移動式低壓合環轉供電裝置關鍵技術研究

李徽勝

（廣州南方電力集團電器有限公司，廣東 廣州 510285）

0 引 言

在建設世界一流配電網和優化電力營商環境背景下，探索優化低壓配電網網架結構，研究不停電作業關鍵技術，推進中低壓不停電作業業務，減少停電時間，提高供電可靠性是電網公司當前的重要任務。

目前，輸電主干網以環網方式運行，中壓配電網采用閉環設計、開環運行模式，中壓配電網通過合環轉電來避免短時間停電，轉供電技術已比較成熟[1]。然而，在低壓配電網合環轉供電方面的理論與實踐應用研究較少，缺乏成熟的參考經驗。參考文獻[2,3]對低壓配電網合環轉供電及低壓合環裝置做了理論研究，提出了合環轉電方式方案，避免短時停電，滿足重要用戶對不間斷供電的需求，提高用戶滿意度，但缺乏成功的應用經驗。

1 低壓配電網供電現狀

1.1 低壓配電網典型接線方式

文獻[4]對國內外臺區中低壓配電網典型供電模式進行了深入分析，并對低壓配電網網架建設提出了參考建議。廣州低壓配電網實行分區供電，低壓側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10 kV以單電源單公變為主，公變容量一般在800 kVA以下。低壓側采用4～6回路380V/220V放射式電纜網供電，主要分布在負荷非常密集的老城區內，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變壓器放射狀供電，其優點是供電可靠性高，檢修便利；缺點是線路金屬消耗量大，網絡結構薄弱，負荷轉移能力差。在設備線路日常停電檢修或事故停電時，容易造成低壓負荷無法轉供，影響整片區域用戶的正常供電，且停電范圍大、停電時間長。

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。該接線方式的優點是線路采用的開關設備和線材消耗少；缺點是主干線故障檢修時，需將主干線停電，擴大停電范圍，導致供電可靠性低。

圖2 樹干型供電典型接線

1.2 低壓配電網合環轉供電存在的問題

為提升低壓負荷轉供能力，提高供電可靠性，廣州供電局對優化低壓配電網網架開展了理論研究。通過在低壓側加裝固定式聯絡開關，實現相鄰變壓器低壓側負荷的轉供，提高供電可靠性。然而，該方案存在以下問題。

（1）現有配電變壓器裝設容量不滿足N-1需求，在負荷高峰期，配電變壓的負載轉供電能力較差，聯絡開關控制裝置不具備負荷判斷功能，聯絡或合環轉供電方式的成功率較低。

（2）現有配電變壓聯結組別和電壓抽頭不一致，因兩臺公變存在角差及電壓差，加裝聯絡開關后，人工操作風險較大。同時，計劃性停電或設備故障后，轉供電時將導致部分負荷短時停電。

（3）原有低壓開關柜及加裝后的聯絡開關智能化程度低，缺乏合環轉供電成套裝置，且設備不具備快速接口，轉供電效率較低。

（4）低壓配電網負荷分布分散、點多面廣，低壓側聯絡改造投資成本大，停電施工時間長，改造困難，且固定式聯絡開關利用率較低，投資經濟效益較差[4-6]。

合環轉供電操作時，合環電流及臺區變壓器的承載能力是影響低壓配電網合環轉供電的主要因素，合環沖擊電流大小由合環點兩側的開環電壓差、相角差以及等值阻抗決定[5]。基于以上因素，研究一種移動式低壓合環轉供電裝置及不停電轉供電工具，探索低壓配電網的轉供電模式、用電需求、負荷特性以及合環轉供電風險評估等具有必要性。

2 智能低壓合環測控裝置設計

2.1 裝置硬件電路設計

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據的精度，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內部RAM和ROM滿足設備軟件要求。所有數據擴展接口在芯片內，使整體的電路抗干擾能力強。外部電流和電壓采集電路采用高抗擾度傳感器，使整體產品符合工業設計，滿足惡劣環境需求，達到遙測數據的穩定和高精度要求。

交流采樣電路采用AD7606測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，分別采集聯絡開關兩側進線三相電壓、三相電流以及聯絡開關三相電流，實現兩路電源的電壓幅值、相位角計算以及采集點的有功功率、無功功率、功率因數以及諧波等，便于計算合環操作時的同期和合環操作的穩態電流和暫態電流，評估合環操作風險。原理如圖3所示。

圖3 交流采用回路原理圖

合環裝置設置10路遙信開入回路和6路開出回路，可滿足不同應用場景。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，穩定性能好。遙控電路采用雙隔離雙位置遙控，避免遙控誤動作。通信方面采用雙串口、雙網絡多方式通信，既可以實現單獨運行，也可以實現網絡聯網監控。

圖4 開入開出回路原理圖

系統設置了RS232串口調試口，同時具有功能強大的網絡接口，能夠實現下載和調試程序功能。由于使用了閃速存儲器，系統能夠直接利用網口及RS232串口調試實現在線編程，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密碼，保證了下載程序安全性。人機接口界面清晰且簡單簡潔，可實時查閱數據和設置參數。

2.2 裝置軟件設計

裝置軟件采用基于Linux實時多任務的操作系統。該系統具有跨平臺的硬件支持、豐富的軟件支持、多用戶多任務、高安全性以及良好的穩定性等優勢。通過軟件設計提升設備的狀態和速度的實時性。軟件主要包括模擬數字轉換采集模塊、遙信邏輯判斷模塊、數字實時驅動模塊以及輸出顯示單元。4個單元共同檢測設備狀態，保證監測設備狀態正常運行，并能及時報警。

