基于無擾動整組快速切換的晃電治理優(yōu)化

摘 要：本文提出一種基于無擾動整組快速切換的晃電治理方法。該方法基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)平臺的無擾動整組快速切換系統(tǒng)，能夠?qū)M(jìn)線回路、聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行狀態(tài)和電壓電流等進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該方法能夠有效降低晃電幅度，提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，當(dāng)系統(tǒng)電源回路出現(xiàn)失電、短路故障時，該方法能夠在30 ms內(nèi)將故障電源切換到備用電源，減少晃電對設(shè)備的損害，提高電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性。此外，該方法還可以為電力系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計提供參考，優(yōu)化電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式。

關(guān)鍵詞：無擾動整組快速切換系統(tǒng)；晃電治理；連續(xù)供電

中圖分類號：TM 727" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

晃電是電力系統(tǒng)中常見的問題之一，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備正常工作[1]。傳統(tǒng)的晃電治理方法存在一定局限性，無法滿足快速響應(yīng)和治理的需求。因此，本文提出了一種基于無擾動整組快速切換的晃電治理優(yōu)化方法。

1 晃電治理方法及其問題

1.1 直流接觸器

在控制系統(tǒng)串入不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的情況下，使用直流接觸器的優(yōu)點(diǎn)是可以有效解決晃電問題，但是其造價較高，設(shè)備容量受限，無法大面積推廣。

1.2 零壓繼電器

零壓繼電器也稱為欠壓繼電器。當(dāng)電壓低于設(shè)定值時，繼電器不工作，以防止晃電，因此需要定期檢查和調(diào)整繼電器的設(shè)定值，以保證其正常工作。與低壓保護(hù)方法相比，這種方法的維護(hù)工作量較大，操作和管理更復(fù)雜。

1.3 專用的防晃電接觸器

專用的防晃電接觸器具有特殊設(shè)計，可以有效抵抗晃電帶來的影響。但是其控制模塊受感應(yīng)電壓影響很大。在感應(yīng)電壓較大的場合，使用這種方法可能會導(dǎo)致控制模塊受干擾，從而影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此，在感應(yīng)電壓較大的環(huán)境中不建議使用這種方法。

2 無擾動整組快速切換系統(tǒng)的優(yōu)化方案

某企業(yè)采用合凱公司研制的基于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)平臺的無擾動整組快速切換系統(tǒng)，利用快速開斷和快速識別2個核心技術(shù)，在30 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)了故障電源與備用電源間的無擾動切換，保證了企業(yè)電網(wǎng)的連續(xù)供電。

2.1 晃電治理原理

瞬時算法是上述無擾動整組快速切換系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確識別電網(wǎng)中的短路故障，在極短時間內(nèi)判斷故障類型，并發(fā)出相應(yīng)指令。因此該系統(tǒng)能迅速響應(yīng)故障，減少故障對電網(wǎng)的影響，避免電壓暫降對敏感設(shè)備的損害。此外，快速斷路器的應(yīng)用也是該系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一。快速斷路器具有響應(yīng)速度快、能迅速斷開電路的特點(diǎn)，并能在5 ms內(nèi)進(jìn)行分閘操作，從而迅速切斷故障電源。同時還能在10 ms內(nèi)進(jìn)行合閘操作，將備用電源接入電網(wǎng)，保證敏感設(shè)備能夠連續(xù)供電。即使出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也能在極短時間內(nèi)完成切換，保證企業(yè)的正常運(yùn)行。

