电气化铁道电能质量综合控制研究 摘要:作为典型的非平衡负载,电气化铁道的牵引负载给公共电网带来的谐波、负序和无功等电能质量问题不 容忽视。静止无功补偿装置(SVC)是一种减小甚至消除无功、谐波以及其他电能质量问题的有效方法。以静止 无功补偿器(SVC)为基础,对电气化铁道的电能质量问题的综合控制进行研究。 关键词:电气化铁道;电网;电能质量;综合控制 1 前言 中国的电气化铁道总里程已经突破2·4万公里, 跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速 度快、节约能源、对环境污染小等优点,在现代国民经 济发展中起着举足轻重的作用。 但是,由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波 动性和不对称性,其给公共电网带来的诸如负序电流、 谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关 注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载 所带来的一系列电能质量问题,确保电网中其他电力 设备的安全经济运行具有重大意义。 2 电气化铁道牵引供电系统 2·1 概述 我国的动力供电电网电压一般为110kV或者 220kV,通过牵引变压器转换为27·5kV作为牵引动力 机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有 单相牵引变压器、Y-D11牵引变压器、阻抗匹配牵引 变压器、Scott变压器等。我国电气化铁道采用工频交 流50Hz三相供电单相用电,其负荷牵引电力机车的 功率大,速度、负载状况变化频繁,且具有不对称的特 性,导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序 电流大等特点,不但自身损耗大,而且对公共电网及铁 路沿线的其他电力设备也带来严重危害,必须采取有 效措施加以治理[1]。 2·2 单相变压器牵引供电网 采用单相牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如 图1所示[2]。 单相接线牵引网采用单相变压器供电,供电方式 又分为单相接线方式和V-V接线方式。单相接线牵 引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相;副边 一端与牵引侧母线连接,另一端与轨道及接地网连接。 牵引变压器的容量利用率高,但其在电力系统中单相 牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能 实现双边供电。所以,这种结线只适用于电力系统容 量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠地由 地方电网得到供应的场合。另外,单相牵引变压器要 按全绝缘设计制造。而单相V-V接线将两台单相变 压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电 所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压 器次边绕组,各取一端联至牵引变电所两相母线上。 而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回 的回流线。这时,两臂电压相位差60°接线,电流的不 对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。 2·3 三相Y-D11变压器牵引供电网 采用三相Y-D11牵引变压器的牵引供电系统拓 扑结构如图2所示[2]。 三相Y-D11结线牵引变压器的高压侧通过引入 线按规定次序接到110kV或220kV,三相电力系统的高 压输电线上;变压器低压侧的一角c与轨道,接地网连 接,变压器另两个角a和b分别接到27·5kV的a相和b 相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂 供电,两臂电压的相位差为60°,也是60°接线。因此,在 这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。 3 SVC静止型动态无功补偿装置 3·1 SVC的发展 静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高 压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数 来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电 压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以 来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容 器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形 式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC 可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电 子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可 以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有 较快的响应速度,它能够维持端电压恒定 3·2 SVC的工作原理及在电网中应用 TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图3。