低壓不停電作業(yè)方案及其優(yōu)化策略

李俊林，張晏玉，劉 曉，林勸立，張 旭

（廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510620）

0 引言

隨著人民生活水平的日益提高，為滿足人民追求美好生活的電力需求，供電企業(yè)越來越重視用戶的用電體驗，并逐漸向能源服務提供商轉型。電力的商品屬性愈發(fā)凸顯，提高供電可靠性和保障用戶享受優(yōu)質電力服務成為供電企業(yè)健康發(fā)展的必備條件［1］。由于歷史原因，配電網(wǎng)的發(fā)展水平尚低，網(wǎng)架、設備、運行維護水平都難以適應當前經(jīng)濟社會的發(fā)展要求。正因如此，配電網(wǎng)的建設力度持續(xù)增加，由此帶來的停電需求和用戶用電體驗的矛盾難以調和，對供電企業(yè)提出了更高要求。

粗放的建設模式不符合當前以用戶為中心的服務理念。因此，不停電作業(yè)手段作為一種減少停電時間的手段被推廣引入配電網(wǎng)基建、遷改、檢修、試驗等項目中。其中，在中壓配電網(wǎng)領域，通常采取開環(huán)運行方式。得益于閉環(huán)設計的網(wǎng)架，通過向聯(lián)絡饋線轉移負荷，在經(jīng)歷短時停電后用戶恢復供電。在此基礎上，中壓轉供電經(jīng)歷了從“能轉電必轉電”到“能合環(huán)必合環(huán)”的過程。合環(huán)轉電已經(jīng)被廣泛應用到配電網(wǎng)運行管理當中，這種轉電方式消除了停電間隙，但是也帶來一定程度上的配電網(wǎng)運行風險。合環(huán)會引發(fā)電網(wǎng)運行的暫穩(wěn)態(tài)變化，產(chǎn)生暫穩(wěn)態(tài)合環(huán)電流，并受合環(huán)時刻的全網(wǎng)潮流分布、網(wǎng)絡參數(shù)影響。當前控制合環(huán)轉電風險的手段是在實施合環(huán)轉電前進行合環(huán)電流仿真計算，作為預測和評判風險的依據(jù)［2］。當負荷變化較快時，上述方式存在一定判斷偏差，實際操作時可能不具備合環(huán)轉電條件。若欠缺對風險評估的經(jīng)驗，則可能導致合環(huán)電流過大，將引起線路或設備過載、保護裝置誤動作、電磁環(huán)網(wǎng)引發(fā)事故擴大等風險［3-4］。

為了定量把控合環(huán)風險大小，文獻［5-7］提出建立合環(huán)過程涉及的電網(wǎng)等值模型，開展潮流分析，進而評估合環(huán)風險。然而，即使可以精確把握風險，也僅是在合環(huán)前判定環(huán)流大小是否在可控范圍內，環(huán)流始終存在。當判斷合環(huán)風險較大時，合環(huán)轉電操作無法實施。

低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，在中壓配電網(wǎng)普遍建立典型接線的基礎上，在變壓器低壓出線側建立聯(lián)絡成為趨勢［8］。常規(guī)低壓聯(lián)絡同樣無法避免中壓轉供過程中面臨的用戶短時停電問題。由于低壓用戶位于整個電網(wǎng)的末端，相對于中壓聯(lián)絡而言，低壓聯(lián)絡更具靈活性和可操作性，電源轉供的實現(xiàn)過程更加方便、快捷。

因此，在低壓聯(lián)絡概念的基礎上，采用電力電子技術［9-10］，設計一種低壓無縫合環(huán)轉電裝置，并提出配電網(wǎng)低壓聯(lián)絡無縫合環(huán)轉電方案及其運行維護新策略，進一步實現(xiàn)低壓轉供過程中用戶連續(xù)供電。

1 常規(guī)低壓不停電作業(yè)方案

1.1 低壓轉供

配電變壓器常見的低壓出線形式有經(jīng)隔離開關出線和經(jīng)低壓柜出線，如圖1所示。

圖1 配電變壓器出線形式

典型的低壓轉供方案如表1 所示。在確定低壓轉供方案時，需要根據(jù)待停電臺區(qū)的低壓出線形式、分路出線現(xiàn)狀、臺區(qū)負載率，選擇臨近合適的供電點。

表1 典型場景的低壓不停電作業(yè)方案

1）當供電點具備低壓柜備用分路開關的條件時，可從該分路開關敷設臨時聯(lián)絡電纜至待停電臺區(qū)。待停電臺區(qū)不具備聯(lián)絡電纜直接接入條件時，將原有低壓出線在配電變壓器低壓側解口并駁接連通聯(lián)絡電纜。接線方式參見方案1—方案3。

