應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)原理及配置方法分析

國網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司 李冰心 宋 雷 王東博 黃 鑫 梁祖江

保障可靠的電力供應是供電企業(yè)的基本職責，供電企業(yè)每年都承擔較多的保電任務。如果采用傳統(tǒng)的應急發(fā)電車，則保電人員在操作應急發(fā)電車的過程中會占用一定的時間，延長了故障停電時間，故有必要采用應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)。本文詳細分析了應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)原理，并對應急發(fā)電車的容量配置方法進行了闡述。

執(zhí)行保電任務是供電企業(yè)的基本工作內(nèi)容之一，也關(guān)系到供電企業(yè)在社會中的形象。采用應急發(fā)電車是在保電期間采用的基本手段，當市電線路由于出現(xiàn)故障而無法運行時，此時通過啟動應急發(fā)電車，可以繼續(xù)保障電力供應。但如果所采用的應急發(fā)電車不具備自動投切功能，則保電人員在操作應急發(fā)電車開關(guān)的過程中，會使得供電恢復的時間變長。采用具備自動投切功能的應急發(fā)電車，能夠明顯縮短故障停電時間，降低保電人員誤操作的概率，減少保電人員的操作工作量，提高保電質(zhì)量。

1 應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)

1.1 應急電源的基本類型

應急電源所包括的類型較多，不同類型的應急電源之間的差異較大，故應該根據(jù)實際的情況加以選擇，主要的應急電源類型包括移動式發(fā)電機、固定式發(fā)電機、UPS電源和EPS電源等。本文主要介紹柴油發(fā)電機作為應急電源的自動投切系統(tǒng)原理和配置原則。

發(fā)電機可以作為應急電源，當主電源因故障無法正常工作時，通過發(fā)電機接帶重要的負荷。一般可以采用柴油發(fā)電機，使用也較為靈活，其一般由發(fā)電機、發(fā)動機和控制器等組成。控制器可以實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)中的電源的檢測，當檢測當主電源系統(tǒng)存在問題時，則迅速啟動固定式柴油發(fā)電機進行發(fā)電。在固定式柴油發(fā)電機的容量選擇方面，則主要根據(jù)該配電區(qū)域的負荷情況和配電線路情況，選擇合適容量的發(fā)電機，不超過配電區(qū)域的允許容量。

1.2 應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)具備的主要功能

應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)應能實現(xiàn)自動發(fā)送停電信息，自動投入應急發(fā)電車。當市電恢復正常時，其能夠通過同期并網(wǎng)檢測技術(shù)將應急發(fā)電車退出運行，同時投入市電，恢復系統(tǒng)的正常運行。此外，該系統(tǒng)應具備監(jiān)控、保護和統(tǒng)計分析等基本功能，掌握供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)。當應急發(fā)電車的輸出電壓不符合要求時，能夠自動將應急發(fā)電車退出運行，保證負載安全。

2 應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

2.1 應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)中，主要包括切換開關(guān)、控制柜和應急發(fā)電車等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一開關(guān)連接市電的輸入端，第三開關(guān)連接市電的輸出端，第二開關(guān)和應急發(fā)電車相連。在正常市電的供電狀態(tài)下，第一開關(guān)和第三開關(guān)閉合，第二開關(guān)斷開；當市電故障時，第二開關(guān)和第三開關(guān)閉合，第一開關(guān)斷開，此時由應急設(shè)備給負載供電。

圖1 應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)中，控制電路是該系統(tǒng)的核心，主要包括單片機、復位電路、脈沖電路和無線通信信號接收和發(fā)送模塊等，其中無線收發(fā)模塊主要用來自動發(fā)送停電信息和供電恢復信息，使得系統(tǒng)維護和檢修人員能夠及時掌握信息。單片機經(jīng)過控制程序的分析計算，輸出相應的控制策略給控制開關(guān)。脈沖電路主要是用來檢測市電的電壓變化情況，根據(jù)市電的變化情況，將所檢測到的信號輸入到單片機中。當市電電壓升高時，則脈沖電路產(chǎn)生低電平或者0信號；當市電電壓降低時，此時說明市電線路可能出現(xiàn)了故障，脈沖電路應產(chǎn)生高電平或者1信號，通過這種方式可以判斷市電供電狀態(tài)是否正常，單片機控制程序就可以根據(jù)脈沖電路所產(chǎn)生的信號對開關(guān)進行控制。

2.2 同期并網(wǎng)檢測技術(shù)

當市電恢復正常，需要將應急發(fā)電車退出運行前先進行同期并網(wǎng)檢測，保證系統(tǒng)能夠正確切到市電供電狀態(tài)。通過同期并網(wǎng)檢測技術(shù)，可以避免供電系統(tǒng)出現(xiàn)二次停電的情況。

