移动式低压合环转供电装置关键技术研究

李徽胜

（广州南方电力集团电器有限公司，广东 广州 510285）

0 引 言

在建设世界一流配电网和优化电力营商环境背景下，探索优化低压配电网网架结构，研究不停电作业关键技术，推进中低压不停电作业业务，减少停电时间，提高供电可靠性是电网公司当前的重要任务。

目前，输电主干网以环网方式运行，中压配电网采用闭环设计、开环运行模式，中压配电网通过合环转电来避免短时间停电，转供电技术已比较成熟[1]。然而，在低压配电网合环转供电方面的理论与实践应用研究较少，缺乏成熟的参考经验。参考文献[2,3]对低压配电网合环转供电及低压合环装置做了理论研究，提出了合环转电方式方案，避免短时停电，满足重要用户对不间断供电的需求，提高用户满意度，但缺乏成功的应用经验。

1 低压配电网供电现状

1.1 低压配电网典型接线方式

文献[4]对国内外台区中低压配电网典型供电模式进行了深入分析，并对低压配电网网架建设提出了参考建议。广州低压配电网实行分区供电，低压侧以放射型和树干型接线方式为主。

放射型供电方式10 kV由单电源单公变或双电源双公变供电。广州地区10 kV以单电源单公变为主，公变容量一般在800 kVA以下。低压侧采用4～6回路380V/220V放射式电缆网供电，主要分布在负荷非常密集的老城区内，供电半径为300 m左右，接线方式如图1所示。放射型接线方式是单台变压器放射状供电，其优点是供电可靠性高，检修便利；缺点是线路金属消耗量大，网络结构薄弱，负荷转移能力差。在设备线路日常停电检修或事故停电时，容易造成低压负荷无法转供，影响整片区域用户的正常供电，且停电范围大、停电时间长。

图1 放射型供电典型接线图

树干型供电接线方式10 kV由单电源单公变供电，低压侧采用三相四线主干线“T”接线方式供电，如图2所示。该方式主要应用于城郊或城中村供电，供电半径在400～800 m。该接线方式的优点是线路采用的开关设备和线材消耗少；缺点是主干线故障检修时，需将主干线停电，扩大停电范围，导致供电可靠性低。

图2 树干型供电典型接线

1.2 低压配电网合环转供电存在的问题

为提升低压负荷转供能力，提高供电可靠性，广州供电局对优化低压配电网网架开展了理论研究。通过在低压侧加装固定式联络开关，实现相邻变压器低压侧负荷的转供，提高供电可靠性。然而，该方案存在以下问题。

（1）现有配电变压器装设容量不满足N-1需求，在负荷高峰期，配电变压的负载转供电能力较差，联络开关控制装置不具备负荷判断功能，联络或合环转供电方式的成功率较低。

（2）现有配电变压联结组别和电压抽头不一致，因两台公变存在角差及电压差，加装联络开关后，人工操作风险较大。同时，计划性停电或设备故障后，转供电时将导致部分负荷短时停电。

（3）原有低压开关柜及加装后的联络开关智能化程度低，缺乏合环转供电成套装置，且设备不具备快速接口，转供电效率较低。

（4）低压配电网负荷分布分散、点多面广，低压侧联络改造投资成本大，停电施工时间长，改造困难，且固定式联络开关利用率较低，投资经济效益较差[4-6]。

合环转供电操作时，合环电流及台区变压器的承载能力是影响低压配电网合环转供电的主要因素，合环冲击电流大小由合环点两侧的开环电压差、相角差以及等值阻抗决定[5]。基于以上因素，研究一种移动式低压合环转供电装置及不停电转供电工具，探索低压配电网的转供电模式、用电需求、负荷特性以及合环转供电风险评估等具有必要性。

