基于移動(dòng)式低壓智能快切電源箱的分析及應(yīng)用

國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司 馬 婷

在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的背景下，相關(guān)的生產(chǎn)生活對(duì)于電力供應(yīng)的需求顯著提升，而既往電力體系之中，架構(gòu)薄弱的配電網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致了社會(huì)各項(xiàng)活動(dòng)供電穩(wěn)定性差的問題廣泛存在，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展形成了阻礙，特別是重要的會(huì)議、盛大的慶典、應(yīng)急救災(zāi)等需要連續(xù)供電的場所，供電可靠性和連續(xù)性更是重中之重[1-2]。

當(dāng)前，我國配電網(wǎng)絡(luò)在整體負(fù)荷方面顯著增加，同時(shí)相關(guān)系統(tǒng)的具體功能及形態(tài)等也相較于以往其他時(shí)期出現(xiàn)了變化。在支撐能源互聯(lián)網(wǎng)智能化和互動(dòng)化發(fā)展的方面，現(xiàn)階段我國的配電網(wǎng)絡(luò)主要呈現(xiàn)出感知空白、終端采集覆蓋不足和實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等特征，而在市場機(jī)制方面，現(xiàn)階段配電網(wǎng)絡(luò)則表現(xiàn)出市場封閉性強(qiáng)，導(dǎo)致新業(yè)務(wù)形態(tài)無法有效形成等問題。此外，從電力監(jiān)管角度來看，我國的電力監(jiān)管整體分散程度較高，且由于這種分散狀況，導(dǎo)致了配電網(wǎng)絡(luò)和末端供電改革難以持續(xù)推進(jìn)?；谶@些問題，當(dāng)前我國配電網(wǎng)必須朝向全面可控的現(xiàn)代配電網(wǎng)方向轉(zhuǎn)變，同時(shí)發(fā)展目標(biāo)也需要在傳統(tǒng)的，對(duì)用戶需求進(jìn)行全覆蓋基礎(chǔ)上，形成高效、優(yōu)質(zhì)、可靠的綠色智能供電模式。

本文以實(shí)現(xiàn)低壓電源智能快速切換為切入點(diǎn)，通過探索無感供電切換、智能監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)視的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單電源設(shè)備雙電源切換時(shí)，高延時(shí)中斷或手動(dòng)切換向低延時(shí)無感自動(dòng)切換的轉(zhuǎn)變，對(duì)這一成果，本次研究采取了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和現(xiàn)場環(huán)境的多次測試，對(duì)于當(dāng)前相關(guān)的重要負(fù)荷電源設(shè)備在應(yīng)用過程中得以實(shí)現(xiàn)雙路不間斷供電具有參考價(jià)值。

1 低壓電源供電現(xiàn)狀及需求

1.1 低壓電源供電現(xiàn)狀

1.1.1 配電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱

配電網(wǎng)在建設(shè)前，缺乏城市規(guī)劃數(shù)據(jù)，加之當(dāng)時(shí)規(guī)劃水平有限，城市配電網(wǎng)供電設(shè)置沒有得到較合理的分配，同時(shí)電網(wǎng)一直存在著“重輸輕配”的傾向，特別是對(duì)配電網(wǎng)末端的關(guān)注不夠，更無法實(shí)現(xiàn)供電智能切換，導(dǎo)致了許多供電薄弱的地區(qū)及環(huán)節(jié)。

1.1.2 配電網(wǎng)供電可靠性低

部分城市配電網(wǎng)運(yùn)行方式缺少靈活性，單電源、單輻射供電居多，缺乏環(huán)網(wǎng)線路，不能實(shí)現(xiàn)線路單側(cè)電源多分段多聯(lián)絡(luò)或雙側(cè)電源多分段單聯(lián)絡(luò)，供電可靠性差，特別是在迎峰度夏、迎峰度冬時(shí)情況，需要大量的保電工作，而每次保電需出動(dòng)多輛應(yīng)急電源車，工作量急劇增加，保電難度大。

1.1.3 配電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理水平弱

配電網(wǎng)業(yè)務(wù)管理點(diǎn)多面廣，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)收集流程煩瑣，處理效率低，準(zhǔn)確性差有待商榷。

1.1.4 設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)視能力弱

配電設(shè)備運(yùn)行期間，難以實(shí)時(shí)監(jiān)視周邊環(huán)境，難以確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 功能需求分析

