低壓配電網智能轉供電裝置的研究

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. 華南理工大學廣州學院，廣州 510800）

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低壓配電網智能轉供電裝置的研究

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. 華南理工大學廣州學院，廣州 510800）

本文從低壓配電網供電現狀分析了供電方式、上級電源、負荷情況及停電原因，設計了 0.4kV側低壓母線聯絡、低壓干線聯絡兩類轉供電方案，提出為實現低壓側自動轉供電，裝置應具有自投、自復、合環及過流保護、通信監控等功能，并開發了智能低壓轉供電裝置，為低壓配電網開展合環轉供電操作提供參考。

低壓配電網；母線聯絡；干線聯絡；合環保護；轉供電裝置

近年用電負荷日益增長，用戶對供電可靠性要求越來越高，10kV中壓系統早已通過開展合環轉供電操作來避免短時間停電，但0.4kV低壓系統自動合環轉電操作領域仍一片空白［1］。當前，配電變壓器停電，低壓負荷無法轉供已成為中心城區供電可靠性及客戶滿意度提升的瓶頸。配電變壓器停電時采用發電車轉供負荷是常用手段，但存在較大的局限性［2］。一方面，轉供電成本高，另一方面，發電車往往配置數量不多且容量較小的問題。一旦配電變壓器負荷水平較高或多臺配電變壓器同時停電，現有發電車設備無法滿足轉供需求而將導致切負荷。此外，對于中心城區，尤其是住宅密集的老城區，因車體積大、出入困難，發電車時常無法轉供位于窄巷中的配電變壓器負荷。基于此，本文借鑒中壓配電網“環網設計、開環運行”形式，提出低壓側合環轉供電方式，開發低壓配電網智能轉供電裝置，對原本需停電后檢修的配變或低壓線路進行不停電作業，從而避免了倒閘操作，減少了配電網倒負荷停電的時間，促進供電可靠性的提升。

1 低壓配電網供電現狀分析

1.1國內外低壓配電網供電方式

香港380V低壓設計為環網形式開環運行，每個用戶均有不少于兩路低壓電源供電。低壓配網采用戶內全密封開關柜、全電纜及1500kVA或以下油浸變壓器，全部設備按正常負載的50%設計。新加坡400/220V低壓采用輻射型供電模式，全部地下電纜供電，由規劃部門統一制定典型接線，低壓母線處設置聯絡，低壓母線預留發電車專用接口［4］。我國低壓配電網設計成放射式、樹干式、混合式3種類型為主。

1.2低壓上級電源點分析

低壓配電的上級電源點通常為單臺變壓器或雙臺變壓器房，每臺配變各自相對獨立供電給所轄配電范圍。以廣州地區低壓配網為例，大多采用以配變為中心的樹干式、放射式結構。雙配變房占約為5%，新建的一些用戶在低壓側設置發電車專用接口。

1.3低壓配電負荷分析

城市低壓配電網一般采取分區供電，廣州市中心區內配變到用戶的供電半徑一般在 200m左右，但一些負荷密度大的老城區，單臺配供電半徑可達300m。配變容量（廣州天河區為例）以 630kVA、800kVA和1000kVA為主，每種容量配變低壓側出線一般為2回、4回和6路。在夏大方式，大部分變壓器負載較重，負載率約為 60%～70%，少數臺區負載達80%以上。而在冬小方式，部分配變處于低載運行狀態。以住宅用戶為供電目標的配變負載率僅 15%～20%，造成配變利用率不高，技術線損增大。

1.4低壓停電原因分析

設備定檢、維護、用戶接入、缺陷處理、事故處理以及上級電網檢修需要等操作，經常使用先停電后倒電的方法，造成停電次數較多，時間較長，影響企業正常生產，給人民生活帶來不便。

2 低壓配電網合環供電方案設計

2.1低壓母線聯絡的供電方案

統建小區的雙配變房，可在其兩臺配變的0.4kV側低壓母線間設置低壓智能轉供電投切裝置，而對于一些距離較近（150m以內）的配變臺區低壓母線之間，也可通過低壓聯絡專線后設置低壓智能轉供電投切裝置，如圖1所示。

圖1中，當#1配變故障或需要檢修時，投切裝置先合上K12母聯開關（采用斷路器），再斷開#1

圖1　低壓母線聯絡供電方案

配變的 K1開關，保證設備檢修和倒閘過程中#1配變低壓側母線連續供電，不會造成母線的短時失壓，實現帶電倒閘或合環操作。

2.2低壓干線聯絡的供電方案

對于單臺配變獨立供電的臺區，除圖1（b）所示的采用專用低壓線進行聯絡方案外，在有條件的不同臺變供電干線間設置聯絡，原理結線如圖2所示。

圖2　低壓側干線合環供電方案

3 帶合環保護功能低壓轉供電裝置開發

3.1基本功能需求

為實現低壓側自動轉供電，裝置應具有自投、自復、合環及過流保護功能，自復及合環操作時需判斷兩段母線的電壓幅值及相位，并具有一鍵自動合環轉供電功能，相關動作信息應主動上報主站或者相關責任人。裝置應配備通信接口，并預留無線通信擴展功能。另外，裝置還應滿足“三遙”需求，即：遙信、遙測、遙控。