2）當供電點低壓柜無備用分路開關或采用隔離開關出線時，在配電變壓器低壓側新敷出線和隔離開關。從該新敷隔離開關處敷設臨時聯(lián)絡電纜至停電臺區(qū)。待停電臺區(qū)不具備聯(lián)絡電纜直接接入條件時，同1）所述。接線方式參見方案4—方案6。

當供電點具備低壓柜備用分路開關條件時，供電點臺區(qū)用戶在轉供過程中不受影響，受電臺區(qū)短時停電后恢復供電，恢復運行方式時受電臺區(qū)用戶再次感知停電。當供電點需要新敷出線和隔離開關時，供電點臺區(qū)用戶短時停電，額外增加用戶感知停電次數(shù)。因此，常規(guī)不停電作業(yè)方案增加停電次數(shù)，不利于提升用戶用電體驗。

1.2 低壓合環(huán)轉電

基于上述常規(guī)低壓轉供方案，在臺區(qū)之間設置聯(lián)絡開關，可實施具備保護功能的低壓合環(huán)轉電，如圖2所示。

圖2 低壓合環(huán)轉電原理

以上級電源相同的配電變壓器低壓合環(huán)轉電為例，分析合環(huán)的暫穩(wěn)態(tài)過程，如圖3所示。設Z12為聯(lián)絡開關處的阻抗，I12為流經(jīng)聯(lián)絡開關的電流，U1、U2分別為兩臺變壓器低壓側電壓，ZT1、ZT2分別為兩臺變壓器的短路阻抗，I1、I2為負荷電流。其兩端閉式網(wǎng)絡功率分布如圖4所示。

圖3 同一10 kV饋線條件下配電變壓器低壓合環(huán)轉電模型

圖4 同一10 kV饋線條件下配電變壓器低壓合環(huán)轉電模型閉式網(wǎng)絡功率分布

穩(wěn)態(tài)下，流過聯(lián)絡點的電流為

設總的回路阻抗為R+jωL，變壓器低壓側電壓的相角分別為θ1、θ2，則時域下的表達式為

合環(huán)電流的表達式為

合環(huán)后，合環(huán)回路的功率重新分布，并遵守閉式網(wǎng)絡功率分布規(guī)律。合環(huán)電流受聯(lián)絡點兩側電壓影響，同時受合環(huán)時機的影響。因此，若可以調節(jié)聯(lián)絡點兩側電壓的幅值、相位，并掌握合環(huán)時機，可以有效降低合環(huán)的暫穩(wěn)態(tài)電流。

2 無縫合環(huán)轉電方案

設計一種無縫合環(huán)轉電裝置，抑制、消除低壓合環(huán)轉電時的環(huán)流，避免因合環(huán)時變壓器并列條件差造成變壓器過載、燒毀熔斷器等情況，降低低壓轉電操作對運行維護人員素質的要求，從而提高低壓轉電的可行性，進一步提升配電網(wǎng)的供電可靠性。

2.1 無縫合環(huán)轉電裝置

配電網(wǎng)低壓無縫合環(huán)轉電裝置的拓撲結構如圖5 所示，包括2 組串聯(lián)電壓補償器（Series Voltage Compensator，SVC）、1 臺并聯(lián)電壓變換器（Parallel Voltage Converter，PVC）、2 組轉換開關。SVC 按照逐相補償?shù)脑瓌t設計，每一相包括串聯(lián)耦合變壓器、單相電壓源型變換器；PVC 包括并聯(lián)變壓器、三相電壓源型變換器。

2.2 無縫合環(huán)轉電的原理

采用無縫合環(huán)轉電方案后，配電變壓器的低壓側輸出電壓不再直接作為臺區(qū)的首端電壓，而是經(jīng)過無縫合環(huán)轉電裝置補償后向臺區(qū)負荷輸出。

臺區(qū)首端電壓經(jīng)PVC的并聯(lián)變壓器降壓后輸出為Ush，經(jīng)過PVC 的三相電壓源型變換器調制，得到直流電壓Udc。PVC 為SVC 提供直流電壓，兩者共同調控保證直流電壓穩(wěn)定。SVC 根據(jù)指令調制輸出電壓，與系統(tǒng)電壓耦合，實現(xiàn)線路電壓的相移控制，達到補償原有線路電壓的目的。有功功率在PVC 和SVC 之間流動，可以經(jīng)由PVC 從系統(tǒng)中流入，經(jīng)由直流電容往SVC 方向流動并最終注入系統(tǒng)，根據(jù)運行需求，有功功率可雙向流動。對于無功功率而言，PVC 和SVC 可各自在電容與系統(tǒng)之間交換，起到無功功率就地補償?shù)淖饔谩?/p>

