移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)在城區(qū)配電網(wǎng)中的應(yīng)用

李 煜，劉文松

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京市江寧區(qū)供電分公司，江蘇 南京 211103；2.江蘇宏源電氣有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著國(guó)家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略加快實(shí)施，部分地區(qū)供電能力與用電需求存在一定差距，重過載現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)供電系統(tǒng)停電、電能質(zhì)量等方面也提出了更高的要求。為確保供電可靠性，國(guó)內(nèi)的配電網(wǎng)架一般采用N-1 閉環(huán)手拉手方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)一般采用開環(huán)運(yùn)行模式，當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、負(fù)荷轉(zhuǎn)移或設(shè)備檢修時(shí)，通過合環(huán)操作對(duì)負(fù)荷進(jìn)行“冷倒”或“熱倒”，用以縮短停電時(shí)間，提高供電可靠性[1]。

由于上級(jí)變電站運(yùn)行方式、主變接線方式、聯(lián)絡(luò)點(diǎn)負(fù)荷性質(zhì)等因素的影響，部分配電網(wǎng)線路即使架設(shè)了鄰近聯(lián)絡(luò)線路，也存在由于上級(jí)電源不匹配導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線路存在相位差和電壓差的問題，若此時(shí)通過“熱倒”方式進(jìn)行合環(huán)，則合環(huán)時(shí)產(chǎn)生的沖擊會(huì)影響到用戶供電質(zhì)量，波動(dòng)的電壓可能會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備損壞，甚至造成用戶停電。如杭州市存在相位角差線路共有153 條，其中35 kV 線路13 條，10 kV 線路140 條，該部分線路在進(jìn)行倒負(fù)荷操作時(shí)，會(huì)造成下送用戶短時(shí)停電，引起電能損失，降低了供電可靠性[2]。

配電網(wǎng)線路合環(huán)點(diǎn)主要有下述兩種情況。

1) 同一分區(qū)進(jìn)行合環(huán)，兩路電源來自不同的線路，其上級(jí)變電站并聯(lián)運(yùn)行。此時(shí)兩路電源的相位差及電壓差較小，一般可直接采用“熱倒”方式進(jìn)行電源切換。

2) 不同區(qū)間的線路，其上級(jí)變電站分列運(yùn)行。由于電源來自不同的上級(jí)變電站，因線路負(fù)荷性質(zhì)等因素的影響，一些合環(huán)點(diǎn)存在一定的相位差和電壓差，還會(huì)因變壓器接線方式不同存在30°的相位差。對(duì)于此情況，直接合環(huán)會(huì)造成較大的沖擊，出現(xiàn)因合環(huán)潮流過大而引起設(shè)備過載、繼電保護(hù)誤動(dòng)等現(xiàn)象的發(fā)生[3]，導(dǎo)致合環(huán)失敗、停電時(shí)間增加、停電區(qū)域擴(kuò)大等情況，因此，合環(huán)操作普遍采用“先斷后通”的“冷倒”方式，即操作過程中需短時(shí)停電，降低了供電的連續(xù)性。

1 城區(qū)配電網(wǎng)合環(huán)作業(yè)現(xiàn)狀分析

1.1 合環(huán)作業(yè)主要方法及技術(shù)

在合環(huán)操作時(shí)，合環(huán)瞬間將產(chǎn)生較大的沖擊電流，穩(wěn)定后在電網(wǎng)中可能形成較大的環(huán)流，將直接影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。判斷是否可進(jìn)行合環(huán)作業(yè)有兩種方式：一種是操作人員憑借經(jīng)驗(yàn)決定；另一種是通過計(jì)算獲得合環(huán)后的穩(wěn)態(tài)電流及暫態(tài)沖擊，從而判斷是否滿足條件，如文獻(xiàn)[4]所提出的基于選擇支路交換法配電網(wǎng)電磁合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流及暫態(tài)電流沖擊計(jì)算方法以及文獻(xiàn)[2]所提出的基于路徑搜索和戴維南等值的合環(huán)電流計(jì)算方法等，但計(jì)算方法僅能夠?qū)檄h(huán)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，選擇風(fēng)險(xiǎn)較小的合環(huán)位置及時(shí)間段進(jìn)行作業(yè)，不能從根本上降低合環(huán)沖擊的影響。

