基于不停电作业的400 kW低压电源车的改造设计

2022-05-16陈元招詹晓华方金顺

江苏理工学院学报 2022年2期

陈元招，詹晓华，方金顺

（1.闽西职业技术学院信息与制造学院，福建龙岩 364021；2.龙岩畅丰专用汽车有限公司，福建龙岩 364021）

近年来，随着人民生活水平的不断提高和物联网技术的不断发展，在低压配网的改造过程中，用户对持续不间断供电有了更为刚性的需求。同时，社会上各种大型活动、重要会议和大型商场超市也越来越多，为了保障这些重点区域的正常供电，避免停电带来的一些不利影响，供电部门需专门配备高低压电源车，确保在紧急突发情况下保供电。因此，低压电源车的快速并网操作在低压配电网作业中就显得尤为重要。

1 现有低压电源车保电过程存在的不足

目前，低压电源车在保供电时，低压配电网需先停电，即断开低压用户负荷开关，再接入低压电源车，由低压电源车承担用户供电；当市电恢复正常或低压配电网线路检修完成后，先断开低压电源车，再合闸低压用户负荷开关。可见，在保电过程中低压用户会出现两次短暂停电，势必给用户造成一些影响[1]。由于低压电源车和用户侧缺乏与低压线路同期并列装置，因此无法实现不停电临时保供电工作；而且低压电源车电源侧和用户侧也缺乏低压电源车快速接口和低压旁路装置，低压电源车电缆仅能通过常规螺栓连接，连接电缆距离较长，进而影响快速复电，降低了保电效率。同时，低压用户开关柜体积大，而电房空间有限，低压出线长度有限、数量多，受现场制约，低压电源车存在无法接入的风险。另外，低压电源车在保供电过程中，由于机组发电机、发动机的运行状态及故障等信息无法远程监测和预警，因此低压电源车的工作保障存在一定难度[2]。

为了解决低压电源车保供电过程出现的问题，提高保电效率，利用不停电作业并网技术和物联网技术，对一台400 kW的低压电源车进行升级改造，以实现低压电源车与市电自动并网；改变当前先停电后低压电源车供电的模式，实现保电过程用户不停电作业和对低压电源车的远程监测和故障预警[3]。

2 低压电源车并网硬件系统改造

为了提升作业效率和降低设备改造成本，对不停电作业低压电源车并网控制系统进行优化，增加可移动式旁路装置、快速接入装置和智能健康服务系统[4-5]。其并网控制系统如图1所示，由发电机组、发电机并网柜、可移动式市电旁路柜、用户低压柜等组成。当市电正常时，通过用户低压柜对负载进行供电；当市电故障或低压配电网计划检修时，由并网控制系统控制，接通可移动式市电旁路柜，通过判断同期并网条件，自动切换到发电机并网柜，启动发电机组，由发电机组对负载进行供电。

图1基于不停电作业的400 kW低压电源车并网控制系统图

2.1 增加可移动式市电旁路低压柜

在低压配电网保供电过程中，为了实现用户低压柜更换的不停电作业，增加一个可移动式市电旁路柜，与用户低压柜并联，两柜体之间采用柔性单相低压电缆连接；考虑到可移动式市电旁路柜为临时供电装置，因此省略补偿柜部分，将进线柜、出线柜拼接；同时，根据可移动式市电旁路柜结构、大小，重新布置母排，使其能够与各部元器件配合。可移动式市电旁路柜绝缘设计采用空气绝缘与介质绝缘相配合的方式，尽可能缩小装置体积，保证其工作的安全性和稳定性。

2.2 改造低压电源车和用户侧的快速接入装置

在低压电源车保电过程中，为了实现变压器至低压开关柜之间设备更换的不停电作业，需要对400 kW低压电源车和用户侧配电柜设备的接入装置进行改造。首先，将低压电源车的原线耳接入装置改造成全绝缘可插拔的快速接入装置。该装置由汇流排夹钳、面板插座、公耦合器、母耦合器四种快速连接接头组成，同时要注意接头额定容量和低压电源车功率之间的匹配。其次，为了满足快速接入和统一配置的需要，用户侧的低压快速接入装置输出端通过电源电缆与用户侧供电系统固定连接，输入端采用快速插拔式的连接器，在复电时，将低压电源车电源输出端的电源电缆直接插入连接器，实现“即插即用”功能。

