高鐵牽引變電站對電力系統(tǒng)的影響及其監(jiān)控

王亞寧

（陜西省電力技工學(xué)校，陜西 西安 710100）

由于電力機車電氣化鐵路的負荷，當接入電網(wǎng)運行，產(chǎn)生大量的諧波和負序分量在電力系統(tǒng)中，如果不采取措施治理，將構(gòu)成嚴重威脅的安全和經(jīng)濟運行的電氣設(shè)備及電力系統(tǒng)。中國的電鐵牽引負荷的負序電流的危害分析，中國的電力牽引電流的電能質(zhì)量改進措施的概述。

1 電力機車的負序電流對電力系統(tǒng)的影響

1.1 對發(fā)電機的影響

機車產(chǎn)生的負序電流對發(fā)電機影響最大的是轉(zhuǎn)子的附加損耗及發(fā)熱，其次就是增加了振動。負序電流流過發(fā)電機定子繞組時將產(chǎn)生負序旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，但方向與轉(zhuǎn)向相反，會在轉(zhuǎn)子勵磁線圈、阻尼線圈及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2f0的電動勢，并引起渦流，發(fā)生熱量及能量損失。由于負序旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)出來的電流頻率高，集膚效應(yīng)較為嚴重，可能出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象，降低金屬的機械強度及絕緣性能，對于需要牽引應(yīng)力大的護環(huán)部分可能會引起重大的后果。

1.2 對送電線路的影響

負序電流流過送電線路時，負序功率實際上并不做功，而只造成電能損失，增加了網(wǎng)損降低了送電線路的輸送能力。

1.3 對電力變壓器的影響

負序電流造成三相電流不對稱，因而電力變壓器三相電流中有一相電流最大而不能有效發(fā)揮變壓器的額定出力，使變壓器容量利用率下降。另外，還造成變壓器的附加能量損失、在變壓器鐵芯磁路中產(chǎn)生附加發(fā)熱。

1.4 對電動機的影響

對于異步電動機來說，正序電壓產(chǎn)生正序電流和順轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，負序電壓產(chǎn)生負序電流和逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。較小的負序電壓加到異步電動機上將會引起較大的負序電流及負序逆轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩，直接影響異步電動機的效率和安全可靠運行，引起電動機的額外發(fā)熱，嚴重時會燒毀電動機。

1.5 對繼電保護裝置的影響

容易使電力系統(tǒng)中以負序分量啟動的繼電保護裝置誤動作，例如，當負序電流作用時間較長時，常規(guī)的距離保護就要轉(zhuǎn)入閉鎖狀態(tài)，使一段時間內(nèi)距離保護的快速動作段退出運行；而當電鐵負序作用于解除閉鎖后，如系統(tǒng)此時發(fā)生振蕩，則距離保護可能誤動作跳閘。所以，為消除負序的影響，將增加繼電保護裝置的復(fù)雜性、降低可靠性。

2 牽引變現(xiàn)行對電能質(zhì)量改善的措施

從對牽引變及牽引網(wǎng)接線方面采取措施有以下的方法，當然也必須從電力機車本身方面來配合改善電能質(zhì)量。

2.1 牽引變電所的換相連接

在一個電氣化鐵路、城市地鐵、有軌交通區(qū)段，當各牽引變電所由同一電力系統(tǒng)供電時，各牽引變電所在電力系統(tǒng)中引起的總負序電流與每個牽引變電所引入的相序有關(guān)。為了減小對電力系統(tǒng)的不對稱影響，通常采用相序輪換接入，即換相連接。所謂換相連接就是把各牽引變電所的變壓器輪換接到電力系統(tǒng)的不同相上，其目的使電鐵單相負荷反映到電力系統(tǒng)盡可能達到三相負荷對稱。無論對單相接線，還是v／v接線及Y／△三相接線的牽引變電所，均可采用這種方法。

2.2 采用三相／兩相平衡牽引變壓器

平衡牽引變壓器特點是：當牽引變電所兩側(cè)的牽引負荷相等時，反映到電力系統(tǒng)中三相是對稱的，采用這兩種牽引變壓器，在理想情況下可大大減小電鐵負荷對電力系統(tǒng)的負序影響。

2.3 對諧波電流和無功電力加強就地補償

無功補償量可隨機車負荷變化而調(diào)整，機車可經(jīng)常保持較高的功率因數(shù)；減小了接觸網(wǎng)電流與接觸網(wǎng)損耗 。相應(yīng)降低了接觸網(wǎng)電壓損失，改善了機車電壓質(zhì)量；較少的諧波電流流入接觸網(wǎng)，減小了對電力系統(tǒng)的諧波影響。