隨著電網(wǎng)公司快速合環(huán)需求的不斷增加，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了“冷倒”快切、不停電合環(huán)等新技術(shù)。前者主要采用順控方式，通過快速開關(guān)的配合在極短時(shí)間內(nèi)完成供電電源的切換來達(dá)到合環(huán)的目的，這種情況對(duì)一般的負(fù)荷來說不會(huì)產(chǎn)生較大影響，但不可避免地存在電壓跌落等電能質(zhì)量變差的情況，可能造成如電梯短時(shí)停運(yùn)，工業(yè)生產(chǎn)尤其精密加工受影響等問題。后者采用移相調(diào)壓變壓器或基于大功率電子構(gòu)成的柔性調(diào)壓調(diào)相系統(tǒng)(合環(huán)系統(tǒng))，將聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的相位和電壓差值控制在較小范圍內(nèi)，從而降低或消除合環(huán)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流，減少因合環(huán)所引起的故障及停電風(fēng)險(xiǎn)，可真正實(shí)現(xiàn)“熱倒”；另外，不同電壓等級(jí)間也可通過該方式進(jìn)行互聯(lián)、轉(zhuǎn)供。由于這些方案無需事先對(duì)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)兩側(cè)的電壓及相位進(jìn)行估算，可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻的合環(huán)轉(zhuǎn)供作業(yè)。

合環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵是調(diào)壓、調(diào)相，以滿足控制線路潮流的要求，目前存在兩種技術(shù)路線。

1) 應(yīng)用移相調(diào)壓器。通過移相調(diào)壓器內(nèi)部繞組連接組合，采用有載調(diào)壓調(diào)相開關(guān)完成電壓、相位的調(diào)整，其原理如圖1 所示。該方案的調(diào)整方式是非連續(xù)的，但由于其調(diào)整是在合環(huán)前，并不會(huì)影響合環(huán)后的供電狀態(tài)；調(diào)整間隔可控制在相位1°～4°、電壓50～100 V，能將移相調(diào)壓器兩側(cè)相角差、電壓差控制在很小范圍內(nèi)，合環(huán)后產(chǎn)生的環(huán)流及沖擊電流對(duì)系統(tǒng)影響較小。其優(yōu)勢(shì)是體積小、成本低。

圖1 移相調(diào)壓器的調(diào)壓調(diào)相原理

2) 基于大功率電力電子構(gòu)成的柔性調(diào)壓調(diào)相系統(tǒng)，其原理如圖2 所示。該方案采用AC-DCAC 的方式，通過控制回路調(diào)整送端電源輸出到受端的幅值和相位，其優(yōu)勢(shì)是可以調(diào)整到任意相位和電壓，但由于合環(huán)轉(zhuǎn)供需要的功率較大，受技術(shù)和制造成本等因素的限制，其體積是前述方案的3～5倍，成本接近前者的10 倍。因此，在滿足合環(huán)轉(zhuǎn)供需求的基礎(chǔ)上，前述方案的經(jīng)濟(jì)性更符合需求。

圖2 柔性調(diào)壓調(diào)相系統(tǒng)原理

1.2 合環(huán)作業(yè)需求分析

配電網(wǎng)一般在線路檢修、改造以及線路重載，部分負(fù)荷短時(shí)轉(zhuǎn)供時(shí)需執(zhí)行合環(huán)作業(yè)。

線路檢修、改造大部分是同電壓等級(jí)線路檢修、更換等，僅需進(jìn)行短時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移即可恢復(fù)原有運(yùn)行方式。而在線路重載，部分負(fù)荷短時(shí)轉(zhuǎn)供的情況下，合環(huán)轉(zhuǎn)供后可將合環(huán)設(shè)備兩端之間的相位、電壓調(diào)至一致，然后合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，即可將合環(huán)系統(tǒng)退出運(yùn)行；如需恢復(fù)原有運(yùn)行方式，則只需再次投入合環(huán)系統(tǒng)，斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)并進(jìn)行調(diào)壓、調(diào)相后，進(jìn)行解環(huán)操作即可。

1.3 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)的可行性及經(jīng)濟(jì)性分析

城區(qū)配電網(wǎng)的合環(huán)點(diǎn)數(shù)量多并存在一定數(shù)量的不同區(qū)域合環(huán)點(diǎn)，若選擇合環(huán)系統(tǒng)固定安裝方式，將存在單點(diǎn)投資較大、合環(huán)點(diǎn)操作頻次不高、合環(huán)系統(tǒng)利用率較低等問題，而且合環(huán)轉(zhuǎn)供一般為短期行為，因此，在實(shí)際應(yīng)用中如采用移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)將有效解決因不同分區(qū)相位差、電壓差無法直接合環(huán)的問題，有效提高合環(huán)系統(tǒng)使用頻率，避免單點(diǎn)投資大、使用頻次低等問題。