圖5 無縫合環(huán)轉電裝置結構

2.2.1 PVC的原理設計

待開展低壓轉供的兩個臺區(qū)，其配電變壓器容量、負載率不同，即對無縫合環(huán)轉電裝置的容量提出不同要求。為了提高無縫合環(huán)轉電裝置的適應性，按照移動式、模塊化的設計思路，一方面對PVC的并聯(lián)變壓器優(yōu)化設計，減小其體積；另一方面，如圖6所示，PVC 的三相電壓源型變壓器按照多級并聯(lián)結構設計，在實施低壓轉供的現(xiàn)場快速匹配并聯(lián)級數(shù)。通過以上設計，無縫合環(huán)轉電裝置可分體運輸、模塊化組裝，實現(xiàn)該裝置的現(xiàn)場快速部署。當多個三相電壓源型變換器并聯(lián)運行時，其輸入電流諧波含量將進一步降低。

2.2.2 SVC的原理設計

對于實施低壓轉供而言，無縫合環(huán)轉電裝置包含2 組SVC、6 組單相電壓源型變換器，SVC、PVC 采用共母線的拓撲結構，所有單相電壓源型變換器的直流輸入側均并聯(lián)在一起。每組單相電壓源型變換器根據(jù)指令調制交流側輸出電壓，通過串聯(lián)耦合變壓器向臺區(qū)線路各相電壓注入Use，逐相獨立補償。對6 組單相電壓源型變換器統(tǒng)籌控制，采集兩個臺區(qū)的系統(tǒng)電壓，逐相分析電壓的幅值、相位，按照幅值、相位差異均方值最小的原則，生成最優(yōu)補償后系統(tǒng)電壓向量值。在該控制策略調控下，可以最大程度降低對無縫合環(huán)轉電裝置容量資源的要求，提高裝置性能設計的效用。

圖6 三相電壓源型變換器結構

圖7 為SVC 中單相電壓源型變換器的結構，采用多級并聯(lián)結構，提高通流能力。當多個單相電壓源型變換器并聯(lián)運行時，可以進一步減少輸出電壓的諧波含量，確保輸出電壓的電壓質量。

圖7 單相電壓源型變換器結構

3 配電網(wǎng)低壓聯(lián)絡架構

配電網(wǎng)低壓聯(lián)絡須把不同變壓器副方和低壓柜母線引出并設置聯(lián)絡點，現(xiàn)實中低壓母線一般來自不同配電變壓器的低壓側。配電變壓器的地理位置決定了低壓聯(lián)絡架構形式。

低壓聯(lián)絡點由無縫合環(huán)轉電裝置構成，避免合環(huán)時多臺變壓器并列運行，消除常規(guī)合環(huán)不可控的環(huán)流電流，確保負荷平滑地切換。

3.1 面向臨近配電變壓器的架構

含兩臺配電變壓器的配電房、相鄰的配電房均滿足配電變壓器臨近的條件，可直接建立低壓聯(lián)絡，形成永久接線方式。

相鄰配電房建立低壓聯(lián)絡的方式如圖8 所示，D1、D2 分別為1 號變壓器、2 號變壓器對應的低壓柜，從變壓器副方、低壓柜母排引出線并利用已有或新建電纜溝接入無縫合環(huán)轉電裝置。

圖8 相鄰配電房低壓聯(lián)絡架構

3.2 面向孤立配電變壓器的架構

對于與其他配電房相距較遠的配電變壓器，可認為孤立配電變壓器，不宜直接建立低壓聯(lián)絡。無縫合環(huán)轉電裝置考慮在接入本地變壓器低壓柜引出線后，為移動發(fā)電車或其他孤立配電變壓器預留接口位置。

按照該模式，可實現(xiàn)移動發(fā)電車或其他孤立配電變壓器快速接入功能。后續(xù)可根據(jù)現(xiàn)場實際需求，選擇不同規(guī)格的移動發(fā)電車提供第二路電源，也可通過預留接口臨時敷設低壓電纜就近與合適的臺區(qū)建立低壓聯(lián)絡。該架構可減少大規(guī)模的低壓線投資浪費，避免低壓聯(lián)絡線被盜，避免復雜條件下建立永久低壓聯(lián)絡的資源開銷。

孤立配電變壓器間接建立低壓聯(lián)絡時，對屬地低壓供電區(qū)域按照網(wǎng)格劃分，每一網(wǎng)格內低壓臺區(qū)構成一組低壓聯(lián)絡架構成員，各成員差異化地配置無縫合環(huán)轉電裝置或常規(guī)低壓聯(lián)絡箱，以常規(guī)低壓聯(lián)絡箱為主，關鍵節(jié)點配置無縫合環(huán)轉電裝置，降低低壓聯(lián)絡構建成本。

