移動(dòng)式低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

李徽勝

（廣州南方電力集團(tuán)電器有限公司，廣東 廣州 510285）

0 引 言

在建設(shè)世界一流配電網(wǎng)和優(yōu)化電力營(yíng)商環(huán)境背景下，探索優(yōu)化低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，研究不停電作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)中低壓不停電作業(yè)業(yè)務(wù)，減少停電時(shí)間，提高供電可靠性是電網(wǎng)公司當(dāng)前的重要任務(wù)。

目前，輸電主干網(wǎng)以環(huán)網(wǎng)方式運(yùn)行，中壓配電網(wǎng)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(huán)運(yùn)行模式，中壓配電網(wǎng)通過合環(huán)轉(zhuǎn)電來避免短時(shí)間停電，轉(zhuǎn)供電技術(shù)已比較成熟[1]。然而，在低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電方面的理論與實(shí)踐應(yīng)用研究較少，缺乏成熟的參考經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[2,3]對(duì)低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電及低壓合環(huán)裝置做了理論研究，提出了合環(huán)轉(zhuǎn)電方式方案，避免短時(shí)停電，滿足重要用戶對(duì)不間斷供電的需求，提高用戶滿意度，但缺乏成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 低壓配電網(wǎng)供電現(xiàn)狀

1.1 低壓配電網(wǎng)典型接線方式

文獻(xiàn)[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外臺(tái)區(qū)中低壓配電網(wǎng)典型供電模式進(jìn)行了深入分析，并對(duì)低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架建設(shè)提出了參考建議。廣州低壓配電網(wǎng)實(shí)行分區(qū)供電，低壓側(cè)以放射型和樹干型接線方式為主。

放射型供電方式10 kV由單電源單公變或雙電源雙公變供電。廣州地區(qū)10 kV以單電源單公變?yōu)橹鳎內(nèi)萘恳话阍?00 kVA以下。低壓側(cè)采用4～6回路380V/220V放射式電纜網(wǎng)供電，主要分布在負(fù)荷非常密集的老城區(qū)內(nèi)，供電半徑為300 m左右，接線方式如圖1所示。放射型接線方式是單臺(tái)變壓器放射狀供電，其優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，檢修便利；缺點(diǎn)是線路金屬消耗量大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)薄弱，負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力差。在設(shè)備線路日常停電檢修或事故停電時(shí)，容易造成低壓負(fù)荷無(wú)法轉(zhuǎn)供，影響整片區(qū)域用戶的正常供電，且停電范圍大、停電時(shí)間長(zhǎng)。

圖1 放射型供電典型接線圖

樹干型供電接線方式10 kV由單電源單公變供電，低壓側(cè)采用三相四線主干線“T”接線方式供電，如圖2所示。該方式主要應(yīng)用于城郊或城中村供電，供電半徑在400～800 m。該接線方式的優(yōu)點(diǎn)是線路采用的開關(guān)設(shè)備和線材消耗少；缺點(diǎn)是主干線故障檢修時(shí)，需將主干線停電，擴(kuò)大停電范圍，導(dǎo)致供電可靠性低。

圖2 樹干型供電典型接線

1.2 低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電存在的問題

為提升低壓負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力，提高供電可靠性，廣州供電局對(duì)優(yōu)化低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架開展了理論研究。通過在低壓側(cè)加裝固定式聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)相鄰變壓器低壓側(cè)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供，提高供電可靠性。然而，該方案存在以下問題。

（1）現(xiàn)有配電變壓器裝設(shè)容量不滿足N-1需求，在負(fù)荷高峰期，配電變壓的負(fù)載轉(zhuǎn)供電能力較差，聯(lián)絡(luò)開關(guān)控制裝置不具備負(fù)荷判斷功能，聯(lián)絡(luò)或合環(huán)轉(zhuǎn)供電方式的成功率較低。

（2）現(xiàn)有配電變壓聯(lián)結(jié)組別和電壓抽頭不一致，因兩臺(tái)公變存在角差及電壓差，加裝聯(lián)絡(luò)開關(guān)后，人工操作風(fēng)險(xiǎn)較大。同時(shí)，計(jì)劃性停電或設(shè)備故障后，轉(zhuǎn)供電時(shí)將導(dǎo)致部分負(fù)荷短時(shí)停電。