同期并網(wǎng)主要需要滿足的條件包括相序一致、頻率相同、電壓相等、相位相同等，當滿足這些條件時，對電網(wǎng)并列所造成的沖擊也就很小。

對于同期并網(wǎng)技術(shù)中的電壓檢測，設(shè)應急發(fā)電車并網(wǎng)允許的電壓偏差值為ΔUset，當滿足下式(1)時，則電壓檢測符合條件。

式中US和UG分別為待并網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和應急發(fā)電車電壓的有效值。當滿足下式(2)時，則不允許合閘并網(wǎng)。

如果此時US>UG，則升高應急發(fā)電車的輸出電壓，反之等降低應急發(fā)電車的輸出電壓，使之符合并網(wǎng)所需的電壓要求。可以采用調(diào)節(jié)應急發(fā)電車勵磁電流的方式，實現(xiàn)對應急發(fā)電車輸出電壓的調(diào)節(jié)。

對于同期并網(wǎng)技術(shù)中的頻率檢測，可以采用二分頻的頻率測量方法。交流電壓經(jīng)降壓濾波并轉(zhuǎn)換為方波信號后，當出現(xiàn)高電平時則計數(shù)，出現(xiàn)下降沿或者低電平時則停止計數(shù)。假設(shè)計數(shù)器的頻率為fc，所計數(shù)為N，此時所測量的電壓周期為：

則所測量的頻率值如下式(4)所示，從而實現(xiàn)了對頻率的測量。

如果此時滿足下式(5)，則頻率滿足同期并網(wǎng)的要求。

式中fS和fG分別為待并網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和應急發(fā)電車頻率值，Δfset為頻率整定值。如果滿足下式(6)，則此時應根據(jù)系統(tǒng)頻率和應急發(fā)電車的頻率大小關(guān)系，調(diào)節(jié)應急發(fā)電車的轉(zhuǎn)速，從而使得應急發(fā)電車的頻率滿足并網(wǎng)要求。

此外如果應急發(fā)電車在并網(wǎng)的過程中相位差較大，則容易使得應急發(fā)電車出現(xiàn)抖動的情況，給應急發(fā)電車的機械結(jié)構(gòu)帶來損傷。故為了滿足應急發(fā)電車并網(wǎng)的安全，一般也要求相位差不能超過十度。

3 自動投切應急發(fā)電車的容量配置

在大型活動及臨時會場的場合中，采用柴油發(fā)電機作為應急電源較為合適。柴油發(fā)電機在使用時應該可靠接地，同時加強對柴油發(fā)電機的維護，保證當需要采用的時候，柴油發(fā)電機能夠可靠運行。以下以某地區(qū)柴油應急發(fā)電機的容量配置為算例，分析應急電源的容量配置。

對于自動投切應急發(fā)電車的容量優(yōu)化配置的目標函數(shù)，可以以柴油發(fā)電機應急電源配置的總費用最小為目標函數(shù)，具體費用包括柴油發(fā)電機的投資費用、降低的停電損失費用和柴油發(fā)電機的運維費用等，具體表達式如下所示。

式中：P為單位容量柴油發(fā)電機的投資費用，m為配電片區(qū)的數(shù)目，n為第j個配電片區(qū)的柴油發(fā)電機數(shù)目，Pij為第j個片區(qū)提供的第i個柴油發(fā)電機應急電源容量；Zij當其為0 時，表示在該片區(qū)不配置應急電源，當其為1時，則在該片區(qū)配置應急電源；λ為單位容量的停電帶來的經(jīng)濟損失，ΔPj為降低的第j個配電片區(qū)的停電量，μ為單位容量的柴油發(fā)電機運維費用。

約束條件為移動發(fā)電車的容量約束和柴油發(fā)電車個數(shù)的限制約束，具體表達式如下所示。

式中：Pmin為該配電片區(qū)所要求的最低容量配置。隨著用戶對供電可靠性的要求不斷提高，采用應急電源可以提高供配電系統(tǒng)的供電可靠性，保證不出現(xiàn)供電安全事故。在應急電源的具體配置上，應該根據(jù)實際情況加以分析和計算，保證應急電源的配置能夠發(fā)揮出最大的作用，提高供配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平，同時完成保電等類型的應急任務。

結(jié)論：應急發(fā)電車在供電企業(yè)中得到了廣泛應用，隨著應急發(fā)電車技術(shù)水平的提高，自動投切功能將能夠逐步應用在應急發(fā)電車中。本文詳細分析了應急發(fā)電車自動投切系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，并介紹了具體的容量配置方法，在實際中可以加以應用。