基于移動式低壓智能快切電源箱的分析及應用

國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司 馬 婷

在我國經濟社會快速發展的背景下，相關的生產生活對于電力供應的需求顯著提升，而既往電力體系之中，架構薄弱的配電網絡導致了社會各項活動供電穩定性差的問題廣泛存在，對經濟社會發展形成了阻礙，特別是重要的會議、盛大的慶典、應急救災等需要連續供電的場所，供電可靠性和連續性更是重中之重[1-2]。

當前，我國配電網絡在整體負荷方面顯著增加，同時相關系統的具體功能及形態等也相較于以往其他時期出現了變化。在支撐能源互聯網智能化和互動化發展的方面，現階段我國的配電網絡主要呈現出感知空白、終端采集覆蓋不足和實時性不強等特征，而在市場機制方面，現階段配電網絡則表現出市場封閉性強，導致新業務形態無法有效形成等問題。此外，從電力監管角度來看，我國的電力監管整體分散程度較高，且由于這種分散狀況，導致了配電網絡和末端供電改革難以持續推進。基于這些問題，當前我國配電網必須朝向全面可控的現代配電網方向轉變，同時發展目標也需要在傳統的，對用戶需求進行全覆蓋基礎上，形成高效、優質、可靠的綠色智能供電模式。

本文以實現低壓電源智能快速切換為切入點，通過探索無感供電切換、智能監測、遠程監視的先進技術，實現了單電源設備雙電源切換時，高延時中斷或手動切換向低延時無感自動切換的轉變，對這一成果，本次研究采取了在實驗室環境和現場環境的多次測試，對于當前相關的重要負荷電源設備在應用過程中得以實現雙路不間斷供電具有參考價值。

1 低壓電源供電現狀及需求

1.1 低壓電源供電現狀

1.1.1 配電網網架薄弱

配電網在建設前，缺乏城市規劃數據，加之當時規劃水平有限，城市配電網供電設置沒有得到較合理的分配，同時電網一直存在著“重輸輕配”的傾向，特別是對配電網末端的關注不夠，更無法實現供電智能切換，導致了許多供電薄弱的地區及環節。

1.1.2 配電網供電可靠性低

部分城市配電網運行方式缺少靈活性，單電源、單輻射供電居多，缺乏環網線路，不能實現線路單側電源多分段多聯絡或雙側電源多分段單聯絡，供電可靠性差，特別是在迎峰度夏、迎峰度冬時情況，需要大量的保電工作，而每次保電需出動多輛應急電源車，工作量急劇增加，保電難度大。

1.1.3 配電網監測數據管理水平弱

配電網業務管理點多面廣，業務數據量大，數據收集流程煩瑣，處理效率低，準確性差有待商榷。

1.1.4 設備現場監視能力弱

配電設備運行期間，難以實時監視周邊環境，難以確保設備安全穩定運行。

1.2 功能需求分析

為解決以上問題，通過對各種不同雙電源保障方式開展論證，不斷迭代更新設計，經過二十余次討論論證，本文提出一種基于移動式低壓智能快切電源箱的解決方案，最終探索出以電源智能切換單元為基礎的智能快切電源箱，實現了單電源設備雙電源供電時，由高延時或手動的切換方式轉變為低延時無感切換，并通過多次性能驗證測試證實了其可靠性，對于重要場所、重要活動及會議單電源設備實現雙路不間斷供電具有重要的實踐意義。

2 智能低壓配電箱設計

根據雙電源無感切換、智能配電自動化、遠程監視、使用場景及實際工作需要，智能電壓配電箱主要由智能斷路器單元、電源智能切換單元、低壓智能監控終端單元、電纜快插單元、遠程監控單元等5大功能模塊組成，系統功能單元如圖1所示。

圖1 系統功能單元

2.1 智能斷路器單元

智能斷路器單元由兩臺智能斷路器組成，具有以下功能：一是采用電子式電流脫扣器，保護精度高；二是具有可調電流、電壓、短路、缺相、漏電流等保護功能，并可同下級斷路器配合實現分級保護；三是實時監測、保護定值在線設置修改、跳閘類型識別；四是專用雙模通信模塊，滿足遙信、遙測、遙控、遙調功能；五是與低壓配電自動化系統無縫銜接，滿足智能配電網要求；六是125A、250A、400A、630A等多種電流等級可選。

2.2 電源智能切換單元

電源智能切換單元是集可編程功能、自動化測量、液晶顯示、數字通訊于一體的智能化雙電源切換模塊。其專門為解決一、二級負荷的連續供電而研制，該設備能夠防止備用電源電壓與母線殘壓在相交、頻率存在較大差異的情況下而進行合閘操作時，產生對負荷的沖擊。即便出現快速切換未成功的問題，相關設備也能夠自動轉為同期判別，或判殘壓及長延時的慢速切換，在這種方式之下可有效確保切換的可靠性。當電源智能切換單元在母線中斷，將同時發出斷路器的分、合閘指令，同時合備用電源，系統實際無流時間為斷路器合、分閘時間差，一般不超過15ms，切換全過程也不超過100ms。