它由 1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际 系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。 TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接 的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效 电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图3中 两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改 变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以 电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通, 导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗 器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180° 之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提 供的补偿电流中含有谐波分量[3]。 TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化 通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里, 晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起 相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一 个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶 闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶 闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者 过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的 电容器只是在两个极端的电流值之间切换,因此它不 会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。 TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低 于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适 当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此 时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部 分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切 除所有电容器组,只留有TCR运行。 4 电网电能质量综合控制与治理 4·1 谐波抑止与无功补偿 利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的 谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补 偿量的确定和滤波器支路的设计[3]。 SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负 荷的大小相适应,应该按电气化铁道牵引负荷的最大 有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无 功冲击时的最大电压损耗的要求来确定,具体可以按 照式(1)、(2)来计算。 QSVC=(tanφ1-tanφ2)Pmax(1) 式中,φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率 因数角;Pmax为电铁负荷最大有功需求。 QSVC=Qfmax-ΔU%Xs(2) 式中,Qfmax为装设地点最大无功冲击;ΔU%为装 设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。 要想达到理想的谐波抑止效果,必须综合考虑FC 滤波支路的设计,既要保证装置的安全运行,又要达到 预计的理想效果。在实际设计中,首先需要根据供电 臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由 于在电力牵引负荷的谐波中, 3、5、7次谐波占了很大 的比重,所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤 波器构成。 当最大无功补偿容量和滤波支路的组成确定后, 如何将需补无功容量合理分配到各滤波支路中,这是 非常重要的问题。如果各滤波支路的容量分配不合 理,一方面会使设备安装总容量偏大,另一方面有可能 因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷,对设 备安全运行造成影响。 一些著名的电气公司采用的一些算法如下[6]: 如西门子公司的无功功率补偿按式(3)分配 Qc(h)=QSVCIh/h∑Ih/h(3) 式中,Qc(h)是第h次滤波支路分配的补偿容量;Ih 为供电臂第h次谐波电流。 BBC电气公司按照式(4)分配无功功率 Qc(h)=QSVC∑Ih(4) AEG电气公司则按照式(5)分配无功 Qc(3)∶Qc(5)∶Qc(11)∶Qc(13)=2∶2∶1∶1 (5) 式中,Qc(3)、Qc(5)、Qc(11)、Qc(13)分别为第3、5、11、 13次滤波支路分配的补偿容量。 