基于不停電作業(yè)的400 kW低壓電源車的改造設(shè)計

陳元招，詹曉華，方金順

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學院 信息與制造學院，福建 龍巖 364021；2.龍巖暢豐專用汽車有限公司，福建 龍巖 364021）

近年來，隨著人民生活水平的不斷提高和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在低壓配網(wǎng)的改造過程中，用戶對持續(xù)不間斷供電有了更為剛性的需求。同時，社會上各種大型活動、重要會議和大型商場超市也越來越多，為了保障這些重點區(qū)域的正常供電，避免停電帶來的一些不利影響，供電部門需專門配備高低壓電源車，確保在緊急突發(fā)情況下保供電。因此，低壓電源車的快速并網(wǎng)操作在低壓配電網(wǎng)作業(yè)中就顯得尤為重要。

1 現(xiàn)有低壓電源車保電過程存在的不足

目前，低壓電源車在保供電時，低壓配電網(wǎng)需先停電，即斷開低壓用戶負荷開關(guān)，再接入低壓電源車，由低壓電源車承擔用戶供電；當市電恢復(fù)正常或低壓配電網(wǎng)線路檢修完成后，先斷開低壓電源車，再合閘低壓用戶負荷開關(guān)。可見，在保電過程中低壓用戶會出現(xiàn)兩次短暫停電，勢必給用戶造成一些影響[1]。由于低壓電源車和用戶側(cè)缺乏與低壓線路同期并列裝置，因此無法實現(xiàn)不停電臨時保供電工作；而且低壓電源車電源側(cè)和用戶側(cè)也缺乏低壓電源車快速接口和低壓旁路裝置，低壓電源車電纜僅能通過常規(guī)螺栓連接，連接電纜距離較長，進而影響快速復(fù)電，降低了保電效率。同時，低壓用戶開關(guān)柜體積大，而電房空間有限，低壓出線長度有限、數(shù)量多，受現(xiàn)場制約，低壓電源車存在無法接入的風險。另外，低壓電源車在保供電過程中，由于機組發(fā)電機、發(fā)動機的運行狀態(tài)及故障等信息無法遠程監(jiān)測和預(yù)警，因此低壓電源車的工作保障存在一定難度[2]。

為了解決低壓電源車保供電過程出現(xiàn)的問題，提高保電效率，利用不停電作業(yè)并網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對一臺400 kW的低壓電源車進行升級改造，以實現(xiàn)低壓電源車與市電自動并網(wǎng)；改變當前先停電后低壓電源車供電的模式，實現(xiàn)保電過程用戶不停電作業(yè)和對低壓電源車的遠程監(jiān)測和故障預(yù)警[3]。

2 低壓電源車并網(wǎng)硬件系統(tǒng)改造

為了提升作業(yè)效率和降低設(shè)備改造成本，對不停電作業(yè)低壓電源車并網(wǎng)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，增加可移動式旁路裝置、快速接入裝置和智能健康服務(wù)系統(tǒng)[4-5]。其并網(wǎng)控制系統(tǒng)如圖1所示，由發(fā)電機組、發(fā)電機并網(wǎng)柜、可移動式市電旁路柜、用戶低壓柜等組成。當市電正常時，通過用戶低壓柜對負載進行供電；當市電故障或低壓配電網(wǎng)計劃檢修時，由并網(wǎng)控制系統(tǒng)控制，接通可移動式市電旁路柜，通過判斷同期并網(wǎng)條件，自動切換到發(fā)電機并網(wǎng)柜，啟動發(fā)電機組，由發(fā)電機組對負載進行供電。

圖1基于不停電作業(yè)的400 kW低壓電源車并網(wǎng)控制系統(tǒng)圖

2.1 增加可移動式市電旁路低壓柜

在低壓配電網(wǎng)保供電過程中，為了實現(xiàn)用戶低壓柜更換的不停電作業(yè)，增加一個可移動式市電旁路柜，與用戶低壓柜并聯(lián)，兩柜體之間采用柔性單相低壓電纜連接；考慮到可移動式市電旁路柜為臨時供電裝置，因此省略補償柜部分，將進線柜、出線柜拼接；同時，根據(jù)可移動式市電旁路柜結(jié)構(gòu)、大小，重新布置母排，使其能夠與各部元器件配合?？梢苿邮绞须娕月饭窠^緣設(shè)計采用空氣絕緣與介質(zhì)絕緣相配合的方式，盡可能縮小裝置體積，保證其工作的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 改造低壓電源車和用戶側(cè)的快速接入裝置