2.3 智能低壓監控單元

監控功能主要由智能低壓監控終端實現，具有以下功能：一是集中抄集業務。模擬量、開關量采集；電能量信息采集；無線抄表，遠程控制智能斷路器合/分；數據可視化，隨時調閱；二是配電業務功能。遙測、遙信、遙控；保護功能與故障判別、處理；故障及告警信息記錄；保護定值遠程管理；三是通信功能。兩路以太網通信；GPRS無線通信，并通過專網接入配網主站。

2.4 電纜插件單元

電纜插件單元由13個低壓單芯電纜自鎖定快速拔插式底座組成，方便安裝及拆卸，20min即可完成保電箱接入現場。

2.5 視頻監控單元

箱體上部安裝無線高清攝像機，在保電箱工作過程中提供連續、流暢、高清晰、高保真的視頻和語音通訊。并可通過APP實現簡潔、高效、易用的數據功能，支持共享圖片、短視頻、斷網回看、視頻廣播等功能，實現電力保障現場可聽、可見、可現場指揮、可回溯觀看的需求。

3 試驗驗證及效果

移動式低壓智能快切電源箱供電技術經過設備選型、組裝、配線、實驗室性能測試、現場性能測試五個階段，通過模擬電燈泡、電動機及計算機監控等不同負荷，在實驗室測試和現場試驗一段時間后，能極大地保障不同負荷連續性供電的可靠性，實驗室測試采用兩路市電的切換方式，現場測試采用市電+發電車電源的切換方式。

3.1 供電可靠性測試及結果

3.1.1 實驗室測試

以電燈泡、計算機監控為負載設計目標，拆除以上測試負載上市電電源接線，重新連接至低壓智能快切電源箱，同時低壓智能快切電源箱接入另一路市電。

可用性：負載測試。在本次測試展開階段，首先以電燈泡來完成相關測試。在對相關的配線進行完善之后，以兩路工頻交流電來實施切換，從結果上來看，相關的設備在測試之中可以完成自動切換過程，同時期間電燈泡偶爾有瞬間閃爍現象，證明了電源箱可用性?？煽啃裕簝陕冯娫聪嗷デ袚Q。在完成上述測試之后，將負載側接入到計算機監控主機，同時以兩路工頻交流電來實施切換過程，從結果來看，智能電源箱可以實現快速切換，且相關過程中監控主機的整體情況較為正常，證明了電源箱可靠性。

3.1.2 現場測試

以電燈泡、計算機監控和電動機為負載設計目標，拆除測試廠房配電箱市電電源接線，將測試廠房總配電箱市電改接入智能快切電源箱，同時低壓智能快切電源箱接入一路發電車電源。試驗表明，低壓智能快切電源箱可實現快速切換，切換時延、壓降滿足要求，切換過程中，由動力配電箱供電的電燈泡、計算機監控和電動機等負荷均正常運行，智能快切電源箱實現了供電可靠性和連續性。

在實際測量中，經過三個月可靠性試驗發現，供電可靠性為100%（詳見表1）。

表1 測試結果統計

3.2 供電性能測試及結果

3.2.1 切換時間測試

智能快切電源箱經過以上供電可靠性測試后，采用智能電源監測裝置進行電力波形的實時監測：一路電源中斷切換到另一路電源供電的緊急情況下，通過供電切換波形記錄，切換時間由常規所需的2.5～3.0s的切換時間縮短至40～60ms，完全滿足低延時無感切換的要求。切換時間測試結果如圖2所示。

圖2 切換時間測試結果

由以上分析結果可知，應用低壓智能快切電源箱前，單電源供電只能依靠配電網線路的重合閘實現連續供電的過程中，電力波形中斷，甚至重合失敗供電無輸出，無法實現連續、不間斷供電；應用低壓智能快切電源箱后，單電源設備雙電源供電時，在快速切換中，電力波形偶出現抖動，供電持續輸出，電燈泡、電動機及計算機監控等負荷均在切換中正常運行。由此證明，低壓單電源設備雙路供電無感切換高效地保證了負荷供電的連續性與可靠性。

3.2.2 電壓降測試

應用低壓智能快切電源箱實現雙路供電電源切換后，相關計算機監控系統主機要求電壓需要控制在180～250V，最大允許電壓降達-18.2%～13.6%，在本次研究之中，依托對相關供電切換波形記錄可以了解到實際最大壓降低為18.1%，這一數值能夠滿足現階段相關系統的正常運行。電壓降測試結果如圖3所示。

圖3 電壓降測試結果

由以上分析結果可知，應用低壓智能快切電源箱后，有效地保障了供電效果。

4 結論

本次研究之中雙路電源切換的主要措施是，依托現有的單電源供電設備，以及低壓智能快切電源箱來完成，相關過程中需要完成對現有設備的合理選型、組裝、配線等，并依托對設備和技術的測試，完成對電源智能切換單元的設計與研發，通過測試結果可以了解到，這一技術成果能夠比較有效地保障供電的穩定性和可靠性，同時配置的智能監控終端、視頻監控提供了強有力的支撐，填補了配電網最末端供電可靠性差的空白，低壓智能快切電源箱適用性強，具有較強工程擴展性。