双电源接入的配电网重构与优化技术研究

张爱军

（泰州三新供电服务有限公司姜堰分公司，江苏 泰州 225300）

0 引 言

随着经济的发展，民众对电力供应的稳定性要求越来越高，因此需要进一步提高配电网的运营效率和电力质量。目前，双电源配电环网是提高电力供应可靠性的一种常用方式。然而，双电源配电环网存在结构复杂、运维难度大、电流控制困难等问题，导致配电网的能耗偏高。在电力行业，如何有效地控制双电源配电环网内的电流分布，以降低能耗，成为研究人员新的研究方向。柔性交流输电技术的发展，尤其是统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）的出现，可以较好地解决这一问题。文章将UPFC 应用于双电源配电环网的电流优化控制，并通过模拟实验验证该方法在优化电流控制方面的有效性。

1 环网柜双电源自动投切的基本接线

双电源环网供电配电网系统可以提高电力供应的可靠性，有效应对电源故障。在该系统中，联络开关（K8）在正常情况下保持断开，使双电源环网以开环模式运行，仅由一个电源供应电力[1]。而在任一电源发生故障时，K8闭合，实现双电源供电，以确保供电的连续性。故障发生时，系统需要定位故障，并对故障所产生的电流大小和方向进行分析与诊断。在双电源配电网设计和实施接线时，需要合理选择自动切换设备，并根据技术规范进行正确的输入、输出接线。

2 双电源自动投切系统构成

2.1 机械电气双重联锁功能

该功能是安全关键应用中的重要部分，广泛应用于各种自动化和电力系统，包括配电环网柜等。机械电气双重联锁的工作原理主要包括机械联锁和电气联锁2 个方面。

机械联锁通常涉及实物安全屏障或构造，如锁具、插销或其他形式的物理阻挡，确保只有在满足特定条件时才能进行机械操作[2]。例如，在一个环网柜中，只有先打开一个保护开关，才能访问内部的电气元件，从而确保在人员接触这些元件之前切断电源。机械联锁作为一种预防性的安全特性，通过物理手段确保在合适的条件下才能执行操作。在电气系统和自动化控制领域，尤其在环网柜这样的配电设备中，机械联锁通常涉及一些物理装置，如插销、锁具或其他阻挡机制，它们构成一道安全屏障，阻止在设备带电状态或在其他不安全状态下的操作。

电气联锁通过一个综合的电气控制系统来实现。该系统会监控设备和环境的状态，并且在特定的安全条件未被满足时，阻止电气操作继续进行[3]。在实践中，电气联锁通常利用传感器、继电器、逻辑控制器等元件来构建一套控制逻辑网络。例如，在双电源环网配电系统中，为保障在电源转换或故障处理时的安全性，电气联锁会禁止操作员在不安全的情况下切换电源或打开某些控制开关。具体来说，当馈线终端单元（Feeder Terminal Unit，FTU）检测到电流数值超出正常运行状态下的电流值时，则认为存在故障电流，并标记为“1”；若当前电流数值低于正常水平，则标记为“0”，表明系统运行正常，无故障发生。这种基于FTU 的监测方法为运维人员提供了一系列二进制的离散数据，即“0”和“1”的指示信息，能够更直观和便捷地判断电网状态。

2.2 自动切换装置和逻辑判断及其功能

在电力系统中，自动切换装置（Automatic Transfer Switch，ATS）是一个关键的组件，确保在主电源失效时能自动无缝切换到备用电源，维持电力的连续供应。ATS 的核心在于依靠逻辑判断来评估电源的状况，涵盖电压大小、频率及波形等质量参数[4]。ATS 的逻辑判断功能不仅要监测电源的质量，还需要在毫秒级的时间内做出是否切换的决定。这种快速响应的能力，对于避免设备停机、数据丢失或者其他由电源问题导致的潜在损害极为必要。当主电源的质量超出预设的安全范围时，ATS 触发切换流程，这一过程包括断开原电源连接、验证备用电源就绪状态，直至安全地完成供电转换。为确保电源切换的平稳进行，ATS 内部设计了延迟和保护机制，以防设备受损。此外，自动切换装置可以与监控系统集成，收集数据以便于后续的故障分析和系统维护。当ATS 与监控系统紧密配合时，可以实时监控电源的状态、负载情况及切换次数等关键参数。这些数据对于评估电力系统的健康状况、预防潜在故障以及优化能源使用，当发生故障时，集成的监控系统可以迅速捕获故障发生前后的所有数据，包括电源质量参数、切换时间以及切换过程中的电流和电压变化等。这些数据为后续的故障分析提供宝贵的线索，通过分析历史数据，可以识别出电力系统中可能存在的瓶颈和问题区域，从而制定针对性的优化方案。例如，如果发现某个时间段内电源质量波动较大，需要对该区域的电源进行升级或更换。在更先进的系统中，自动切换逻辑可以融入智能算法，根据历史数据与预测模型来提高决策精确度。这些智能化的特点不仅提高了配电网络的可靠性，还提高了供电系统的韧性，确保在遇到电源故障时，能够为重要区域和关键设备提供稳定持续的电力支持。

