以蓄電池作配電網不停電作業電源技術可行性研究

國網吉林省電力有限公司吉林供電公司 崔 吉

配電網線路是電網的脈絡，承擔著居民生活用電以及工廠生產用電需求。在智能配電網改造力度逐漸加大的前提下，減少停電或開展不停電作業，是電網用戶對電力公司提出的新要求。為加快城市配網智能化改造以適應用戶用電需求，應加強以蓄電池作配電網不停電作業電源技術的研究，在不停電的前提下完成配電網計劃檢修與故障搶修工作。本文以某供電公司為例，對以蓄電池作配電網不停電作業電源的技術進行可行性研究。

1 配電網不停電作業相關概述

一般情況下，配電網不停電作業主要是通過柔性高壓電力電纜的使用，依托于電纜接頭與配電網開關的連接，針對作業需要在較短時間內完成供電線路、待檢修路段、跨接故障路段的構建。通過操作配電網開關，實現電路電源至旁路供電線路的順利接入，進而在不停電的前提下完成檢修等各項作業，維護電網系統供電安全、可靠。

因此，對于配電網不停電作業而言，為提高其可靠性，應把握以下要點：第一，在配網電纜分流且不停電的前提下完成檢修作業，需要注意的是，通過配電網系統斷開保障線路時，應對電網電纜進行檢測，判斷其是否處于正常通電狀態。第二，配網系統操作過電壓，基于柔性供電靠站相關作業時，應做好過電壓在不同操作情況下的大小檢測。第三，配電系統的保護接地工作，落實一端接地方式，規范落實保護接地工作[1]。

從本文研究角度來看，主要以移動式電源為基礎，依托于系統運行方式的調整、作業方法的優化等方式，在不影響供電可靠性的前提下，將蓄電池作為配電網不停電作業電源使用，進而順利完成電力檢修、施工等作業。若是以各項作業涉及的電力設備的帶電狀態作為基準劃分，那么配電網不通電作業方式共有兩種，分別為：一是帶電作業，主要是在檢修作業建立在帶電設備和線路上；二是負荷轉移作業，細化后可分為移動電源作業法和旁路作業法[2]。前者以移動式電源為基礎，比如負荷轉移車、移動發電車等，將出現故障的設備與線路段從原本系統中分離出來，在不影響正常供電的基礎上完成檢修作業。后者主要通過旁路電纜分離檢修設備，以此實現不停電作業。

2 基于蓄電池研究將其作為配電網不停電作業電源的技術可行性

根據上述分析可知，目前配電線路檢修采用的不停電作業方式大，多為帶電作業和負荷轉移作業。蓄電池作為不停電作業電源發展的方向之一，本文立足于移動電源技術開展蓄電池電源應用，在配電網不停電作業中的可行性分析，并在分析過程中明確參數條件及技術適用范圍。

2.1 電源技術

在配電網不停電作業要求下，蓄電池的應用主要是為移動電源技術的實現提供支持，對于蓄電池而言，其儲能和電力電子接口是移動電源技術的基礎。目前，應用較為廣泛的移動電源較多，尤其是EPS（應急電源裝置），其發展備受矚目。該裝置由整流充電器、逆變器等組成，依托于IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）逆變技術的應用，能夠獲得比柴油發電機更好的應用性能，比如噪聲小、短時過載能力強、維護簡單、啟動時間短等。

但若是將其應用于配電網不停電作業，將其作為電源使用，其高昂的價格以及較小的供電容量，無法滿足用戶對電力能源的需求。因此，本文出于靈活性考量，分析蓄電池作為配電網不停電作業電源應用要點，通過可行性分析，確定其適用范圍與應用要點。蓄電池可貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電氣化學設備，是按可再充電設計的電池，通過可逆的化學反應實現再充電，通常是指鉛酸蓄電池，其是電池中的一種，屬于二次電池。其技術原理為：充電時利用外部的電能使內部活性物質再生，把電能儲存為化學能，需要放電時再把化學能轉換為電能輸出[3]。

2.2 技術應用可行性分析

2.2.1 技術分析

在蓄電池技術中，發展較為成熟的電池是鉛酸蓄電池，綜合分析配電網技術要求和經濟效益要求，故選擇鉛酸蓄電池為主要研究對象，分析將其作為移動電源配電網不停電作業電源的技術可行性。在將鉛酸蓄電池以電源的身份應用于配電網不停電作業時，需要根據不同負荷端配置相應的蓄電池組，通過與并網IGBT 逆變器相連接，滿足不停電檢修需求。具體作業電源運行流程為：首先，依托于并網IGBT逆變器的連接應用，完成電流的直流和交流轉換，在并網同步控制作用下，驅動逆變器，進而實現同期并網。將蓄電池組閉合，待其處于閉合狀態后并網，使該電池組能夠順利接入變壓器的低壓側。其次，將變壓器高壓側斷開，隔離配電網檢修段，落實規范的故障檢測作業，此時蓄電池組承擔低壓側負荷。最后，完成故障檢修作業后，將變壓器高壓側閉合，斷開蓄電池組并網端，使電池組退出運行，故障檢修期間由蓄電池組承擔的低壓側負荷，重新由系統負擔。

在該電源應用于技術流程下，依托于負荷的轉移，可以實現配電網不斷電作業。為更好確定需要接入的蓄電池組數量，滿足不同規格的配電網不停電作業需求，可通過計算公式予以確定。一般情況下，數量確定期間涉及負荷容量與負荷電壓，表達式如下：

