應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)原理及配置方法分析

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司商丘供電公司 李冰心 宋 雷 王東博 黃 鑫 梁祖江

保障可靠的電力供應(yīng)是供電企業(yè)的基本職責(zé)，供電企業(yè)每年都承擔(dān)較多的保電任務(wù)。如果采用傳統(tǒng)的應(yīng)急發(fā)電車，則保電人員在操作應(yīng)急發(fā)電車的過(guò)程中會(huì)占用一定的時(shí)間，延長(zhǎng)了故障停電時(shí)間，故有必要采用應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)。本文詳細(xì)分析了應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理，并對(duì)應(yīng)急發(fā)電車的容量配置方法進(jìn)行了闡述。

執(zhí)行保電任務(wù)是供電企業(yè)的基本工作內(nèi)容之一，也關(guān)系到供電企業(yè)在社會(huì)中的形象。采用應(yīng)急發(fā)電車是在保電期間采用的基本手段，當(dāng)市電線路由于出現(xiàn)故障而無(wú)法運(yùn)行時(shí)，此時(shí)通過(guò)啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電車，可以繼續(xù)保障電力供應(yīng)。但如果所采用的應(yīng)急發(fā)電車不具備自動(dòng)投切功能，則保電人員在操作應(yīng)急發(fā)電車開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，會(huì)使得供電恢復(fù)的時(shí)間變長(zhǎng)。采用具備自動(dòng)投切功能的應(yīng)急發(fā)電車，能夠明顯縮短故障停電時(shí)間，降低保電人員誤操作的概率，減少保電人員的操作工作量，提高保電質(zhì)量。

1 應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)

1.1 應(yīng)急電源的基本類型

應(yīng)急電源所包括的類型較多，不同類型的應(yīng)急電源之間的差異較大，故應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況加以選擇，主要的應(yīng)急電源類型包括移動(dòng)式發(fā)電機(jī)、固定式發(fā)電機(jī)、UPS電源和EPS電源等。本文主要介紹柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源的自動(dòng)投切系統(tǒng)原理和配置原則。

發(fā)電機(jī)可以作為應(yīng)急電源，當(dāng)主電源因故障無(wú)法正常工作時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)接帶重要的負(fù)荷。一般可以采用柴油發(fā)電機(jī)，使用也較為靈活，其一般由發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和控制器等組成?？刂破骺梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)中的電源的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)當(dāng)主電源系統(tǒng)存在問(wèn)題時(shí)，則迅速啟動(dòng)固定式柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。在固定式柴油發(fā)電機(jī)的容量選擇方面，則主要根據(jù)該配電區(qū)域的負(fù)荷情況和配電線路情況，選擇合適容量的發(fā)電機(jī)，不超過(guò)配電區(qū)域的允許容量。

1.2 應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)具備的主要功能

應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)送停電信息，自動(dòng)投入應(yīng)急發(fā)電車。當(dāng)市電恢復(fù)正常時(shí)，其能夠通過(guò)同期并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)將應(yīng)急發(fā)電車退出運(yùn)行，同時(shí)投入市電，恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，該系統(tǒng)應(yīng)具備監(jiān)控、保護(hù)和統(tǒng)計(jì)分析等基本功能，掌握供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)急發(fā)電車的輸出電壓不符合要求時(shí)，能夠自動(dòng)將應(yīng)急發(fā)電車退出運(yùn)行，保證負(fù)載安全。

2 應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

2.1 應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)中，主要包括切換開(kāi)關(guān)、控制柜和應(yīng)急發(fā)電車等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一開(kāi)關(guān)連接市電的輸入端，第三開(kāi)關(guān)連接市電的輸出端，第二開(kāi)關(guān)和應(yīng)急發(fā)電車相連。在正常市電的供電狀態(tài)下，第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)閉合，第二開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)市電故障時(shí)，第二開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)閉合，第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)由應(yīng)急設(shè)備給負(fù)載供電。

圖1 應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)中，控制電路是該系統(tǒng)的核心，主要包括單片機(jī)、復(fù)位電路、脈沖電路和無(wú)線通信信號(hào)接收和發(fā)送模塊等，其中無(wú)線收發(fā)模塊主要用來(lái)自動(dòng)發(fā)送停電信息和供電恢復(fù)信息，使得系統(tǒng)維護(hù)和檢修人員能夠及時(shí)掌握信息。單片機(jī)經(jīng)過(guò)控制程序的分析計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制策略給控制開(kāi)關(guān)。脈沖電路主要是用來(lái)檢測(cè)市電的電壓變化情況，根據(jù)市電的變化情況，將所檢測(cè)到的信號(hào)輸入到單片機(jī)中。當(dāng)市電電壓升高時(shí)，則脈沖電路產(chǎn)生低電平或者0信號(hào)；當(dāng)市電電壓降低時(shí)，此時(shí)說(shuō)明市電線路可能出現(xiàn)了故障，脈沖電路應(yīng)產(chǎn)生高電平或者1信號(hào)，通過(guò)這種方式可以判斷市電供電狀態(tài)是否正常，單片機(jī)控制程序就可以根據(jù)脈沖電路所產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

2.2 同期并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)市電恢復(fù)正常，需要將應(yīng)急發(fā)電車退出運(yùn)行前先進(jìn)行同期并網(wǎng)檢測(cè)，保證系統(tǒng)能夠正確切到市電供電狀態(tài)。通過(guò)同期并網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)，可以避免供電系統(tǒng)出現(xiàn)二次停電的情況。