（3）原有低壓開關(guān)柜及加裝后的聯(lián)絡(luò)開關(guān)智能化程度低，缺乏合環(huán)轉(zhuǎn)供電成套裝置，且設(shè)備不具備快速接口，轉(zhuǎn)供電效率較低。

（4）低壓配電網(wǎng)負(fù)荷分布分散、點(diǎn)多面廣，低壓側(cè)聯(lián)絡(luò)改造投資成本大，停電施工時(shí)間長(zhǎng)，改造困難，且固定式聯(lián)絡(luò)開關(guān)利用率較低，投資經(jīng)濟(jì)效益較差[4-6]。

合環(huán)轉(zhuǎn)供電操作時(shí)，合環(huán)電流及臺(tái)區(qū)變壓器的承載能力是影響低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電的主要因素，合環(huán)沖擊電流大小由合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的開環(huán)電壓差、相角差以及等值阻抗決定[5]。基于以上因素，研究一種移動(dòng)式低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電裝置及不停電轉(zhuǎn)供電工具，探索低壓配電網(wǎng)的轉(zhuǎn)供電模式、用電需求、負(fù)荷特性以及合環(huán)轉(zhuǎn)供電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等具有必要性。

2 智能低壓合環(huán)測(cè)控裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置硬件電路設(shè)計(jì)

裝置采用STM32F429微處理器，主要包括交流采樣電路、模擬量開入與開出電路。考慮到電路中模擬采集數(shù)據(jù)的精度，采用了AD7606采樣16位IC，兩片16位模擬采集IC，滿足所有線路電力參量和線路的要求；STM32F429內(nèi)部RAM和ROM滿足設(shè)備軟件要求。所有數(shù)據(jù)擴(kuò)展接口在芯片內(nèi)，使整體的電路抗干擾能力強(qiáng)。外部電流和電壓采集電路采用高抗擾度傳感器，使整體產(chǎn)品符合工業(yè)設(shè)計(jì)，滿足惡劣環(huán)境需求，達(dá)到遙測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和高精度要求。

交流采樣電路采用AD7606測(cè)量芯片和高精度傳感器，支持9路電流模擬量和6路電壓模擬量采集，分別采集聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)進(jìn)線三相電壓、三相電流以及聯(lián)絡(luò)開關(guān)三相電流，實(shí)現(xiàn)兩路電源的電壓幅值、相位角計(jì)算以及采集點(diǎn)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)以及諧波等，便于計(jì)算合環(huán)操作時(shí)的同期和合環(huán)操作的穩(wěn)態(tài)電流和暫態(tài)電流，評(píng)估合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)。原理如圖3所示。

圖3 交流采用回路原理圖

合環(huán)裝置設(shè)置10路遙信開入回路和6路開出回路，可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景。開入開出電路采用雙隔離和光電隔離，每路輸入采用阻容吸收電路，解決抗干擾等問題。開入開出回路原理如圖4所示。遙信電路采用雙光耦電力隔離，防止遙信誤動(dòng)，穩(wěn)定性能好。遙控電路采用雙隔離雙位置遙控，避免遙控誤動(dòng)作。通信方面采用雙串口、雙網(wǎng)絡(luò)多方式通信，既可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。

圖4 開入開出回路原理圖

系統(tǒng)設(shè)置了RS232串口調(diào)試口，同時(shí)具有功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)下載和調(diào)試程序功能。由于使用了閃速存儲(chǔ)器，系統(tǒng)能夠直接利用網(wǎng)口及RS232串口調(diào)試實(shí)現(xiàn)在線編程，不需要編程器，快速且方便。為了避免誤操作，在程序下載過程中加入隨機(jī)密碼，保證了下載程序安全性。人機(jī)接口界面清晰且簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔，可實(shí)時(shí)查閱數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。

2.2 裝置軟件設(shè)計(jì)

裝置軟件采用基于Linux實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有跨平臺(tái)的硬件支持、豐富的軟件支持、多用戶多任務(wù)、高安全性以及良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。通過軟件設(shè)計(jì)提升設(shè)備的狀態(tài)和速度的實(shí)時(shí)性。軟件主要包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換采集模塊、遙信邏輯判斷模塊、數(shù)字實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊以及輸出顯示單元。4個(gè)單元共同檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，保證監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)正常運(yùn)行，并能及時(shí)報(bào)警。

