鐵路供電網(wǎng)實時仿真研究與實現(xiàn)*

郭現(xiàn)龍，付洪武，薛金鳳，田行軍，宋金川

(石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊050043)

鐵路運(yùn)輸是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動脈，在國家交通運(yùn)輸體系中發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，電氣化鐵路以電力作為動力，以電力機(jī)車作為載體，且具有載貨量大、時效快和能源利用率高等優(yōu)點。在供電方式中，AT供電方式具有供電能力強(qiáng)、對鐵路沿線信號干擾小、線路損耗小等優(yōu)點，在我國高速鐵路中被普遍采用。

供電網(wǎng)的工作環(huán)境較為惡劣，且線路橫跨我國各個省份，線路之長，維修難度之大，又因電力機(jī)車的受電弓是在高速運(yùn)行的情況下與供電網(wǎng)進(jìn)行滑動取流，因此供電網(wǎng)在這種工作特性下極易發(fā)生故障。當(dāng)前，在電氣化鐵路的繼電保護(hù)中，拒動、誤動現(xiàn)象依然存在，這些都可能導(dǎo)致供電網(wǎng)接觸線局部損壞，甚至發(fā)生斷路故障，使得電力機(jī)車的供電中斷等。

一般而言，常見的電磁仿真軟件只能精確仿真電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型，只有實時仿真模型才能對電力系統(tǒng)的暫態(tài)特性進(jìn)行較為準(zhǔn)確的仿真。利用實時仿真系統(tǒng)進(jìn)行動模實驗，根據(jù)實時仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實驗測量數(shù)據(jù)對比，有助于供電系統(tǒng)故障分析以及繼電保護(hù)原理的研究，對于改進(jìn)現(xiàn)有保護(hù)裝置的保護(hù)原理和算法具有重要的理論研究和實際意義。

1 AT供電網(wǎng)概述

目前，我國高速鐵路普遍采用全并聯(lián)AT供電方式，AT供電方式又稱為自耦變壓器供電方式，AT牽引供電系統(tǒng)由變電所、AT所和分區(qū)所等部分組成。全并聯(lián)AT供電方式是將復(fù)線AT供電方式的上下行接觸線T、鋼軌R和正饋線F在變電所出口處及各個AT所通過橫聯(lián)線使之并聯(lián)[1]。全并聯(lián)AT供電示意圖與導(dǎo)線空間模型如圖1所示。

圖1 全并聯(lián)AT供電方式

與傳統(tǒng)供電方式相比，線路絕緣水平相同，但AT供電方式供電電壓為機(jī)車工作電壓的2倍，而電流僅有電力機(jī)車工作電流的，電流小而供電電壓增大，提高了系統(tǒng)的供電能力，使得系統(tǒng)能耗與電壓損失減小，對周邊通信信號的電磁干擾降低，使得供電網(wǎng)供電質(zhì)量得到顯著提高。對AT供電系統(tǒng)建模的關(guān)鍵就在于確定接觸網(wǎng)、自耦變壓器、AT所等的阻抗參數(shù)值，結(jié)合AT牽引供電系統(tǒng)的相對位置、線路損耗計算出標(biāo)準(zhǔn)模型的阻抗值。為簡化計算，在建模初始階段對非主要研究對象進(jìn)行理想化。

2 模型參數(shù)計算

AT供電網(wǎng)由接觸網(wǎng)與軌道構(gòu)成通電回路，主要由接觸線、正饋線、鋼軌、保護(hù)線、貫通地線組成，采用接觸網(wǎng)鏈形懸掛的模型來近似接觸網(wǎng)實際線路[2-3]。在參數(shù)計算時，將鋼軌和地簡化為同電位。根據(jù)Carson理論，接觸網(wǎng)中導(dǎo)線與承力索各自與大地組成導(dǎo)線——地回路，結(jié)合各導(dǎo)線的實際參數(shù)，計算出模型各導(dǎo)線單位長度自阻抗與導(dǎo)體間單位長度互阻抗的模型參數(shù)。

導(dǎo)線與地回路等值自阻抗

兩條導(dǎo)線與地回路間等值互阻抗

式中，r為導(dǎo)線電阻，Ω/km；Rε為導(dǎo)線等效半徑，mm；f為電流頻率，Hz；σ為大地電導(dǎo)率，1/(Ω·cm)；D12為兩導(dǎo)線間距離，mm。

按照實際測量數(shù)據(jù)計算出供電網(wǎng)阻抗等參數(shù)后，將參數(shù)值分別折算到相應(yīng)導(dǎo)線阻抗上，作為AT供電網(wǎng)模型參數(shù)，并比較多組數(shù)據(jù)，得到與實際情況最為接近的模型參數(shù)值。