2 智能低压合环测控装置设计

2.1 装置硬件电路设计

装置采用STM32F429微处理器，主要包括交流采样电路、模拟量开入与开出电路。考虑到电路中模拟采集数据的精度，采用了AD7606采样16位IC，两片16位模拟采集IC，满足所有线路电力参量和线路的要求；STM32F429内部RAM和ROM满足设备软件要求。所有数据扩展接口在芯片内，使整体的电路抗干扰能力强。外部电流和电压采集电路采用高抗扰度传感器，使整体产品符合工业设计，满足恶劣环境需求，达到遥测数据的稳定和高精度要求。

交流采样电路采用AD7606测量芯片和高精度传感器，支持9路电流模拟量和6路电压模拟量采集，分别采集联络开关两侧进线三相电压、三相电流以及联络开关三相电流，实现两路电源的电压幅值、相位角计算以及采集点的有功功率、无功功率、功率因数以及谐波等，便于计算合环操作时的同期和合环操作的稳态电流和暂态电流，评估合环操作风险。原理如图3所示。

图3 交流采用回路原理图

合环装置设置10路遥信开入回路和6路开出回路，可满足不同应用场景。开入开出电路采用双隔离和光电隔离，每路输入采用阻容吸收电路，解决抗干扰等问题。开入开出回路原理如图4所示。遥信电路采用双光耦电力隔离，防止遥信误动，稳定性能好。遥控电路采用双隔离双位置遥控，避免遥控误动作。通信方面采用双串口、双网络多方式通信，既可以实现单独运行，也可以实现网络联网监控。

图4 开入开出回路原理图

系统设置了RS232串口调试口，同时具有功能强大的网络接口，能够实现下载和调试程序功能。由于使用了闪速存储器，系统能够直接利用网口及RS232串口调试实现在线编程，不需要编程器，快速且方便。为了避免误操作，在程序下载过程中加入随机密码，保证了下载程序安全性。人机接口界面清晰且简单简洁，可实时查阅数据和设置参数。

2.2 装置软件设计

装置软件采用基于Linux实时多任务的操作系统。该系统具有跨平台的硬件支持、丰富的软件支持、多用户多任务、高安全性以及良好的稳定性等优势。通过软件设计提升设备的状态和速度的实时性。软件主要包括模拟数字转换采集模块、遥信逻辑判断模块、数字实时驱动模块以及输出显示单元。4个单元共同检测设备状态，保证监测设备状态正常运行，并能及时报警。

2.2.1 保护逻辑

文献[7-10]提出，配网合环操作前两侧存在电压差和相位差，合环两侧电压相角差对合环电流的影响较大。当联络开关合闸时，两端的电压差会发生突变，导致环路上各个节点的电压幅值和相位发生变化，并需经过功率振荡过程后才能达到稳定；合环过程产生的暂态电流和合环后的稳态电流合会对继电保护产生影响，严重时将导致合环操作失败或危及电网运行。当合环冲击电流未超过线路保护装置整定的速断保护启动电流，合环稳态电流未超过线路的热稳限值，在环路上的所有设备不过载前提下，可进行低压合环转电操作。鉴于以上原因，合环装置设置了电流保护功能和闭锁控制功能，确保合环操作的可靠性。

合环控制装置采用AD7606高采样芯片，采样频率为120 MHz，软件采用半波傅里叶算法。电流保护设计了三段式定时限、正常反时限、标准反时限以及极限反时限功能。过电流保护逻辑如图5所示。合环操作及运行中，当装置检测到流过联络点的电流超过对应段启动值（Izd1）阈值时，保护经过时间T后动作，跳开联络点断路器，保证非异常状态设备正常运行。

图5 过电流保护动作逻辑

反时限特性表示为：

式中：t为动作时间；I为故障电流；Iset为动作电流整定值；tp为时间常数，整定范围为0.05～1.6 s，步长0.01 s。对于标准反时限，K=0.14，α=0.02；对于正常反时限，K=13.5，α=1；对于极端反时限，K=80，α=2。

