設備、運行維護水平都難以適應當前經濟社會的發展要求。正因如此，配電網的建設力度持續增加，由此帶來的停電需求和用戶用電體驗的矛盾難以調和，對供電企業提出了更高要求。

粗放的建設模式不符合當前以用戶為中心的服務理念。因此，不停電作業手段作為一種減少停電時間的手段被推廣引入配電網基建、遷改、檢修、試驗等項目中。其中，在中壓配電網領域，通常采取開環運行方式。得益于閉環設計的網架，通過向聯絡饋線轉移負荷，在經歷短時停電后用戶恢復供電。在此基礎上，中壓轉供電經歷了從“能轉電必轉電”到“能合環必合環”的過程。合環轉電已經被廣泛應用到配電網運行管理當中，這種轉電方式消除了停電間隙，但是也帶來一定程度上的配電網運行風險。合環會引發電網運行的暫穩態變化，產生暫穩態合環電流，并受合環時刻的全網潮流分布、網絡參數影響。當前控制合環轉電風險的手段是在實施合環轉電前進行合環電流仿真計算，作為預測和評判風險的依據［2］。當負荷變化較快時，上述方式存在一定判斷偏差，實際操作時可能不具備合環轉電條件。若欠缺對風險評估的經驗，則可能導致合環電流過大，將引起線路或設備過載、保護裝置誤動作、電磁環網引發事故擴大等風險［3-4］。

為了定量把控合環風險大小，文獻［5-7］提出建立合環過程涉及的電網等值模型，開展潮流分析，進而評估合環風險。然而，即使可以精確把握風險，也僅是在合環前判定環流大小是否在可控范圍內，環流始終存在。當判斷合環風險較大時，合環轉電操作無法實施。

低壓配電網直接面向用戶，在中壓配電網普遍建立典型接線的基礎上，在變壓器低壓出線側建立聯絡成為趨勢［8］。常規低壓聯絡同樣無法避免中壓轉供過程中面臨的用戶短時停電問題。由于低壓用戶位于整個電網的末端，相對于中壓聯絡而言，低壓聯絡更具靈活性和可操作性，電源轉供的實現過程更加方便、快捷。

因此，在低壓聯絡概念的基礎上，采用電力電子技術［9-10］，設計一種低壓無縫合環轉電裝置，并提出配電網低壓聯絡無縫合環轉電方案及其運行維護新策略，進一步實現低壓轉供過程中用戶連續供電。

1 常規低壓不停電作業方案

1.1 低壓轉供

配電變壓器常見的低壓出線形式有經隔離開關出線和經低壓柜出線，如圖1所示。

圖1 配電變壓器出線形式

典型的低壓轉供方案如表1 所示。在確定低壓轉供方案時，需要根據待停電臺區的低壓出線形式、分路出線現狀、臺區負載率，選擇臨近合適的供電點。

表1 典型場景的低壓不停電作業方案

1）當供電點具備低壓柜備用分路開關的條件時，可從該分路開關敷設臨時聯絡電纜至待停電臺區。待停電臺區不具備聯絡電纜直接接入條件時，將原有低壓出線在配電變壓器低壓側解口并駁接連通聯絡電纜。接線方式參見方案1—方案3。

2）當供電點低壓柜無備用分路開關或采用隔離開關出線時，在配電變壓器低壓側新敷出線和隔離開關。從該新敷隔離開關處敷設臨時聯絡電纜至停電臺區。待停電臺區不具備聯絡電纜直接接入條件時，同1）所述。接線方式參見方案4—方案6。

當供電點具備低壓柜備用分路開關條件時，供電點臺區用戶在轉供過程中不受影響，受電臺區短時停電后恢復供電，恢復運行方式時受電臺區用戶再次感知停電。當供電點需要新敷出線和隔離開關時，供電點臺區用戶短時停電，額外增加用戶感知停電次數。因此，常規不停電作業方案增加停電次數，不利于提升用戶用電體驗。

1.2 低壓合環轉電

基于上述常規低壓轉供方案，在臺區之間設置聯絡開關，可實施具備保護功能的低壓合環轉電，如圖2所示。

圖2 低壓合環轉電原理

以上級電源相同的配電變壓器低壓合環轉電為例，分析合環的暫穩態過程，如圖3所示。設Z12為聯絡開關處的阻抗，I12為流經聯絡開關的電流，U1、U2分別為兩臺變壓器低壓側電壓，ZT1、ZT2分別為兩臺變壓器的短路阻抗，I1、I2為負荷電流。其兩端閉式網絡功率分布如圖4所示。

圖3 同一10 kV饋線條件下配電變壓器低壓合環轉電模型

圖4 同一10 kV饋線條件下配電變壓器低壓合環轉電模型閉式網絡功率分布

穩態下，流過聯絡點的電流為

設總的回路阻抗為R+jωL，變壓器低壓側電壓的相角分別為θ1、θ2，則時域下的表達式為

合環電流的表達式為

合環后，合環回路的功率重新分布，并遵守閉式網絡功率分布規律。合環電流受聯絡點兩側電壓影響，同時受合環時機的影響。因此，若可以調節聯絡點兩側電壓的幅值、相位，并掌握合環時機，可以有效降低合環的暫穩態電流。

