CN108923440B

CN108923440B - 一种牵引变电所群的负序补偿测控装置、系统及其方法

Info

Publication number: CN108923440B
Application number: CN201811063721.1A
Authority: CN
Inventors: 李群湛
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: CN108923440A

Abstract

本发明提供了一种牵引变电所群的负序补偿测控装置、系统及其方法，该负序补偿测控装置包括牵引变电所群中n个牵引变电所的n个电流互感器和电压互感器以及光纤网络和控制器；控制器输入端与第一牵引变电所的第一电流互感器和第一电压互感器连接，并通过光纤网络再分别与其余n‑1个牵引变电所的电流互感器和电压互感器连接；控制器输出端与三相无功补偿装置的控制端连接。本发明不改变牵引变电所群牵引网的有功潮流,能有效地解决分散的各个牵引变电所产生的负序进行集中补偿的设备问题以及实时补偿的技术问题。

Description

一种牵引变电所群的负序补偿测控装置、系统及其方法

技术领域

本发明涉及交流电气化铁路供电领域，尤其涉及一种牵引变电所群的负序补偿测控装置、系统及其方法。

背景技术

电气化铁道普遍采用由公用电力系统供电的单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡分配，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区之间用分相绝缘器隔离，形成电分相，简称分相。电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。

理论和实践表明在牵引变电所采用单相牵引变压器或组合式同相供电技术可以取消其出口处的电分相，在分区所采用双边连通技术可以取消该处的电分相，从而消除供电瓶颈，提高铁路供电能力和运输能力。其中，牵引变电所采用单相牵引变压器或组合式同相供电技术取消其出口处的电分相的技术已经得到成功应用，效果甚好，而分区所的双边连通类似于电网的合环运行，其应用受到电网条件的制约，比如电网输电线与牵引网形成并联关系且电压等级较为接近，会出现牵引网中的穿越功率(均衡电流)较大的问题，加之缺乏相关标准，影响双边供电(合环)的实施，但有一种供电结构不产生穿越功率，这就是辐射式结构供电方式，即电网的同一变电站的分段母线分别给多个牵引变电所进行供电，换言之，在网络图论上形成树形供电：该变电站是树根，各个牵引变电所是叶。此时，在牵引变电所采用单相牵引变压器或组合式同相供电技术取消其出口处的电分相，在分区所采用双边连通技术而取消该处的电分相，就不会在牵引网中造成穿越功率，从而创造电网与铁路双赢的局面。

在此，我们称电网同一变电站以辐射式结构给多个牵引变电所供电的这些牵引变电所为牵引变电所群。进行贯通式同相供电的、最优化的牵引变电所群这样构成：牵引变电所群原边均由同一变电站的分段母线供电，群中最多1个牵引变电所为负序补偿变电所，其余为单相变电所，群内所有单相牵引母线的电压相别相同。

为此，发明人提出了“一种牵引变电所群的负序集中补偿控制系统及其控制方法(申请号：2018106212100)”，其核心是负序补偿变电所的同相补偿装置ADA将牵引变电所群中非负序补偿变电所的有功功率调节过来，通过改变牵引变电所群的有功潮流来实现负序的集中补偿，使负序达标。研究发现，当牵引变电所群规模越大，需要改变的有功潮流的规模就越大，电气距离就越长，技术难度就越大，网损的经济指标就越差，甚至不能实现。

本发明不改变牵引变电所群的有功潮流，通过无功潮流控制来解决牵引变电所群的负序集中补偿的技术问题，使负序治理达到国家标准。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明目的是提供一种牵引变电所群的负序补偿测控装置、系统及其方法，不仅能有效地解决牵引变电所群中分散的各个牵引变电所产生的负序进行集中补偿的设备问题，还能有效地解决该牵引变电所群中分散的各个牵引变电所产生的负序集中进行实时补偿的技术问题。