4·2 负序电流补偿 牵引电力机车产生的大量负序电流给电网中其他 的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静 止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相 当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷 上都安装SVC[5]。 在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的 原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)。不管采 用哪一种牵引变压器,负序补偿的实现分为如下两步: (1)电力因数修正。通过安装电容器件,使得每 相负荷都为电阻性。 (2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws),AB相 的电阻性负荷G,与BC相的电容性负荷G/ 3以及CA 相的电感性负荷G/ 3互相对称。 电流环路图和相位图分别如图4、5所示: 从图5可以明显看到线电流I·A,I·B,I·C是对称 且正序的,BC相和CA相之间的阻抗负载也可以做到 类似的对称,因此系统中的所有负序电流都可以被补 偿而消除。 现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态 地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处 理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器 (TCR)的组合得以广泛应用,如图6所示。得益于 DSP对数据信息的快速处理,补偿所需的电容和电感 参数可以被快速、精确计算得到。 5 结论与展望 本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的 电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与 方案具有重要的工程意义。电气化铁道的电能质量是 一个突出且严峻的课题与难题,要求我们不断探求新 的综合补偿方法,来综合控制与治理影响电能质量的 无功、谐波、负序等因素,以提高电网电能质量,确保电 网安全、经济运行。 参考文献 [1] 李群湛电气化铁道并联综合补偿及其应用[M]北京:中国铁道 出版社, [2] TB/10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S] [3] 王兆安谐波抑止和无功功率补偿[M]北京:机械工业出版社, [4] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院电气化铁道设计手册牵 引供电系统[M]北京:中国铁道出版社, [5] 安鹏,张雷,刘玉田电气化铁道对电力系统安全运行的影响及对 策[J]山东电力技术, 2005, (4): 16- [6] 马千里动态无功补偿装置在牵引变电所的应用[J]电气化铁 道, 2008(4)希望采纳
[论文关键词]铁路 电力 远动终端 干扰 [论文摘要]研究分析电磁干扰产生的原因、特点及干扰对电力远动系统的影响，从设计的角度对铁路电力远动监控系统进行抗干扰分析研究。 抗干扰设计是电力远动监控系统安全运行的一个重要组成部分，在研制综合自动化系统的过程中，如果不充分考虑可靠性问题，在强电场干扰下，很容易出现差错，使整个电力远动监控系统无法正常运行或出错误（误跳闸事故等），无法向站场和区间供电，影响铁路行车安全。 一、电磁干扰产生的原因及特点 （一）传导瞬变和高频干扰 1．由于雷击、断路器操作和短路故障等引起的浪涌和高频瞬变电压或电流通过变（配）电所二次侧进入远动终端设备，对设备正常运行产生干扰，严重还可损坏电路。2．由电磁继电器的通断引起的瞬变干扰，电压幅值高，时间短、重复率高，相当于一连串脉冲群。3．铁路电力供电中，特别是现代高速铁路对电力要求都比较高，一般都是几路电源供电，母线投切转换比较频繁，振荡波出现的次数较多。 （二）场的干扰 1．正常情况下的稳态磁场和短路事故时的暂态磁场两种，特别是短路事故时的磁场对显示器等影响比较大。2．由于断路器的操作或短路事故、雷击等引起的脉冲磁场。3．变电所中的隔离开关和高压柜手车在操作时产生的阻尼振荡瞬变过程，也产生一定的磁场。4．无线通信、对讲机等辐射电磁场对远动终端会产生一定的干扰，铁路中继站通常会和通信站在一处，通信发射塔对中继站电力远动终端设备的干扰比较大。 （三）对通信线路的干扰 1．铁路变电所远动终端的数据由串口通信经双绞线进入车站通信站，再经过转换成光信号沿铁通专用通信光缆送至电力远动调度中心，遥信和遥控数据在变电所到通信站的过程走的是电信号，由于变电所高低压进出线缆很多，远动终端受的干扰比较大。2．中继站一般距铁路都比较近，列车通过时的振动对远动终端设备有一定的干扰。 （四）继电器本身原因 继电器本身可能由于某种原因一次性未合到位而产生干扰的振动信号，或负荷开关、断路器、隔离开关等二次侧产生振动信号。 二、干扰对电力远动系统的影响 无论交流电源供电还是直流供电，电源与干扰源之间耦合通道都相对较多，很容易影响到远动终端设备，包括要害的CPU；模拟量输入受干扰，可能会造成采样数据的错误，影响精度和计量的准确性，还可能会引起微机保护误动、损坏远动终端设备和微机保护部分元器件；开关量输入、输出通道受干扰，可能会导致微机和远动终端判断错误，远动调试终端数据错误远动终端CPU受干扰会导致CPU工作不正常，无法正常工作，还可能会导致远动终端程序受到破坏。 三、抗干扰设计分析 （一）屏蔽措施 1．高压设备与远动终端输入、输出采用有铠装（屏蔽层）的电缆，电缆钢铠两端接地，这样可以在很大程度上减小耦合感应电压。2．在选择变电所和中继站电力设备时尽量选设有专门屏蔽层的互感器，也有利于防止高频干扰进入远动终端设备内部。3．