低压配电网智能转供电装置的研究

廖拥军方兵华邓泽航陈丽丹

（1. 广州供电局有限公司，广州 510075；2. 华南理工大学广州学院，广州 510800）



低压配电网智能转供电装置的研究

廖拥军1方兵华1邓泽航1陈丽丹2

（1. 广州供电局有限公司，广州 510075；2. 华南理工大学广州学院，广州 510800）

本文从低压配电网供电现状分析了供电方式、上级电源、负荷情况及停电原因，设计了 0.4kV侧低压母线联络、低压干线联络两类转供电方案，提出为实现低压侧自动转供电，装置应具有自投、自复、合环及过流保护、通信监控等功能，并开发了智能低压转供电装置，为低压配电网开展合环转供电操作提供参考。

低压配电网；母线联络；干线联络；合环保护；转供电装置

近年用电负荷日益增长，用户对供电可靠性要求越来越高，10kV中压系统早已通过开展合环转供电操作来避免短时间停电，但0.4kV低压系统自动合环转电操作领域仍一片空白［1］。当前，配电变压器停电，低压负荷无法转供已成为中心城区供电可靠性及客户满意度提升的瓶颈。配电变压器停电时采用发电车转供负荷是常用手段，但存在较大的局限性［2］。一方面，转供电成本高，另一方面，发电车往往配置数量不多且容量较小的问题。一旦配电变压器负荷水平较高或多台配电变压器同时停电，现有发电车设备无法满足转供需求而将导致切负荷。此外，对于中心城区，尤其是住宅密集的老城区，因车体积大、出入困难，发电车时常无法转供位于窄巷中的配电变压器负荷。基于此，本文借鉴中压配电网“环网设计、开环运行”形式，提出低压侧合环转供电方式，开发低压配电网智能转供电装置，对原本需停电后检修的配变或低压线路进行不停电作业，从而避免了倒闸操作，减少了配电网倒负荷停电的时间，促进供电可靠性的提升。

1 低压配电网供电现状分析

1.1国内外低压配电网供电方式

香港380V低压设计为环网形式开环运行，每个用户均有不少于两路低压电源供电。低压配网采用户内全密封开关柜、全电缆及1500kVA或以下油浸变压器，全部设备按正常负载的50%设计。新加坡400/220V低压采用辐射型供电模式，全部地下电缆供电，由规划部门统一制定典型接线，低压母线处设置联络，低压母线预留发电车专用接口［4］。我国低压配电网设计成放射式、树干式、混合式3种类型为主。

1.2低压上级电源点分析

低压配电的上级电源点通常为单台变压器或双台变压器房，每台配变各自相对独立供电给所辖配电范围。以广州地区低压配网为例，大多采用以配变为中心的树干式、放射式结构。双配变房占约为5%，新建的一些用户在低压侧设置发电车专用接口。

1.3低压配电负荷分析

城市低压配电网一般采取分区供电，广州市中心区内配变到用户的供电半径一般在 200m左右，但一些负荷密度大的老城区，单台配供电半径可达300m。配变容量（广州天河区为例）以 630kVA、800kVA和1000kVA为主，每种容量配变低压侧出线一般为2回、4回和6路。在夏大方式，大部分变压器负载较重，负载率约为 60%～70%，少数台区负载达80%以上。而在冬小方式，部分配变处于低载运行状态。以住宅用户为供电目标的配变负载率仅 15%～20%，造成配变利用率不高，技术线损增大。

1.4低压停电原因分析

设备定检、维护、用户接入、缺陷处理、事故处理以及上级电网检修需要等操作，经常使用先停电后倒电的方法，造成停电次数较多，时间较长，影响企业正常生产，给人民生活带来不便。

2 低压配电网合环供电方案设计

2.1低压母线联络的供电方案

统建小区的双配变房，可在其两台配变的0.4kV侧低压母线间设置低压智能转供电投切装置，而对于一些距离较近（150m以内）的配变台区低压母线之间，也可通过低压联络专线后设置低压智能转供电投切装置，如图1所示。

图1中，当#1配变故障或需要检修时，投切装置先合上K12母联开关（采用断路器），再断开#1

图1　低压母线联络供电方案

配变的 K1开关，保证设备检修和倒闸过程中#1配变低压侧母线连续供电，不会造成母线的短时失压，实现带电倒闸或合环操作。

2.2低压干线联络的供电方案

对于单台配变独立供电的台区，除图1（b）所示的采用专用低压线进行联络方案外，在有条件的不同台变供电干线间设置联络，原理结线如图2所示。

图2　低压侧干线合环供电方案

3 带合环保护功能低压转供电装置开发

3.1基本功能需求

为实现低压侧自动转供电，装置应具有自投、自复、合环及过流保护功能，自复及合环操作时需判断两段母线的电压幅值及相位，并具有一键自动合环转供电功能，相关动作信息应主动上报主站或者相关责任人。装置应配备通信接口，并预留无线通信扩展功能。另外，装置还应满足“三遥”需求，即：遥信、遥测、遥控。

