低压不停电作业方案及其优化策略

李俊林，张晏玉，刘 晓，林劝立，张 旭

（广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510620）

0 引言

随着人民生活水平的日益提高，为满足人民追求美好生活的电力需求，供电企业越来越重视用户的用电体验，并逐渐向能源服务提供商转型。电力的商品属性愈发凸显，提高供电可靠性和保障用户享受优质电力服务成为供电企业健康发展的必备条件［1］。由于历史原因，配电网的发展水平尚低，网架、设备、运行维护水平都难以适应当前经济社会的发展要求。正因如此，配电网的建设力度持续增加，由此带来的停电需求和用户用电体验的矛盾难以调和，对供电企业提出了更高要求。

粗放的建设模式不符合当前以用户为中心的服务理念。因此，不停电作业手段作为一种减少停电时间的手段被推广引入配电网基建、迁改、检修、试验等项目中。其中，在中压配电网领域，通常采取开环运行方式。得益于闭环设计的网架，通过向联络馈线转移负荷，在经历短时停电后用户恢复供电。在此基础上，中压转供电经历了从“能转电必转电”到“能合环必合环”的过程。合环转电已经被广泛应用到配电网运行管理当中，这种转电方式消除了停电间隙，但是也带来一定程度上的配电网运行风险。合环会引发电网运行的暂稳态变化，产生暂稳态合环电流，并受合环时刻的全网潮流分布、网络参数影响。当前控制合环转电风险的手段是在实施合环转电前进行合环电流仿真计算，作为预测和评判风险的依据［2］。当负荷变化较快时，上述方式存在一定判断偏差，实际操作时可能不具备合环转电条件。若欠缺对风险评估的经验，则可能导致合环电流过大，将引起线路或设备过载、保护装置误动作、电磁环网引发事故扩大等风险［3-4］。

为了定量把控合环风险大小，文献［5-7］提出建立合环过程涉及的电网等值模型，开展潮流分析，进而评估合环风险。然而，即使可以精确把握风险，也仅是在合环前判定环流大小是否在可控范围内，环流始终存在。当判断合环风险较大时，合环转电操作无法实施。

低压配电网直接面向用户，在中压配电网普遍建立典型接线的基础上，在变压器低压出线侧建立联络成为趋势［8］。常规低压联络同样无法避免中压转供过程中面临的用户短时停电问题。由于低压用户位于整个电网的末端，相对于中压联络而言，低压联络更具灵活性和可操作性，电源转供的实现过程更加方便、快捷。

因此，在低压联络概念的基础上，采用电力电子技术［9-10］，设计一种低压无缝合环转电装置，并提出配电网低压联络无缝合环转电方案及其运行维护新策略，进一步实现低压转供过程中用户连续供电。

1 常规低压不停电作业方案

1.1 低压转供

配电变压器常见的低压出线形式有经隔离开关出线和经低压柜出线，如图1所示。

图1 配电变压器出线形式

典型的低压转供方案如表1 所示。在确定低压转供方案时，需要根据待停电台区的低压出线形式、分路出线现状、台区负载率，选择临近合适的供电点。

表1 典型场景的低压不停电作业方案

1）当供电点具备低压柜备用分路开关的条件时，可从该分路开关敷设临时联络电缆至待停电台区。待停电台区不具备联络电缆直接接入条件时，将原有低压出线在配电变压器低压侧解口并驳接连通联络电缆。接线方式参见方案1—方案3。

2）当供电点低压柜无备用分路开关或采用隔离开关出线时，在配电变压器低压侧新敷出线和隔离开关。从该新敷隔离开关处敷设临时联络电缆至停电台区。待停电台区不具备联络电缆直接接入条件时，同1）所述。接线方式参见方案4—方案6。

当供电点具备低压柜备用分路开关条件时，供电点台区用户在转供过程中不受影响，受电台区短时停电后恢复供电，恢复运行方式时受电台区用户再次感知停电。当供电点需要新敷出线和隔离开关时，供电点台区用户短时停电，额外增加用户感知停电次数。因此，常规不停电作业方案增加停电次数，不利于提升用户用电体验。

1.2 低压合环转电

基于上述常规低压转供方案，在台区之间设置联络开关，可实施具备保护功能的低压合环转电，如图2所示。

图2 低压合环转电原理

以上级电源相同的配电变压器低压合环转电为例，分析合环的暂稳态过程，如图3所示。设Z12为联络开关处的阻抗，I12为流经联络开关的电流，U1、U2分别为两台变压器低压侧电压，ZT1、ZT2分别为两台变压器的短路阻抗，I1、I2为负荷电流。其两端闭式网络功率分布如图4所示。