2 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用

當(dāng)前，城市配電網(wǎng)因建設(shè)時(shí)間及技術(shù)發(fā)展的差異導(dǎo)致架空線路、電纜兩種輸電方式并存，合環(huán)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)也分別存在于架空線路桿塔、開關(guān)柜和環(huán)網(wǎng)柜等不同位置。由于合環(huán)點(diǎn)在最初設(shè)計(jì)時(shí)未考慮通過合環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行輔助合環(huán)的情況，若使用移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行合環(huán)作業(yè)，則需要對(duì)合環(huán)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行改造，以便移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)開關(guān)接入(見圖3)。

圖3 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)開關(guān)接入示意

移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部接線如圖4 所示。需要合環(huán)時(shí)，合上合環(huán)系統(tǒng)兩側(cè)開關(guān)，系統(tǒng)采集聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)電壓、頻率等參數(shù)，計(jì)算相差和壓差并進(jìn)行調(diào)壓、調(diào)相操作，使兩側(cè)壓差及頻差達(dá)到合環(huán)要求后，按次序合上合環(huán)系統(tǒng)開關(guān)完成合環(huán)，此時(shí)跳開需要斷電的開關(guān)即可完成負(fù)荷轉(zhuǎn)供作業(yè)。

圖4 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部接線

如上所述，若采用移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行合環(huán)，首先需要在線路合環(huán)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)預(yù)先安裝合環(huán)系統(tǒng)接入接口?？紤]到移動(dòng)裝置以及作業(yè)的便捷性，接口要求具備快速連接、熱插拔特性，以便快速接入并完成合環(huán)作業(yè)。此外，為了提高接口匹配的通用性、復(fù)用性，可與應(yīng)急電源接口共用，避免重復(fù)投資。通過這些改造，在合環(huán)作業(yè)時(shí)，打開應(yīng)急電源接口，接入與移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)的相連電纜插頭即可投入運(yùn)行。桿塔上的改造相對(duì)簡(jiǎn)單，而開關(guān)柜及環(huán)網(wǎng)單元?jiǎng)t需增加2 組合環(huán)和應(yīng)急電源接口間隔，以適應(yīng)新的供電需求，間隔接線如圖5 所示。接口間隔由應(yīng)急電源接口、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等構(gòu)成。未使用時(shí)，隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)，應(yīng)急電源接口不帶電；進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，兩側(cè)電源的應(yīng)急電源接口分別接入合環(huán)系統(tǒng)，即可進(jìn)行后續(xù)操作。

圖5 接口間隔單元接線

3 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)的需求及設(shè)計(jì)

由于移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)需要應(yīng)對(duì)各類應(yīng)用場(chǎng)景，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮下述原則。

1) 小型化、模塊化。配電網(wǎng)合環(huán)系統(tǒng)因設(shè)計(jì)容量原因，體積一般較大，而現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，因應(yīng)考慮小型化、緊湊型設(shè)計(jì)；此外，城區(qū)合環(huán)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)分布較散，移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)還需考慮車載因素，若重量和體積過大，對(duì)車輛的尺寸和載重均有較高的要求，無法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，因此，還需考慮分體模塊化設(shè)計(jì)。

2) 便捷操作。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求操作快速，若作業(yè)時(shí)就地再搭建復(fù)雜的合環(huán)系統(tǒng)將會(huì)增加作業(yè)時(shí)間及人員負(fù)擔(dān)，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)組裝、實(shí)施的便捷性。

3) 自動(dòng)化控制。通過自動(dòng)化控制可降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)難度以及人為誤操作引起的安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，為防范系統(tǒng)內(nèi)部故障，還需考慮對(duì)合環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保系統(tǒng)可靠性。

4) 安全可靠性。移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)需在不同的區(qū)域完成合環(huán)作業(yè)，操作頻繁，且存在因車載顛簸、裝卸引起內(nèi)部連接松動(dòng)、損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，除了在作業(yè)前進(jìn)行必要的確認(rèn)檢查外，還要求設(shè)計(jì)時(shí)考慮系統(tǒng)連接的可靠性，以免內(nèi)部故障造成合環(huán)過程中出現(xiàn)事故。

3.2 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)控制要求及策略

1) 系統(tǒng)應(yīng)操作便捷、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)不同場(chǎng)景。

2) 支持就地、遠(yuǎn)方兩種操作方式，支持標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，提供遠(yuǎn)方“三遙”操作。

3) 系統(tǒng)自身應(yīng)具備必要的保護(hù)功能，防止因內(nèi)部元件故障引起線路故障；系統(tǒng)還應(yīng)提供合環(huán)條件不滿足時(shí)的同期檢查功能，以便進(jìn)行同期合閘閉鎖防止因無操作導(dǎo)致合環(huán)失敗；另外還需考慮合環(huán)沖擊過流保護(hù)等方面的措施，防止線路誤跳。