2.2.1 保護邏輯

文獻[7-10]提出，配網合環操作前兩側存在電壓差和相位差，合環兩側電壓相角差對合環電流的影響較大。當聯絡開關合閘時，兩端的電壓差會發生突變，導致環路上各個節點的電壓幅值和相位發生變化，并需經過功率振蕩過程后才能達到穩定；合環過程產生的暫態電流和合環后的穩態電流合會對繼電保護產生影響，嚴重時將導致合環操作失敗或危及電網運行。當合環沖擊電流未超過線路保護裝置整定的速斷保護啟動電流，合環穩態電流未超過線路的熱穩限值，在環路上的所有設備不過載前提下，可進行低壓合環轉電操作。鑒于以上原因，合環裝置設置了電流保護功能和閉鎖控制功能，確保合環操作的可靠性。

合環控制裝置采用AD7606高采樣芯片，采樣頻率為120 MHz，軟件采用半波傅里葉算法。電流保護設計了三段式定時限、正常反時限、標準反時限以及極限反時限功能。過電流保護邏輯如圖5所示。合環操作及運行中，當裝置檢測到流過聯絡點的電流超過對應段啟動值（Izd1）閾值時，保護經過時間T后動作，跳開聯絡點斷路器，保證非異常狀態設備正常運行。

圖5 過電流保護動作邏輯

反時限特性表示為：

式中：t為動作時間；I為故障電流；Iset為動作電流整定值；tp為時間常數，整定范圍為0.05～1.6 s，步長0.01 s。對于標準反時限，K=0.14，α=0.02；對于正常反時限，K=13.5，α=1；對于極端反時限，K=80，α=2。

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

圖6 反時限特性曲線圖

2.2.2 合環控制邏輯

控制合環電流是提高合環轉供電的主要技術手段。合環控制裝置設計了一套完善的控制邏輯，使裝置實現一鍵式智能決策合環功能。以圖7合環接線方式為例，模擬合環動作邏輯。

圖7 合環供電接線方式

一鍵式合環操作邏輯為：在聯絡開關3DL裝設一套合環控制裝置，合環裝置設有3DL斷路器合環啟動和1DL/2DL斷路器解環操作按鈕。當啟動3DL合環裝置后，裝置自動檢測兩路進線側和聯絡開關3DL的電壓和電流，由CPU進行運算與決策。當合環條件滿足時，裝置延時自動合上3DL，并經過一定的延時，自動跳開對應的進線斷路器，實現負荷的無縫轉移。動作邏輯如圖8所示。

圖8 合環控制邏輯圖

解環邏輯與合環邏輯相似，判斷條件如下：

（1）#1進線側三相電壓U1＞Udz1（閾值）；

（2）#2進線側三相電壓U2＞Udz2（閾值）；

（3）#1進線側1DL開關位置在合閘位；

（4）#2進線側2DL開關位置在合閘位；

（5）聯絡開關3DL位置在分閘位；

（6）預合環操作開關兩側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荷電流，I3為合環電流，合環電流參照仿真分析得出的變壓器在不同負載率下對應的電流。

當以上條件滿足時，相應的進線斷路器自動合閘，經一段延時后，跳開聯絡開關3DL，恢復正常供電，實現解環操作。條件不滿足時，裝置自動實現閉鎖合環功能。

3 移動式低壓合環轉供電成套裝置設計

移動式低壓合環轉供電成套裝置采用模塊化設計，適用于不同的轉供電應用場景。成套裝置主要由合環聯絡開關箱、便攜式合環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用場景，同時實現合環操作的安全性，成套裝置采用模塊化設計。合環聯絡開關箱模塊采用緊湊型移動式結構設計，外形尺寸為600×500×700，開關箱內置1 250 A四極智能框架斷路器，連接銅排和進出線均設置面板式快速耦合器。開關箱右側設置3組二次電纜航空插座，其中，1組帶自動防電流開路的航空插座，1組電壓采用航空插座，1組控制信號回路航空插座，結構設計如圖9所示。一、二次電纜連接位置均采用可插拔連接裝置，與傳統的電纜線耳連接方式相比較，該設計可提高90%的工作效率。

圖9 合環聯絡開關箱結構

開關箱本體模塊的設計難點有兩個：一是要保證靈活便捷的應用，必須控制開關箱的小型化和箱體重量；二是開關箱小型化設計后，必須保證開關箱內部的散熱，確保大電流長期運行時，關鍵節點溫升不超標。為解決散熱問題，設計選用了小型化的四極框架斷路器和高質量的快速耦合器，搭建Solidworks三維模型，多次優化結構設計，在合環開關箱內部設置散熱通道。完成設計后，利用仿真軟件計算關鍵位置的溫升值。為控制成套設備的重量，設計采用模塊化設計理念，減輕單個模塊的重量，實現現場快速連接。合環控制箱采用便攜式設計，外殼采用鋁合金材料，內置合環測控裝置及二次電纜插座。合環控制箱與開關箱采用帶航插電纜連接，保證現場作業的快速性和操作的安全性。

4 結 論

本文結合國內外低壓配電網供電現狀，開發了一種移動式低壓合環轉供電裝置，應用于低壓配電網合環轉供電，論證低壓配電網合環轉供電的可行性。通過應用移動式合環轉供電裝置，避免配電網施工作業帶來的停電影響，解決現階段低壓配電網網架結構薄弱問題。隨著數字配電網向低壓側延伸、分布式能源的全面接入以及不停電作業業務發展，低壓合環轉供電方式將被電力運行單位廣泛應用到實踐中。本研究成果將為電力運行部門及科研機構提供參考意見。