在远动终端设备的输入端子上对地接一耐高压的小电容，可以有效抑制外部高频干扰。 （二）系统接地设计 1．一次系统接地主要是为了防雷、中性点接地、保护设备，合适的接地系统可以有效的保障设备安全运行，对于断路器柜接地处要增加接地扁铁和接地极的数量，设备接地处增加增加接地网络互接线，降低接地网中瞬变电位差，提高对二次设备的电磁兼容，减少对远动终端的干扰。 二次系统接地分为安全接地和工作接地，安全接地主要是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时，遭受触电危险和保证设备安全，将设备外壳接地，接地线采用多股铜软线，导电性好、接地牢固可靠，安全接地网可以和一次设备的接地网相连；工作接地是为了给电子设备、微机控制系统和保护装置一个电位基准，保证其可靠运行，防止地环流干扰。3．由于高低压柜本身都是多都是采用镀锌薄钢板材料，本身也有屏蔽作用，将高低高柜都可靠接地。4．远动终端微机电源地和数字地不与机壳外壳相连，这样可以减小电源线同机壳之间的分布电容，提高抗共模干扰的能力，可明显提高电力远动监控系统的安全性、可靠性。 （三）采取良好的隔离措施 1．为避免远动终端自身电源干扰采取隔离变压器，电源高频噪声主要是通过变压器初、次级寄生电容耦合，隔离变压器初级和次级之间由屏蔽层隔离，分布电容小，可提高抗共模干扰的能力。2．电力远动监控系统开关量的输入主要断路器、隔离开关、负荷开关的辅助触点和电力调压器分接头位置等，开关量的输出主要是对断路器、负荷开关和电力调压器分接头的控制。3．信号电缆尽量避开电力电缆，在印刷远动终端的电路板布线时注意避免互感。4．采用光电耦合隔离，光电耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻大，且输入/输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，因此回路一侧的干扰很难通过光耦送到另一侧去，能有效地防止干扰从过程通道进入主CPU。 （四）滤波器的设计 1．采用低通滤波去高次谐波。2．采用双端对称输入来抑制共模干扰，软件采用离散的采集方式，并选用相应的数字滤波技术。 （五）分散独立功能块供电，每个功能块均设单独的电压过载保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，也减少了公共阻抗的相互耦合及公共电源的耦合，大大提高供电的可靠性。 （六）数据采集抗干扰设计 1．在信息量采集时，取消专门的变送器屏柜，将变送器部分封装在RTU内，减少中间环节，这样可以减少变送器部分输出的弱电流电路的长度。2．遥信由于合闸一次不到位或由于二次侧振动而产生的误遥信干扰信号，并且还会产生尖脉冲信号，也可能对遥信回路产生干扰误遥信号。 （七）过程通道抗干扰设计 （八）印刷电路板设计。在印刷电路板设计中尽量将数字电路地和模拟地电路地分开；电源输入端跨接10～100μF的电解电容。 （九）控制状态位的干扰设计 （十）程序运行失常的抗干扰设计 （十一）单片机软件的抗干扰设计 （十二）对于终端至通信站的数字通信电缆加穿钢管，特别是穿越其他电力电缆时，避免和其他电力电缆等同沟敷设并保持一定的交叉距离。 （十三）对于特殊的变（配）电所或区间信号站的环境 （十四）提高远动信息传输的可靠性，在电力调度中心和远动终端之间建立出错重发技术直到住处确认信息为止。
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[论文关键词]铁路 电力 远动终端 干扰 [论文摘要]研究分析电磁干扰产生的原因、特点及干扰对电力远动系统的影响，从设计的角度对铁路电力远动监控系统进行抗干扰分析研究。 抗干扰设计是电力远动监控系统安全运行的一个重要组成部分，在研制综合自动化系统的过程中，如果不充分考虑可靠性问题，在强电场干扰下，很容易出现差错，使整个电力远动监控系统无法正常运行或出错误（误跳闸事故等），无法向站场和区间供电，影响铁路行车安全。 一、电磁干扰产生的原因及特点 （一）传导瞬变和高频干扰 1．由于雷击、断路器操作和短路故障等引起的浪涌和高频瞬变电压或电流通过变（配）电所二次侧进入远动终端设备，对设备正常运行产生干扰，严重还可损坏电路。2．由电磁继电器的通断引起的瞬变干扰，电压幅值高，时间短、重复率高，相当于一连串脉冲群。3．铁路电力供电中，特别是现代高速铁路对电力要求都比较高，一般都是几路电源供电，母线投切转换比较频繁，振荡波出现的次数较多。 （二）场的干扰 1．正常情况下的稳态磁场和短路事故时的暂态磁场两种，特别是短路事故时的磁场对显示器等影响比较大。2．由于断路器的操作或短路事故、雷击等引起的脉冲磁场。3．变电所中的隔离开关和高压柜手车在操作时产生的阻尼振荡瞬变过程，也产生一定的磁场。4．无线通信、对讲机等辐射电磁场对远动终端会产生一定的干扰，铁路中继站通常会和通信站在一处，通信发射塔对中继站电力远动终端设备的干扰比较大。 （三）对通信线路的干扰 1．铁路变电所远动终端的数据由串口通信经双绞线进入车站通信站，再经过转换成光信号沿铁通专用通信光缆送至电力远动调度中心，遥信和遥控数据在变电所到通信站的过程走的是电信号，由于变电所高低压进出线缆很多，远动终端受的干扰比较大。2．中继站一般距铁路都比较近，列车通过时的振动对远动终端设备有一定的干扰。 （四）继电器本身原因 继电器本身可能由于某种原因一次性未合到位而产生干扰的振动信号，或负荷开关、断路器、隔离开关等二次侧产生振动信号。 二、干扰对电力远动系统的影响 无论交流电源供电还是直流供电，电源与干扰源之间耦合通道都相对较多，很容易影响到远动终端设备，包括要害的CPU；模拟量输入受干扰，可能会造成采样数据的错误，影响精度和计量的准确性，还可能会引起微机保护误动、损坏远动终端设备和微机保护部分元器件；开关量输入、输出通道受干扰，可能会导致微机和远动终端判断错误，远动调试终端数据错误远动终端CPU受干扰会导致CPU工作不正常，无法正常工作，还可能会导致远动终端程序受到破坏。 三、抗干扰设计分析 （一）屏蔽措施 1．高压设备与远动终端输入、输出采用有铠装（屏蔽层）的电缆，电缆钢铠两端接地，这样可以在很大程度上减小耦合感应电压。