3 基于單元控制級LCL、所控制級SCL的計算機監(jiān)控解決方案

既有牽引變電所遠動功能實現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用分層分布式系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)或分級控制系統(tǒng)HCS(Hierarchical Control System)，將遠動功能分為兩級——牽引變電所控制級SCL(Substation Control Layer)和單元控制級LCL(Local Control Layer)。牽引變電所控制級由計算機及其輔助設(shè)備來實現(xiàn)，單元控制級功能由單元設(shè)備來實現(xiàn)。單元設(shè)備的配置方式可以采用常規(guī)RTU單元結(jié)構(gòu)或加強型RTU單元結(jié)構(gòu)，也可以采用底層智能化結(jié)構(gòu)PLC(Programmable Logical Controller)，還可以采用智能儀表與RTU或PLC混合配置結(jié)構(gòu)，這主要取決于現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)控對象的具體特點。

隨著變電所調(diào)度自動化技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展和深入，以及計算機技術(shù)、通訊技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，新建牽引變電所的自動功能和遠動功能都在不斷地發(fā)展和完善，計算機遠動與自動系統(tǒng)已在新建牽引變電所中得到普遍的應(yīng)用，電氣化鐵道供電系統(tǒng)的可靠性和現(xiàn)代化程度有了顯著的提高。

3.1 單元控制級LCL

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備和具體要求，LCL級可以采用RTU或加強型RTU單元結(jié)構(gòu)，或PLC可編程控制器式底層智能化結(jié)構(gòu)，還可以配置智能儀表。PLC內(nèi)部具有一定數(shù)量的內(nèi)存單元，通過編程后，可以順序執(zhí)行程序預(yù)定的功能，程序修改簡便易行。由PLC來完成部分重要的自動功能較之通過牽引變電所控制級計算機實現(xiàn)相應(yīng)的功能，在實時性和可靠性方面均能得到更有效的保證。當PLC與計算機之間通訊聯(lián)接發(fā)生異常時，不影響PLC程序設(shè)定功能的實現(xiàn)。智能儀表是一種新型的表計結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由智能芯片和測量機構(gòu)組成，可以完成對多種電氣量的綜合測量功能，而不需要再使用各種變送器，安裝體積小，功能強。

3.2 LCL完成的主要功能包括：

（1）數(shù)據(jù)采集和傳送：數(shù)據(jù)采集和傳送的內(nèi)容包括遙信量和遙測量。

（2）接收和執(zhí)行控制命令：LCL級控制命令的執(zhí)行一般采用開關(guān)量輸出的形式，可以分別用于控制斷路器的分合閘、主變壓器的調(diào)壓(對具有分接頭可以進行有載調(diào)壓的變壓器)、無功調(diào)整(對具有多組無功功率補償器可以分組投切的牽引變電所)、信號復(fù)歸、遙控查燈、消防控制等。在執(zhí)行控制命令時，為滿足現(xiàn)場操作機構(gòu)在執(zhí)行分、合閘等操作時的具體要求，可以增設(shè)一級執(zhí)行繼電器以擴大接點容量及數(shù)量。

（3）通訊功能：LCL級應(yīng)具有通訊接口，以便聯(lián)接遠動通道、牽引變電所級計算機以及當?shù)乇銛y式計算機，一般可配置2～3個計算機通訊接口。

（4）自動功能：自動功能的實現(xiàn)與LCL級配置的硬件設(shè)備有關(guān)，有些自動功能既可以設(shè)在LCL級實現(xiàn)，也可以設(shè)在SCL級實現(xiàn)。關(guān)于牽引變電所的自動功能在下節(jié)作進一步討論。

3.3 SCL功能分析：

SCL級的功能主要通過屏幕顯示和人機對話方式來實現(xiàn)，按照上述方式進行系統(tǒng)配置，可以實現(xiàn)無鍵盤全鼠標式操作，在運行現(xiàn)場減少了人為操作對計算機系統(tǒng)運行的影響。主要功能可以達到以下幾個方面：

（1）屏幕顯示與人機對話：顯示系統(tǒng)總目錄，主結(jié)線，主變運行狀態(tài)及運行參數(shù)圖，牽引變電所實時運行參數(shù)表及歷史運行參數(shù)表，定值表、密碼等級設(shè)定及輸入，電度表，實時動態(tài)參數(shù)棒圖、曲線，模擬指針式和數(shù)字式儀表，控制與操作畫面，自動功能投切畫面，事故、故障、越限、操作、事件信息及歷史記錄，SOE表，各種日報表、月報表、查燈信息等。

（2）記錄、制表、打印功能：實現(xiàn)運行日志定點打印及召喚打印，事故、故障、越限、操作、事件等可隨機打印及存入歷史數(shù)據(jù)庫和歷史記錄中，并完成日報、月報以及年報表的制表和數(shù)據(jù)生成，所有實時、歷史記錄均可召喚打印。