2.2 無擾動整組快速切換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)電源故障時，切換控制器能夠迅速檢測出故障信號，并發(fā)出指令控制渦流驅(qū)動的快速開關(guān)K1、K2和K3。這些快速開關(guān)具有分閘時間＜5 ms、合閘時間＜10 ms的特點(diǎn)，能夠在極短時間內(nèi)切斷故障電源，將備用電源接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無擾動切換。一旦檢測到故障，切換控制器會立即發(fā)出指令，控制渦流驅(qū)動的快速開關(guān)K1、K2和K3進(jìn)行切換操作。除了渦流驅(qū)動的快速開關(guān)，該系統(tǒng)還包括電壓監(jiān)測PT、工作電源進(jìn)線開關(guān)k1、備用電源進(jìn)線開關(guān)k2、母聯(lián)開關(guān)k3、綜保、柜體和附件等組件。電壓監(jiān)測PT用于實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)電源的電壓變化，為切換控制器提供準(zhǔn)確的電壓信息。工作電源進(jìn)線開關(guān)k1和備用電源進(jìn)線開關(guān)k2分別用于連接系統(tǒng)的工作電源和備用電源。母聯(lián)開關(guān)k3用于控制整組的開關(guān)狀態(tài)。綜保用于對系統(tǒng)電源進(jìn)行保護(hù)。柜體和附件為系統(tǒng)提供物理支撐和輔助功能。無擾動整組快速切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)發(fā)生故障時，切換控制器會檢測工作電源系統(tǒng)的開路或短路點(diǎn)故障，并實(shí)時監(jiān)測備用電源的電壓同期性，保證備用電源符合并網(wǎng)條件。一旦備用電源的電壓同期性滿足并網(wǎng)條件，切換控制器會發(fā)出指令，命令工作電源進(jìn)線開關(guān)k1跳閘。整個切換過程需要在30 ms內(nèi)完成，以保證負(fù)荷供電的連續(xù)性。如果工作電源故障已經(jīng)解除，而備用電源仍然符合并網(wǎng)條件，切換控制器會發(fā)出指令，命令工作電源進(jìn)線開關(guān)k1合閘，并打開母聯(lián)開關(guān)k3。故障解除后，如果需要手動返回正常工作狀態(tài)，操作人員可以切換控制器進(jìn)行相應(yīng)操作，即手動合閘工作電源進(jìn)線開關(guān)k1，并打開母聯(lián)開關(guān)k3，使系統(tǒng)返回正常工作狀態(tài)。

2.3 變頻器優(yōu)化

當(dāng)外電壓不能充電時，電容的電壓降落函數(shù)是典型的指數(shù)函數(shù)。根據(jù)電容的特性，當(dāng)電容電壓開始下降時，充電速度會逐漸變降低，直到電容電壓降至一定程度時，放電速度開始增加[2]。這種充、放電過程符合指數(shù)函數(shù)的特性，即開始時下降速度較慢，隨著時間推移，下降速度逐漸增加。電容電壓U如公式（1）所示。

流母線上的電容和電感元件能夠儲存一定電能，提供一定的電壓支撐。而交流側(cè)電壓會因電網(wǎng)電壓凹陷而短暫下降，無法提供足夠電壓來驅(qū)動電流的流動。二極管是一種電子元件，具有單向?qū)щ娦再|(zhì)。當(dāng)反向電壓超過二極管的額定值時，二極管會截止，不再傳導(dǎo)電流。電容上存儲的電場能量Wc如公式（2）所示。

當(dāng)電容兩端電壓降較低水平時，表示電容中的電能已經(jīng)完全消耗，此時如果交流側(cè)電壓恢復(fù)，會對整流二極管造成沖擊，增加二極管損壞的風(fēng)險。當(dāng)交流電壓為正半周時，整流二極管導(dǎo)通，允許電流通過，從而使電容充電[3]。

2.4 敏感負(fù)載的容忍時間

開關(guān)電源是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電并供應(yīng)給各種電子設(shè)備的電源。由于開關(guān)電源對輸入電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此其容忍時間較短，一般不超過30 ms。當(dāng)輸入電壓發(fā)生異常（例如瞬時電壓波動、電壓斷電等）時，開關(guān)電源需要在30 ms內(nèi)調(diào)整輸出電壓以保持穩(wěn)定，避免對相連接的電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

靈敏低壓繼電器是一種通過控制電流或電壓進(jìn)行開關(guān)控制的電器設(shè)備，其靈敏度較高，對電壓異常的容忍時間較短，一般不超過25 ms。當(dāng)電壓出現(xiàn)異常（例如過高、過低或瞬時波動）時，靈敏低壓繼電器需要在25 ms內(nèi)做出響應(yīng)，并進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制。

靈敏低壓交流接觸器是一種控制交流電路的開關(guān)設(shè)備，通常用于控制電動機(jī)、照明設(shè)備等，其對電壓異常的容忍時間較短，一般不超過30 ms。

電動機(jī)群是指由多個電動機(jī)組成的集合體，用于驅(qū)動各種機(jī)械設(shè)備。電動機(jī)對電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此其容忍時間一般不超過30 ms。當(dāng)電動機(jī)接收的電壓出現(xiàn)異常時，電動機(jī)需要在30 ms內(nèi)適應(yīng)并調(diào)整自身的運(yùn)行狀態(tài)，以保持穩(wěn)定的輸出。