鉴于上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种牵引变电所群的负序补偿测控装置，所述牵引变电所群包括第一牵引变电所、第二牵引变电所、……以及第n牵引变电所,其中，所述负序补偿测控装置包括第一牵引变电所的第一电流互感器和第一电压互感器、第二牵引变电所的第二电流互感器和第二电压互感器、……、以及第n牵引变电所的第n电流互感器和第n电压互感器、光纤网络以及控制器；所述控制器输入端与第一牵引变电所的第一电流互感器和第一电压互感器连接，其输入端通过光纤网络分别与第二牵引变电所的第二电流互感器和第二电压互感器、……、以及第n牵引变电所的第n电流互感器和第n电压互感器连接；所述控制器输出端与三相无功补偿装置的控制端连接。

鉴于上述技术问题，本发明又采用了如下技术方案：

一种包括上述技术方案所述的负序补偿测控装置的牵引变电所群的负序补偿系统，所述负序补偿系统安装于牵引变电所群的第一牵引变电所中，其中，所述负序补偿系统还包括用于传输负序功率的三相变压器和用于产生负序分量的三相无功补偿装置；所述三相变压器次边与所述三相无功补偿装置连接。

优选地，第一牵引变电所的第一主变压器、第二牵引变电所的第二主变压器、……、以及第n牵引变电所的的第n主变压器均采用单相接线。

优选地，根据权利要求1所述的牵引变电所群的负序补偿测控装置，其特征在于，所述第一主变压器、第二主变压器、……、以及第n主变压器的次边绕组一端分别接地，其另一端分别与相对应的第一牵引母线、第二牵引母线、……、以及第n牵引母线连接。

优选地，所述第一主变压器、第二主变压器、……、以及第n主变压器的原边由同一变电站的分段母线供电。

优选地，所述第一主变压器、第二主变压器、……、以及第n主变压器分别引出第一牵引馈线、第二牵引馈线、……、以及第n牵引馈线,第一牵引馈线、第二牵引馈线、……、以及第n牵引馈线馈出牵引网，所述牵引网同相贯通。

优选地，所述第一牵引变电所设置三相高压母线，所述三相高压母线中的AB两相与所述第一牵引变电所的第一主变压器的原边连接，所述三相高压母线的C相与三相变压器的原边连接。

鉴于上述技术问题，本发明又采用了如下技术方案：

一种使用上述技术方案所述的负序补偿系统的牵引变电所群的负序补偿方法，其中，设变电站分段母线负序允许容量为S_d、牵引网负荷功率因数为1，所述负序补偿方法包括步骤具体如下：

控制器根据t时刻第一牵引变电所的第一电流互感器和第一电压互感器、第二牵引变电所的第二电流互感器和第二电压互感器、……、以及第n牵引变电所的第n电流互感器和第n电压互感器同时测量的电流和电压分别计算出相对应的第一牵引馈线的第一有功功率S₁(t)、第二牵引馈线的第二有功功率S₂(t)、……、以及第n牵引馈线的第n有功功率S_n(t)；

控制器进一步计算第一有功功率S₁(t)、第二有功功率S₂(t)、……、以及第n有功功率S_n(t)在时刻t的有功功率总和S(t)，即S(t)＝S₁(t)+S₂(t)+……+S_n(t)；

控制器控制三相无功补偿装置在t时刻输出的负序功率s_C(t)的相位与s(t)的相位相反，且S_C(t)的大小为：s_C(t)＝S(t)-S_d；

根据负序功率S_C(t)是否小于阈值VT来判断三相无功补偿装置有无停运。

优选地，当负序功率S_C(t)小于阈值VT,则停运三相无功补偿装置，即令S_C(t)等于VT；反之，则正常运行三相无功补偿装置。

进一步优选地，所述阈值VT为0。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、可以在更大范围内实施贯通式同相供电，最大范围取消电分相，不产生穿越功率。

