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（南京師范大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 南京 211500）

0 引 言

近幾年，超高層建筑在我國隨處可見。此類建筑對電力供應(yīng)的安全性和可靠性要求越來越高，通常使用柴油發(fā)電機組作為應(yīng)急電源。為了保障重要負(fù)荷供電的安全性和可持續(xù)性，一般使用10 kV中壓柴油發(fā)電機組和0.4 kV低壓柴油發(fā)電機組。10 kV機組具有遠距離耗能低、節(jié)省空間等優(yōu)點，解決了機組容量大、設(shè)備并聯(lián)等問題，但應(yīng)急設(shè)備和輔助設(shè)備較多、系統(tǒng)比較復(fù)雜且運行費用高。0.4 kV機組的模式相對簡單、易操作，可實現(xiàn)多機組并網(wǎng)運行?；诖?，對配電系統(tǒng)的應(yīng)急電源配置與運行方式進行分析，以實現(xiàn)配電運行效果最優(yōu)和費用消耗最低。

1 配電系統(tǒng)應(yīng)急電源配置優(yōu)化

配電應(yīng)急系統(tǒng)的電源配置設(shè)備常用于電力故障或生產(chǎn)緊急情況。其根本作用在于緊急情況下保持相應(yīng)電力設(shè)備的正常供電，避免安全隱患問題。在電力系統(tǒng)運行的過程中，一旦配電系統(tǒng)發(fā)生短路、斷路現(xiàn)象，極易引起火災(zāi)或相關(guān)設(shè)備損壞等問題，造成安全隱患。同時，由于配電系統(tǒng)電力不穩(wěn)定，因此在危險環(huán)境下消防人員難以準(zhǔn)確及時地開展救援工作，嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全[1]。隨著城鄉(xiāng)現(xiàn)代化進程的加速，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對人們的生活和生產(chǎn)起到重要影響作用，一旦配電系統(tǒng)運行故障，極易導(dǎo)致城市中心電力負(fù)荷過重出現(xiàn)大規(guī)模停電現(xiàn)象[2]。因此，對于城市電網(wǎng)規(guī)劃和運營商來說，優(yōu)先保障重要用戶的供電安全是一個極具挑戰(zhàn)性的課題。在此背景下，創(chuàng)新應(yīng)急電源配置的優(yōu)化方法成為相關(guān)人員的重點研究內(nèi)容。然而，目前應(yīng)急電源供電安全水平較低，有關(guān)的應(yīng)急配電技術(shù)和方法還沒有得到系統(tǒng)研究和科學(xué)的應(yīng)用，難以有效保障電源配置的優(yōu)化使用。

1.1 電網(wǎng)的負(fù)荷及短路電流計算

為保障供電系統(tǒng)健康穩(wěn)定運行，需要合理設(shè)置備用電源，在配電系統(tǒng)出現(xiàn)異常和故障時及時使用應(yīng)急電源保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對電網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改善饋電電路，并基于電網(wǎng)運行過程中負(fù)荷電流進行異常檢測，根據(jù)檢測結(jié)果實時準(zhǔn)確的開啟備用電源[3,4]。基于此首先在電流系統(tǒng)中設(shè)置多臺分布式發(fā)電機，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的互補式微電網(wǎng)發(fā)電電流的管理，優(yōu)化設(shè)計應(yīng)考慮系統(tǒng)設(shè)備運行和更換等因素[5]。對運行過程中的電力負(fù)荷和環(huán)境干擾情況進行綜合處理，計算電流異常信息：

式中，m為發(fā)電機的安裝總數(shù)，CPV為應(yīng)急電源設(shè)備安裝總數(shù)，CWT為發(fā)電機的故障干擾數(shù)值，PB為配電系統(tǒng)電流常規(guī)負(fù)載數(shù)據(jù)，如果CB是電力系統(tǒng)單位容量，則：

式中，Pncm為電力系統(tǒng)運行抗擾數(shù)值，CP為配電系統(tǒng)運行過程中的最低安全值。進一步對配電系統(tǒng)應(yīng)急單元的承載力進行統(tǒng)計，即：

