基于无扰动整组快速切换的晃电治理优化

摘 要：本文提出一种基于无扰动整组快速切换的晃电治理方法。该方法基于物联网与云服务平台的无扰动整组快速切换系统，能够对进线回路、联络线运行状态和电压电流等进行实时在线监测。验证试验表明，该方法能够有效降低晃电幅度，提高系统的电压质量，当系统电源回路出现失电、短路故障时，该方法能够在30 ms内将故障电源切换到备用电源，减少晃电对设备的损害，提高电力系统的供电质量和可靠性。此外，该方法还可以为电力系统的规划和设计提供参考，优化电力系统的结构和运行方式。

关键词：无扰动整组快速切换系统；晃电治理；连续供电

中图分类号：TM 727" " " 文献标志码：A

晃电是电力系统中常见的问题之一，会影响系统的稳定运行和设备正常工作[1]。传统的晃电治理方法存在一定局限性，无法满足快速响应和治理的需求。因此，本文提出了一种基于无扰动整组快速切换的晃电治理优化方法。

1 晃电治理方法及其问题

1.1 直流接触器

在控制系统串入不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的情况下，使用直流接触器的优点是可以有效解决晃电问题，但是其造价较高，设备容量受限，无法大面积推广。

1.2 零压继电器

零压继电器也称为欠压继电器。当电压低于设定值时，继电器不工作，以防止晃电，因此需要定期检查和调整继电器的设定值，以保证其正常工作。与低压保护方法相比，这种方法的维护工作量较大，操作和管理更复杂。

1.3 专用的防晃电接触器

专用的防晃电接触器具有特殊设计，可以有效抵抗晃电带来的影响。但是其控制模块受感应电压影响很大。在感应电压较大的场合，使用这种方法可能会导致控制模块受干扰，从而影响系统正常运行，因此，在感应电压较大的环境中不建议使用这种方法。

2 无扰动整组快速切换系统的优化方案

某企业采用合凯公司研制的基于物联网与云服务平台的无扰动整组快速切换系统，利用快速开断和快速识别2个核心技术，在30 ms内实现了故障电源与备用电源间的无扰动切换，保证了企业电网的连续供电。

2.1 晃电治理原理

瞬时算法是上述无扰动整组快速切换系统的核心技术之一。该系统能够快速、准确识别电网中的短路故障，在极短时间内判断故障类型，并发出相应指令。因此该系统能迅速响应故障，减少故障对电网的影响，避免电压暂降对敏感设备的损害。此外，快速断路器的应用也是该系统的重要特点之一。快速断路器具有响应速度快、能迅速断开电路的特点，并能在5 ms内进行分闸操作，从而迅速切断故障电源。同时还能在10 ms内进行合闸操作，将备用电源接入电网，保证敏感设备能够连续供电。即使出现故障，系统也能在极短时间内完成切换，保证企业的正常运行。

2.2 无扰动整组快速切换系统的结构

当出现系统电源故障时，切换控制器能够迅速检测出故障信号，并发出指令控制涡流驱动的快速开关K1、K2和K3。这些快速开关具有分闸时间＜5 ms、合闸时间＜10 ms的特点，能够在极短时间内切断故障电源，将备用电源接入系统，实现无扰动切换。一旦检测到故障，切换控制器会立即发出指令，控制涡流驱动的快速开关K1、K2和K3进行切换操作。除了涡流驱动的快速开关，该系统还包括电压监测PT、工作电源进线开关k1、备用电源进线开关k2、母联开关k3、综保、柜体和附件等组件。电压监测PT用于实时监测系统电源的电压变化，为切换控制器提供准确的电压信息。工作电源进线开关k1和备用电源进线开关k2分别用于连接系统的工作电源和备用电源。母联开关k3用于控制整组的开关状态。综保用于对系统电源进行保护。柜体和附件为系统提供物理支撑和辅助功能。无扰动整组快速切换系统结构如图1所示。

当发生故障时，切换控制器会检测工作电源系统的开路或短路点故障，并实时监测备用电源的电压同期性，保证备用电源符合并网条件。一旦备用电源的电压同期性满足并网条件，切换控制器会发出指令，命令工作电源进线开关k1跳闸。整个切换过程需要在30 ms内完成，以保证负荷供电的连续性。如果工作电源故障已经解除，而备用电源仍然符合并网条件，切换控制器会发出指令，命令工作电源进线开关k1合闸，并打开母联开关k3。故障解除后，如果需要手动返回正常工作状态，操作人员可以切换控制器进行相应操作，即手动合闸工作电源进线开关k1，并打开母联开关k3，使系统返回正常工作状态。

2.3 变频器优化

当外电压不能充电时，电容的电压降落函数是典型的指数函数。根据电容的特性，当电容电压开始下降时，充电速度会逐渐变降低，直到电容电压降至一定程度时，放电速度开始增加[2]。这种充、放电过程符合指数函数的特性，即开始时下降速度较慢，随着时间推移，下降速度逐渐增加。电容电压U如公式（1）所示。

流母线上的电容和电感元件能够储存一定电能，提供一定的电压支撑。而交流侧电压会因电网电压凹陷而短暂下降，无法提供足够电压来驱动电流的流动。二极管是一种电子元件，具有单向导电性质。当反向电压超过二极管的额定值时，二极管会截止，不再传导电流。电容上存储的电场能量Wc如公式（2）所示。