二、在牵引变电所群的多个牵引变电所中设定一个变电所进行负序集中补偿，可使牵引变电所群的整体结构最简化；所需三相无功补偿装置只产生负序分量，不产生正序分量，即不占有电网的正序容量。

三、实现异地与当地数据同步，通过无功控制集中进行实时负序控制，不改变牵引变电所或牵引变电所群的牵引网的有功潮流，不增加额外的牵引网功率损耗。

四、牵引网同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电大大增加节能效果。

五、无功补偿装置工况可逆，当牵引变电所群处于等效再生工况时，仍可向电网送出达标的电能。

六、除了适于直接供电的牵引变电所和牵引网外，亦用于AT供电的牵引变电所及其牵引网。

七、结构简单，性能优越、技术先进、方法可靠，易于实施。

附图说明

图1是本发明实施例一所述负序补偿测控装置的结构示意图。

图2是本发明实施例一所述控制器的结构示意图。

图3是本发明实施例二所述负序补偿系统的结构示意图。

图4是本发明实施例二所述负序补偿系统的具体结构示意图。

图5是本发明实施例三所述负序补偿方法的具体流程图。

具体实施方式

本发明的工作原理为：交直交列车的功率因数很高，可认为＝1，且各个牵引变电所的功率因数相同，以给牵引变电所群供电的变电站分段母线为负序考核点，牵引变电所群内所有单相牵引母线的电压相别相同，工程上每个牵引母线在负序考核点处产生的总的负序电流可以用标量代数和计算，总的负序可以在一个牵引变电所进行集中补偿，群中各个变电所的负序功率与安装于某个区域变电所的负序补偿系统的负序功率在负序考核点合成(相减)之后达到国标要求，其中负序补偿系统通过其三相无功补偿装置产生负序潮流，不改变牵引变电所群的有功潮流及其在负序考核点的负序流动方式；利用光纤网络传输容量大、速度快的优势和数据同步技术获得异地各个牵引变电所的同步数据，满足实时控制要求。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例一提供了一种牵引变电所群的负序补偿测控装置，所述牵引变电所群包括第一牵引变电所SS₁、第二牵引变电所SS₂、……以及第n牵引变电所SS_n,其中，所述负序补偿测控装MC包括第一牵引变电所SS₁的第一电流互感器CT₁和第一电压互感器PT₁、第二牵引变电所SS₂的第二电流互感器CT₂和第二电压互感器PT₂、……、第i牵引变电所SS_i的第i电流互感器CT_i和第i电压互感器PT_i、以及第n牵引变电所SS_n的第n电流互感器CT_n和第n电压互感器PT_n、光纤网络FO以及控制器PS；所述控制器PS输入端与第一牵引变电所SS₁的第一电流互感器CT₁和第一电压互感器PT₁连接，其输入端通过光纤网络FO分别与第二牵引变电所SS₂的第二电流互感器CT₂和第二电压互感器PT₂、……、以及第n牵引变电所SS_n的第n电流互感器CT_n和第n电压互感器PT_n连接；所述控制器PS输出端与三相无功补偿装置的控制端连接。其中i为1,2,……，n。

本发明实施例所述牵引变电所群的负序补偿测控装置，不仅有利于在更大范围内实施贯通式同相供电，最大范围取消电分相，不产生穿越功率；而且还有利于在牵引变电所群的多个牵引变电所中设定一个变电所进行负序集中补偿，可使牵引变电所群的整体结构最简化；所需三相无功补偿装置只产生负序分量，不产生正序分量，即不占有电网的正序容量；实现异地与当地数据同步，通过无功控制集中进行实时负序控制，不改变牵引变电所或牵引变电所群的牵引网的有功潮流，不增加额外的牵引网功率损耗；牵引网同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电大大增加节能效果；同时，无功补偿装置工况可逆，当牵引变电所群处于等效再生工况时，仍可向电网送出达标的电能