公式（1）中，N 表示負荷電壓，單位：V；Ns表示系統中串聯電池數量，單位：V；Np表示系統中并聯電池數量，單位：V。其中，串聯電池旨在提供更為穩定的電壓，為供電服務水平提供保障；而并聯電池數量的主要目的在滿足系統運行時的負荷需求。

公式（2）中，Uo表示接入點運行電壓，單位：V；Ub表示單個蓄電池電壓，單位：V。

公式（3）中，S1表示負荷容量，單位：Ah；η 表示負載功率因數；U 表示電池組電壓，單位：V；η1表示蓄電池組放電系數；S2表示蓄電池容量，單位：Ah；T 表示作業時間，單位：s；η2表示蓄電池組放電效率。

在明確計算表達式后，假設單個蓄電池電壓為12V，蓄電池容量為400Ah，功率因素取值0.8，蓄電池組放電系數和蓄電池組放電效率分別取值0.7和0.9。通過將此類鉛酸免維護蓄電池作為配電網不停電作業的電源，將上述各數值代入公式（1）、公式（2）和公式（3）中，明確蓄電池組數與供電容量、供電時間之間的關系。當配電網不停電作業負荷存在差異時，配電網對蓄電池的組數要求不盡相同，具體見表1。

表1 差異化供電要求對電池組數要求（鉛酸免維護蓄電池）

根據表1給出的組數要求可知，當系統的負荷容量小于等于300kVA 時，且供電時間小于等于2.5h，蓄電池組的應用效果符合預期，可滿足配電網不停電作業需求。但一旦系統負荷容量超過300kVA，或是供電時間大于2.5h，要想使配電網實現不停電作業，需要接入較多的蓄電池組，蓄電池組應用數量攀升。在該情況下，將對作業靈活性造成直接影響，且現場作業難度升高。

因此，若是從供電時間和負荷容量的角度來看，蓄電池可作為電源應用于配電網不停電檢修作業中，相較于EPS 應急發電車，蓄電池應用靈活性更高，且技術適用范圍更廣，但實際應用時仍要從實際出發，通過明確供電時間和負荷容量，準確判斷蓄電池應用難易程度與靈活程度，通過對比分析與合理選擇，滿足配電網不停電作業要求，為供電服務質量提供保障[4]。

2.2.2 經濟分析

對于蓄電池在配電網不停電作業中的電池應用而言，為使電力事業更好發展，還要考慮蓄電池作為電源應用的經濟性，若是花費巨大，將不利于推廣。為加強蓄電池電源應用經濟分析的真實可靠性，故引入某供電公司具體案例開展經濟性的技術分析。

項目簡介。以某供電公司10kV 配電網示范工程為例，建設后示范區域內共出現9次故障停電現象，造成長時間停電。經事后統計，9次故障給用戶一共造成了56.04h 的停電時長。案例項目具體停電情況見表2。

表2 基于案例工程的故障停電具體信息

基于蓄電池電源應用的故障檢修成本分析。選擇影響戶數較多的故障展開分析，經現場觀察與排除試驗發現，故障源頭主要是變壓器和斷路器。為解決故障問題，檢修過程中接入蓄電池。某變壓器T 接跌落式熔斷器的停電原因為低壓出線電纜燒毀，停電時長為1.08h，這一故障（故障1）對變壓器容量帶來的影響為315kVA；某支線斷路器的停電原因為單相瓷瓶擊穿，停電時長為2.43h，這一故障（故障2）對變壓器容量帶來的影響為400kVA。

某供電公司按照正常蓄電池的充電次數和放電次數為標準（3000次），每組蓄電池單價為1000元，在該情況下，成本情況如下：分析檢修過程中蓄電池每次作業時間、供電特性，待蓄電池完成一次充電任務后，發現在本次故障檢修作業中，可基本上實現對配電網的平穩供電。因此，單個蓄電池在配電網不停電檢修作業中每次作業的折舊成本為0.33元，即：用每組蓄電池單價的1000元除以其充電次數，明確折舊成本。

此外，根據故障實際情況，計算得到負載容量，將負載功率因數確定為0.6，為把握停電故障帶來的停電損失，筆者共選用兩種辦法予以衡量，一是單位電量GDP，二是6倍懲罰電價。其中，單位電量GDP 結合當地GDP 和發電量數據，經查詢為20.8元/kWh；電價取值0.5元/kWh，在6倍懲罰下，電價為3元/kWh。

2.2.3 分析結論

通過上述方法，某供電公司選擇不停電作業技術解決故障。作為電網中直接連接用戶的電網末端，配電網需要做到：在不影響供電能力的基礎上，使供電作業具有安全可靠性以及經濟性，尤其在配電網運行期間，應具備較強的安全性和經濟性。經上述分析可知，蓄電池可作為電源滿足配電網不停電作業需求，尤其在當前智能電網快速改造、發展的背景下，不停電作業電源技術本身具有較大需求。相較于其他電池，蓄電池具有移動屬性，能夠滿足現場靈活作業需求，通過分散分布，可有效提高故障檢修概率，在不影響供電服務質量的前提下減少停電時間。

綜上所述，為滿足當前時代背景下用戶對電力供應質量的要求，優化供電服務體驗，應深入不停電作業的技術研究。經上述可行性分析可知，在配電網不停電作業中，選擇蓄電池作為電源承擔負荷是可行性，具有較強適用性和經濟性，期間需要綜合考量電池組數、供電容量與供電時間，以此保證電源選用的經濟合理性。