图3 同一10 kV馈线条件下配电变压器低压合环转电模型

图4 同一10 kV馈线条件下配电变压器低压合环转电模型闭式网络功率分布

稳态下，流过联络点的电流为

设总的回路阻抗为R+jωL，变压器低压侧电压的相角分别为θ1、θ2，则时域下的表达式为

合环电流的表达式为

合环后，合环回路的功率重新分布，并遵守闭式网络功率分布规律。合环电流受联络点两侧电压影响，同时受合环时机的影响。因此，若可以调节联络点两侧电压的幅值、相位，并掌握合环时机，可以有效降低合环的暂稳态电流。

2 无缝合环转电方案

设计一种无缝合环转电装置，抑制、消除低压合环转电时的环流，避免因合环时变压器并列条件差造成变压器过载、烧毁熔断器等情况，降低低压转电操作对运行维护人员素质的要求，从而提高低压转电的可行性，进一步提升配电网的供电可靠性。

2.1 无缝合环转电装置

配电网低压无缝合环转电装置的拓扑结构如图5 所示，包括2 组串联电压补偿器（Series Voltage Compensator，SVC）、1 台并联电压变换器（Parallel Voltage Converter，PVC）、2 组转换开关。SVC 按照逐相补偿的原则设计，每一相包括串联耦合变压器、单相电压源型变换器；PVC 包括并联变压器、三相电压源型变换器。

2.2 无缝合环转电的原理

采用无缝合环转电方案后，配电变压器的低压侧输出电压不再直接作为台区的首端电压，而是经过无缝合环转电装置补偿后向台区负荷输出。

台区首端电压经PVC的并联变压器降压后输出为Ush，经过PVC 的三相电压源型变换器调制，得到直流电压Udc。PVC 为SVC 提供直流电压，两者共同调控保证直流电压稳定。SVC 根据指令调制输出电压，与系统电压耦合，实现线路电压的相移控制，达到补偿原有线路电压的目的。有功功率在PVC 和SVC 之间流动，可以经由PVC 从系统中流入，经由直流电容往SVC 方向流动并最终注入系统，根据运行需求，有功功率可双向流动。对于无功功率而言，PVC 和SVC 可各自在电容与系统之间交换，起到无功功率就地补偿的作用。

图5 无缝合环转电装置结构

2.2.1 PVC的原理设计

待开展低压转供的两个台区，其配电变压器容量、负载率不同，即对无缝合环转电装置的容量提出不同要求。为了提高无缝合环转电装置的适应性，按照移动式、模块化的设计思路，一方面对PVC的并联变压器优化设计，减小其体积；另一方面，如图6所示，PVC 的三相电压源型变压器按照多级并联结构设计，在实施低压转供的现场快速匹配并联级数。通过以上设计，无缝合环转电装置可分体运输、模块化组装，实现该装置的现场快速部署。当多个三相电压源型变换器并联运行时，其输入电流谐波含量将进一步降低。

2.2.2 SVC的原理设计

对于实施低压转供而言，无缝合环转电装置包含2 组SVC、6 组单相电压源型变换器，SVC、PVC 采用共母线的拓扑结构，所有单相电压源型变换器的直流输入侧均并联在一起。每组单相电压源型变换器根据指令调制交流侧输出电压，通过串联耦合变压器向台区线路各相电压注入Use，逐相独立补偿。对6 组单相电压源型变换器统筹控制，采集两个台区的系统电压，逐相分析电压的幅值、相位，按照幅值、相位差异均方值最小的原则，生成最优补偿后系统电压向量值。在该控制策略调控下，可以最大程度降低对无缝合环转电装置容量资源的要求，提高装置性能设计的效用。

图6 三相电压源型变换器结构

图7 为SVC 中单相电压源型变换器的结构，采用多级并联结构，提高通流能力。当多个单相电压源型变换器并联运行时，可以进一步减少输出电压的谐波含量，确保输出电压的电压质量。

图7 单相电压源型变换器结构

3 配电网低压联络架构

配电网低压联络须把不同变压器副方和低压柜母线引出并设置联络点，现实中低压母线一般来自不同配电变压器的低压侧。配电变压器的地理位置决定了低压联络架构形式。

低压联络点由无缝合环转电装置构成，避免合环时多台变压器并列运行，消除常规合环不可控的环流电流，确保负荷平滑地切换。

3.1 面向临近配电变压器的架构

含两台配电变压器的配电房、相邻的配电房均满足配电变压器临近的条件，可直接建立低压联络，形成永久接线方式。

相邻配电房建立低压联络的方式如图8 所示，D1、D2 分别为1 号变压器、2 号变压器对应的低压柜，从变压器副方、低压柜母排引出线并利用已有或新建电缆沟接入无缝合环转电装置。