為解決以上問題，通過對(duì)各種不同雙電源保障方式開展論證，不斷迭代更新設(shè)計(jì)，經(jīng)過二十余次討論論證，本文提出一種基于移動(dòng)式低壓智能快切電源箱的解決方案，最終探索出以電源智能切換單元為基礎(chǔ)的智能快切電源箱，實(shí)現(xiàn)了單電源設(shè)備雙電源供電時(shí)，由高延時(shí)或手動(dòng)的切換方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈脱訒r(shí)無感切換，并通過多次性能驗(yàn)證測試證實(shí)了其可靠性，對(duì)于重要場所、重要活動(dòng)及會(huì)議單電源設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙路不間斷供電具有重要的實(shí)踐意義。

2 智能低壓配電箱設(shè)計(jì)

根據(jù)雙電源無感切換、智能配電自動(dòng)化、遠(yuǎn)程監(jiān)視、使用場景及實(shí)際工作需要，智能電壓配電箱主要由智能斷路器單元、電源智能切換單元、低壓智能監(jiān)控終端單元、電纜快插單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元等5大功能模塊組成，系統(tǒng)功能單元如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能單元

2.1 智能斷路器單元

智能斷路器單元由兩臺(tái)智能斷路器組成，具有以下功能：一是采用電子式電流脫扣器，保護(hù)精度高；二是具有可調(diào)電流、電壓、短路、缺相、漏電流等保護(hù)功能，并可同下級(jí)斷路器配合實(shí)現(xiàn)分級(jí)保護(hù)；三是實(shí)時(shí)監(jiān)測、保護(hù)定值在線設(shè)置修改、跳閘類型識(shí)別；四是專用雙模通信模塊，滿足遙信、遙測、遙控、遙調(diào)功能；五是與低壓配電自動(dòng)化系統(tǒng)無縫銜接，滿足智能配電網(wǎng)要求；六是125A、250A、400A、630A等多種電流等級(jí)可選。

2.2 電源智能切換單元

電源智能切換單元是集可編程功能、自動(dòng)化測量、液晶顯示、數(shù)字通訊于一體的智能化雙電源切換模塊。其專門為解決一、二級(jí)負(fù)荷的連續(xù)供電而研制，該設(shè)備能夠防止備用電源電壓與母線殘壓在相交、頻率存在較大差異的情況下而進(jìn)行合閘操作時(shí)，產(chǎn)生對(duì)負(fù)荷的沖擊。即便出現(xiàn)快速切換未成功的問題，相關(guān)設(shè)備也能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)為同期判別，或判殘壓及長延時(shí)的慢速切換，在這種方式之下可有效確保切換的可靠性。當(dāng)電源智能切換單元在母線中斷，將同時(shí)發(fā)出斷路器的分、合閘指令，同時(shí)合備用電源，系統(tǒng)實(shí)際無流時(shí)間為斷路器合、分閘時(shí)間差，一般不超過15ms，切換全過程也不超過100ms。

2.3 智能低壓監(jiān)控單元

監(jiān)控功能主要由智能低壓監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)，具有以下功能：一是集中抄集業(yè)務(wù)。模擬量、開關(guān)量采集；電能量信息采集；無線抄表，遠(yuǎn)程控制智能斷路器合/分；數(shù)據(jù)可視化，隨時(shí)調(diào)閱；二是配電業(yè)務(wù)功能。遙測、遙信、遙控；保護(hù)功能與故障判別、處理；故障及告警信息記錄；保護(hù)定值遠(yuǎn)程管理；三是通信功能。兩路以太網(wǎng)通信；GPRS無線通信，并通過專網(wǎng)接入配網(wǎng)主站。

2.4 電纜插件單元

電纜插件單元由13個(gè)低壓單芯電纜自鎖定快速拔插式底座組成，方便安裝及拆卸，20min即可完成保電箱接入現(xiàn)場。

2.5 視頻監(jiān)控單元

箱體上部安裝無線高清攝像機(jī)，在保電箱工作過程中提供連續(xù)、流暢、高清晰、高保真的視頻和語音通訊。并可通過APP實(shí)現(xiàn)簡潔、高效、易用的數(shù)據(jù)功能，支持共享圖片、短視頻、斷網(wǎng)回看、視頻廣播等功能，實(shí)現(xiàn)電力保障現(xiàn)場可聽、可見、可現(xiàn)場指揮、可回溯觀看的需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及效果

移動(dòng)式低壓智能快切電源箱供電技術(shù)經(jīng)過設(shè)備選型、組裝、配線、實(shí)驗(yàn)室性能測試、現(xiàn)場性能測試五個(gè)階段，通過模擬電燈泡、電動(dòng)機(jī)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控等不同負(fù)荷，在實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場試驗(yàn)一段時(shí)間后，能極大地保障不同負(fù)荷連續(xù)性供電的可靠性，實(shí)驗(yàn)室測試采用兩路市電的切換方式，現(xiàn)場測試采用市電+發(fā)電車電源的切換方式。

