移動合環系統在城區配電網中的應用

李 煜，劉文松

(1.國網江蘇省電力有限公司南京市江寧區供電分公司，江蘇 南京 211103；2.江蘇宏源電氣有限責任公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著國家區域協調發展戰略加快實施，部分地區供電能力與用電需求存在一定差距，重過載現象嚴重，同時新型電力系統的構建對供電系統停電、電能質量等方面也提出了更高的要求。為確保供電可靠性，國內的配電網架一般采用N-1 閉環手拉手方式進行設計，但在實際運行時一般采用開環運行模式，當進行網絡重構、負荷轉移或設備檢修時，通過合環操作對負荷進行“冷倒”或“熱倒”，用以縮短停電時間，提高供電可靠性[1]。

由于上級變電站運行方式、主變接線方式、聯絡點負荷性質等因素的影響，部分配電網線路即使架設了鄰近聯絡線路，也存在由于上級電源不匹配導致聯絡線路存在相位差和電壓差的問題，若此時通過“熱倒”方式進行合環，則合環時產生的沖擊會影響到用戶供電質量，波動的電壓可能會導致用電設備損壞，甚至造成用戶停電。如杭州市存在相位角差線路共有153 條，其中35 kV 線路13 條，10 kV 線路140 條，該部分線路在進行倒負荷操作時，會造成下送用戶短時停電，引起電能損失，降低了供電可靠性[2]。

配電網線路合環點主要有下述兩種情況。

1) 同一分區進行合環，兩路電源來自不同的線路，其上級變電站并聯運行。此時兩路電源的相位差及電壓差較小，一般可直接采用“熱倒”方式進行電源切換。

2) 不同區間的線路，其上級變電站分列運行。由于電源來自不同的上級變電站，因線路負荷性質等因素的影響，一些合環點存在一定的相位差和電壓差，還會因變壓器接線方式不同存在30°的相位差。對于此情況，直接合環會造成較大的沖擊，出現因合環潮流過大而引起設備過載、繼電保護誤動等現象的發生[3]，導致合環失敗、停電時間增加、停電區域擴大等情況，因此，合環操作普遍采用“先斷后通”的“冷倒”方式，即操作過程中需短時停電，降低了供電的連續性。

1 城區配電網合環作業現狀分析

1.1 合環作業主要方法及技術

在合環操作時，合環瞬間將產生較大的沖擊電流，穩定后在電網中可能形成較大的環流，將直接影響到電網的安全穩定運行。判斷是否可進行合環作業有兩種方式：一種是操作人員憑借經驗決定；另一種是通過計算獲得合環后的穩態電流及暫態沖擊，從而判斷是否滿足條件，如文獻[4]所提出的基于選擇支路交換法配電網電磁合環穩態電流及暫態電流沖擊計算方法以及文獻[2]所提出的基于路徑搜索和戴維南等值的合環電流計算方法等，但計算方法僅能夠對合環的風險進行評估，選擇風險較小的合環位置及時間段進行作業，不能從根本上降低合環沖擊的影響。

隨著電網公司快速合環需求的不斷增加，現場出現了“冷倒”快切、不停電合環等新技術。前者主要采用順控方式，通過快速開關的配合在極短時間內完成供電電源的切換來達到合環的目的，這種情況對一般的負荷來說不會產生較大影響，但不可避免地存在電壓跌落等電能質量變差的情況，可能造成如電梯短時停運，工業生產尤其精密加工受影響等問題。后者采用移相調壓變壓器或基于大功率電子構成的柔性調壓調相系統(合環系統)，將聯絡點的相位和電壓差值控制在較小范圍內，從而降低或消除合環時所產生的沖擊電流，減少因合環所引起的故障及停電風險，可真正實現“熱倒”；另外，不同電壓等級間也可通過該方式進行互聯、轉供。由于這些方案無需事先對聯絡點兩側的電壓及相位進行估算，可實現任意時刻的合環轉供作業。

合環系統的關鍵是調壓、調相，以滿足控制線路潮流的要求，目前存在兩種技術路線。

1) 應用移相調壓器。通過移相調壓器內部繞組連接組合，采用有載調壓調相開關完成電壓、相位的調整，其原理如圖1 所示。該方案的調整方式是非連續的，但由于其調整是在合環前，并不會影響合環后的供電狀態；調整間隔可控制在相位1°～4°、電壓50～100 V，能將移相調壓器兩側相角差、電壓差控制在很小范圍內，合環后產生的環流及沖擊電流對系統影響較小。其優勢是體積小、成本低。