在低壓電源車保電過程中，為了實現(xiàn)變壓器至低壓開關(guān)柜之間設(shè)備更換的不停電作業(yè)，需要對400 kW低壓電源車和用戶側(cè)配電柜設(shè)備的接入裝置進行改造。首先，將低壓電源車的原線耳接入裝置改造成全絕緣可插拔的快速接入裝置。該裝置由匯流排夾鉗、面板插座、公耦合器、母耦合器四種快速連接接頭組成，同時要注意接頭額定容量和低壓電源車功率之間的匹配。其次，為了滿足快速接入和統(tǒng)一配置的需要，用戶側(cè)的低壓快速接入裝置輸出端通過電源電纜與用戶側(cè)供電系統(tǒng)固定連接，輸入端采用快速插拔式的連接器，在復(fù)電時，將低壓電源車電源輸出端的電源電纜直接插入連接器，實現(xiàn)“即插即用”功能。

2.3 增加并網(wǎng)控制器

并網(wǎng)控制器及外圍控制框圖如圖2所示，當?shù)蛪号潆娋W(wǎng)計劃檢修或檢修完成時，對市電電壓、相序和相位進行檢測，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸至并網(wǎng)控制器（IG-NT控制器），再與發(fā)電機檢測值進行一致性對比；通過電壓調(diào)節(jié)器（AVR）接口模塊，調(diào)整機組電壓、頻率及同步相位角后，自動分合閘發(fā)電機并網(wǎng)柜斷路器和市電旁路柜斷路器，完成正反向并網(wǎng)。同時，IG-NT控制器通過發(fā)動機的ECU通訊，來讀取發(fā)動機的機油壓力、水溫、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，并與內(nèi)部保護設(shè)定的極限值進行比較，對超限的參數(shù)作出預(yù)警和報警信號，從而實現(xiàn)對發(fā)電機 機組的自動保護。

圖2 并網(wǎng)控制器及外圍控制框圖

2.4 增加智能健康服務(wù)系統(tǒng)裝置

為了實時監(jiān)測低壓電源車的發(fā)動機組、發(fā)電機組、位置、軌跡等信息，在低壓電源車內(nèi)安裝智能健康服務(wù)系統(tǒng)裝置。該裝置硬件主要由GPS定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集-傳輸終端、服務(wù)器、系統(tǒng)雙電切換模塊、溫濕度傳感器等部件構(gòu)成；軟件部分主要由設(shè)備層、傳輸層、協(xié)議層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、管理層構(gòu)成。在4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，該裝置下位機端通過RS485、GPS定位、溫濕度傳感器、計量表等進行數(shù)據(jù)采集；再根據(jù)GPS數(shù)據(jù)的采集及上報結(jié)果，通過TCP協(xié)議與云端服務(wù)進行通訊連接與數(shù)據(jù)傳輸；云端采取消息隊列服務(wù)，對采集數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析、故障預(yù)警和數(shù)據(jù)服務(wù)。在PC客戶端、手機端，可結(jié)合地圖服務(wù)和可視化工具，實時顯示低壓電源車發(fā)動機組、發(fā)電機組、故障預(yù)警、位置、軌跡等信息。同時，基于數(shù)據(jù)庫為低壓電源車提供完善的運行記錄與數(shù)據(jù)分析，服務(wù)于該車的故障報修、維護及售后，實現(xiàn)對其全壽命周期管理。

3 低壓電源車并網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

并網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3所示，400 kW低壓電源車并網(wǎng)作業(yè)采用同期并列的方式，即通過同期裝置判斷同期條件，投入發(fā)電機與市電網(wǎng)并列運行，待穩(wěn)定后切除市電網(wǎng)，由低壓電源車對非檢修段負荷供電[6-7]。當檢修段工作完畢后，投入市電網(wǎng)與發(fā)電機并列運行，再切除低壓電源車，保證在低壓電源車投入和切除過程中對非檢修段用戶的連續(xù)供電。