2.2.1 保護(hù)邏輯

文獻(xiàn)[7-10]提出，配網(wǎng)合環(huán)操作前兩側(cè)存在電壓差和相位差，合環(huán)兩側(cè)電壓相角差對(duì)合環(huán)電流的影響較大。當(dāng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘時(shí)，兩端的電壓差會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致環(huán)路上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相位發(fā)生變化，并需經(jīng)過功率振蕩過程后才能達(dá)到穩(wěn)定；合環(huán)過程產(chǎn)生的暫態(tài)電流和合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流合會(huì)對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致合環(huán)操作失敗或危及電網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)合環(huán)沖擊電流未超過線路保護(hù)裝置整定的速斷保護(hù)啟動(dòng)電流，合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流未超過線路的熱穩(wěn)限值，在環(huán)路上的所有設(shè)備不過載前提下，可進(jìn)行低壓合環(huán)轉(zhuǎn)電操作。鑒于以上原因，合環(huán)裝置設(shè)置了電流保護(hù)功能和閉鎖控制功能，確保合環(huán)操作的可靠性。

合環(huán)控制裝置采用AD7606高采樣芯片，采樣頻率為120 MHz，軟件采用半波傅里葉算法。電流保護(hù)設(shè)計(jì)了三段式定時(shí)限、正常反時(shí)限、標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限以及極限反時(shí)限功能。過電流保護(hù)邏輯如圖5所示。合環(huán)操作及運(yùn)行中，當(dāng)裝置檢測(cè)到流過聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的電流超過對(duì)應(yīng)段啟動(dòng)值（Izd1）閾值時(shí)，保護(hù)經(jīng)過時(shí)間T后動(dòng)作，跳開聯(lián)絡(luò)點(diǎn)斷路器，保證非異常狀態(tài)設(shè)備正常運(yùn)行。

圖5 過電流保護(hù)動(dòng)作邏輯

反時(shí)限特性表示為：

式中：t為動(dòng)作時(shí)間；I為故障電流；Iset為動(dòng)作電流整定值；tp為時(shí)間常數(shù)，整定范圍為0.05～1.6 s，步長(zhǎng)0.01 s。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限，K=0.14，α=0.02；對(duì)于正常反時(shí)限，K=13.5，α=1；對(duì)于極端反時(shí)限，K=80，α=2。

《電氣繼電器 第3部分：它定時(shí)限或自定時(shí)限的單輸入激勵(lì)量量度繼電器》（GB/T 14598.7—1995）第3部分定義的3種反時(shí)限特性曲線如圖6所示。

圖6 反時(shí)限特性曲線圖

2.2.2 合環(huán)控制邏輯

控制合環(huán)電流是提高合環(huán)轉(zhuǎn)供電的主要技術(shù)手段。合環(huán)控制裝置設(shè)計(jì)了一套完善的控制邏輯，使裝置實(shí)現(xiàn)一鍵式智能決策合環(huán)功能。以圖7合環(huán)接線方式為例，模擬合環(huán)動(dòng)作邏輯。

圖7 合環(huán)供電接線方式

一鍵式合環(huán)操作邏輯為：在聯(lián)絡(luò)開關(guān)3DL裝設(shè)一套合環(huán)控制裝置，合環(huán)裝置設(shè)有3DL斷路器合環(huán)啟動(dòng)和1DL/2DL斷路器解環(huán)操作按鈕。當(dāng)啟動(dòng)3DL合環(huán)裝置后，裝置自動(dòng)檢測(cè)兩路進(jìn)線側(cè)和聯(lián)絡(luò)開關(guān)3DL的電壓和電流，由CPU進(jìn)行運(yùn)算與決策。當(dāng)合環(huán)條件滿足時(shí)，裝置延時(shí)自動(dòng)合上3DL，并經(jīng)過一定的延時(shí)，自動(dòng)跳開對(duì)應(yīng)的進(jìn)線斷路器，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的無(wú)縫轉(zhuǎn)移。動(dòng)作邏輯如圖8所示。

