李 煜，刘文松

(1.国网江苏省电力有限公司南京市江宁区供电分公司，江苏 南京 211103；2.江苏宏源电气有限责任公司，江苏 南京 211103)

0 引言

随着国家区域协调发展战略加快实施，部分地区供电能力与用电需求存在一定差距，重过载现象严重，同时新型电力系统的构建对供电系统停电、电能质量等方面也提出了更高的要求。为确保供电可靠性，国内的配电网架一般采用N-1 闭环手拉手方式进行设计，但在实际运行时一般采用开环运行模式，当进行网络重构、负荷转移或设备检修时，通过合环操作对负荷进行“冷倒”或“热倒”，用以缩短停电时间，提高供电可靠性[1]。

由于上级变电站运行方式、主变接线方式、联络点负荷性质等因素的影响，部分配电网线路即使架设了邻近联络线路，也存在由于上级电源不匹配导致联络线路存在相位差和电压差的问题，若此时通过“热倒”方式进行合环，则合环时产生的冲击会影响到用户供电质量，波动的电压可能会导致用电设备损坏，甚至造成用户停电。如杭州市存在相位角差线路共有153 条，其中35 kV 线路13 条，10 kV 线路140 条，该部分线路在进行倒负荷操作时，会造成下送用户短时停电，引起电能损失，降低了供电可靠性[2]。

配电网线路合环点主要有下述两种情况。

1) 同一分区进行合环，两路电源来自不同的线路，其上级变电站并联运行。此时两路电源的相位差及电压差较小，一般可直接采用“热倒”方式进行电源切换。

2) 不同区间的线路，其上级变电站分列运行。由于电源来自不同的上级变电站，因线路负荷性质等因素的影响，一些合环点存在一定的相位差和电压差，还会因变压器接线方式不同存在30°的相位差。对于此情况，直接合环会造成较大的冲击，出现因合环潮流过大而引起设备过载、继电保护误动等现象的发生[3]，导致合环失败、停电时间增加、停电区域扩大等情况，因此，合环操作普遍采用“先断后通”的“冷倒”方式，即操作过程中需短时停电，降低了供电的连续性。

1 城区配电网合环作业现状分析

1.1 合环作业主要方法及技术

在合环操作时，合环瞬间将产生较大的冲击电流，稳定后在电网中可能形成较大的环流，将直接影响到电网的安全稳定运行。判断是否可进行合环作业有两种方式：一种是操作人员凭借经验决定；另一种是通过计算获得合环后的稳态电流及暂态冲击，从而判断是否满足条件，如文献[4]所提出的基于选择支路交换法配电网电磁合环稳态电流及暂态电流冲击计算方法以及文献[2]所提出的基于路径搜索和戴维南等值的合环电流计算方法等，但计算方法仅能够对合环的风险进行评估，选择风险较小的合环位置及时间段进行作业，不能从根本上降低合环冲击的影响。

随着电网公司快速合环需求的不断增加，现场出现了“冷倒”快切、不停电合环等新技术。前者主要采用顺控方式，通过快速开关的配合在极短时间内完成供电电源的切换来达到合环的目的，这种情况对一般的负荷来说不会产生较大影响，但不可避免地存在电压跌落等电能质量变差的情况，可能造成如电梯短时停运，工业生产尤其精密加工受影响等问题。后者采用移相调压变压器或基于大功率电子构成的柔性调压调相系统(合环系统)，将联络点的相位和电压差值控制在较小范围内，从而降低或消除合环时所产生的冲击电流，减少因合环所引起的故障及停电风险，可真正实现“热倒”；另外，不同电压等级间也可通过该方式进行互联、转供。由于这些方案无需事先对联络点两侧的电压及相位进行估算，可实现任意时刻的合环转供作业。

合环系统的关键是调压、调相，以满足控制线路潮流的要求，目前存在两种技术路线。

1) 应用移相调压器。通过移相调压器内部绕组连接组合，采用有载调压调相开关完成电压、相位的调整，其原理如图1 所示。该方案的调整方式是非连续的，但由于其调整是在合环前，并不会影响合环后的供电状态；调整间隔可控制在相位1°～4°、电压50～100 V，能将移相调压器两侧相角差、电压差控制在很小范围内，合环后产生的环流及冲击电流对系统影响较小。其优势是体积小、成本低。