实施例二

如图3和图4所示，本发明实施例二提供了一种牵引变电所群的负序补偿系统，所述牵引变电所群包括第一牵引变电所SS₁、第二牵引变电所SS₂、……以及第n牵引变电所SS_n,所述负序补偿系统NCS安装于牵引变电所群的第一牵引变电所SS₁中，其中，所述负序补偿系统NCS包括用于传输负序功率的三相变压器MT、用于产生负序分量的三相无功补偿装置SVG和负序补偿测控装置MC；所述三相变压器MT次边与所述三相无功补偿装置SVG连接。

在本发明实施例中，所述第一牵引变电所SS₁设置三相高压母线ABC，所述三相高压母线ABC中的A、B两相与所述第一牵引变电所SS₁的第一主变压器TT₁的原边连接，所述三相高压母线ABC的A、B、C三相与三相变压器MT的原边连接。

所述负序补偿测控装置MC包括第一牵引变电所SS₁的第一电流互感器CT₁和第一电压互感器PT₁、第二牵引变电所SS₂的第二电流互感器CT₂和第二电压互感器PT₂、……、以及第n牵引变电所SS_n的第n电流互感器CT_n和第n电压互感器PT_n、光纤网络FO以及控制器PS；所述控制器PS输入端与第一牵引变电所SS₁的第一电流互感器CT₁和第一电压互感器PT₁连接，其输入端通过光纤网络FO分别与第二牵引变电所SS₂的第二电流互感器CT₂和第二电压互感器PT₂、……、以及第n牵引变电所SS_n的第n电流互感器CT_n和第n电压互感器PT_n连接；所述控制器PS输出端与三相无功补偿装置的控制端连接。

在本发明实施中，第一牵引变电所SS₁的第一主变压器TT₁、第二牵引变电所SS₂的第二主变压器TT₂、……以及第n牵引变电所SS_n的的第n主变压器TT_n均采用单相接线。所述第一主变压器TT₁、第二主变压器TT₂、……、以及第n主变压器TT_n的次边绕组一端分别接地，其另一端分别与相对应的第一牵引母线TB₁、第二牵引母线TB₂、……、以及第n牵引母线TB_n连接。所述第一主变压器TT₁、第二主变压器TT₂、……、以及第n主变压器TT_n的原边由同一变电站的分段母线供电。

在本发明实施中，所述第一主变压器TT₁、第二主变压器TT₂、……、以及第n主变压器TT_n分别引出第一牵引馈线F₁、第二牵引馈线F₂、……、以及第n牵引馈线F_n,第一牵引馈线F₁、第二牵引馈线F₂、……、以及第n牵引馈线F_n馈出牵引网OCS，所述牵引网OCS同相贯通。在本发明实施例中牵引网OCS向列车L₁、L₂、……、以及L_n供电。

本发明实施例所述负序补偿系统NCS通过其三相无功补偿装置SVG产生负序潮流，不改变牵引变电所群的有功潮流及其在PCC的负序流动方式；利用光纤网络传输容量大、速度快的优势和数据同步技术获得异地各个牵引变电所的同步数据，满足实时控制要求。因此，本发明实施例不仅可以在更大范围内实施贯通式同相供电，最大范围取消电分相，不产生穿越功率；还可以在牵引变电所群的多个牵引变电所中设定一个变电所进行负序集中补偿，可使牵引变电所群的整体结构最简化；所需三相无功补偿装置只产生负序分量，不产生正序分量，即不占有电网的正序容量。同时还实现异地与当地数据同步，通过无功控制集中进行实时负序控制，不改变牵引变电所或牵引变电所群的牵引网的有功潮流，不增加额外的牵引网功率损耗。另外，通过牵引网同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电大大增加节能效果。

实施例三

如图5所示，本发明实施例三提供了一种牵引变电所群的负序补偿方法，其中，设变电站分段母线负序允许容量为S_d、牵引网负荷功率因数为1，所述负序补偿方法包括步骤具体如下：