變頻設(shè)備是一種將交流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率和可調(diào)幅度的電能調(diào)節(jié)設(shè)備。由于其對電壓的穩(wěn)定性要求非常高，因此容忍時間較短，一般為20 ms～30 ms。變頻設(shè)備的高穩(wěn)定性要求源于其對電動機(jī)的精確控制需求。

3 無擾動整組快速切換系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果

在2021年6月13日03：51的這次故障中，35 kV變電站的10 kV側(cè)Ⅱ段外網(wǎng)電源發(fā)生晃電故障，導(dǎo)致Ⅱ段10 kV母線電壓急劇下降，A、B相電壓降至額定電壓的77%左右。為了應(yīng)對這一突發(fā)情況，35 kV變電站安裝了10 kV進(jìn)線位置和母聯(lián)位置的無擾動整組快速切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電壓保護(hù)設(shè)定值為8 kV。當(dāng)系統(tǒng)檢測到Ⅱ段電源電壓降至設(shè)定值以下時，無擾動整組快速切換系統(tǒng)自動切除了Ⅱ段進(jìn)線電源，并投入Ⅰ段進(jìn)線電源，以保證電網(wǎng)正常運(yùn)行。在這種情況下，Ⅰ段電源承擔(dān)了整個母線的負(fù)荷，取代了原本Ⅱ段進(jìn)線和母聯(lián)開關(guān)均為合位、Ⅰ段進(jìn)線在分位的運(yùn)行方式。整個切換過程中沒有出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，切換系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并能帶動系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷。該切換操作消除了外網(wǎng)電壓暫降對系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備的影響，系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的供電狀態(tài)，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。該整組快速切換系統(tǒng)在故障發(fā)生后發(fā)揮了重要作用，準(zhǔn)確檢測到了電壓跌落，并根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行切換操作，切除Ⅱ段進(jìn)線電源，投入Ⅰ段進(jìn)線電源，切換過程快速而穩(wěn)定，保證負(fù)荷連續(xù)供電。無擾動整組快速切換系統(tǒng)一次主接線圖如圖2所示。

3.2 現(xiàn)場故障錄波圖

在上述情況下，10 kV系統(tǒng)承載了較多敏感性負(fù)荷，整個切換過程非常平穩(wěn)，負(fù)荷得以正常運(yùn)行?，F(xiàn)場故障錄波圖如圖3所示。當(dāng)圖2中的2#進(jìn)線外網(wǎng)發(fā)生故障時，在10 kV系統(tǒng)的Ⅰ段和Ⅱ段電壓波形中，Va2、Vb2和Vc2分別代表系統(tǒng)A相、B相和C相的電壓波形。在故障期間，A相和B相的電壓波形出現(xiàn)了不同程度的凹陷，導(dǎo)致線電壓的有效值低于MS控制系統(tǒng)設(shè)定的8 kV（線電壓）。當(dāng)MS控制系統(tǒng)監(jiān)測到某段電源的電壓低于設(shè)定值時，會立即發(fā)出分合閘命令。相應(yīng)開關(guān)會快速執(zhí)行切換動作，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。這種智能監(jiān)測和自動切換的控制系統(tǒng)在面對電壓異常情況時發(fā)揮了重要作用，保證敏感性負(fù)荷能夠正常供電。由于10 kV系統(tǒng)承載了較多敏感性負(fù)荷，因此切換過程的平穩(wěn)性非常重要。在上述情況下，切換系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測到電壓凹陷，并發(fā)出相應(yīng)切換指令，開關(guān)能夠迅速響應(yīng)，并執(zhí)行切換動作，整個切換過程沒有出現(xiàn)任何異常，負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定。

故障發(fā)生后，MS系統(tǒng)立即響應(yīng)，合并Ⅰ段進(jìn)線斷路器并分開Ⅱ段進(jìn)線斷路器。該切換過程的時間只有21 ms，這樣的快速切換操作起到了至關(guān)重要的作用。準(zhǔn)確的切換操作能夠迅速將故障隔離，并將負(fù)荷切換到備用電源上，使MS系統(tǒng)能夠連續(xù)供電，并保障設(shè)備安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文研究了基于無擾動整組快速切換的晃電治理優(yōu)化方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法能夠快速切換備用電源，快速響應(yīng)和治理晃電問題，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法具有較大的潛力和價值，能夠幫助電力系統(tǒng)更好地應(yīng)對晃電問題，提高供電質(zhì)量和用戶滿意度。

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