图8 相邻配电房低压联络架构

3.2 面向孤立配电变压器的架构

对于与其他配电房相距较远的配电变压器，可认为孤立配电变压器，不宜直接建立低压联络。无缝合环转电装置考虑在接入本地变压器低压柜引出线后，为移动发电车或其他孤立配电变压器预留接口位置。

按照该模式，可实现移动发电车或其他孤立配电变压器快速接入功能。后续可根据现场实际需求，选择不同规格的移动发电车提供第二路电源，也可通过预留接口临时敷设低压电缆就近与合适的台区建立低压联络。该架构可减少大规模的低压线投资浪费，避免低压联络线被盗，避免复杂条件下建立永久低压联络的资源开销。

孤立配电变压器间接建立低压联络时，对属地低压供电区域按照网格划分，每一网格内低压台区构成一组低压联络架构成员，各成员差异化地配置无缝合环转电装置或常规低压联络箱，以常规低压联络箱为主，关键节点配置无缝合环转电装置，降低低压联络构建成本。

4 运行维护策略

通过实施低压无缝合环转电方案，在常规低压联络功能的基础上，进一步实现低压转供过程中对用户连续供电。常规低压联络方案在为用户调整电源时，切换操作要避免电源并列运行，因而低压转供顺序是待退出电源先停电，检查该线路无电压后合上联络开关，失压用户恢复供电。可见，常规低压联络方案的运维策略无法适应用户连续供电的要求，低压无缝合环转电方案需要配合应用运维新策略。

4.1 临近配电变压器场景下的低压联络运维策略

含两台变压器的配电房以及相邻配电房按照如图9 所示方式直接建立低压联络，正常工况下低压柜D1、低压柜D2的负荷由1号变压器、2号变压器分别供电，开关QF1、QF2合上，BK1、BK2断开。

图9 临近配电变压器低压联络架构

当1 号变压器须退出运行时，启动无缝合环转电装置，闭合BK2，直流侧充电，SVC 向台区线路电压注入补偿电压Use1、Use2，经过该装置的调制，1号变压器低压侧输出Ur1，2 号变压器低压侧输出Ur2，且Ur1和Ur2幅值、相位将趋向一致。检测到Ur1和Ur2幅值、相位差异大小降至阈值（根据不同的变压器即网络参数进行设定）后，闭合BK1，合环过程平稳进行，逐渐减小1号变压器出力、增大2号变压器出力。断开1 号变压器上级开关，1 号变压器退出运行。2 号变压器退出运行的过程亦然。临近配电变压器低压联络运维流程如图10所示。

低压转供完成前，低压柜D1、D2 的负荷由1 号和2 号变压器分别供电。开关BK1、BK2 依次合上后，供电方式不变。t1时刻，断开BK1，1 号变压器退出运行，2 号变压器转供1 号变压器负荷，负荷调整的过程如图11所示。

4.2 孤立配电变压器场景下的低压联络运维策略

孤立配电变压器按照如图12 所示方式间接建立低压联络，正常工况下低压柜D的负荷由1号变压器供电，开关QF1合上，BK1、BK2断开。

1号变压器退出运行前，从另一孤立配电变压器常规低压联络箱预留接口敷设临时联络电缆接入本地预留接口，或者调配移动发电车接入预留接口。接入电源就绪后，合上对侧低压柜低压分支开关或启动移动发电车，使本地低压联络箱预留接口处US2带电，后续步骤与临近配电变压器场景下的低压联络运维策略一致，如图13所示。

图10 临近配电变压器低压联络运维流程

图11 临近配电变压器场景下转供过程负荷变化

图12 孤立配电变压器低压联络架构

图13 孤立配电变压器低压联络运维流程

低压转供完成前，低压柜D的负荷由1号变压器供电。开关BK1、BK2 依次合上后，供电方式不变。t1时刻，断开BK1，1 号变压器退出运行，接入电源转供1号变压器负荷，负荷调整的过程如图14所示。

图14 孤立配电变压器场景下转供过程负荷变化

5 结语

提出配电网低压联络无缝合环转电方案，按照不同场景对含两台配电变压器的配电房、临近配电房、孤立配电房等讨论了联络建立方式。提出了无缝合环转电装置的拓扑结构，包括PVC、SVC，接入变压器低压侧和低压总开关之间，按照不同电源侧电压相向补偿的控制策略使得调节后电压幅值、相位一致，实现无缝合环转电功能。同时提出了低压联络无缝合环转电运维策略，明确了操作的顺序，保证对用户的连续供电，提升用户用电体验。