圖1 移相調壓器的調壓調相原理

2) 基于大功率電力電子構成的柔性調壓調相系統，其原理如圖2 所示。該方案采用AC-DCAC 的方式，通過控制回路調整送端電源輸出到受端的幅值和相位，其優勢是可以調整到任意相位和電壓，但由于合環轉供需要的功率較大，受技術和制造成本等因素的限制，其體積是前述方案的3～5倍，成本接近前者的10 倍。因此，在滿足合環轉供需求的基礎上，前述方案的經濟性更符合需求。

圖2 柔性調壓調相系統原理

1.2 合環作業需求分析

配電網一般在線路檢修、改造以及線路重載，部分負荷短時轉供時需執行合環作業。

線路檢修、改造大部分是同電壓等級線路檢修、更換等，僅需進行短時負荷轉移即可恢復原有運行方式。而在線路重載，部分負荷短時轉供的情況下，合環轉供后可將合環設備兩端之間的相位、電壓調至一致，然后合上聯絡開關，即可將合環系統退出運行；如需恢復原有運行方式，則只需再次投入合環系統，斷開聯絡開關并進行調壓、調相后，進行解環操作即可。

1.3 移動合環系統的可行性及經濟性分析

城區配電網的合環點數量多并存在一定數量的不同區域合環點，若選擇合環系統固定安裝方式，將存在單點投資較大、合環點操作頻次不高、合環系統利用率較低等問題，而且合環轉供一般為短期行為，因此，在實際應用中如采用移動合環系統將有效解決因不同分區相位差、電壓差無法直接合環的問題，有效提高合環系統使用頻率，避免單點投資大、使用頻次低等問題。

2 移動合環系統應用

當前，城市配電網因建設時間及技術發展的差異導致架空線路、電纜兩種輸電方式并存，合環聯絡點也分別存在于架空線路桿塔、開關柜和環網柜等不同位置。由于合環點在最初設計時未考慮通過合環系統進行輔助合環的情況，若使用移動合環系統進行合環作業，則需要對合環聯絡點的設備進行改造，以便移動合環系統開關接入(見圖3)。

圖3 移動合環系統開關接入示意

移動合環系統內部接線如圖4 所示。需要合環時，合上合環系統兩側開關，系統采集聯絡開關兩側電壓、頻率等參數，計算相差和壓差并進行調壓、調相操作，使兩側壓差及頻差達到合環要求后，按次序合上合環系統開關完成合環，此時跳開需要斷電的開關即可完成負荷轉供作業。

圖4 移動合環系統內部接線

如上所述，若采用移動合環系統進行合環，首先需要在線路合環聯絡點預先安裝合環系統接入接口?？紤]到移動裝置以及作業的便捷性，接口要求具備快速連接、熱插拔特性，以便快速接入并完成合環作業。此外，為了提高接口匹配的通用性、復用性，可與應急電源接口共用，避免重復投資。通過這些改造，在合環作業時，打開應急電源接口，接入與移動合環系統的相連電纜插頭即可投入運行。桿塔上的改造相對簡單，而開關柜及環網單元則需增加2 組合環和應急電源接口間隔，以適應新的供電需求，間隔接線如圖5 所示。接口間隔由應急電源接口、隔離開關、接地開關等構成。未使用時，隔離開關處于分閘狀態，應急電源接口不帶電；進行合環操作時，兩側電源的應急電源接口分別接入合環系統，即可進行后續操作。

圖5 接口間隔單元接線

3 移動合環系統設計方案

3.1 移動合環系統的需求及設計

由于移動合環系統需要應對各類應用場景，因此在設計時應考慮下述原則。

1) 小型化、模塊化。配電網合環系統因設計容量原因，體積一般較大，而現場作業環境復雜，因應考慮小型化、緊湊型設計；此外，城區合環聯絡點分布較散，移動合環系統還需考慮車載因素，若重量和體積過大，對車輛的尺寸和載重均有較高的要求，無法適應現場作業，因此，還需考慮分體模塊化設計。