同期并網(wǎng)主要需要滿足的條件包括相序一致、頻率相同、電壓相等、相位相同等，當(dāng)滿足這些條件時(shí)，對(duì)電網(wǎng)并列所造成的沖擊也就很小。

對(duì)于同期并網(wǎng)技術(shù)中的電壓檢測(cè)，設(shè)應(yīng)急發(fā)電車并網(wǎng)允許的電壓偏差值為ΔUset，當(dāng)滿足下式(1)時(shí)，則電壓檢測(cè)符合條件。

式中US和UG分別為待并網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和應(yīng)急發(fā)電車電壓的有效值。當(dāng)滿足下式(2)時(shí)，則不允許合閘并網(wǎng)。

如果此時(shí)US>UG，則升高應(yīng)急發(fā)電車的輸出電壓，反之等降低應(yīng)急發(fā)電車的輸出電壓，使之符合并網(wǎng)所需的電壓要求?？梢圆捎谜{(diào)節(jié)應(yīng)急發(fā)電車勵(lì)磁電流的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急發(fā)電車輸出電壓的調(diào)節(jié)。

對(duì)于同期并網(wǎng)技術(shù)中的頻率檢測(cè)，可以采用二分頻的頻率測(cè)量方法。交流電壓經(jīng)降壓濾波并轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)后，當(dāng)出現(xiàn)高電平時(shí)則計(jì)數(shù)，出現(xiàn)下降沿或者低電平時(shí)則停止計(jì)數(shù)。假設(shè)計(jì)數(shù)器的頻率為fc，所計(jì)數(shù)為N，此時(shí)所測(cè)量的電壓周期為：

則所測(cè)量的頻率值如下式(4)所示，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率的測(cè)量。

如果此時(shí)滿足下式(5)，則頻率滿足同期并網(wǎng)的要求。

式中fS和fG分別為待并網(wǎng)的系統(tǒng)電壓和應(yīng)急發(fā)電車頻率值，Δfset為頻率整定值。如果滿足下式(6)，則此時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)頻率和應(yīng)急發(fā)電車的頻率大小關(guān)系，調(diào)節(jié)應(yīng)急發(fā)電車的轉(zhuǎn)速，從而使得應(yīng)急發(fā)電車的頻率滿足并網(wǎng)要求。

此外如果應(yīng)急發(fā)電車在并網(wǎng)的過(guò)程中相位差較大，則容易使得應(yīng)急發(fā)電車出現(xiàn)抖動(dòng)的情況，給應(yīng)急發(fā)電車的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p傷。故為了滿足應(yīng)急發(fā)電車并網(wǎng)的安全，一般也要求相位差不能超過(guò)十度。

3 自動(dòng)投切應(yīng)急發(fā)電車的容量配置

在大型活動(dòng)及臨時(shí)會(huì)場(chǎng)的場(chǎng)合中，采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源較為合適。柴油發(fā)電機(jī)在使用時(shí)應(yīng)該可靠接地，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的維護(hù)，保證當(dāng)需要采用的時(shí)候，柴油發(fā)電機(jī)能夠可靠運(yùn)行。以下以某地區(qū)柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量配置為算例，分析應(yīng)急電源的容量配置。

對(duì)于自動(dòng)投切應(yīng)急發(fā)電車的容量?jī)?yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)，可以以柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源配置的總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，具體費(fèi)用包括柴油發(fā)電機(jī)的投資費(fèi)用、降低的停電損失費(fèi)用和柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)維費(fèi)用等，具體表達(dá)式如下所示。

式中：P為單位容量柴油發(fā)電機(jī)的投資費(fèi)用，m為配電片區(qū)的數(shù)目，n為第j個(gè)配電片區(qū)的柴油發(fā)電機(jī)數(shù)目，Pij為第j個(gè)片區(qū)提供的第i個(gè)柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源容量；Zij當(dāng)其為0 時(shí)，表示在該片區(qū)不配置應(yīng)急電源，當(dāng)其為1時(shí)，則在該片區(qū)配置應(yīng)急電源；λ為單位容量的停電帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，ΔPj為降低的第j個(gè)配電片區(qū)的停電量，μ為單位容量的柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)維費(fèi)用。

約束條件為移動(dòng)發(fā)電車的容量約束和柴油發(fā)電車個(gè)數(shù)的限制約束，具體表達(dá)式如下所示。

式中：Pmin為該配電片區(qū)所要求的最低容量配置。隨著用戶對(duì)供電可靠性的要求不斷提高，采用應(yīng)急電源可以提高供配電系統(tǒng)的供電可靠性，保證不出現(xiàn)供電安全事故。在應(yīng)急電源的具體配置上，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況加以分析和計(jì)算，保證應(yīng)急電源的配置能夠發(fā)揮出最大的作用，提高供配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，同時(shí)完成保電等類型的應(yīng)急任務(wù)。

結(jié)論：應(yīng)急發(fā)電車在供電企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，隨著應(yīng)急發(fā)電車技術(shù)水平的提高，自動(dòng)投切功能將能夠逐步應(yīng)用在應(yīng)急發(fā)電車中。本文詳細(xì)分析了應(yīng)急發(fā)電車自動(dòng)投切系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，并介紹了具體的容量配置方法，在實(shí)際中可以加以應(yīng)用。