图1 移相调压器的调压调相原理

2) 基于大功率电力电子构成的柔性调压调相系统，其原理如图2 所示。该方案采用AC-DCAC 的方式，通过控制回路调整送端电源输出到受端的幅值和相位，其优势是可以调整到任意相位和电压，但由于合环转供需要的功率较大，受技术和制造成本等因素的限制，其体积是前述方案的3～5倍，成本接近前者的10 倍。因此，在满足合环转供需求的基础上，前述方案的经济性更符合需求。

图2 柔性调压调相系统原理

1.2 合环作业需求分析

配电网一般在线路检修、改造以及线路重载，部分负荷短时转供时需执行合环作业。

线路检修、改造大部分是同电压等级线路检修、更换等，仅需进行短时负荷转移即可恢复原有运行方式。而在线路重载，部分负荷短时转供的情况下，合环转供后可将合环设备两端之间的相位、电压调至一致，然后合上联络开关，即可将合环系统退出运行；如需恢复原有运行方式，则只需再次投入合环系统，断开联络开关并进行调压、调相后，进行解环操作即可。

1.3 移动合环系统的可行性及经济性分析

城区配电网的合环点数量多并存在一定数量的不同区域合环点，若选择合环系统固定安装方式，将存在单点投资较大、合环点操作频次不高、合环系统利用率较低等问题，而且合环转供一般为短期行为，因此，在实际应用中如采用移动合环系统将有效解决因不同分区相位差、电压差无法直接合环的问题，有效提高合环系统使用频率，避免单点投资大、使用频次低等问题。

2 移动合环系统应用

当前，城市配电网因建设时间及技术发展的差异导致架空线路、电缆两种输电方式并存，合环联络点也分别存在于架空线路杆塔、开关柜和环网柜等不同位置。由于合环点在最初设计时未考虑通过合环系统进行辅助合环的情况，若使用移动合环系统进行合环作业，则需要对合环联络点的设备进行改造，以便移动合环系统开关接入(见图3)。

图3 移动合环系统开关接入示意

移动合环系统内部接线如图4 所示。需要合环时，合上合环系统两侧开关，系统采集联络开关两侧电压、频率等参数，计算相差和压差并进行调压、调相操作，使两侧压差及频差达到合环要求后，按次序合上合环系统开关完成合环，此时跳开需要断电的开关即可完成负荷转供作业。

图4 移动合环系统内部接线

如上所述，若采用移动合环系统进行合环，首先需要在线路合环联络点预先安装合环系统接入接口。考虑到移动装置以及作业的便捷性，接口要求具备快速连接、热插拔特性，以便快速接入并完成合环作业。此外，为了提高接口匹配的通用性、复用性，可与应急电源接口共用，避免重复投资。通过这些改造，在合环作业时，打开应急电源接口，接入与移动合环系统的相连电缆插头即可投入运行。杆塔上的改造相对简单，而开关柜及环网单元则需增加2 组合环和应急电源接口间隔，以适应新的供电需求，间隔接线如图5 所示。接口间隔由应急电源接口、隔离开关、接地开关等构成。未使用时，隔离开关处于分闸状态，应急电源接口不带电；进行合环操作时，两侧电源的应急电源接口分别接入合环系统，即可进行后续操作。

图5 接口间隔单元接线

3 移动合环系统设计方案

3.1 移动合环系统的需求及设计

由于移动合环系统需要应对各类应用场景，因此在设计时应考虑下述原则。

1) 小型化、模块化。配电网合环系统因设计容量原因，体积一般较大，而现场作业环境复杂，因应考虑小型化、紧凑型设计；此外，城区合环联络点分布较散，移动合环系统还需考虑车载因素，若重量和体积过大，对车辆的尺寸和载重均有较高的要求，无法适应现场作业，因此，还需考虑分体模块化设计。