3 供電網(wǎng)建模

3.1 仿真軟件

隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度日益增大與計算機(jī)計算能力與功能的快速發(fā)展，實時仿真技術(shù)己經(jīng)成為電力系統(tǒng)試驗研究、調(diào)度運(yùn)行等系統(tǒng)研究的重要工具。仿真系統(tǒng)封裝包括各種電壓等級的線路、變壓器、母線等模型，在此基礎(chǔ)上配合Simulink軟件庫進(jìn)行自行配置與二次開發(fā)，具有應(yīng)用領(lǐng)域廣、結(jié)構(gòu)與流程清晰、仿真數(shù)據(jù)貼近實際等特點。在系統(tǒng)中，應(yīng)通過故障點的設(shè)置來模擬任意指定故障發(fā)生的類型、時刻以及位置，以此來模擬供電網(wǎng)中各種類型的故障。

在實際運(yùn)行中，將Simulink生成的模型程序文件上傳至仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型計算，經(jīng)過系統(tǒng)計算以后由I/O口輸出電壓電流實時檢測信號，再由后臺主機(jī)完成對測試過程的監(jiān)控，包括故障控制、波形記錄、顯示等，仿真系統(tǒng)的控制部分如圖2所示，由此系統(tǒng)可以觀測到線路電壓電流的實時變化，分析系統(tǒng)的暫態(tài)特性。需要特別注意的是，在建模中應(yīng)注意元件的連接方式與各元件的使用，否則會引起Simulink仿真時報錯，使得搭建出模型的準(zhǔn)確性受到影響。

圖2 AT供電系統(tǒng)仿真模型

3.2 電源模型

電力系統(tǒng)為電氣化鐵路提供所必需的電能，由輸電線路將電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)化到相應(yīng)等級的高壓電，并通過高壓輸電線傳送電力，由變電所向供電網(wǎng)供電，保證電源質(zhì)量。本文建模對象為供電線路，所以抓住主要矛盾對電源進(jìn)行理想化，認(rèn)為是恒定的110kV或220kV，不考慮電源的波動進(jìn)行建模。

3.3 AT所模型

AT供電系統(tǒng)采用全并聯(lián)AT供電方式，線路上每隔一定距離設(shè)置一所AT所，自耦變壓器是AT所內(nèi)部主要設(shè)備，所以對AT所的建模也就是對理想的自耦變壓器的建模，將單項變壓器原邊與次邊的非同名端相連，抽出中點接于鋼軌構(gòu)成自耦變壓器的仿真模塊。

3.4 線路模型

利用Simulink系統(tǒng)仿真元件對全并聯(lián)AT高速鐵路供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型搭建如圖2所示。在系統(tǒng)線路的出口、中點、末端及母線等處設(shè)置短路點，為實時對線路參數(shù)進(jìn)行測量，模型中就需要加入后臺顯示，數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。通過對模型中短路點的控制實現(xiàn)對AT供電網(wǎng)保護(hù)和控制能力的實時仿真測試[4]。接觸網(wǎng)線路的阻抗是建立合理準(zhǔn)確的模型所必需的參數(shù)，這就需要對多段線路的實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理得出相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。

4 仿真實驗與分析

對AT供電系統(tǒng)模型，按照實際數(shù)據(jù)計算模型參數(shù)，實現(xiàn)對供電網(wǎng)在正常運(yùn)行以及發(fā)生故障時的實時仿真，在仿真系統(tǒng)中觸發(fā)故障與實際情況做對比，以此來檢驗?zāi)Ｐ蛥?shù)選擇是否合適。本文以觸發(fā)供電網(wǎng)金屬性TR瞬時故障為例，取變電所第一AT段長度為13.2km，第二AT段長度為13.67km，變電所供電臂長度為24.3km，牽引變壓器額定容量取31MVA，變比220kV/27.5kV/27.5kV。

將模型文件導(dǎo)入實時仿真系統(tǒng)中，運(yùn)行模型及觸發(fā)系統(tǒng)金屬性TR瞬時故障，由仿真系統(tǒng)得到的牽引變電所、AT所、分區(qū)所電壓電流波形如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 牽引變電所電壓電流波形

圖4 AT所電壓電流波形

圖5 分區(qū)所電壓電流波形

由仿真系統(tǒng)生成的電壓電流模型看出，在觸發(fā)金屬性TR瞬時故障瞬間，電流值迅速增大，電壓降低，并呈正弦規(guī)律波動，在瞬時故障消失后，牽引變電所電壓電流值恢復(fù)正常狀態(tài)，分區(qū)所與AT所電流恢復(fù)正常值，實時仿真系統(tǒng)對故障的暫態(tài)特性進(jìn)行高效的仿真模擬，大大提高了供電系統(tǒng)故障暫態(tài)分析能力。

5 結(jié)束語

本文通過介紹實時仿真系統(tǒng)在電力系統(tǒng)實驗研究、規(guī)劃設(shè)計等方面的特點，在Simulink平臺搭建AT供電系統(tǒng)模型，充分將兩者的優(yōu)勢結(jié)合在一起，分析電力系統(tǒng)供電網(wǎng)的暫態(tài)特性，對測試既有保護(hù)裝置，分析誤動拒動原因，進(jìn)而改進(jìn)AT供電方式保護(hù)原理和算法提供有力的技術(shù)支持，具有重要的理論和實際意義。