3.2保护逻辑功能需求

1）开发的低压智能转供电装置应设置自动、手动切换、自投、自复功能，以图3为例。

正常运行时K1、K2开关在合闸状态，K12处于热备用状态，当装置检测到K1或K2其中一路电压正常失压时，延时合上K12开关。

图3　一次系统方案

2）合环转供电：装置检测到开关两侧电压幅值、相位角等正常时，人工或后台操作t1时刻合上K12，t2时刻断开K1或者K2分别实现Ⅰ段、Ⅱ段转供电；t1＜t2时，可实现不间断转供电。

3）闭锁功能：当两路电源电压或相角差不满足自投条件时，闭锁一键转供电，延时后闭锁复归。

当合环转供电后，检测到母联电流超过设定限值时，立即分闸并闭锁合闸，延时后闭锁复归。

4）装置应能检测开关两侧电压差、相角差等，合环条件判定值可通过人机界面设定。

3.3硬件电路设计

硬件结构框图如图4所示。

图4　硬件设计结构示意图

装置硬件主要包括电压采集、电流采集、开关量采集、继电器输出、通信、按键及液晶显示几个模块。装置通过电压和电流互感器分别采集两段进线的电压和电流数据，通过开关量输入模块采集开关量输入（开关状态），单片机对采集到的电压电流和开入数据进行计算和判断，控制相应继电器执行动作，实现自投、自复、合环及过电流保护等功能。

1）装置电源设计及CPU选择

装置采用双路隔离输出高性能开关电源，可从Ⅰ段与Ⅱ段母线取电，当一段失压时，装置无缝切换至另一段电源。输入电压范围：AC/DC 85～265V；输出功率：不小于8W；承受雷击浪涌：4kV。

装置CPU部分采用32位工业级ARM单片机，72MHz主频，12位AD转换，1us转换时间，时钟年误差小于2min，温漂小于5×10-6。存储器空间：FLASH，256K；RAM，48K；EEPROM，32K。

2）模拟量采集设计

采集6路交流电压，用于判别线路Ⅰ段三相电压、线路Ⅱ段三相电压；采集3路交流电流，用于判别母联三相电流；采集范围：交流电压 AC 0～300V，交流电流AC 0～100A，每周波采样64个点，误差小于2%。

3）开关量输入和输出设计

7路输入，包括Ⅰ段进线开关、Ⅱ段进线开关、联络开关状态、闭锁装置、合环操作、遥控操作；采用空接点输入，装置内部提供电源，AC/DC 85～265V通用；10ms去抖时间；3000V隔离耐压。

8路输出，包括跳Ⅰ段进线开关、合Ⅰ段进线开关、跳Ⅱ段进线开关、合Ⅱ段进线开关、跳联络开关、合联络开关、保护跳闸出口、动作信号。开出类型为有源输出，与装置电源电压相同。继电器采用大功率电磁继电器，接点容量达到 10A 250V AC/30V DC，可直接作用于断路器跳合闸。

4）人机接口及通信设计

人机接口设计包括键盘、显示、信号灯和硬件复位，具体说明见表1。

表1　人接接口设计说明

开发的低压智能转供电装置通信系统设计见表2，包含通信接口路数、隔离类型、波特率和通信协议等方面。

表2　通信系统设计说明

3.4软件部分设计

1）软件工作原理

（1）备自投原理

装置备自投功能实现原理，与传统的备自投运行、正向（逆向）动作条件相同。

（2）合环操作原理

正向运行条件：①U1＞U1y，U2＞U2y，即两段母线电压正常；②K1和K2处于合闸位置；③3DL处于分闸位置；④合环操作功能投入。

当正向运行条件满足时，装置判断 15s后进入正向运行方式。

合环动作条件：①装置处于正向运行状态；②最大电压差和相位差在设定范围内，并保持3s以上；③两段母线电压均正常；④合环操作功能投入。

当以上条件满足时，装置接收到合环操作命令后装置将延时合环合闸时间（T3h）后动作，合上K12开关，确认合上后将延时合环分闸时间（T3f），再跳开K1（K2）开关。

（3）保护配置及工作原理

开发的装置具有三相三段式定时限过电流保护功能，对于每一段保护，当A、B、C三相电流中任一相保护电流大于相应保护的电流整定值并达到整定延时后保护动作。

另参照国际电工IEC 255标准，装置提供了标准反时限、正常反时限、极端反时限三种反时限特性方程，如式（1）、式（2）和式（3）所示。

①标准：

②正常：

③极端：

式中，t为保护动作时间，tp为反时限时间常数；I为实际故障电流，Ip为反时限起动电流。

装置严格按照上述动作方程进行计算，当实际电流I超过起动电流Ip后装置每隔5ms计算一次并将结果进行积累，当达到规定的门槛值后反时限过流保护动作出口。

装置还配置了定时限零序过流保护，当采集的零序电流值大于零序整定值并达到整定延时后保护动作。零序过流保护可以选择跳闸或仅发告警信号。

2）软件模块设计

软件流程图如图5所示。

图5　软件流程图

装置软件部分采用C语言编程，模块化设计，包括以下几个部分：

（1）初始化和人机接口模块

装置上电或复位后即运行初始化模块，主要对系统进行初始化，配置CPU内核及各种外设的运行方式，内存的初始化，各种定值、装置参数、实时时钟的读取，液晶显示器初始化等工作。