3.1 正向并網(wǎng)

（1）采用帶電作業(yè)，將市電旁路斷路器和機組并網(wǎng)斷路器的輸入輸出端用電纜連接并入系統(tǒng)；安裝并機/自啟動通信線，連接完畢后，在發(fā)電機控制系統(tǒng)控制面板上遙控合上市電旁路斷路器，讓市電形成旁路。（2）操作將用戶低壓負荷開關(guān)分閘，市電通過市電旁路斷路器向負載側(cè)供電。（3）啟動發(fā)電機組，發(fā)電機組控制系統(tǒng)檢測到市電旁路斷路器上端電網(wǎng)的電壓、頻率、相位，并根據(jù)檢測結(jié)果自動控制同期合上機組并網(wǎng)斷路器，發(fā)電機組和市電網(wǎng)并網(wǎng)供電。（4）發(fā)電機控制系統(tǒng)檢測發(fā)電機運行狀態(tài)，待發(fā)電機輸出與市電同期后，自動控制斷開市電旁路斷路器，發(fā)電機組向負載側(cè)供電，低壓負荷開關(guān)前端線路可停電轉(zhuǎn)檢修狀態(tài)。

圖3 并網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

3.2 反向并網(wǎng)

（1）待用戶低壓開關(guān)前端線路檢修完畢或市電正常后，發(fā)電機控制系統(tǒng)檢測市電旁路斷路器上端電網(wǎng)的電壓、頻率、相位，并根據(jù)檢測結(jié)果自動控制同期合上市電旁路斷路器，發(fā)電機組和電網(wǎng)并網(wǎng)供電。（2）待市電旁路斷路器合閘正常后，發(fā)電機控制系統(tǒng)控制器自動斷開發(fā)電機并網(wǎng)斷路器，使發(fā)電機退出系統(tǒng)供電，負荷通過市電旁路斷路器控制供電。（3）操作合上用戶低壓開關(guān)，使市電旁路斷路器與低壓開關(guān)并聯(lián)對負荷供電。（4）在發(fā)電機控制系統(tǒng)控制面板上遙控斷開市電旁路斷路器，負荷通過低壓開關(guān)供電。（5）將市電旁路斷路器和機組并網(wǎng)斷路器的輸入輸出端用電纜拆除，使發(fā)電機完全退出系統(tǒng)，完成反向并網(wǎng)工作。

4 改造效果

基于不停電作業(yè)的400 kW低壓電源車改造完成后，在廣東省某供電局試運行。選取基準A相，測得合閘和分閘瞬間負載數(shù)據(jù)，如表1所示；突加電壓、電流和頻率波形如圖4、圖6、圖8所示；突卸電壓、電流和頻率波形如圖5、圖7、圖9所示。通過測試的波形和參數(shù)表明，基于不停電作業(yè)的400 kW低壓電源車在并網(wǎng)過程中，電壓、頻率變化在允許的范圍內(nèi)，沖擊電流較小，恢復(fù)時間短，不會對移動發(fā)電機產(chǎn)生機械和電氣損傷。同時，智能健康服務(wù)系統(tǒng)對發(fā)動機、發(fā)電機及外聯(lián)供電信息進行數(shù)據(jù)監(jiān)視（監(jiān)視界面如圖10所示），對各運行設(shè)備的參數(shù)實時采集、上報和判斷，保證了低壓電源車的穩(wěn)定運行。

表1 合閘和分閘瞬間負載數(shù)據(jù)

圖4 突加電壓波形圖

圖5 突卸電壓波形

圖6 突加電流波形

圖7 突卸電流波形

圖8 突加頻率波形

圖9 突卸頻率波形

圖10 智能健康服務(wù)系統(tǒng)監(jiān)視界面

5 結(jié)語

400 kW低壓電源車完成不停電作業(yè)的升級改造后，能實現(xiàn)市電與低壓電源車的不停電正反向并網(wǎng)作業(yè)，保證了用戶的正常用電；運行數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r監(jiān)控，確保了設(shè)備運行安全可靠。同時，改造花費較少，功能及效果提升明顯，具有良好的應(yīng)用推廣價值。