2) 便捷操作?，F場作業要求操作快速，若作業時就地再搭建復雜的合環系統將會增加作業時間及人員負擔，在設計時要充分考慮現場組裝、實施的便捷性。

3) 自動化控制。通過自動化控制可降低現場作業難度以及人為誤操作引起的安全風險；同時，為防范系統內部故障，還需考慮對合環系統進行實時監測，確保系統可靠性。

4) 安全可靠性。移動合環系統需在不同的區域完成合環作業，操作頻繁，且存在因車載顛簸、裝卸引起內部連接松動、損壞的風險。因此，除了在作業前進行必要的確認檢查外，還要求設計時考慮系統連接的可靠性，以免內部故障造成合環過程中出現事故。

3.2 移動合環系統控制要求及策略

1) 系統應操作便捷、自動化程度高、適應不同場景。

2) 支持就地、遠方兩種操作方式，支持標準通信規約，提供遠方“三遙”操作。

3) 系統自身應具備必要的保護功能，防止因內部元件故障引起線路故障；系統還應提供合環條件不滿足時的同期檢查功能，以便進行同期合閘閉鎖防止因無操作導致合環失??；另外還需考慮合環沖擊過流保護等方面的措施，防止線路誤跳。

3.3 移動合環系統整體方案

1) 系統構成。移動合環系統由移相調壓器、調壓控制系統、調相控制系統、總控裝置、饋線終端、電壓互感器、斷路器、應急電源接口等設備構成?？紤]到移動合環系統應用場景的復雜性，基于電磁原理的移相調壓器調整裝置采用有載調壓模塊，以適應合環后的電壓、相位調整需求。

2) 模塊構成。為實現小型化、輕量化和工器具化的設計目標，系統各部分采用模塊化集成方式，主要包括移相調壓器、裝置柜以及電纜柜三個模塊。

3) 結構設計。移動合環系統采用緊湊型設計，總控裝置、調壓控制系統、調相控制系統、饋線終端分別掛接在移相調壓器兩側，斷路器、PT、避雷器以及應急電源接口等設備集成在同一個裝置柜中，接地線、電纜和電纜盤集成在電纜柜中。

4) 控制方案。移動合環系統總控裝置與饋線終端、調壓控制系統、調相控制系統通過RS 485接口進行通信；饋線終端通過PT 對兩側線路電壓的相位差和電壓差進行檢測，并將相位差和電壓差信號發送給總控裝置；總控裝置根據檢測到的相位差和電壓差，控制調壓和調相控制系統進行相位和電壓調整，直至相位差和電壓差滿足合環條件，總控裝置再通過饋線終端給斷路器發送合閘指令，實現線路合環運行。

5) 保護方案。移相調壓器兩側饋線終端具備三段過流保護功能，三段過流保護定值小于兩側主干線路、分支線路的保護定值；移相調壓器自身配備本體非電量保護，在出現合閘勵磁涌流、沖擊電流過大或短路故障時，饋線終端啟動保護功能，當移相調壓器出現溫度、壓力或瓦斯事件時，兩側開關將自動斷開以保護兩側線路電流，避免因合環操作對兩側線路的正常運行產生影響。

6) 操作流程。移動合環系統具備自動和手動操作模式。自動操作時，可將工作模式切換至自動模式，總控裝置將根據相位差、電壓差自動進行調壓調相系統的升檔、降檔以及開關的分合操作；手動操作主要用于合環點相位差或電壓差超出系統調節范圍時，通過人工判斷進行合環操作。

3.4 現場實施要求

采用移動合環系統較之前的合環作業流程發生了較大變化，因此，現場需要根據實際情況制定移動合環系統的作業指導規范，并嚴格按照規范進行操作，降低安全風險；現場作業前還需準備好必要的應急預案，在出現緊急情況時可以按照預案有序處置。

4 結束語

綜上所述，針對合環作業操作過程提出移動合環系統應用方案。該方案基于柔性移相調壓和智能控制技術，綜合了相位差、電壓差柔性調節和合環操作自動控制策略，能夠主動適應電網運行方式和線路負荷的變化，消除或減小聯絡開關兩側電壓差、相位差，降低合環時產生的沖擊風險，真正實現了“熱倒”操作。在城區配電網中，通過對合環點線路或者環網柜進行改造，即可靈活快捷地進行合環操作。整套系統具備設計緊湊、造價低、運行方式靈活等特點，可批量應用于不停電合環轉供、線路容量互濟等場景，對提高配電網供電可靠性具有重要意義。