式中，CfWT為電力系統(tǒng)運行的最大安全系數(shù)，CrWT為設(shè)備運行功率誤差數(shù)值，COMWT為設(shè)備承載能力超量數(shù)值?；谏鲜鏊惴ǎM一步對異常環(huán)境下應(yīng)急電源的開啟指標(biāo)進行計算，具體算法如下：

式中，k為配電設(shè)備最大電流容量，e為配電設(shè)備的最長可用時間。在計算過程中，一旦ψ的值小于1，則開啟備用電源并發(fā)出預(yù)警，快速實現(xiàn)對電力設(shè)備的應(yīng)急處理，以此保證電流設(shè)備穩(wěn)定運行。

1.2 配電系統(tǒng)應(yīng)急電源投入裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對配電系統(tǒng)應(yīng)急電源投入裝置進行設(shè)計的過程中，要保證配電網(wǎng)布掛管理設(shè)備靠近設(shè)備室，配電設(shè)備和應(yīng)急電源設(shè)備之間預(yù)留一定空間，避免配電設(shè)備故障過程中由于電力負(fù)荷過大燒毀應(yīng)急設(shè)備，確保應(yīng)急設(shè)備能夠安全運行。為保障應(yīng)急設(shè)備運行效果，需要對配電系統(tǒng)應(yīng)急電源投入裝置進行合理布局，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)空間，保證設(shè)備、設(shè)施、線路的敷設(shè)均符合安全標(biāo)準(zhǔn)、抗震指標(biāo)以及防火等級要求[6]。利用單母線進行電流傳輸，并使用單獨聯(lián)接的方法避免冗余，同時不影響其他元件的功耗。同時采用高壓配電隔離模式，以此減少應(yīng)急電源使用過程中潛在的火災(zāi)隱患，確保高壓配電的安全性[7]。

為保證配電系統(tǒng)的應(yīng)急電源配置與運行的質(zhì)量，需要在設(shè)備管理平臺進行電力信息的存儲和管理[8]。存儲層可存儲部分電力設(shè)備的故障信息。通過對配電設(shè)備運行狀態(tài)進行實時跟蹤，在識別到異常信息后向平臺發(fā)送指令，將采集到的信息與管理信息相結(jié)合來確定電力設(shè)備的故障位置，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下故障信息的采集。接入層負(fù)責(zé)信息的采集、讀取、更新、確認(rèn)以及刪除等操作。根據(jù)配電系統(tǒng)能源消耗存在的不同問題，可分為一級設(shè)備能源消耗、二級設(shè)備能源消耗和輔助設(shè)備能源消耗。按性能參數(shù)進行數(shù)據(jù)排列分配，以此直接顯示設(shè)備能耗異常情況。對于單臺機組的能耗，應(yīng)充分考慮其影響因素，主要檢測機組數(shù)量是否與機組狀態(tài)相關(guān)。輔助機組主要用于維持機組的正常運行，外部因素對其能耗的影響較大。合理安排設(shè)備布局，保障設(shè)備空間結(jié)構(gòu)[9]。通過并聯(lián)裝置保證設(shè)備電壓一致性，如果控制項出了故障，可以臨時修復(fù)。此外，裝置運行時噪音很大，要盡可能地進行消音，保證發(fā)電室的噪聲在規(guī)定范圍內(nèi)。

基于上述配電設(shè)備結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化應(yīng)急電源運行模式，基于采集到的配電系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)進行應(yīng)急電源的開啟運行。通過采集配電系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)，獲取實時信息，并通過應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)篩查，實時檢測和評估電源運行風(fēng)險。一旦出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，通過服務(wù)層及時啟動應(yīng)急電源，保證應(yīng)急電源供配電符合國家標(biāo)準(zhǔn)。為確保應(yīng)急設(shè)備各部分的供電穩(wěn)定，需要進一步添加數(shù)據(jù)計算層，并在存儲層進行管理存儲處理。在恢復(fù)電源后，進一步通過接入層進行電力轉(zhuǎn)換，以此實現(xiàn)供電要求。當(dāng)配電設(shè)備發(fā)生故障時，須及時控制故障的范圍，保證故障范圍最小化。控制電力系統(tǒng)負(fù)載密度，合理利用新技術(shù)，進行修正管理的同時保證備用電源能最大限度地降低能耗。結(jié)合配電應(yīng)急設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)和性能要求對配電網(wǎng)運行狀態(tài)管理平臺架構(gòu)進行優(yōu)化，具體如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)運行狀態(tài)管理平臺架構(gòu)圖