3.2保護邏輯功能需求

1）開發的低壓智能轉供電裝置應設置自動、手動切換、自投、自復功能，以圖3為例。

正常運行時K1、K2開關在合閘狀態，K12處于熱備用狀態，當裝置檢測到K1或K2其中一路電壓正常失壓時，延時合上K12開關。

圖3　一次系統方案

2）合環轉供電：裝置檢測到開關兩側電壓幅值、相位角等正常時，人工或后臺操作t1時刻合上K12，t2時刻斷開K1或者K2分別實現Ⅰ段、Ⅱ段轉供電；t1＜t2時，可實現不間斷轉供電。

3）閉鎖功能：當兩路電源電壓或相角差不滿足自投條件時，閉鎖一鍵轉供電，延時后閉鎖復歸。

當合環轉供電后，檢測到母聯電流超過設定限值時，立即分閘并閉鎖合閘，延時后閉鎖復歸。

4）裝置應能檢測開關兩側電壓差、相角差等，合環條件判定值可通過人機界面設定。

3.3硬件電路設計

硬件結構框圖如圖4所示。

圖4　硬件設計結構示意圖

裝置硬件主要包括電壓采集、電流采集、開關量采集、繼電器輸出、通信、按鍵及液晶顯示幾個模塊。裝置通過電壓和電流互感器分別采集兩段進線的電壓和電流數據，通過開關量輸入模塊采集開關量輸入（開關狀態），單片機對采集到的電壓電流和開入數據進行計算和判斷，控制相應繼電器執行動作，實現自投、自復、合環及過電流保護等功能。

1）裝置電源設計及CPU選擇

裝置采用雙路隔離輸出高性能開關電源，可從Ⅰ段與Ⅱ段母線取電，當一段失壓時，裝置無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位工業級ARM單片機，72MHz主頻，12位AD轉換，1us轉換時間，時鐘年誤差小于2min，溫漂小于5×10-6。存儲器空間：FLASH，256K；RAM，48K；EEPROM，32K。

2）模擬量采集設計

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個點，誤差小于2%。

3）開關量輸入和輸出設計

7路輸入，包括Ⅰ段進線開關、Ⅱ段進線開關、聯絡開關狀態、閉鎖裝置、合環操作、遙控操作；采用空接點輸入，裝置內部提供電源，AC/DC 85～265V通用；10ms去抖時間；3000V隔離耐壓。

8路輸出，包括跳Ⅰ段進線開關、合Ⅰ段進線開關、跳Ⅱ段進線開關、合Ⅱ段進線開關、跳聯絡開關、合聯絡開關、保護跳閘出口、動作信號。開出類型為有源輸出，與裝置電源電壓相同。繼電器采用大功率電磁繼電器，接點容量達到 10A 250V AC/30V DC，可直接作用于斷路器跳合閘。

4）人機接口及通信設計

人機接口設計包括鍵盤、顯示、信號燈和硬件復位，具體說明見表1。

表1　人接接口設計說明

開發的低壓智能轉供電裝置通信系統設計見表2，包含通信接口路數、隔離類型、波特率和通信協議等方面。

表2　通信系統設計說明

3.4軟件部分設計

1）軟件工作原理

（1）備自投原理

裝置備自投功能實現原理，與傳統的備自投運行、正向（逆向）動作條件相同。

（2）合環操作原理

正向運行條件：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合環操作功能投入。

當正向運行條件滿足時，裝置判斷 15s后進入正向運行方式。

合環動作條件：①裝置處于正向運行狀態；②最大電壓差和相位差在設定范圍內，并保持3s以上；③兩段母線電壓均正常；④合環操作功能投入。

當以上條件滿足時，裝置接收到合環操作命令后裝置將延時合環合閘時間（T3h）后動作，合上K12開關，確認合上后將延時合環分閘時間（T3f），再跳開K1（K2）開關。

（3）保護配置及工作原理

開發的裝置具有三相三段式定時限過電流保護功能，對于每一段保護，當A、B、C三相電流中任一相保護電流大于相應保護的電流整定值并達到整定延時后保護動作。

另參照國際電工IEC 255標準，裝置提供了標準反時限、正常反時限、極端反時限三種反時限特性方程，如式（1）、式（2）和式（3）所示。

①標準：

②正常：

③極端：

式中，t為保護動作時間，tp為反時限時間常數；I為實際故障電流，Ip為反時限起動電流。

裝置嚴格按照上述動作方程進行計算，當實際電流I超過起動電流Ip后裝置每隔5ms計算一次并將結果進行積累，當達到規定的門檻值后反時限過流保護動作出口。

裝置還配置了定時限零序過流保護，當采集的零序電流值大于零序整定值并達到整定延時后保護動作。零序過流保護可以選擇跳閘或僅發告警信號。

2）軟件模塊設計

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語言編程，模塊化設計，包括以下幾個部分：

（1）初始化和人機接口模塊

裝置上電或復位后即運行初始化模塊，主要對系統進行初始化，配置CPU內核及各種外設的運行方式，內存的初始化，各種定值、裝置參數、實時時鐘的讀取，液晶顯示器初始化等工作。

