高鐵牽引變電站對電力系統的影響及其監控

王亞寧

（陜西省電力技工學校，陜西 西安 710100）

由于電力機車電氣化鐵路的負荷，當接入電網運行，產生大量的諧波和負序分量在電力系統中，如果不采取措施治理，將構成嚴重威脅的安全和經濟運行的電氣設備及電力系統。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量改進措施的概述。

1 電力機車的負序電流對電力系統的影響

1.1 對發電機的影響

機車產生的負序電流對發電機影響最大的是轉子的附加損耗及發熱，其次就是增加了振動。負序電流流過發電機定子繞組時將產生負序旋轉磁場，其轉速與轉子的轉速相同，但方向與轉向相反，會在轉子勵磁線圈、阻尼線圈及轉子本體中感應出2f0的電動勢，并引起渦流，發生熱量及能量損失。由于負序旋轉磁場感應出來的電流頻率高，集膚效應較為嚴重，可能出現局部高溫現象，降低金屬的機械強度及絕緣性能，對于需要牽引應力大的護環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生附加發熱。

1.4 對電動機的影響

對于異步電動機來說，正序電壓產生正序電流和順轉的電磁轉矩，負序電壓產生負序電流和逆轉的電磁轉矩。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電磁轉矩，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，常規的距離保護就要轉入閉鎖狀態，使一段時間內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，如系統此時發生振蕩，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雜性、降低可靠性。

2 牽引變現行對電能質量改善的措施

從對牽引變及牽引網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、有軌交通區段，當各牽引變電所由同一電力系統供電時，各牽引變電所在電力系統中引起的總負序電流與每個牽引變電所引入的相序有關。為了減小對電力系統的不對稱影響，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的不同相上，其目的使電鐵單相負荷反映到電力系統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：當牽引變電所兩側的牽引負荷相等時，反映到電力系統中三相是對稱的，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整，機車可經常保持較高的功率因數；減小了接觸網電流與接觸網損耗 。相應降低了接觸網電壓損失，改善了機車電壓質量；較少的諧波電流流入接觸網，減小了對電力系統的諧波影響。

3 基于單元控制級LCL、所控制級SCL的計算機監控解決方案

既有牽引變電所遠動功能實現的系統結構應采用分層分布式系統DCS(Distributed Control System)或分級控制系統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備來實現，單元控制級功能由單元設備來實現。單元設備的配置方式可以采用常規RTU單元結構或加強型RTU單元結構，也可以采用底層智能化結構PLC(Programmable Logical Controller)，還可以采用智能儀表與RTU或PLC混合配置結構，這主要取決于現場設備和監控對象的具體特點。

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

3.1 單元控制級LCL

根據現場設備和具體要求，LCL級可以采用RTU或加強型RTU單元結構，或PLC可編程控制器式底層智能化結構，還可以配置智能儀表。PLC內部具有一定數量的內存單元，通過編程后，可以順序執行程序預定的功能，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相應的功能，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接發生異常時，不影響PLC程序設定功能的實現。智能儀表是一種新型的表計結構，內部由智能芯片和測量機構組成，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）數據采集和傳送：數據采集和傳送的內容包括遙信量和遙測量。

（2）接收和執行控制命令：LCL級控制命令的執行一般采用開關量輸出的形式，可以分別用于控制斷路器的分合閘、主變壓器的調壓(對具有分接頭可以進行有載調壓的變壓器)、無功調整(對具有多組無功功率補償器可以分組投切的牽引變電所)、信號復歸、遙控查燈、消防控制等。在執行控制命令時，為滿足現場操作機構在執行分、合閘等操作時的具體要求，可以增設一級執行繼電器以擴大接點容量及數量。

（3）通訊功能：LCL級應具有通訊接口，以便聯接遠動通道、牽引變電所級計算機以及當地便攜式計算機，一般可配置2～3個計算機通訊接口。

（4）自動功能：自動功能的實現與LCL級配置的硬件設備有關，有些自動功能既可以設在LCL級實現，也可以設在SCL級實現。關于牽引變電所的自動功能在下節作進一步討論。

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，按照上述方式進行系統配置，可以實現無鍵盤全鼠標式操作，在運行現場減少了人為操作對計算機系統運行的影響。主要功能可以達到以下幾個方面：

（1）屏幕顯示與人機對話：顯示系統總目錄，主結線，主變運行狀態及運行參數圖，牽引變電所實時運行參數表及歷史運行參數表，定值表、密碼等級設定及輸入，電度表，實時動態參數棒圖、曲線，模擬指針式和數字式儀表，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據庫和歷史記錄中，并完成日報、月報以及年報表的制表和數據生成，所有實時、歷史記錄均可召喚打印。

（3）報警功能：可將報警內容分級、分類并設置成不同的報警方式。例如，對事故，故障(包括監控系統內部故障)，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用于同一事件中。

（4）故障數據收集與記錄：遠動系統的主要目標之一是防止系統事故，而一旦出現事故，當時的記錄將是分析事故和預防事故的寶貴資料。因此，故障數據的收集與記錄是遠動系統的重要功能之一。故障數據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：牽引變電所內開關變位和繼電保護等狀態量出現變化時，通常要按時間(內部時鐘)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，一般應采用LCL級硬件設備 (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數據。SOE正常狀態下以較長的周期、較低的優先級作為SCADA正常掃描的一部分，一旦出現SOE所涉及的狀態量變化，立即提高其優先級，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功能用于連續記錄事故前后的量測數據和狀態數據。一旦出現規定的事件，連續記錄的數據就送到專門的存儲區PDR區內，PDR循環采集規定的數據集合或相關量測量值，循環周期由數秒到數分，利用PDR區存儲的數據，可以“實時”再現事故過程的參數及狀態變化情況。

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

（6）與繼電保護的聯接并進行信息交換：牽引變電所的遠動和自動化系統一般應能反映繼電保護的信息和數據，以便為綜合自動化系統奠定基礎。對既有牽引變電所遠動功能的改造也應實現這一目標。具備微機保護系統的既有牽引變電所，可以采用計算機通訊級的聯接，將保護的主要內容反映在SCL級人機界面，進而還可以進一步完成保護定值的監視和設定等功能;不具備微機保護系統的既有牽引變電所，應將保護的主要狀態量通過DI(開關量輸入)的形式，由LCL級硬件設備采樣并反映在遠動與自動化系統中。

（7）自動功能：既有牽引變電所遠動系統改造所實現的自動功能主要由現場設備的具體情況決定。自動功能主要包括：對可以利用分接頭進行有載調壓的變壓器，采用遙控操作變壓器分接頭的方式實現電壓的自動調節;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;電壓和無功綜合調節的原則按“九域圖”的規則進行。當某段母線因故失去工作電源，則由遠動系統自動合母聯開關，投入備用電源，以維持該段母線供電的連續性，備用電源的自動投入閉鎖條件(如無壓側系統無事故信號，主變后備保護未動作，與線路重合閘配合整定等)由SCL級設置。