控制器PS根据t时刻第一牵引变电所SS₁的第一电流互感器CT₁和第一电压互感器PT₁、第二牵引变电所SS₂的第二电流互感器CT₂和第二电压互感器PT₂、……、以及第n牵引变电所SS_n的第n电流互感器CT_n和第n电压互感器PT_n同时测量的电流、电压分别计算出相对应的第一牵引馈线F₁的第一有功功率S₁(t)、第二牵引馈线F₂的第二有功功率S₂(t)、……、以及第n牵引馈线F_n的第n有功功率S_n(t)；

控制器PS进一步计算第一有功功率S₁(t)、第二有功功率S₂(t)、……、以及第n有功功率S_n(t)在时刻t的有功功率总和S(t)，即S(t)＝S₁(t)+S₂(t)+……+S_n(t)；

控制器PS控制三相无功补偿装置SVG在t时刻输出的负序功率S_C(t)的相位与S(t)的相位相反，且S_C(t)的大小为：S_C(t)＝S(t)-S_d；

根据负序功率S_C(t)是否小于阈值VT来判断三相无功补偿装置SVG有无停运。

在本发明实施例中，当负序功率S_C(t)小于阈值VT,则停运三相无功补偿装置SVG，即令S_C(t)等于VT；反之，则正常运行三相无功补偿装置SVG。具体在本发明实施例中，所述阈值VT为0，当负序功率S_C(t)小于阈值0,令S_C(t)等于0，则代表三相无功补偿装置SVG停运；反之，则正常运行三相无功补偿装置SVG。

本发明实施例所述牵引变电所群的负序补偿方法，不仅可以在更大范围内实施贯通式同相供电，最大范围取消电分相，不产生穿越功率；还可以在牵引变电所群的多个牵引变电所中设定一个变电所进行负序集中补偿，可使牵引变电所群的整体结构最简化；所需三相无功补偿装置只产生负序分量，不产生正序分量，即不占有电网的正序容量。同时还实现异地与当地数据同步，通过无功控制集中进行实时负序控制，不改变牵引变电所或牵引变电所群的牵引网的有功潮流，不增加额外的牵引网功率损耗。另外，通过牵引网同相贯通，更有利于再生列车电能的被牵引列车利用，减少从电力系统的用电大大增加节能效果。

Claims

1.一种牵引变电所群的负序补偿测控装置，所述牵引变电所群包括第一牵引变电所（SS₁）、第二牵引变电所（SS₂）、……、以及第n牵引变电所（SS_n）, 其特征在于：所述负序补偿测控装置（MC）包括第一牵引变电所（SS₁）的第一电流互感器（CT₁）和第一电压互感器（PT₁）、第二牵引变电所（SS₂）的第二电流互感器（CT₂）和第二电压互感器（PT₂）、……、第n牵引变电所（SS_n）的第n电流互感器（CT_n）和第n电压互感器（PT_n）、光纤网络（FO）以及控制器（PS）；所述控制器（PS）的输入端与第一牵引变电所（SS₁）的第一电流互感器（CT₁）和第一电压互感器（PT₁）连接，控制器（PS）输入端通过光纤网络（FO）分别与第二牵引变电所（SS₂）的第二电流互感器（CT₂）和第二电压互感器（PT₂）、……、第n牵引变电所（SS_n）的第n电流互感器（CT_n）和第n电压互感器（PT_n）连接；所述控制器（PS）输出端与三相无功补偿装置SVG的控制端连接。

2.一种包括上述权利要求1中所述的负序补偿测控装置的牵引变电所群的负序补偿系统，所述负序补偿系统（NCS）安装于牵引变电所群的第一牵引变电所（SS1）中，其特征在于，所述负序补偿系统（NCS）还包括用于传输负序功率的三相变压器（MT）和用于产生负序分量的三相无功补偿装置SVG；所述三相变压器（MT）次边与所述三相无功补偿装置SVG连接。