3 工程应用

3.1 UPFC 在潮流优化中的应用

UPFC 是电力系统潮流控制领域的一项颠覆性技术，在电力传输过程中通过调节线路参数，如电压、阻抗和相位角，有效控制潮流。双电源配电环网的核心优势是有效保障供电的可靠性。但该系统的潮流管理是一个挑战，需要精确地控制和优化2 个电源提供的电力。为解决这个问题，研究人员开发基于UPFC的数学模型和控制策略，致力于最小化潮流引起的有功功率损耗，并求解UPFC 串联补偿电压的优化问题[5]。该模型采用先进的数学算法优化配电网的潮流分布，降低损耗，最终提高2 个电源的相互协同能力和能源效率。含分布式电源接入的简化结构原理如图1 所示。

图1 含分布式电源接入的简化结构原理

3.2 UPFC 应用实例分析

在双电源配电环网等结构中，有效的潮流控制对于维护电力系统的稳定性和优化能源使用至关重要。UPFC 作为一种先进的潮流控制设备，能够调整电网中的电压和相位，显著提升电力传输效率并降低能耗。UPFC 在双电源配电环网中的应用有助于解决传统潮流控制难以应付的问题，例如需要同时处理来自2 个不同电源的潮流输入。针对这一应用背景，进行系统仿真实验，分析UPFC 在实际电网运行中的性能[6]。仿真模型图如图2 所示，系统各节点电压统计如表1所示。

表1 系统各节点电压统计表

图2 仿真模型图

分析系统各节点电压统计数据，深入探讨UPFC在电力系统中调节电压的作用和效率。由表1 可知：在未安装UPFC 的情况下，系统节点电压在9.27 ～9.40 kV 的范围内波动，表示在无潮流调控的环境下，系统可能面临电压稳定性挑战；UPFC 安装在不同节点（分别标记为M 侧与N 侧）时，无论是在M 侧还是N 侧，各节点电压均实现不同程度的提升。

具体而言，在M 侧安装UPFC 后，各节点电压普遍增加0.5 ～0.6 kV，而在N 侧安装情形下，虽然提升幅度相近，细节数据却有所差异，表明UPFC 安装位置对于电压调节效果十分重要，有必要根据具体电网需求来优化UPFC 布置。此外，UPFC 安装在不同节点处，所引起的电压提升并不均匀，可能受线路阻抗、负荷分布等多种因素的共同影响。为达到优化的电压控制效果，制定UPFC 的控制策略时需要综合考虑这些变量。研究结果表明，UPFC 技术的应用显著提高了电力系统的电压稳定性，并且其安装位置对于优化效果具有关键影响。针对电网特定的需求和条件制定精确的UPFC 部署和控制策略，对于提高系统稳定性和效率至关重要。

4 结 论

文章深入探讨双电源接入配电网的重构与优化调度关键技术和策略，旨在提高配电网运行效率与可靠性。通过优化模型与算法创新，文章提出同时考虑电网可靠性与经济性的配电网重构优化模型，并利用先进算法实现快速求解。对比不同双电源接入方案，文章提出基于效益与成本的最优策略，有效平衡成本与可靠性。实证案例分析显示，双电源接入及其优化策略在增强配电网抗干扰能力、降低运营成本和提高可再生能源消纳能力方面均表现出色，能够促进双电源技术应用和配电网可持续发展。