《电气继电器 第3部分：它定时限或自定时限的单输入激励量量度继电器》（GB/T 14598.7—1995）第3部分定义的3种反时限特性曲线如图6所示。

图6 反时限特性曲线图

2.2.2 合环控制逻辑

控制合环电流是提高合环转供电的主要技术手段。合环控制装置设计了一套完善的控制逻辑，使装置实现一键式智能决策合环功能。以图7合环接线方式为例，模拟合环动作逻辑。

图7 合环供电接线方式

一键式合环操作逻辑为：在联络开关3DL装设一套合环控制装置，合环装置设有3DL断路器合环启动和1DL/2DL断路器解环操作按钮。当启动3DL合环装置后，装置自动检测两路进线侧和联络开关3DL的电压和电流，由CPU进行运算与决策。当合环条件满足时，装置延时自动合上3DL，并经过一定的延时，自动跳开对应的进线断路器，实现负荷的无缝转移。动作逻辑如图8所示。

图8 合环控制逻辑图

解环逻辑与合环逻辑相似，判断条件如下：

（1）#1进线侧三相电压U1＞Udz1（阈值）；

（2）#2进线侧三相电压U2＞Udz2（阈值）；

（3）#1进线侧1DL开关位置在合闸位；

（4）#2进线侧2DL开关位置在合闸位；

（5）联络开关3DL位置在分闸位；

（6）预合环操作开关两侧的相位角和电压幅值小于阈值；

（7）总电流I1+I2+I3＜阈值，其中I1和I2分别为两段母线的负荷电流，I3为合环电流，合环电流参照仿真分析得出的变压器在不同负载率下对应的电流。

当以上条件满足时，相应的进线断路器自动合闸，经一段延时后，跳开联络开关3DL，恢复正常供电，实现解环操作。条件不满足时，装置自动实现闭锁合环功能。

3 移动式低压合环转供电成套装置设计

移动式低压合环转供电成套装置采用模块化设计，适用于不同的转供电应用场景。成套装置主要由合环联络开关箱、便携式合环控制箱及母线汇流夹和低压架空线路快速接入装置工具等组成。

为灵活适用于不同的应用场景，同时实现合环操作的安全性，成套装置采用模块化设计。合环联络开关箱模块采用紧凑型移动式结构设计，外形尺寸为600×500×700，开关箱内置1 250 A四极智能框架断路器，连接铜排和进出线均设置面板式快速耦合器。开关箱右侧设置3组二次电缆航空插座，其中，1组带自动防电流开路的航空插座，1组电压采用航空插座，1组控制信号回路航空插座，结构设计如图9所示。一、二次电缆连接位置均采用可插拔连接装置，与传统的电缆线耳连接方式相比较，该设计可提高90%的工作效率。

图9 合环联络开关箱结构

开关箱本体模块的设计难点有两个：一是要保证灵活便捷的应用，必须控制开关箱的小型化和箱体重量；二是开关箱小型化设计后，必须保证开关箱内部的散热，确保大电流长期运行时，关键节点温升不超标。为解决散热问题，设计选用了小型化的四极框架断路器和高质量的快速耦合器，搭建Solidworks三维模型，多次优化结构设计，在合环开关箱内部设置散热通道。完成设计后，利用仿真软件计算关键位置的温升值。为控制成套设备的重量，设计采用模块化设计理念，减轻单个模块的重量，实现现场快速连接。合环控制箱采用便携式设计，外壳采用铝合金材料，内置合环测控装置及二次电缆插座。合环控制箱与开关箱采用带航插电缆连接，保证现场作业的快速性和操作的安全性。

4 结 论

本文结合国内外低压配电网供电现状，开发了一种移动式低压合环转供电装置，应用于低压配电网合环转供电，论证低压配电网合环转供电的可行性。通过应用移动式合环转供电装置，避免配电网施工作业带来的停电影响，解决现阶段低压配电网网架结构薄弱问题。随着数字配电网向低压侧延伸、分布式能源的全面接入以及不停电作业业务发展，低压合环转供电方式将被电力运行单位广泛应用到实践中。本研究成果将为电力运行部门及科研机构提供参考意见。