配電系統的應急電源配置與運行方式分析

張天澤，張 亮，謝 非

（南京師范大學 電氣與自動化工程學院，江蘇 南京 211500）

0 引 言

近幾年，超高層建筑在我國隨處可見。此類建筑對電力供應的安全性和可靠性要求越來越高，通常使用柴油發電機組作為應急電源。為了保障重要負荷供電的安全性和可持續性，一般使用10 kV中壓柴油發電機組和0.4 kV低壓柴油發電機組。10 kV機組具有遠距離耗能低、節省空間等優點，解決了機組容量大、設備并聯等問題，但應急設備和輔助設備較多、系統比較復雜且運行費用高。0.4 kV機組的模式相對簡單、易操作，可實現多機組并網運行。基于此，對配電系統的應急電源配置與運行方式進行分析，以實現配電運行效果最優和費用消耗最低。

1 配電系統應急電源配置優化

配電應急系統的電源配置設備常用于電力故障或生產緊急情況。其根本作用在于緊急情況下保持相應電力設備的正常供電，避免安全隱患問題。在電力系統運行的過程中，一旦配電系統發生短路、斷路現象，極易引起火災或相關設備損壞等問題，造成安全隱患。同時，由于配電系統電力不穩定，因此在危險環境下消防人員難以準確及時地開展救援工作，嚴重威脅人們的生命財產安全[1]。隨著城鄉現代化進程的加速，電力系統的穩定運行對人們的生活和生產起到重要影響作用，一旦配電系統運行故障，極易導致城市中心電力負荷過重出現大規模停電現象[2]。因此，對于城市電網規劃和運營商來說，優先保障重要用戶的供電安全是一個極具挑戰性的課題。在此背景下，創新應急電源配置的優化方法成為相關人員的重點研究內容。然而，目前應急電源供電安全水平較低，有關的應急配電技術和方法還沒有得到系統研究和科學的應用，難以有效保障電源配置的優化使用。

1.1 電網的負荷及短路電流計算

為保障供電系統健康穩定運行，需要合理設置備用電源，在配電系統出現異常和故障時及時使用應急電源保證電力系統的穩定運行。對電網電路結構進行優化，改善饋電電路，并基于電網運行過程中負荷電流進行異常檢測，根據檢測結果實時準確的開啟備用電源[3,4]。基于此首先在電流系統中設置多臺分布式發電機，實現對電力系統的互補式微電網發電電流的管理，優化設計應考慮系統設備運行和更換等因素[5]。對運行過程中的電力負荷和環境干擾情況進行綜合處理，計算電流異常信息：

式中，m為發電機的安裝總數，CPV為應急電源設備安裝總數，CWT為發電機的故障干擾數值，PB為配電系統電流常規負載數據，如果CB是電力系統單位容量，則：

式中，Pncm為電力系統運行抗擾數值，CP為配電系統運行過程中的最低安全值。進一步對配電系統應急單元的承載力進行統計，即：

式中，CfWT為電力系統運行的最大安全系數，CrWT為設備運行功率誤差數值，COMWT為設備承載能力超量數值。基于上述算法，進一步對異常環境下應急電源的開啟指標進行計算，具體算法如下：

式中，k為配電設備最大電流容量，e為配電設備的最長可用時間。在計算過程中，一旦ψ的值小于1，則開啟備用電源并發出預警，快速實現對電力設備的應急處理，以此保證電流設備穩定運行。

1.2 配電系統應急電源投入裝置結構優化

在對配電系統應急電源投入裝置進行設計的過程中，要保證配電網布掛管理設備靠近設備室，配電設備和應急電源設備之間預留一定空間，避免配電設備故障過程中由于電力負荷過大燒毀應急設備，確保應急設備能夠安全運行。為保障應急設備運行效果，需要對配電系統應急電源投入裝置進行合理布局，優化設備結構空間，保證設備、設施、線路的敷設均符合安全標準、抗震指標以及防火等級要求[6]。利用單母線進行電流傳輸，并使用單獨聯接的方法避免冗余，同時不影響其他元件的功耗。同時采用高壓配電隔離模式，以此減少應急電源使用過程中潛在的火災隱患，確保高壓配電的安全性[7]。