当电容两端电压降较低水平时，表示电容中的电能已经完全消耗，此时如果交流侧电压恢复，会对整流二极管造成冲击，增加二极管损坏的风险。当交流电压为正半周时，整流二极管导通，允许电流通过，从而使电容充电[3]。

2.4 敏感负载的容忍时间

开关电源是将交流电转换为直流电并供应给各种电子设备的电源。由于开关电源对输入电压的稳定性要求较高，因此其容忍时间较短，一般不超过30 ms。当输入电压发生异常（例如瞬时电压波动、电压断电等）时，开关电源需要在30 ms内调整输出电压以保持稳定，避免对相连接的电子设备产生影响。

灵敏低压继电器是一种通过控制电流或电压进行开关控制的电器设备，其灵敏度较高，对电压异常的容忍时间较短，一般不超过25 ms。当电压出现异常（例如过高、过低或瞬时波动）时，灵敏低压继电器需要在25 ms内做出响应，并进行相应的开关控制。

灵敏低压交流接触器是一种控制交流电路的开关设备，通常用于控制电动机、照明设备等，其对电压异常的容忍时间较短，一般不超过30 ms。

电动机群是指由多个电动机组成的集合体，用于驱动各种机械设备。电动机对电压的稳定性要求较高，因此其容忍时间一般不超过30 ms。当电动机接收的电压出现异常时，电动机需要在30 ms内适应并调整自身的运行状态，以保持稳定的输出。

变频设备是一种将交流电转换为可调频率和可调幅度的电能调节设备。由于其对电压的稳定性要求非常高，因此容忍时间较短，一般为20 ms～30 ms。变频设备的高稳定性要求源于其对电动机的精确控制需求。

3 无扰动整组快速切换系统的应用

3.1 应用效果

在2021年6月13日03：51的这次故障中，35 kV变电站的10 kV侧Ⅱ段外网电源发生晃电故障，导致Ⅱ段10 kV母线电压急剧下降，A、B相电压降至额定电压的77%左右。为了应对这一突发情况，35 kV变电站安装了10 kV进线位置和母联位置的无扰动整组快速切换系统，该系统的电压保护设定值为8 kV。当系统检测到Ⅱ段电源电压降至设定值以下时，无扰动整组快速切换系统自动切除了Ⅱ段进线电源，并投入Ⅰ段进线电源，以保证电网正常运行。在这种情况下，Ⅰ段电源承担了整个母线的负荷，取代了原本Ⅱ段进线和母联开关均为合位、Ⅰ段进线在分位的运行方式。整个切换过程中没有出现任何异常现象，切换系统运行稳定，并能带动系统内的负荷。该切换操作消除了外网电压暂降对系统内电气设备的影响，系统能够维持稳定的供电状态，保证设备的正常运行。该整组快速切换系统在故障发生后发挥了重要作用，准确检测到了电压跌落，并根据设定值进行切换操作，切除Ⅱ段进线电源，投入Ⅰ段进线电源，切换过程快速而稳定，保证负荷连续供电。无扰动整组快速切换系统一次主接线图如图2所示。

3.2 现场故障录波图

在上述情况下，10 kV系统承载了较多敏感性负荷，整个切换过程非常平稳，负荷得以正常运行。现场故障录波图如图3所示。当图2中的2#进线外网发生故障时，在10 kV系统的Ⅰ段和Ⅱ段电压波形中，Va2、Vb2和Vc2分别代表系统A相、B相和C相的电压波形。在故障期间，A相和B相的电压波形出现了不同程度的凹陷，导致线电压的有效值低于MS控制系统设定的8 kV（线电压）。当MS控制系统监测到某段电源的电压低于设定值时，会立即发出分合闸命令。相应开关会快速执行切换动作，以保证系统稳定运行。这种智能监测和自动切换的控制系统在面对电压异常情况时发挥了重要作用，保证敏感性负荷能够正常供电。由于10 kV系统承载了较多敏感性负荷，因此切换过程的平稳性非常重要。在上述情况下，切换系统能够快速、准确地检测到电压凹陷，并发出相应切换指令，开关能够迅速响应，并执行切换动作，整个切换过程没有出现任何异常，负荷运行稳定。

故障发生后，MS系统立即响应，合并Ⅰ段进线断路器并分开Ⅱ段进线断路器。该切换过程的时间只有21 ms，这样的快速切换操作起到了至关重要的作用。准确的切换操作能够迅速将故障隔离，并将负荷切换到备用电源上，使MS系统能够连续供电，并保障设备安全运行。

4 结语

本文研究了基于无扰动整组快速切换的晃电治理优化方法，并通过试验验证了该方法的有效性。该方法能够快速切换备用电源，快速响应和治理晃电问题，并提高系统的稳定性和可靠性。在实际应用中，该方法具有较大的潜力和价值，能够帮助电力系统更好地应对晃电问题，提高供电质量和用户满意度。

参考文献

[1]张国禹，张志军.实现DCS与PLC控制系统相互无扰动切换的方案[J].深冷技术，2007（5）：30-34.

[2]刘澄宇，牟玉龙.无扰动快速切换装置在石化企业装置变电所的应用[J].发展，2011（11）：144-144.

[3]郭政，苏琴.基于DSP控制系统的无扰动可控硅双电源切换柜的研发[J].通讯世界，2016（9）：266-267.