2 配電系統(tǒng)應(yīng)急供電系統(tǒng)的安全運行措施

為保障配電系統(tǒng)應(yīng)急供電系統(tǒng)的安全運行，就配電系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)而言，可采用多路連接方式向用戶供電，并可制定合理的接線方式接入配電網(wǎng)，實現(xiàn)應(yīng)急供電。從用戶角度考慮，可增加自備電源，并在必要時配置應(yīng)急啟動電源。對部分供電企業(yè)來說，可以通過配置移動發(fā)電設(shè)備為用戶提供應(yīng)急配電服務(wù)[10]。

在故障狀態(tài)下，需要及時進行預(yù)警，以保證應(yīng)急電源快速切換到應(yīng)急供電模式。目前許多設(shè)備出現(xiàn)故障時，應(yīng)急設(shè)備仍無法滿足用戶的供電要求，且配電設(shè)備維護時間過長易導(dǎo)致應(yīng)急電源超負(fù)荷運行，存在安全隱患?；诖耍枰M一步利用分布式方式來實現(xiàn)應(yīng)急電源的發(fā)電控制管理。在設(shè)計過程中，分布式應(yīng)急電源直接建在設(shè)置終端用戶附近，便于用戶管控和恢復(fù)電力運行。移動式發(fā)電動力性強，不受地理位置限制，能在發(fā)生重大事故時迅速作出反應(yīng)，但也存在自身局限性為了快速恢復(fù)用戶的供電，需要結(jié)合分布式電源和移動發(fā)電模式進行綜合優(yōu)化，完善配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以此滿足高壓用戶供電需求?；诖?，進一步優(yōu)化了應(yīng)急電源供電的運行流程，具體如圖2所示。

圖2 應(yīng)急電源供電的運行流程

應(yīng)急電源供電設(shè)備具有短時掉電保護、快速應(yīng)急響應(yīng)等功能。但由于應(yīng)急電源容量有限，保護時間不能無限延長。因此在使用過程中，無壓降、短期斷電保護裝置可根據(jù)用戶實際需要分別配置，在短期斷電時對敏感負(fù)荷進行合理供電。配電系統(tǒng)在斷電后首先為用戶供電，減少停電造成的損失，并根據(jù)用戶重要性和電力分布制定配電網(wǎng)線路及停電恢復(fù)方案。根據(jù)城市電網(wǎng)突發(fā)事件應(yīng)急計劃編制的原則，需以人為本、全面保障、主體兼顧以及有限保護。在配電網(wǎng)不能滿足部分重要用戶用電的情況下，應(yīng)充分考慮現(xiàn)有分布式發(fā)電的配電、調(diào)節(jié)容量、響應(yīng)時間等因素，以保證電網(wǎng)的安全。

3 結(jié) 論

為了滿足重要用戶供電可靠性的要求，加強供電安全保障和應(yīng)急響應(yīng)，提出對配電系統(tǒng)應(yīng)急電源配置的運行方法研究方法，當(dāng)供電可靠性和應(yīng)急電源不能滿足部分用戶需求時，還應(yīng)考慮自備電源。在進行城市用戶應(yīng)急電源優(yōu)化配置時，應(yīng)充分考慮分布式電源的分配。針對目前各地區(qū)供電變電所應(yīng)急電源的容量分配和重要用戶的應(yīng)急用電要求，根據(jù)當(dāng)前配電系統(tǒng)成本和供電可靠性分析，確定各區(qū)域供電站應(yīng)配置的移動發(fā)電設(shè)備的容量水平。