4 運行維護策略

通過實施低壓無縫合環(huán)轉電方案，在常規(guī)低壓聯(lián)絡功能的基礎上，進一步實現(xiàn)低壓轉供過程中對用戶連續(xù)供電。常規(guī)低壓聯(lián)絡方案在為用戶調整電源時，切換操作要避免電源并列運行，因而低壓轉供順序是待退出電源先停電，檢查該線路無電壓后合上聯(lián)絡開關，失壓用戶恢復供電?？梢?，常規(guī)低壓聯(lián)絡方案的運維策略無法適應用戶連續(xù)供電的要求，低壓無縫合環(huán)轉電方案需要配合應用運維新策略。

4.1 臨近配電變壓器場景下的低壓聯(lián)絡運維策略

含兩臺變壓器的配電房以及相鄰配電房按照如圖9 所示方式直接建立低壓聯(lián)絡，正常工況下低壓柜D1、低壓柜D2的負荷由1號變壓器、2號變壓器分別供電，開關QF1、QF2合上，BK1、BK2斷開。

圖9 臨近配電變壓器低壓聯(lián)絡架構

當1 號變壓器須退出運行時，啟動無縫合環(huán)轉電裝置，閉合BK2，直流側充電，SVC 向臺區(qū)線路電壓注入補償電壓Use1、Use2，經(jīng)過該裝置的調制，1號變壓器低壓側輸出Ur1，2 號變壓器低壓側輸出Ur2，且Ur1和Ur2幅值、相位將趨向一致。檢測到Ur1和Ur2幅值、相位差異大小降至閾值（根據(jù)不同的變壓器即網(wǎng)絡參數(shù)進行設定）后，閉合BK1，合環(huán)過程平穩(wěn)進行，逐漸減小1號變壓器出力、增大2號變壓器出力。斷開1 號變壓器上級開關，1 號變壓器退出運行。2 號變壓器退出運行的過程亦然。臨近配電變壓器低壓聯(lián)絡運維流程如圖10所示。

低壓轉供完成前，低壓柜D1、D2 的負荷由1 號和2 號變壓器分別供電。開關BK1、BK2 依次合上后，供電方式不變。t1時刻，斷開BK1，1 號變壓器退出運行，2 號變壓器轉供1 號變壓器負荷，負荷調整的過程如圖11所示。

4.2 孤立配電變壓器場景下的低壓聯(lián)絡運維策略

孤立配電變壓器按照如圖12 所示方式間接建立低壓聯(lián)絡，正常工況下低壓柜D的負荷由1號變壓器供電，開關QF1合上，BK1、BK2斷開。

1號變壓器退出運行前，從另一孤立配電變壓器常規(guī)低壓聯(lián)絡箱預留接口敷設臨時聯(lián)絡電纜接入本地預留接口，或者調配移動發(fā)電車接入預留接口。接入電源就緒后，合上對側低壓柜低壓分支開關或啟動移動發(fā)電車，使本地低壓聯(lián)絡箱預留接口處US2帶電，后續(xù)步驟與臨近配電變壓器場景下的低壓聯(lián)絡運維策略一致，如圖13所示。

圖10 臨近配電變壓器低壓聯(lián)絡運維流程

圖11 臨近配電變壓器場景下轉供過程負荷變化

圖12 孤立配電變壓器低壓聯(lián)絡架構

圖13 孤立配電變壓器低壓聯(lián)絡運維流程

低壓轉供完成前，低壓柜D的負荷由1號變壓器供電。開關BK1、BK2 依次合上后，供電方式不變。t1時刻，斷開BK1，1 號變壓器退出運行，接入電源轉供1號變壓器負荷，負荷調整的過程如圖14所示。

圖14 孤立配電變壓器場景下轉供過程負荷變化

5 結語

提出配電網(wǎng)低壓聯(lián)絡無縫合環(huán)轉電方案，按照不同場景對含兩臺配電變壓器的配電房、臨近配電房、孤立配電房等討論了聯(lián)絡建立方式。提出了無縫合環(huán)轉電裝置的拓撲結構，包括PVC、SVC，接入變壓器低壓側和低壓總開關之間，按照不同電源側電壓相向補償?shù)目刂撇呗允沟谜{節(jié)后電壓幅值、相位一致，實現(xiàn)無縫合環(huán)轉電功能。同時提出了低壓聯(lián)絡無縫合環(huán)轉電運維策略，明確了操作的順序，保證對用戶的連續(xù)供電，提升用戶用電體驗。