圖8 合環(huán)控制邏輯圖

解環(huán)邏輯與合環(huán)邏輯相似，判斷條件如下：

（1）#1進(jìn)線側(cè)三相電壓U1＞Udz1（閾值）；

（2）#2進(jìn)線側(cè)三相電壓U2＞Udz2（閾值）；

（3）#1進(jìn)線側(cè)1DL開關(guān)位置在合閘位；

（4）#2進(jìn)線側(cè)2DL開關(guān)位置在合閘位；

（5）聯(lián)絡(luò)開關(guān)3DL位置在分閘位；

（6）預(yù)合環(huán)操作開關(guān)兩側(cè)的相位角和電壓幅值小于閾值；

（7）總電流I1+I2+I3＜閾值，其中I1和I2分別為兩段母線的負(fù)荷電流，I3為合環(huán)電流，合環(huán)電流參照仿真分析得出的變壓器在不同負(fù)載率下對(duì)應(yīng)的電流。

當(dāng)以上條件滿足時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)線斷路器自動(dòng)合閘，經(jīng)一段延時(shí)后，跳開聯(lián)絡(luò)開關(guān)3DL，恢復(fù)正常供電，實(shí)現(xiàn)解環(huán)操作。條件不滿足時(shí)，裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)閉鎖合環(huán)功能。

3 移動(dòng)式低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電成套裝置設(shè)計(jì)

移動(dòng)式低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電成套裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，適用于不同的轉(zhuǎn)供電應(yīng)用場(chǎng)景。成套裝置主要由合環(huán)聯(lián)絡(luò)開關(guān)箱、便攜式合環(huán)控制箱及母線匯流夾和低壓架空線路快速接入裝置工具等組成。

為靈活適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)實(shí)現(xiàn)合環(huán)操作的安全性，成套裝置采用模塊化設(shè)計(jì)。合環(huán)聯(lián)絡(luò)開關(guān)箱模塊采用緊湊型移動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外形尺寸為600×500×700，開關(guān)箱內(nèi)置1 250 A四極智能框架斷路器，連接銅排和進(jìn)出線均設(shè)置面板式快速耦合器。開關(guān)箱右側(cè)設(shè)置3組二次電纜航空插座，其中，1組帶自動(dòng)防電流開路的航空插座，1組電壓采用航空插座，1組控制信號(hào)回路航空插座，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。一、二次電纜連接位置均采用可插拔連接裝置，與傳統(tǒng)的電纜線耳連接方式相比較，該設(shè)計(jì)可提高90%的工作效率。

圖9 合環(huán)聯(lián)絡(luò)開關(guān)箱結(jié)構(gòu)

開關(guān)箱本體模塊的設(shè)計(jì)難點(diǎn)有兩個(gè)：一是要保證靈活便捷的應(yīng)用，必須控制開關(guān)箱的小型化和箱體重量；二是開關(guān)箱小型化設(shè)計(jì)后，必須保證開關(guān)箱內(nèi)部的散熱，確保大電流長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫升不超標(biāo)。為解決散熱問題，設(shè)計(jì)選用了小型化的四極框架斷路器和高質(zhì)量的快速耦合器，搭建Solidworks三維模型，多次優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在合環(huán)開關(guān)箱內(nèi)部設(shè)置散熱通道。完成設(shè)計(jì)后，利用仿真軟件計(jì)算關(guān)鍵位置的溫升值。為控制成套設(shè)備的重量，設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，減輕單個(gè)模塊的重量，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速連接。合環(huán)控制箱采用便攜式設(shè)計(jì)，外殼采用鋁合金材料，內(nèi)置合環(huán)測(cè)控裝置及二次電纜插座。合環(huán)控制箱與開關(guān)箱采用帶航插電纜連接，保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的快速性和操作的安全性。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外低壓配電網(wǎng)供電現(xiàn)狀，開發(fā)了一種移動(dòng)式低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電裝置，應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電，論證低壓配電網(wǎng)合環(huán)轉(zhuǎn)供電的可行性。通過應(yīng)用移動(dòng)式合環(huán)轉(zhuǎn)供電裝置，避免配電網(wǎng)施工作業(yè)帶來的停電影響，解決現(xiàn)階段低壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱問題。隨著數(shù)字配電網(wǎng)向低壓側(cè)延伸、分布式能源的全面接入以及不停電作業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展，低壓合環(huán)轉(zhuǎn)供電方式將被電力運(yùn)行單位廣泛應(yīng)用到實(shí)踐中。本研究成果將為電力運(yùn)行部門及科研機(jī)構(gòu)提供參考意見。