2) 便捷操作。现场作业要求操作快速，若作业时就地再搭建复杂的合环系统将会增加作业时间及人员负担，在设计时要充分考虑现场组装、实施的便捷性。

3) 自动化控制。通过自动化控制可降低现场作业难度以及人为误操作引起的安全风险；同时，为防范系统内部故障，还需考虑对合环系统进行实时监测，确保系统可靠性。

4) 安全可靠性。移动合环系统需在不同的区域完成合环作业，操作频繁，且存在因车载颠簸、装卸引起内部连接松动、损坏的风险。因此，除了在作业前进行必要的确认检查外，还要求设计时考虑系统连接的可靠性，以免内部故障造成合环过程中出现事故。

3.2 移动合环系统控制要求及策略

1) 系统应操作便捷、自动化程度高、适应不同场景。

2) 支持就地、远方两种操作方式，支持标准通信规约，提供远方“三遥”操作。

3) 系统自身应具备必要的保护功能，防止因内部元件故障引起线路故障；系统还应提供合环条件不满足时的同期检查功能，以便进行同期合闸闭锁防止因无操作导致合环失败；另外还需考虑合环冲击过流保护等方面的措施，防止线路误跳。

3.3 移动合环系统整体方案

1) 系统构成。移动合环系统由移相调压器、调压控制系统、调相控制系统、总控装置、馈线终端、电压互感器、断路器、应急电源接口等设备构成。考虑到移动合环系统应用场景的复杂性，基于电磁原理的移相调压器调整装置采用有载调压模块，以适应合环后的电压、相位调整需求。

2) 模块构成。为实现小型化、轻量化和工器具化的设计目标，系统各部分采用模块化集成方式，主要包括移相调压器、装置柜以及电缆柜三个模块。

3) 结构设计。移动合环系统采用紧凑型设计，总控装置、调压控制系统、调相控制系统、馈线终端分别挂接在移相调压器两侧，断路器、PT、避雷器以及应急电源接口等设备集成在同一个装置柜中，接地线、电缆和电缆盘集成在电缆柜中。

4) 控制方案。移动合环系统总控装置与馈线终端、调压控制系统、调相控制系统通过RS 485接口进行通信；馈线终端通过PT 对两侧线路电压的相位差和电压差进行检测，并将相位差和电压差信号发送给总控装置；总控装置根据检测到的相位差和电压差，控制调压和调相控制系统进行相位和电压调整，直至相位差和电压差满足合环条件，总控装置再通过馈线终端给断路器发送合闸指令，实现线路合环运行。

5) 保护方案。移相调压器两侧馈线终端具备三段过流保护功能，三段过流保护定值小于两侧主干线路、分支线路的保护定值；移相调压器自身配备本体非电量保护，在出现合闸励磁涌流、冲击电流过大或短路故障时，馈线终端启动保护功能，当移相调压器出现温度、压力或瓦斯事件时，两侧开关将自动断开以保护两侧线路电流，避免因合环操作对两侧线路的正常运行产生影响。

6) 操作流程。移动合环系统具备自动和手动操作模式。自动操作时，可将工作模式切换至自动模式，总控装置将根据相位差、电压差自动进行调压调相系统的升档、降档以及开关的分合操作；手动操作主要用于合环点相位差或电压差超出系统调节范围时，通过人工判断进行合环操作。

3.4 现场实施要求

采用移动合环系统较之前的合环作业流程发生了较大变化，因此，现场需要根据实际情况制定移动合环系统的作业指导规范，并严格按照规范进行操作，降低安全风险；现场作业前还需准备好必要的应急预案，在出现紧急情况时可以按照预案有序处置。

4 结束语

综上所述，针对合环作业操作过程提出移动合环系统应用方案。该方案基于柔性移相调压和智能控制技术，综合了相位差、电压差柔性调节和合环操作自动控制策略，能够主动适应电网运行方式和线路负荷的变化，消除或减小联络开关两侧电压差、相位差，降低合环时产生的冲击风险，真正实现了“热倒”操作。在城区配电网中，通过对合环点线路或者环网柜进行改造，即可灵活快捷地进行合环操作。整套系统具备设计紧凑、造价低、运行方式灵活等特点，可批量应用于不停电合环转供、线路容量互济等场景，对提高配电网供电可靠性具有重要意义。