（3）報警功能：可將報警內(nèi)容分級、分類并設(shè)置成不同的報警方式。例如，對事故，故障(包括監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部故障)，斷路器分合閘，變壓器過負荷、饋線過流等越限，一次側(cè)三相電流不平衡，誤操作等各種事件分級分類報警，報警方式分語音報警(通過多媒體聲卡)、打印報警、屏幕顯示報警，三種方式可任意組合應(yīng)用于同一事件中。

（4）故障數(shù)據(jù)收集與記錄：遠動系統(tǒng)的主要目標之一是防止系統(tǒng)事故，而一旦出現(xiàn)事故，當時的記錄將是分析事故和預(yù)防事故的寶貴資料。因此，故障數(shù)據(jù)的收集與記錄是遠動系統(tǒng)的重要功能之一。故障數(shù)據(jù)的收集與記錄可分為順序事件記錄SOE(Sequence Of Events)和事故追憶PDR(Post Disturbance Review)兩部分。

順序事件記錄SOE：牽引變電所內(nèi)開關(guān)變位和繼電保護等狀態(tài)量出現(xiàn)變化時，通常要按時間(內(nèi)部時鐘)準確加以記錄，時間分辨率要求較高，這對分析故障是很重要的。要作到較好的時間分辨率(毫秒級)，利用SCL級完成是比較困難的，一般應(yīng)采用LCL級硬件設(shè)備 (如RTU、PLC等)進行順序記錄，并與SCL級計算機保持時鐘同步，SOE記錄結(jié)果在SCL級的人機界面上進行反映，SCL級可采用事件表的形式滾動存放SOE數(shù)據(jù)。SOE正常狀態(tài)下以較長的周期、較低的優(yōu)先級作為SCADA正常掃描的一部分，一旦出現(xiàn)SOE所涉及的狀態(tài)量變化，立即提高其優(yōu)先級，順序記錄事件信息，用于事后追查和分析事故。

事故追憶PDR：事故追憶PDR功能用于連續(xù)記錄事故前后的量測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)規(guī)定的事件，連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)就送到專門的存儲區(qū)PDR區(qū)內(nèi)，PDR循環(huán)采集規(guī)定的數(shù)據(jù)集合或相關(guān)量測量值，循環(huán)周期由數(shù)秒到數(shù)分，利用PDR區(qū)存儲的數(shù)據(jù)，可以“實時”再現(xiàn)事故過程的參數(shù)及狀態(tài)變化情況。

（5）與調(diào)度中心的通訊：SCL級通過MODEM或計算機通訊接口接入通道實現(xiàn)與調(diào)度中心的通訊，一方面將牽引變電所內(nèi)的運行情況上送到調(diào)度中心，另一方面，調(diào)度中心向牽引變電所發(fā)送控制命令以及對各種控制參數(shù)進行修改，實現(xiàn)遠方遠動功能和全局性調(diào)度控制。

（6）與繼電保護的聯(lián)接并進行信息交換：牽引變電所的遠動和自動化系統(tǒng)一般應(yīng)能反映繼電保護的信息和數(shù)據(jù)，以便為綜合自動化系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。對既有牽引變電所遠動功能的改造也應(yīng)實現(xiàn)這一目標。具備微機保護系統(tǒng)的既有牽引變電所，可以采用計算機通訊級的聯(lián)接，將保護的主要內(nèi)容反映在SCL級人機界面，進而還可以進一步完成保護定值的監(jiān)視和設(shè)定等功能;不具備微機保護系統(tǒng)的既有牽引變電所，應(yīng)將保護的主要狀態(tài)量通過DI(開關(guān)量輸入)的形式，由LCL級硬件設(shè)備采樣并反映在遠動與自動化系統(tǒng)中。

（7）自動功能：既有牽引變電所遠動系統(tǒng)改造所實現(xiàn)的自動功能主要由現(xiàn)場設(shè)備的具體情況決定。自動功能主要包括：對可以利用分接頭進行有載調(diào)壓的變壓器，采用遙控操作變壓器分接頭的方式實現(xiàn)電壓的自動調(diào)節(jié);對具有多組補償電容器并可獨立投切的牽引變電所，采用遙控操作方式自動投切;電壓和無功綜合調(diào)節(jié)的原則按“九域圖”的規(guī)則進行。當某段母線因故失去工作電源，則由遠動系統(tǒng)自動合母聯(lián)開關(guān)，投入備用電源，以維持該段母線供電的連續(xù)性，備用電源的自動投入閉鎖條件(如無壓側(cè)系統(tǒng)無事故信號，主變后備保護未動作，與線路重合閘配合整定等)由SCL級設(shè)置。