2．在选择变电所和中继站电力设备时尽量选设有专门屏蔽层的互感器，也有利于防止高频干扰进入远动终端设备内部。3．在远动终端设备的输入端子上对地接一耐高压的小电容，可以有效抑制外部高频干扰。 （二）系统接地设计 1．一次系统接地主要是为了防雷、中性点接地、保护设备，合适的接地系统可以有效的保障设备安全运行，对于断路器柜接地处要增加接地扁铁和接地极的数量，设备接地处增加增加接地网络互接线，降低接地网中瞬变电位差，提高对二次设备的电磁兼容，减少对远动终端的干扰。 二次系统接地分为安全接地和工作接地，安全接地主要是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时，遭受触电危险和保证设备安全，将设备外壳接地，接地线采用多股铜软线，导电性好、接地牢固可靠，安全接地网可以和一次设备的接地网相连；工作接地是为了给电子设备、微机控制系统和保护装置一个电位基准，保证其可靠运行，防止地环流干扰。3．由于高低压柜本身都是多都是采用镀锌薄钢板材料，本身也有屏蔽作用，将高低高柜都可靠接地。4．远动终端微机电源地和数字地不与机壳外壳相连，这样可以减小电源线同机壳之间的分布电容，提高抗共模干扰的能力，可明显提高电力远动监控系统的安全性、可靠性。 （三）采取良好的隔离措施 1．为避免远动终端自身电源干扰采取隔离变压器，电源高频噪声主要是通过变压器初、次级寄生电容耦合，隔离变压器初级和次级之间由屏蔽层隔离，分布电容小，可提高抗共模干扰的能力。2．电力远动监控系统开关量的输入主要断路器、隔离开关、负荷开关的辅助触点和电力调压器分接头位置等，开关量的输出主要是对断路器、负荷开关和电力调压器分接头的控制。3．信号电缆尽量避开电力电缆，在印刷远动终端的电路板布线时注意避免互感。4．采用光电耦合隔离，光电耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻大，且输入/输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，因此回路一侧的干扰很难通过光耦送到另一侧去，能有效地防止干扰从过程通道进入主CPU。 （四）滤波器的设计 1．采用低通滤波去高次谐波。2．采用双端对称输入来抑制共模干扰，软件采用离散的采集方式，并选用相应的数字滤波技术。 （五）分散独立功能块供电，每个功能块均设单独的电压过载保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，也减少了公共阻抗的相互耦合及公共电源的耦合，大大提高供电的可靠性。 （六）数据采集抗干扰设计 1．在信息量采集时，取消专门的变送器屏柜，将变送器部分封装在RTU内，减少中间环节，这样可以减少变送器部分输出的弱电流电路的长度。2．遥信由于合闸一次不到位或由于二次侧振动而产生的误遥信干扰信号，并且还会产生尖脉冲信号，也可能对遥信回路产生干扰误遥信号。 （七）过程通道抗干扰设计 （八）印刷电路板设计。在印刷电路板设计中尽量将数字电路地和模拟地电路地分开；电源输入端跨接10～100μF的电解电容。 （九）控制状态位的干扰设计 （十）程序运行失常的抗干扰设计 （十一）单片机软件的抗干扰设计 （十二）对于终端至通信站的数字通信电缆加穿钢管，特别是穿越其他电力电缆时，避免和其他电力电缆等同沟敷设并保持一定的交叉距离。 （十三）对于特殊的变（配）电所或区间信号站的环境 （十四）提高远动信息传输的可靠性，在电力调度中心和远动终端之间建立出错重发技术直到住处确认信息为止。
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电气化铁道电能质量综合控制研究摘 要:作为典型的非平衡负载,电气化铁道的牵引负载给公共电网带来的谐波、负序和无功等电能质量问题不容忽视。静止无功补偿装置(SVC)是一种减小甚至消除无功、谐波以及其他电能质量问题的有效方法。以静止无功补偿器(SVC)为基础,对电气化铁道的电能质量问题的综合控制进行研究。关键词:电气化铁道;电网;电能质量;综合控制1 前言中国的电气化铁道总里程已经突破2·4万公里,跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速度快、节约能源、对环境污染小等优点,在现代国民经济发展中起着举足轻重的作用。但是,由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波动性和不对称性,其给公共电网带来的诸如负序电流、谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载所带来的一系列电能质量问题,确保电网中其他电力设备的安全经济运行具有重大意义。2 电气化铁道牵引供电系统2·1 概述我国的动力供电电网电压一般为110kV或者220kV,通过牵引变压器转换为27·5kV作为牵引动力机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有单相牵引变压器、Y-D11牵引变压器、阻抗匹配牵引变压器、Scott变压器等。我国电气化铁道采用工频交流50Hz三相供电单相用电,其负荷牵引电力机车的功率大,速度、负载状况变化频繁,且具有不对称的特性,导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序电流大等特点,不但自身损耗大,而且对公共电网及铁路沿线的其他电力设备也带来严重危害,必须采取有效措施加以治理[1]。2·2 单相变压器牵引供电网采用单相牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如图1所示[2]。单相接线牵引网采用单相变压器供电,供电方式又分为单相接线方式和V-V接线方式。单相接线牵引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相;副边一端与牵引侧母线连接,另一端与轨道及接地网连接。