人機接口模塊分為鍵盤操作和液晶顯示兩個子模塊。鍵盤操作用于讀取按鍵操作的鍵值，并根據鍵值執行相應操作。液晶顯示模塊則根據當前需要顯示的界面及顯示緩沖區內容去刷新液晶顯示器。

（2）數據采集和數據運算模塊

數據采集主要完成 9個通道模擬量數據的采集，準備每個模擬通道每周波采集64個點。

數據運算模塊完成9個通道模擬量幅值及相位運算，采用傅氏算法，為采用數據抗干擾判別、64點傅立葉運算、相位運算、平方及開方運算、平均值濾波運算。

（3）開關量采集模塊

讀入外部7路開入量的狀態（其中1路為備用），做好開入量去抖及冗余檢查。

（4）備自投功能模塊和過電流保護模塊

實現低壓自投自復功能，一鍵轉供電功能及備自投動作一些閉鎖邏輯：手跳進線備自投不能動作，遙控跳進線備自投不能動作，保護跳進線備自投不能動作，偷跳進線備自投需要動作，有外部閉鎖時備自投不能動作等等。

過流保護模塊主要為帶方向三段過電流保護。

（5）合環操作模塊

主要進行低壓合環操作，避免倒閘操作時對用戶停電，一旦裝置接收到合環操作的命令（包括就地與遠方遙控合環操作），應進行合環條件判定，并將合環操作結果反饋（合環成功或者不滿足合環）給主程序，顯示在人機界面或者后臺系統。

（6）繼電器輸出模塊和故障記錄模塊

主要執行繼電器輸出，比較簡單，但繼電器輸出時間應設置為可調整，以滿足不同開關的要求。

故障記錄模塊主要對自投、自復、保護與合環操作進行記錄，包括各種動作類型、動作時間、9個模擬量的大小、模擬量動作前兩個周波及動作后6個周波波形等。

（7）數據保存模塊

主要對RAM、ROM進行操作，讀取、寫入定值、裝置參數、故障記錄及故障波形、實時時鐘等數據。

（8）通信模塊和程序監視模塊

通信分為RS 485通信和GPRS無線通信模塊。程序監視模塊即看門狗模塊，裝置準備設置四級看門狗：兩級硬件看門狗（外部獨立看門狗芯片和CPU硬件獨立看門狗）和兩級軟件看門狗。這四級看門狗之間還通過軟件相互監視，確保裝置在任何情況下均不會死機。

3.5裝置試驗及成品

開發的低壓帶合環保護功能的裝置采用702微機繼電保護測試儀、萬用表、測試工裝、筆記本電腦、兆歐表、耐壓試驗儀等設備進行了絕緣、耐壓、模擬量采樣、通信等試驗，并由微機控制器、功能板等搭建模擬試驗裝置，如圖6（a）所示，低壓智能轉供電成套裝置現場試驗，如圖6（b）所示。某雙公變綜合房低壓側進行改造設計的材料清單見表3。

表3　雙公變房低壓母聯改造材料清單

因屬于低壓控制設備，要求產品工作壽命長、價格低廉，低壓合環轉供電裝置硬件成本不超過600元，工作壽命可達到10年以上。

圖6　開發的裝置模擬試驗和現場試驗圖

4 結論

在低壓配變（線路）日常檢修或事故時，需停電進行，造成低壓負荷無法轉供，影響整片區域正常供電。考慮到低壓配電網運行直接關系著對用戶的服務，影響著供電可靠性，本文開發了帶合環保護功能的低壓智能轉供電裝置，可實現零秒倒閘，減少低壓網故障或停電影響，安全性好，操作簡單易推廣，社會效益、經濟效益顯著。

［1］岑海鳳，梁志超，周樂. 廣州中心城區低壓配電網典型接線模式［J］. 廣東電力，2015，28（1）：82-86，104.

［2］吳永俊，王志軍，索智鑫，等. 廣州配電不停電作業創新與實踐［J］. 供用電，2015，32（5）：11-17.

［3］陳艷霞，遲忠君，陳國峰，等. 帶合環保護功能的新型低壓備自投裝置的研究與應用［J］. 電氣應用，2013，32（5）：54-55，59.

［4］吳涵，林韓，溫步瀛，等. 巴黎、新加坡中壓配電網供電模型啟示［J］. 電力與電工，2010，30（2）：4-7.

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，主要從事配電網規劃工作。

中國南方電網有限責任公司科技項目（K-GZM2014-004）