2 無縫合環轉電方案

設計一種無縫合環轉電裝置，抑制、消除低壓合環轉電時的環流，避免因合環時變壓器并列條件差造成變壓器過載、燒毀熔斷器等情況，降低低壓轉電操作對運行維護人員素質的要求，從而提高低壓轉電的可行性，進一步提升配電網的供電可靠性。

2.1 無縫合環轉電裝置

配電網低壓無縫合環轉電裝置的拓撲結構如圖5 所示，包括2 組串聯電壓補償器（Series Voltage Compensator，SVC）、1 臺并聯電壓變換器（Parallel Voltage Converter，PVC）、2 組轉換開關。SVC 按照逐相補償的原則設計，每一相包括串聯耦合變壓器、單相電壓源型變換器；PVC 包括并聯變壓器、三相電壓源型變換器。

2.2 無縫合環轉電的原理

采用無縫合環轉電方案后，配電變壓器的低壓側輸出電壓不再直接作為臺區的首端電壓，而是經過無縫合環轉電裝置補償后向臺區負荷輸出。

臺區首端電壓經PVC的并聯變壓器降壓后輸出為Ush，經過PVC 的三相電壓源型變換器調制，得到直流電壓Udc。PVC 為SVC 提供直流電壓，兩者共同調控保證直流電壓穩定。SVC 根據指令調制輸出電壓，與系統電壓耦合，實現線路電壓的相移控制，達到補償原有線路電壓的目的。有功功率在PVC 和SVC 之間流動，可以經由PVC 從系統中流入，經由直流電容往SVC 方向流動并最終注入系統，根據運行需求，有功功率可雙向流動。對于無功功率而言，PVC 和SVC 可各自在電容與系統之間交換，起到無功功率就地補償的作用。

圖5 無縫合環轉電裝置結構

2.2.1 PVC的原理設計

待開展低壓轉供的兩個臺區，其配電變壓器容量、負載率不同，即對無縫合環轉電裝置的容量提出不同要求。為了提高無縫合環轉電裝置的適應性，按照移動式、模塊化的設計思路，一方面對PVC的并聯變壓器優化設計，減小其體積；另一方面，如圖6所示，PVC 的三相電壓源型變壓器按照多級并聯結構設計，在實施低壓轉供的現場快速匹配并聯級數。通過以上設計，無縫合環轉電裝置可分體運輸、模塊化組裝，實現該裝置的現場快速部署。當多個三相電壓源型變換器并聯運行時，其輸入電流諧波含量將進一步降低。

2.2.2 SVC的原理設計

對于實施低壓轉供而言，無縫合環轉電裝置包含2 組SVC、6 組單相電壓源型變換器，SVC、PVC 采用共母線的拓撲結構，所有單相電壓源型變換器的直流輸入側均并聯在一起。每組單相電壓源型變換器根據指令調制交流側輸出電壓，通過串聯耦合變壓器向臺區線路各相電壓注入Use，逐相獨立補償。對6 組單相電壓源型變換器統籌控制，采集兩個臺區的系統電壓，逐相分析電壓的幅值、相位，按照幅值、相位差異均方值最小的原則，生成最優補償后系統電壓向量值。在該控制策略調控下，可以最大程度降低對無縫合環轉電裝置容量資源的要求，提高裝置性能設計的效用。

圖6 三相電壓源型變換器結構

圖7 為SVC 中單相電壓源型變換器的結構，采用多級并聯結構，提高通流能力。當多個單相電壓源型變換器并聯運行時，可以進一步減少輸出電壓的諧波含量，確保輸出電壓的電壓質量。

圖7 單相電壓源型變換器結構

3 配電網低壓聯絡架構

配電網低壓聯絡須把不同變壓器副方和低壓柜母線引出并設置聯絡點，現實中低壓母線一般來自不同配電變壓器的低壓側。配電變壓器的地理位置決定了低壓聯絡架構形式。

低壓聯絡點由無縫合環轉電裝置構成，避免合環時多臺變壓器并列運行，消除常規合環不可控的環流電流，確保負荷平滑地切換。

3.1 面向臨近配電變壓器的架構

含兩臺配電變壓器的配電房、相鄰的配電房均滿足配電變壓器臨近的條件，可直接建立低壓聯絡，形成永久接線方式。

相鄰配電房建立低壓聯絡的方式如圖8 所示，D1、D2 分別為1 號變壓器、2 號變壓器對應的低壓柜，從變壓器副方、低壓柜母排引出線并利用已有或新建電纜溝接入無縫合環轉電裝置。