牵引变压器的容量利用率高,但其在电力系统中单相牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能实现双边供电。所以,这种结线只适用于电力系统容量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠地由地方电网得到供应的场合。另外,单相牵引变压器要按全绝缘设计制造。而单相V-V接线将两台单相变压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压器次边绕组,各取一端联至牵引变电所两相母线上。而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回的回流线。这时,两臂电压相位差60°接线,电流的不对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。2·3 三相Y-D11变压器牵引供电网采用三相Y-D11牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如图2所示[2]。三相Y-D11结线牵引变压器的高压侧通过引入线按规定次序接到110kV或220kV,三相电力系统的高压输电线上;变压器低压侧的一角c与轨道,接地网连接,变压器另两个角a和b分别接到27·5kV的a相和b相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂供电,两臂电压的相位差为60°,也是60°接线。因此,在这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。3 SVC静止型动态无功补偿装置3·1 SVC的发展静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有较快的响应速度,它能够维持端电压恒定3·2 SVC的工作原理及在电网中应用TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图3。它由1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图3中两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通,导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180°之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提供的补偿电流中含有谐波分量[3]。TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里,晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的电容器只是在两个极端的电流值之间切换,因此它不会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行。4 电网电能质量综合控制与治理4·1 谐波抑止与无功补偿利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补偿量的确定和滤波器支路的设计[3]。SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负荷的大小相适应,应该按电气化铁道牵引负荷的最大有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无功冲击时的最大电压损耗的要求来确定,具体可以按照式(1)、(2)来计算。QSVC=(tanφ1-tanφ2)Pmax(1)式中,φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率因数角;Pmax为电铁负荷最大有功需求。QSVC=Qfmax-ΔU%Xs(2)式中,Qfmax为装设地点最大无功冲击;ΔU%为装设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。要想达到理想的谐波抑止效果,必须综合考虑FC滤波支路的设计,既要保证装置的安全运行,又要达到预计的理想效果。在实际设计中,首先需要根据供电臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由于在电力牵引负荷的谐波中, 3、5、7次谐波占了很大的比重,所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤波器构成。当最大无功补偿容量和滤波支路的组成确定后,如何将需补无功容量合理分配到各滤波支路中,这是非常重要的问题。如果各滤波支路的容量分配不合理,一方面会使设备安装总容量偏大,另一方面有可能因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷,对设备安全运行造成影响。一些著名的电气公司采用的一些算法如下[6]:如西门子公司的无功功率补偿按式(3)分配Qc(h)=QSVCIh/h∑Ih/h(3)式中,Qc(h)是第h次滤波支路分配的补偿容量;Ih为供电臂第h次谐波电流。BBC电气公司按照式(4)分配无功功率Qc(h)=QSVC∑Ih(4)AEG电气公司则按照式(5)分配无功Qc(3)∶Qc(5)∶Qc(11)∶Qc(13)=2∶2∶1∶1 (5)式中,Qc(3)、Qc(5)、Qc(11)、Qc(13)分别为第3、5、11、13次滤波支路分配的补偿容量。4·2 负序电流补偿牵引电力机车产生的大量负序电流给电网中其他的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷上都安装SVC[5]。在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)。不管采用哪一种牵引变压器,负序补偿的实现分为如下两步:(1)电力因数修正。