人机接口模块分为键盘操作和液晶显示两个子模块。键盘操作用于读取按键操作的键值，并根据键值执行相应操作。液晶显示模块则根据当前需要显示的界面及显示缓冲区内容去刷新液晶显示器。

（2）数据采集和数据运算模块

数据采集主要完成 9个通道模拟量数据的采集，准备每个模拟通道每周波采集64个点。

数据运算模块完成9个通道模拟量幅值及相位运算，采用傅氏算法，为采用数据抗干扰判别、64点傅立叶运算、相位运算、平方及开方运算、平均值滤波运算。

（3）开关量采集模块

读入外部7路开入量的状态（其中1路为备用），做好开入量去抖及冗余检查。

（4）备自投功能模块和过电流保护模块

实现低压自投自复功能，一键转供电功能及备自投动作一些闭锁逻辑：手跳进线备自投不能动作，遥控跳进线备自投不能动作，保护跳进线备自投不能动作，偷跳进线备自投需要动作，有外部闭锁时备自投不能动作等等。

过流保护模块主要为带方向三段过电流保护。

（5）合环操作模块

主要进行低压合环操作，避免倒闸操作时对用户停电，一旦装置接收到合环操作的命令（包括就地与远方遥控合环操作），应进行合环条件判定，并将合环操作结果反馈（合环成功或者不满足合环）给主程序，显示在人机界面或者后台系统。

（6）继电器输出模块和故障记录模块

主要执行继电器输出，比较简单，但继电器输出时间应设置为可调整，以满足不同开关的要求。

故障记录模块主要对自投、自复、保护与合环操作进行记录，包括各种动作类型、动作时间、9个模拟量的大小、模拟量动作前两个周波及动作后6个周波波形等。

（7）数据保存模块

主要对RAM、ROM进行操作，读取、写入定值、装置参数、故障记录及故障波形、实时时钟等数据。

（8）通信模块和程序监视模块

通信分为RS 485通信和GPRS无线通信模块。程序监视模块即看门狗模块，装置准备设置四级看门狗：两级硬件看门狗（外部独立看门狗芯片和CPU硬件独立看门狗）和两级软件看门狗。这四级看门狗之间还通过软件相互监视，确保装置在任何情况下均不会死机。

3.5装置试验及成品

开发的低压带合环保护功能的装置采用702微机继电保护测试仪、万用表、测试工装、笔记本电脑、兆欧表、耐压试验仪等设备进行了绝缘、耐压、模拟量采样、通信等试验，并由微机控制器、功能板等搭建模拟试验装置，如图6（a）所示，低压智能转供电成套装置现场试验，如图6（b）所示。某双公变综合房低压侧进行改造设计的材料清单见表3。

表3　双公变房低压母联改造材料清单

因属于低压控制设备，要求产品工作寿命长、价格低廉，低压合环转供电装置硬件成本不超过600元，工作寿命可达到10年以上。

图6　开发的装置模拟试验和现场试验图

4 结论

在低压配变（线路）日常检修或事故时，需停电进行，造成低压负荷无法转供，影响整片区域正常供电。考虑到低压配电网运行直接关系着对用户的服务，影响着供电可靠性，本文开发了带合环保护功能的低压智能转供电装置，可实现零秒倒闸，减少低压网故障或停电影响，安全性好，操作简单易推广，社会效益、经济效益显著。

［1］岑海凤，梁志超，周乐. 广州中心城区低压配电网典型接线模式［J］. 广东电力，2015，28（1）：82-86，104.

［2］吴永俊，王志军，索智鑫，等. 广州配电不停电作业创新与实践［J］. 供用电，2015，32（5）：11-17.

［3］陈艳霞，迟忠君，陈国峰，等. 带合环保护功能的新型低压备自投装置的研究与应用［J］. 电气应用，2013，32（5）：54-55，59.

［4］吴涵，林韩，温步瀛，等. 巴黎、新加坡中压配电网供电模型启示［J］. 电力与电工，2010，30（2）：4-7.

Research on Intelligent Spare Power Automatic Switch Device for Low-voltage Distribution Grid

Liao Yongjun1Fang Binghua1Deng Zehang1Chen Lidan2
（1. Guangzhou Southern Power Group Electric Apparatus Co.，Ltd，Guangzhou 510285；2. Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou 510800）

In order to improve the flexibility of its operation mode and load transfer capability，two power supply scheme such as bus connection mode and connection between two main cable end from different distribution transformer are designed in this paper，the intelligent low-voltage spare power automatic switch device should include the functions that automatic operation，to resume，closed loop，over-current protection and communication monitoring，provide the reference for the low voltage distribution network to carry out closed loop operation.

low voltage distribution grid； bus connection； main cable connection； closed loop current； intelligent switch device

廖拥军（1967-），男，工程师，本科，主要从事配电网规划工作。

中国南方电网有限责任公司科技项目（K-GZM2014-004）