圖8 相鄰配電房低壓聯絡架構

3.2 面向孤立配電變壓器的架構

對于與其他配電房相距較遠的配電變壓器，可認為孤立配電變壓器，不宜直接建立低壓聯絡。無縫合環轉電裝置考慮在接入本地變壓器低壓柜引出線后，為移動發電車或其他孤立配電變壓器預留接口位置。

按照該模式，可實現移動發電車或其他孤立配電變壓器快速接入功能。后續可根據現場實際需求，選擇不同規格的移動發電車提供第二路電源，也可通過預留接口臨時敷設低壓電纜就近與合適的臺區建立低壓聯絡。該架構可減少大規模的低壓線投資浪費，避免低壓聯絡線被盜，避免復雜條件下建立永久低壓聯絡的資源開銷。

孤立配電變壓器間接建立低壓聯絡時，對屬地低壓供電區域按照網格劃分，每一網格內低壓臺區構成一組低壓聯絡架構成員，各成員差異化地配置無縫合環轉電裝置或常規低壓聯絡箱，以常規低壓聯絡箱為主，關鍵節點配置無縫合環轉電裝置，降低低壓聯絡構建成本。

4 運行維護策略

通過實施低壓無縫合環轉電方案，在常規低壓聯絡功能的基礎上，進一步實現低壓轉供過程中對用戶連續供電。常規低壓聯絡方案在為用戶調整電源時，切換操作要避免電源并列運行，因而低壓轉供順序是待退出電源先停電，檢查該線路無電壓后合上聯絡開關，失壓用戶恢復供電。可見，常規低壓聯絡方案的運維策略無法適應用戶連續供電的要求，低壓無縫合環轉電方案需要配合應用運維新策略。

4.1 臨近配電變壓器場景下的低壓聯絡運維策略

含兩臺變壓器的配電房以及相鄰配電房按照如圖9 所示方式直接建立低壓聯絡，正常工況下低壓柜D1、低壓柜D2的負荷由1號變壓器、2號變壓器分別供電，開關QF1、QF2合上，BK1、BK2斷開。

圖9 臨近配電變壓器低壓聯絡架構

當1 號變壓器須退出運行時，啟動無縫合環轉電裝置，閉合BK2，直流側充電，SVC 向臺區線路電壓注入補償電壓Use1、Use2，經過該裝置的調制，1號變壓器低壓側輸出Ur1，2 號變壓器低壓側輸出Ur2，且Ur1和Ur2幅值、相位將趨向一致。檢測到Ur1和Ur2幅值、相位差異大小降至閾值（根據不同的變壓器即網絡參數進行設定）后，閉合BK1，合環過程平穩進行，逐漸減小1號變壓器出力、增大2號變壓器出力。斷開1 號變壓器上級開關，1 號變壓器退出運行。2 號變壓器退出運行的過程亦然。臨近配電變壓器低壓聯絡運維流程如圖10所示。

低壓轉供完成前，低壓柜D1、D2 的負荷由1 號和2 號變壓器分別供電。開關BK1、BK2 依次合上后，供電方式不變。t1時刻，斷開BK1，1 號變壓器退出運行，2 號變壓器轉供1 號變壓器負荷，負荷調整的過程如圖11所示。

4.2 孤立配電變壓器場景下的低壓聯絡運維策略

孤立配電變壓器按照如圖12 所示方式間接建立低壓聯絡，正常工況下低壓柜D的負荷由1號變壓器供電，開關QF1合上，BK1、BK2斷開。

1號變壓器退出運行前，從另一孤立配電變壓器常規低壓聯絡箱預留接口敷設臨時聯絡電纜接入本地預留接口，或者調配移動發電車接入預留接口。接入電源就緒后，合上對側低壓柜低壓分支開關或啟動移動發電車，使本地低壓聯絡箱預留接口處US2帶電，后續步驟與臨近配電變壓器場景下的低壓聯絡運維策略一致，如圖13所示。

圖10 臨近配電變壓器低壓聯絡運維流程

圖11 臨近配電變壓器場景下轉供過程負荷變化

圖12 孤立配電變壓器低壓聯絡架構

圖13 孤立配電變壓器低壓聯絡運維流程

低壓轉供完成前，低壓柜D的負荷由1號變壓器供電。開關BK1、BK2 依次合上后，供電方式不變。t1時刻，斷開BK1，1 號變壓器退出運行，接入電源轉供1號變壓器負荷，負荷調整的過程如圖14所示。

圖14 孤立配電變壓器場景下轉供過程負荷變化

5 結語

提出配電網低壓聯絡無縫合環轉電方案，按照不同場景對含兩臺配電變壓器的配電房、臨近配電房、孤立配電房等討論了聯絡建立方式。提出了無縫合環轉電裝置的拓撲結構，包括PVC、SVC，接入變壓器低壓側和低壓總開關之間，按照不同電源側電壓相向補償的控制策略使得調節后電壓幅值、相位一致，實現無縫合環轉電功能。同時提出了低壓聯絡無縫合環轉電運維策略，明確了操作的順序，保證對用戶的連續供電，提升用戶用電體驗。