為保證配電系統的應急電源配置與運行的質量，需要在設備管理平臺進行電力信息的存儲和管理[8]。存儲層可存儲部分電力設備的故障信息。通過對配電設備運行狀態進行實時跟蹤，在識別到異常信息后向平臺發送指令，將采集到的信息與管理信息相結合來確定電力設備的故障位置，實現物聯網環境下故障信息的采集。接入層負責信息的采集、讀取、更新、確認以及刪除等操作。根據配電系統能源消耗存在的不同問題，可分為一級設備能源消耗、二級設備能源消耗和輔助設備能源消耗。按性能參數進行數據排列分配，以此直接顯示設備能耗異常情況。對于單臺機組的能耗，應充分考慮其影響因素，主要檢測機組數量是否與機組狀態相關。輔助機組主要用于維持機組的正常運行，外部因素對其能耗的影響較大。合理安排設備布局，保障設備空間結構[9]。通過并聯裝置保證設備電壓一致性，如果控制項出了故障，可以臨時修復。此外，裝置運行時噪音很大，要盡可能地進行消音，保證發電室的噪聲在規定范圍內。

基于上述配電設備結構進一步優化應急電源運行模式，基于采集到的配電系統異常數據進行應急電源的開啟運行。通過采集配電系統運行的數據，獲取實時信息，并通過應用層進行數據篩查，實時檢測和評估電源運行風險。一旦出現異常數據，通過服務層及時啟動應急電源，保證應急電源供配電符合國家標準。為確保應急設備各部分的供電穩定，需要進一步添加數據計算層，并在存儲層進行管理存儲處理。在恢復電源后，進一步通過接入層進行電力轉換，以此實現供電要求。當配電設備發生故障時，須及時控制故障的范圍，保證故障范圍最小化。控制電力系統負載密度，合理利用新技術，進行修正管理的同時保證備用電源能最大限度地降低能耗。結合配電應急設備設計結構和性能要求對配電網運行狀態管理平臺架構進行優化，具體如圖1所示。

圖1 配電網運行狀態管理平臺架構圖

2 配電系統應急供電系統的安全運行措施

為保障配電系統應急供電系統的安全運行，就配電系統自身結構而言，可采用多路連接方式向用戶供電，并可制定合理的接線方式接入配電網，實現應急供電。從用戶角度考慮，可增加自備電源，并在必要時配置應急啟動電源。對部分供電企業來說，可以通過配置移動發電設備為用戶提供應急配電服務[10]。

在故障狀態下，需要及時進行預警，以保證應急電源快速切換到應急供電模式。目前許多設備出現故障時，應急設備仍無法滿足用戶的供電要求，且配電設備維護時間過長易導致應急電源超負荷運行，存在安全隱患。基于此，需要進一步利用分布式方式來實現應急電源的發電控制管理。在設計過程中，分布式應急電源直接建在設置終端用戶附近，便于用戶管控和恢復電力運行。移動式發電動力性強，不受地理位置限制，能在發生重大事故時迅速作出反應，但也存在自身局限性為了快速恢復用戶的供電，需要結合分布式電源和移動發電模式進行綜合優化，完善配電網結構，以此滿足高壓用戶供電需求。基于此，進一步優化了應急電源供電的運行流程，具體如圖2所示。

圖2 應急電源供電的運行流程

應急電源供電設備具有短時掉電保護、快速應急響應等功能。但由于應急電源容量有限，保護時間不能無限延長。因此在使用過程中，無壓降、短期斷電保護裝置可根據用戶實際需要分別配置，在短期斷電時對敏感負荷進行合理供電。配電系統在斷電后首先為用戶供電，減少停電造成的損失，并根據用戶重要性和電力分布制定配電網線路及停電恢復方案。根據城市電網突發事件應急計劃編制的原則，需以人為本、全面保障、主體兼顧以及有限保護。在配電網不能滿足部分重要用戶用電的情況下，應充分考慮現有分布式發電的配電、調節容量、響應時間等因素，以保證電網的安全。

3 結 論

為了滿足重要用戶供電可靠性的要求，加強供電安全保障和應急響應，提出對配電系統應急電源配置的運行方法研究方法，當供電可靠性和應急電源不能滿足部分用戶需求時，還應考慮自備電源。在進行城市用戶應急電源優化配置時，應充分考慮分布式電源的分配。針對目前各地區供電變電所應急電源的容量分配和重要用戶的應急用電要求，根據當前配電系統成本和供電可靠性分析，確定各區域供電站應配置的移動發電設備的容量水平。