3.根据权利要求2所述的牵引变电所群的负序补偿系统，其特征在于，所述第一牵引变电所（SS₁）的第一主变压器（TT₁）、第二牵引变电所（SS₂）的第二主变压器（TT₂）、……、以及第n 牵引变电所（SS_n）的第n主变压器（TT_n）均采用单相接线。

4.根据权利要求3所述的牵引变电所群的负序补偿系统，其特征在于，所述第一主变压器（TT₁）、第二主变压器（TT₂）、……、以及第n主变压器（TT_n）的次边绕组一端分别接地，其另一端分别与相对应的第一牵引母线（TB₁）、第二牵引母线（TB₂）、……、以及第n 牵引母线（TB_n）连接。

5.根据权利要求3所述的牵引变电所群的负序补偿系统，其特征在于，所述第一主变压器（TT₁）、第二主变压器（TT₂）、……、以及第n主变压器（TT_n）的原边由同一变电站的分段母线供电。

6.根据权利要求3中所述的牵引变电所群的负序补偿系统，其特征在于，所述第一主变压器（TT₁）、第二主变压器（TT₂）、……、以及第n 主变压器（TT_n）分别引出第一牵引馈线（F₁）、第二牵引馈线（F₂）、……、以及第n 牵引馈线（F_n），第一牵引馈线（F₁）、第二牵引馈线（F₂）、……、以及第n 牵引馈线（F_n）馈出牵引网（OCS），所述牵引网（OCS）同相贯通。

7.根据权利要求 3 中所述的牵引变电所群的负序补偿系统，其特征在于，所述第一牵引变电所（SS₁）设置三相高压母线（ABC），所述三相高压母线（ABC）中的AB 两相与所述第一牵引变电所（SS₁）的第一主变压器（TT₁）的原边连接，所述三相高压母线（ABC）的A、B、C三相与三相变压器（MT）的原边连接。

8.一种使用上述权利要求 2 至7 中任意一项所述的负序补偿系统的牵引变电所群的负序补偿方法，其特征在于，设变电站分段母线负序允许容量为Sd、牵引网负荷功率因数为1，所述负序补偿方法包括步骤具体如下：

控制器（PS）根据t 时刻第一牵引变电所（SS₁）的第一电流互感器（CT₁）和第一电压互感器（PT₁）、第二牵引变电所（SS₂）的第二电流互感器（CT₂）和第二电压互感器（PT₂）、……、以及第n 牵引变电所（SS_n）的第n 电流互感器（CT_n）和第n 电压互感器（PT_n）同时测量的电流和电压分别计算出相对应的第一牵引馈线（F₁）的第一有功功率S₁（t）、第二牵引馈线（F₂）的第二有功功率S₂（t）、……、以及第n 牵引馈线（F_n）的第n 有功功率S_n（t）;

控制器（PS）进一步计算第一有功功率S₁（t）、第二有功功率S₂（t）、……、以及第n有功功率S_n（t）在时刻t 的有功功率总和S（t），即S（t）=S₁（t）+S₂（t）+……+S_n（t）；控制器（PS）控制三相无功补偿装置SVG在t 时刻输出的负序功率S_c(t)的相位与S(t)的相位相反，且S_c(t)的大小为：S_c(t)=S（t）-S_d；

根据负序功率S_c（t）是否小于阈值VT 来判断三相无功补偿装置SVG有无停运。

9.根据权利要求 8 中所述的牵引变电所群的负序补偿方法，其特征在于，当负序功率S_c（t）小于阈值VT,则停运三相无功补偿装置SVG，即令S_c（t）等于VT；反之，则正常运行三相无功补偿装置SVG。

10.根据权利要求 8 或9 中所述的牵引变电所群的负序补偿方法，其特征在于，所述阈值VT为0。