3.3 移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)整體方案

1) 系統(tǒng)構(gòu)成。移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)由移相調(diào)壓器、調(diào)壓控制系統(tǒng)、調(diào)相控制系統(tǒng)、總控裝置、饋線終端、電壓互感器、斷路器、應(yīng)急電源接口等設(shè)備構(gòu)成?？紤]到移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，基于電磁原理的移相調(diào)壓器調(diào)整裝置采用有載調(diào)壓模塊，以適應(yīng)合環(huán)后的電壓、相位調(diào)整需求。

2) 模塊構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化和工器具化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)各部分采用模塊化集成方式，主要包括移相調(diào)壓器、裝置柜以及電纜柜三個(gè)模塊。

3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)采用緊湊型設(shè)計(jì)，總控裝置、調(diào)壓控制系統(tǒng)、調(diào)相控制系統(tǒng)、饋線終端分別掛接在移相調(diào)壓器兩側(cè)，斷路器、PT、避雷器以及應(yīng)急電源接口等設(shè)備集成在同一個(gè)裝置柜中，接地線、電纜和電纜盤集成在電纜柜中。

4) 控制方案。移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)總控裝置與饋線終端、調(diào)壓控制系統(tǒng)、調(diào)相控制系統(tǒng)通過RS 485接口進(jìn)行通信；饋線終端通過PT 對(duì)兩側(cè)線路電壓的相位差和電壓差進(jìn)行檢測(cè)，并將相位差和電壓差信號(hào)發(fā)送給總控裝置；總控裝置根據(jù)檢測(cè)到的相位差和電壓差，控制調(diào)壓和調(diào)相控制系統(tǒng)進(jìn)行相位和電壓調(diào)整，直至相位差和電壓差滿足合環(huán)條件，總控裝置再通過饋線終端給斷路器發(fā)送合閘指令，實(shí)現(xiàn)線路合環(huán)運(yùn)行。

5) 保護(hù)方案。移相調(diào)壓器兩側(cè)饋線終端具備三段過流保護(hù)功能，三段過流保護(hù)定值小于兩側(cè)主干線路、分支線路的保護(hù)定值；移相調(diào)壓器自身配備本體非電量保護(hù)，在出現(xiàn)合閘勵(lì)磁涌流、沖擊電流過大或短路故障時(shí)，饋線終端啟動(dòng)保護(hù)功能，當(dāng)移相調(diào)壓器出現(xiàn)溫度、壓力或瓦斯事件時(shí)，兩側(cè)開關(guān)將自動(dòng)斷開以保護(hù)兩側(cè)線路電流，避免因合環(huán)操作對(duì)兩側(cè)線路的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

6) 操作流程。移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)具備自動(dòng)和手動(dòng)操作模式。自動(dòng)操作時(shí)，可將工作模式切換至自動(dòng)模式，總控裝置將根據(jù)相位差、電壓差自動(dòng)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)相系統(tǒng)的升檔、降檔以及開關(guān)的分合操作；手動(dòng)操作主要用于合環(huán)點(diǎn)相位差或電壓差超出系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍時(shí)，通過人工判斷進(jìn)行合環(huán)操作。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施要求

采用移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)較之前的合環(huán)作業(yè)流程發(fā)生了較大變化，因此，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)實(shí)際情況制定移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)的作業(yè)指導(dǎo)規(guī)范，并嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，降低安全風(fēng)險(xiǎn)；現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)前還需準(zhǔn)備好必要的應(yīng)急預(yù)案，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以按照預(yù)案有序處置。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)合環(huán)作業(yè)操作過程提出移動(dòng)合環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用方案。該方案基于柔性移相調(diào)壓和智能控制技術(shù)，綜合了相位差、電壓差柔性調(diào)節(jié)和合環(huán)操作自動(dòng)控制策略，能夠主動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行方式和線路負(fù)荷的變化，消除或減小聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)電壓差、相位差，降低合環(huán)時(shí)產(chǎn)生的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了“熱倒”操作。在城區(qū)配電網(wǎng)中，通過對(duì)合環(huán)點(diǎn)線路或者環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行改造，即可靈活快捷地進(jìn)行合環(huán)操作。整套系統(tǒng)具備設(shè)計(jì)緊湊、造價(jià)低、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，可批量應(yīng)用于不停電合環(huán)轉(zhuǎn)供、線路容量互濟(jì)等場(chǎng)景，對(duì)提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義。