3.1 供電可靠性測試及結(jié)果

3.1.1 實(shí)驗(yàn)室測試

以電燈泡、計(jì)算機(jī)監(jiān)控為負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)，拆除以上測試負(fù)載上市電電源接線，重新連接至低壓智能快切電源箱，同時(shí)低壓智能快切電源箱接入另一路市電。

可用性：負(fù)載測試。在本次測試展開階段，首先以電燈泡來完成相關(guān)測試。在對(duì)相關(guān)的配線進(jìn)行完善之后，以兩路工頻交流電來實(shí)施切換，從結(jié)果上來看，相關(guān)的設(shè)備在測試之中可以完成自動(dòng)切換過程，同時(shí)期間電燈泡偶爾有瞬間閃爍現(xiàn)象，證明了電源箱可用性。可靠性：兩路電源相互切換。在完成上述測試之后，將負(fù)載側(cè)接入到計(jì)算機(jī)監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)以兩路工頻交流電來實(shí)施切換過程，從結(jié)果來看，智能電源箱可以實(shí)現(xiàn)快速切換，且相關(guān)過程中監(jiān)控主機(jī)的整體情況較為正常，證明了電源箱可靠性。

3.1.2 現(xiàn)場測試

以電燈泡、計(jì)算機(jī)監(jiān)控和電動(dòng)機(jī)為負(fù)載設(shè)計(jì)目標(biāo)，拆除測試廠房配電箱市電電源接線，將測試廠房總配電箱市電改接入智能快切電源箱，同時(shí)低壓智能快切電源箱接入一路發(fā)電車電源。試驗(yàn)表明，低壓智能快切電源箱可實(shí)現(xiàn)快速切換，切換時(shí)延、壓降滿足要求，切換過程中，由動(dòng)力配電箱供電的電燈泡、計(jì)算機(jī)監(jiān)控和電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷均正常運(yùn)行，智能快切電源箱實(shí)現(xiàn)了供電可靠性和連續(xù)性。

在實(shí)際測量中，經(jīng)過三個(gè)月可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，供電可靠性為100%（詳見表1）。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 供電性能測試及結(jié)果

3.2.1 切換時(shí)間測試

智能快切電源箱經(jīng)過以上供電可靠性測試后，采用智能電源監(jiān)測裝置進(jìn)行電力波形的實(shí)時(shí)監(jiān)測：一路電源中斷切換到另一路電源供電的緊急情況下，通過供電切換波形記錄，切換時(shí)間由常規(guī)所需的2.5～3.0s的切換時(shí)間縮短至40～60ms，完全滿足低延時(shí)無感切換的要求。切換時(shí)間測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 切換時(shí)間測試結(jié)果

由以上分析結(jié)果可知，應(yīng)用低壓智能快切電源箱前，單電源供電只能依靠配電網(wǎng)線路的重合閘實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電的過程中，電力波形中斷，甚至重合失敗供電無輸出，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、不間斷供電；應(yīng)用低壓智能快切電源箱后，單電源設(shè)備雙電源供電時(shí)，在快速切換中，電力波形偶出現(xiàn)抖動(dòng)，供電持續(xù)輸出，電燈泡、電動(dòng)機(jī)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控等負(fù)荷均在切換中正常運(yùn)行。由此證明，低壓單電源設(shè)備雙路供電無感切換高效地保證了負(fù)荷供電的連續(xù)性與可靠性。

3.2.2 電壓降測試

應(yīng)用低壓智能快切電源箱實(shí)現(xiàn)雙路供電電源切換后，相關(guān)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)要求電壓需要控制在180～250V，最大允許電壓降達(dá)-18.2%～13.6%，在本次研究之中，依托對(duì)相關(guān)供電切換波形記錄可以了解到實(shí)際最大壓降低為18.1%，這一數(shù)值能夠滿足現(xiàn)階段相關(guān)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電壓降測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓降測試結(jié)果

由以上分析結(jié)果可知，應(yīng)用低壓智能快切電源箱后，有效地保障了供電效果。

4 結(jié)論

本次研究之中雙路電源切換的主要措施是，依托現(xiàn)有的單電源供電設(shè)備，以及低壓智能快切電源箱來完成，相關(guān)過程中需要完成對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的合理選型、組裝、配線等，并依托對(duì)設(shè)備和技術(shù)的測試，完成對(duì)電源智能切換單元的設(shè)計(jì)與研發(fā)，通過測試結(jié)果可以了解到，這一技術(shù)成果能夠比較有效地保障供電的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)配置的智能監(jiān)控終端、視頻監(jiān)控提供了強(qiáng)有力的支撐，填補(bǔ)了配電網(wǎng)最末端供電可靠性差的空白，低壓智能快切電源箱適用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)工程擴(kuò)展性。