通过安装电容器件,使得每相负荷都为电阻性。(2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws),AB相的电阻性负荷G,与BC相的电容性负荷G/ 3以及CA相的电感性负荷G/ 3互相对称。电流环路图和相位图分别如图4、5所示:从图5可以明显看到线电流I·A,I·B,I·C是对称且正序的,BC相和CA相之间的阻抗负载也可以做到类似的对称,因此系统中的所有负序电流都可以被补偿而消除。现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器(TCR)的组合得以广泛应用,如图6所示。得益于DSP对数据信息的快速处理,补偿所需的电容和电感参数可以被快速、精确计算得到。5 结论与展望本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与方案具有重要的工程意义。电气化铁道的电能质量是一个突出且严峻的课题与难题,要求我们不断探求新的综合补偿方法,来综合控制与治理影响电能质量的无功、谐波、负序等因素,以提高电网电能质量,确保电网安全、经济运行。参考文献[1] 李群湛电气化铁道并联综合补偿及其应用[M]北京:中国铁道出版社, [2] TB/10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S][3] 王兆安谐波抑止和无功功率补偿[M]北京:机械工业出版社,[4] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院电气化铁道设计手册牵引供电系统[M]北京:中国铁道出版社, [5] 安鹏,张雷,刘玉田电气化铁道对电力系统安全运行的影响及对策[J]山东电力技术, 2005, (4): 16-[6] 马千里动态无功补偿装置在牵引变电所的应用[J]电气化铁道, 2008(4)
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题目：高速铁路牵引供电自动化网络通信系统研究摘 要:我国铁路建设进入了一个高速发展阶段，高速铁路的设计、建设正在进一步展开。面对日、德、法等先进技术的竞争，研究具有自主知识产权高速铁路牵引供电自动化系统(TPSAS，Traction Power Supply AutomaticSystem)是十分有意义的。控制自动化、管理信息化的TPSAS是高速铁路供电系统可靠运行的基础，可以替代进口，节省外汇和国家投资，同时也是高速铁路急需的重大技术装备。实现TPSAS的关键是通信，通信问题已成为牵引供电自动化系统研究和开发的核心问题。 现在运行的供电调度系统(PSDS，Power Supply DispatchingSystem)、牵引变电所自动化系统(TSAS，Traction Substation integratedAutomation System)、牵引供电管理信息系统(PSMIS，Power SupplyManagement Information System)、接触网工区、检测车、牵引供电维修管理中心、路局管理部门等通信接口复杂，信息流混乱，要求不清，很难实现真正意义上的管控一体化，同时存在“信息化孤岛”问题。在考虑系统的安全性和可靠性的前提下，按照管理和控制分流的原则，对TPSAS每个子系统的输入输出信息流进行了规范，提出了每个子系统的接口和要求，规划了TPSAS完整的信息流。按照铁路信息规范化要求，研究了相应的信息数据词典。按照TPSAS信息流对通信的要求，在现有通信网络的基础上，提出了TPSAS网络通信架构的解决方案。 FPSAS系统实时性主要是TSAS网络以及PSDS控制网络的实时性。通过深入研究以太网技术，结合高速铁路对TSAS实时性要求，提出了一种新的工业控制以太网解决方案：分布交换式双环光纤自愈以太网。针对该方案，展开了研究：①详细设计了通信单元和TSAS中智能电子装置(IED，Intelligent Electric Device)的接口硬件。②提出了基于实时数据通道、最短路径表的最短路径算法，提高了通信的实时性。③提出了通信故障自愈和定位算法，使通信更易于维护，易于实现无人职守的TSAS，同时该方案也满足工业以太网对网络中断时间的要求。④利用最短路径的思想，给出了基于标准以太网的：PSDS通信网络的实现方案。⑤考虑到现场环境，研制了相应的工业级分布交换式网络通信单元。该方案大大提高了PSDS控制网络实时性、可靠性，实现了PSDS与TSAS之间真正意义上的无缝连接。利用排队论，讨论了通信CPU处理能力与输入缓冲区大小的关系，输入报文到达率与缓冲区大小的关系，得到了通信接口硬件的设计原则，为工业以太网通信接口硬件设计中CPU的选择提供了依据。 利用OPNET，对TSAS采用总线式、交换式、分布交换式以太网方案进行系统仿真，在相同的条件下，仿真结果表明，分布交换式以太网优于总线式和交换式以太网，且改进了以太网数据时延确定性，避免了冲突。利用故障树分析法，在元件可靠度相同的条件下，比较现有的PSDS网络结构和本文提出的2路双环SDH网络结构的可靠性，结果表明2路双环SDH网络可靠性优于现有的PSDS网络结构；比较了TSAS中采用交换式和分布交换式以太网的可靠性，结果表明分布交换式以太网可靠性大大高于交换式以太网。综上所述，PSDS采用2路双环SDH网络结构，TSAS采用分布交换式双环光纤自愈以太网，采用最短路径、故障自愈和故障定位算法，将是高速铁路TPSAS通信的一个较好的选择。 基于本文所提出的分布交换式工业以太网架构，论文研究了IEC61850标准在TSAS的实现过程，从IED建模、数据对象和服务建立，GOOSE/GSSE特殊映射，MMS应用，实时操作系统，到硬件设计(IEC61850标准对硬件是有特殊要求的)，IED和变电站层配置软件研究。 若是可以的话，就加分，给邮箱，给你传过去。这个是博士论文，怎么说也够你用了。