2.3 增加并网控制器

并网控制器及外围控制框图如图2所示，当低压配电网计划检修或检修完成时，对市电电压、相序和相位进行检测，并将检测数据传输至并网控制器（IG-NT控制器），再与发电机检测值进行一致性对比；通过电压调节器（AVR）接口模块，调整机组电压、频率及同步相位角后，自动分合闸发电机并网柜断路器和市电旁路柜断路器，完成正反向并网。同时，IG-NT控制器通过发动机的ECU通讯，来读取发动机的机油压力、水温、转速等参数，并与内部保护设定的极限值进行比较，对超限的参数作出预警和报警信号，从而实现对发电机机组的自动保护。

图2 并网控制器及外围控制框图

2.4 增加智能健康服务系统装置

为了实时监测低压电源车的发动机组、发电机组、位置、轨迹等信息，在低压电源车内安装智能健康服务系统装置。该装置硬件主要由GPS定位系统、数据采集-传输终端、服务器、系统双电切换模块、温湿度传感器等部件构成；软件部分主要由设备层、传输层、协议层、业务层、数据层、管理层构成。在4G网络环境下，该装置下位机端通过RS485、GPS定位、温湿度传感器、计量表等进行数据采集；再根据GPS数据的采集及上报结果，通过TCP协议与云端服务进行通讯连接与数据传输；云端采取消息队列服务，对采集数据进行协议解析、故障预警和数据服务。在PC客户端、手机端，可结合地图服务和可视化工具，实时显示低压电源车发动机组、发电机组、故障预警、位置、轨迹等信息。同时，基于数据库为低压电源车提供完善的运行记录与数据分析，服务于该车的故障报修、维护及售后，实现对其全寿命周期管理。

3 低压电源车并网控制系统软件设计

并网控制系统软件设计流程如图3所示，400 kW低压电源车并网作业采用同期并列的方式，即通过同期装置判断同期条件，投入发电机与市电网并列运行，待稳定后切除市电网，由低压电源车对非检修段负荷供电[6-7]。当检修段工作完毕后，投入市电网与发电机并列运行，再切除低压电源车，保证在低压电源车投入和切除过程中对非检修段用户的连续供电。

3.1 正向并网

（1）采用带电作业，将市电旁路断路器和机组并网断路器的输入输出端用电缆连接并入系统；安装并机/自启动通信线，连接完毕后，在发电机控制系统控制面板上遥控合上市电旁路断路器，让市电形成旁路。（2）操作将用户低压负荷开关分闸，市电通过市电旁路断路器向负载侧供电。（3）启动发电机组，发电机组控制系统检测到市电旁路断路器上端电网的电压、频率、相位，并根据检测结果自动控制同期合上机组并网断路器，发电机组和市电网并网供电。（4）发电机控制系统检测发电机运行状态，待发电机输出与市电同期后，自动控制断开市电旁路断路器，发电机组向负载侧供电，低压负荷开关前端线路可停电转检修状态。

图3 并网控制系统软件设计流程图

3.2 反向并网

（1）待用户低压开关前端线路检修完毕或市电正常后，发电机控制系统检测市电旁路断路器上端电网的电压、频率、相位，并根据检测结果自动控制同期合上市电旁路断路器，发电机组和电网并网供电。（2）待市电旁路断路器合闸正常后，发电机控制系统控制器自动断开发电机并网断路器，使发电机退出系统供电，负荷通过市电旁路断路器控制供电。（3）操作合上用户低压开关，使市电旁路断路器与低压开关并联对负荷供电。（4）在发电机控制系统控制面板上遥控断开市电旁路断路器，负荷通过低压开关供电。（5）将市电旁路断路器和机组并网断路器的输入输出端用电缆拆除，使发电机完全退出系统，完成反向并网工作。

4 改造效果

基于不停电作业的400 kW低压电源车改造完成后，在广东省某供电局试运行。选取基准A相，测得合闸和分闸瞬间负载数据，如表1所示；突加电压、电流和频率波形如图4、图6、图8所示；突卸电压、电流和频率波形如图5、图7、图9所示。通过测试的波形和参数表明，基于不停电作业的400 kW低压电源车在并网过程中，电压、频率变化在允许的范围内，冲击电流较小，恢复时间短，不会对移动发电机产生机械和电气损伤。同时，智能健康服务系统对发动机、发电机及外联供电信息进行数据监视（监视界面如图10所示），对各运行设备的参数实时采集、上报和判断，保证了低压电源车的稳定运行。