[论文关键词]铁路 电力 远动终端 干扰 [论文摘要]研究分析电磁干扰产生的原因、特点及干扰对电力远动系统的影响，从设计的角度对铁路电力远动监控系统进行抗干扰分析研究。 抗干扰设计是电力远动监控系统安全运行的一个重要组成部分，在研制综合自动化系统的过程中，如果不充分考虑可靠性问题，在强电场干扰下，很容易出现差错，使整个电力远动监控系统无法正常运行或出错误（误跳闸事故等），无法向站场和区间供电，影响铁路行车安全。 一、电磁干扰产生的原因及特点 （一）传导瞬变和高频干扰 1．由于雷击、断路器操作和短路故障等引起的浪涌和高频瞬变电压或电流通过变（配）电所二次侧进入远动终端设备，对设备正常运行产生干扰，严重还可损坏电路。2．由电磁继电器的通断引起的瞬变干扰，电压幅值高，时间短、重复率高，相当于一连串脉冲群。3．铁路电力供电中，特别是现代高速铁路对电力要求都比较高，一般都是几路电源供电，母线投切转换比较频繁，振荡波出现的次数较多。 （二）场的干扰 1．正常情况下的稳态磁场和短路事故时的暂态磁场两种，特别是短路事故时的磁场对显示器等影响比较大。2．由于断路器的操作或短路事故、雷击等引起的脉冲磁场。3．变电所中的隔离开关和高压柜手车在操作时产生的阻尼振荡瞬变过程，也产生一定的磁场。4．无线通信、对讲机等辐射电磁场对远动终端会产生一定的干扰，铁路中继站通常会和通信站在一处，通信发射塔对中继站电力远动终端设备的干扰比较大。 （三）对通信线路的干扰 1．铁路变电所远动终端的数据由串口通信经双绞线进入车站通信站，再经过转换成光信号沿铁通专用通信光缆送至电力远动调度中心，遥信和遥控数据在变电所到通信站的过程走的是电信号，由于变电所高低压进出线缆很多，远动终端受的干扰比较大。2．中继站一般距铁路都比较近，列车通过时的振动对远动终端设备有一定的干扰。 （四）继电器本身原因 继电器本身可能由于某种原因一次性未合到位而产生干扰的振动信号，或负荷开关、断路器、隔离开关等二次侧产生振动信号。 二、干扰对电力远动系统的影响 无论交流电源供电还是直流供电，电源与干扰源之间耦合通道都相对较多，很容易影响到远动终端设备，包括要害的CPU；模拟量输入受干扰，可能会造成采样数据的错误，影响精度和计量的准确性，还可能会引起微机保护误动、损坏远动终端设备和微机保护部分元器件；开关量输入、输出通道受干扰，可能会导致微机和远动终端判断错误，远动调试终端数据错误远动终端CPU受干扰会导致CPU工作不正常，无法正常工作，还可能会导致远动终端程序受到破坏。 三、抗干扰设计分析 （一）屏蔽措施 1．高压设备与远动终端输入、输出采用有铠装（屏蔽层）的电缆，电缆钢铠两端接地，这样可以在很大程度上减小耦合感应电压。2．在选择变电所和中继站电力设备时尽量选设有专门屏蔽层的互感器，也有利于防止高频干扰进入远动终端设备内部。3．在远动终端设备的输入端子上对地接一耐高压的小电容，可以有效抑制外部高频干扰。 （二）系统接地设计 1．一次系统接地主要是为了防雷、中性点接地、保护设备，合适的接地系统可以有效的保障设备安全运行，对于断路器柜接地处要增加接地扁铁和接地极的数量，设备接地处增加增加接地网络互接线，降低接地网中瞬变电位差，提高对二次设备的电磁兼容，减少对远动终端的干扰。 二次系统接地分为安全接地和工作接地，安全接地主要是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时，遭受触电危险和保证设备安全，将设备外壳接地，接地线采用多股铜软线，导电性好、接地牢固可靠，安全接地网可以和一次设备的接地网相连；工作接地是为了给电子设备、微机控制系统和保护装置一个电位基准，保证其可靠运行，防止地环流干扰。3．由于高低压柜本身都是多都是采用镀锌薄钢板材料，本身也有屏蔽作用，将高低高柜都可靠接地。4．远动终端微机电源地和数字地不与机壳外壳相连，这样可以减小电源线同机壳之间的分布电容，提高抗共模干扰的能力，可明显提高电力远动监控系统的安全性、可靠性。 （三）采取良好的隔离措施 1．为避免远动终端自身电源干扰采取隔离变压器，电源高频噪声主要是通过变压器初、次级寄生电容耦合，隔离变压器初级和次级之间由屏蔽层隔离，分布电容小，可提高抗共模干扰的能力。2．电力远动监控系统开关量的输入主要断路器、隔离开关、负荷开关的辅助触点和电力调压器分接头位置等，开关量的输出主要是对断路器、负荷开关和电力调压器分接头的控制。3．信号电缆尽量避开电力电缆，在印刷远动终端的电路板布线时注意避免互感。4．采用光电耦合隔离，光电耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻大，且输入/输出回路之间分布电容极小，绝缘电阻很大，因此回路一侧的干扰很难通过光耦送到另一侧去，能有效地防止干扰从过程通道进入主CPU。 （四）滤波器的设计 1．采用低通滤波去高次谐波。2．采用双端对称输入来抑制共模干扰，软件采用离散的采集方式，并选用相应的数字滤波技术。 （五）分散独立功能块供电，每个功能块均设单独的电压过载保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，也减少了公共阻抗的相互耦合及公共电源的耦合，大大提高供电的可靠性。 （六）数据采集抗干扰设计 1．在信息量采集时，取消专门的变送器屏柜，将变送器部分封装在RTU内，减少中间环节，这样可以减少变送器部分输出的弱电流电路的长度。2．遥信由于合闸一次不到位或由于二次侧振动而产生的误遥信干扰信号，并且还会产生尖脉冲信号，也可能对遥信回路产生干扰误遥信号。 （七）过程通道抗干扰设计 （八）印刷电路板设计。在印刷电路板设计中尽量将数字电路地和模拟地电路地分开；电源输入端跨接10～100μF的电解电容。 （九）控制状态位的干扰设计 （十）程序运行失常的抗干扰设计 （十一）单片机软件的抗干扰设计 （十二）对于终端至通信站的数字通信电缆加穿钢管，特别是穿越其他电力电缆时，避免和其他电力电缆等同沟敷设并保持一定的交叉距离。 （十三）对于特殊的变（配）电所或区间信号站的环境 （十四）提高远动信息传输的可靠性，在电力调度中心和远动终端之间建立出错重发技术直到住处确认信息为止。
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