基于5G技術(shù)的鐵路站房低壓配電箱電能質(zhì)量優(yōu)化

郭思紅

0 引言

低壓配電箱是鐵路站房供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，具備電能分配、配電線路保護(hù)及用電設(shè)備保護(hù)等功能。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步以及人們生活水平不斷提高，鐵路站房中用電設(shè)備的種類越來越多，對供電可靠性要求越來越高，用電量也越來越大。由于配電箱負(fù)載用電設(shè)備特性的不同，導(dǎo)致配電箱出現(xiàn)大量的電能質(zhì)量問題，如向單相負(fù)載供電帶來的三相功率不平衡，向照明、電機(jī)等非線性負(fù)載供電帶來的諧波電流過大，以及無功功率過高引起的功率因數(shù)降低等問題[1～4]。以上電能質(zhì)量問題將導(dǎo)致配電線路損耗增加、傳輸能力下降、配電設(shè)備及配電線路絕緣加速老化，并影響用電設(shè)備的供電質(zhì)量及供電可靠性。同時，處于同一配電變壓器下的任意一臺配電箱均有可能受到同臺區(qū)下其他配電箱電能質(zhì)量問題的干擾。更為嚴(yán)重的問題是，多臺配電箱電能質(zhì)量問題匯入配電變壓器后，會干擾上級變壓器的正常運(yùn)行，造成變壓器三相不平衡、諧波超限、損耗增大、功率因數(shù)低等問題。因此，對配電箱存在的電能質(zhì)量問題進(jìn)行治理，并將其造成的危害降低到最小程度迫在眉睫。

鐵路站房配電箱電能質(zhì)量治理點(diǎn)多面廣，各配 電箱電能質(zhì)量情況各異。因同一配電變壓器下的配電箱之間、配電箱與配電臺區(qū)之間電能質(zhì)量問題相互影響，只依靠就地配電箱電能質(zhì)量治理已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能在系統(tǒng)級層面使供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電能質(zhì)量問題得到優(yōu)化。隨著5G技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倩⒖梢暬约暗脱訒r、高可靠性、海量連接的特點(diǎn)，可以使鐵路站房配電箱電能質(zhì)量治理中存在的上述問題得到解決。

本文提出基于5G技術(shù)的低壓配電箱電能質(zhì)量優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)聯(lián)控方案，并分析在配電箱處進(jìn)行電能質(zhì)量治理的可行性。

1 配電箱電能質(zhì)量治理

配電箱是低壓電源與負(fù)荷之間的連接開關(guān)，通過配電箱將電源靈活分配給不同類型、不同功率需求的負(fù)荷，因此配電箱向配電臺區(qū)匯入的電能質(zhì)量狀況極其復(fù)雜。對電能質(zhì)量問題的優(yōu)化通常采用電力電子型的電能質(zhì)量治理裝置，該裝置采集配電箱處的負(fù)載電流，通過分析電流中的諧波分量、無功分量、負(fù)序分量和零序分量，利用電流跟蹤控制算法產(chǎn)生指令信號，經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生PWM信號，該信號控制裝置內(nèi)IGBT的通斷產(chǎn)生補(bǔ)償電流，使電能質(zhì)量問題得以解決[5，6]。

1.1 5G技術(shù)與配電箱電能質(zhì)量治理的聯(lián)控策略

在實(shí)際應(yīng)用中，通常會面臨較為復(fù)雜的情況：同一個配電變壓器下有多個配電箱，每個配電箱通常接入不同類型、不同相序的負(fù)荷，導(dǎo)致多個配電箱之間電流諧波、無功、三相不平衡情況不同；接入同一高壓母線下通常有多臺配電變壓器，每臺配電變壓器下的配電箱之間的電能質(zhì)量問題各不相同，造成電能質(zhì)量優(yōu)化的難度加大；配電臺區(qū)內(nèi)的配電箱電能質(zhì)量問題由于共用低壓母線，致使電能質(zhì)量問題相互影響，尤其是當(dāng)配電箱位置處的電能質(zhì)量治理裝置達(dá)到滿容量時，超出電能質(zhì)量治理裝置補(bǔ)償容量的諧波電流、無功電流、三相不平衡電流仍然會造成配電變壓器處的電能質(zhì)量問題，該問題反過來再次影響配電箱處的電能質(zhì)量。根據(jù)上述問題，提出5G技術(shù)與電能質(zhì)量優(yōu)化的系統(tǒng)級聯(lián)控策略，如圖1所示。

圖1 5G技術(shù)與配電箱電能質(zhì)量優(yōu)化聯(lián)控策略

圖1 中，A1、A2為配電變壓器TA供電范圍內(nèi)的配電箱，B1、B2為配電變壓器TB供電范圍內(nèi)的配電箱。以A1為例，根據(jù)基爾霍夫電流定理，在A1處存在如下電流關(guān)系：

式中：IsA1為電能質(zhì)量治理裝置補(bǔ)償后的電流；ILA1為補(bǔ)償前的電流；IsF1為電能質(zhì)量治理裝置的補(bǔ)償電流；ILzpA1為基波有功電流；ILhA1為含有的諧波電流；ILqA1為基波無功電流。

當(dāng)IsF1= -ILhA1-ILqA1時，IsA1=ILzpA1，此時僅含有基波有功電流，且匯入配電變壓器的電流為基波正弦有功電流，功率因數(shù)為1。此時，電能質(zhì)量治理裝置可實(shí)現(xiàn)對配電箱的全補(bǔ)償。

而當(dāng)電能質(zhì)量治理裝置的補(bǔ)償容量有限，最大補(bǔ)償電流IsF1＜(ILhA1+ILqA1)時，配電箱匯入配電變壓器的電流除含有基波有功電流外，還含有無功和諧波電流。此時，電能質(zhì)量治理裝置僅能實(shí)現(xiàn)對配電箱電能質(zhì)量的欠補(bǔ)償。

眾所周知，基波頻率的周期為20 ms，即無功電流和不平衡電流的周期為20 ms，而諧波電流的頻率通常為20/n（n為諧波次數(shù)）ms。4G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)延遲約100 ms，而5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)延遲約1 ms。因此，通過5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電能質(zhì)量治理裝置之間的快速信息交互。一方面，可以在諧波范圍內(nèi)快速對諧波電流跟蹤補(bǔ)償，提高補(bǔ)償跟蹤能力；另一方面，在基波范圍內(nèi)，可以大大提高不平衡電流和無功電流的動態(tài)響應(yīng)速度。

利用5G技術(shù)，A2處的電能質(zhì)量治理裝置可以補(bǔ)償A1處電能質(zhì)量治理裝置缺損的補(bǔ)償容量，IsF1+IsF2= -ILhA1-ILqA1-ILhA2-ILqA2，最終IsA=IsA1+IsA2=ILzpA1+ILzpA2，流入配電變壓器TA低壓母線的電流僅含有基波有功電流。

同理，當(dāng)A1和A2處的電能質(zhì)量治理裝置都不足以補(bǔ)償配電箱的諧波和無功電流，致使IsA含有諧波和無功電流，此時通過5G通信，A1、A2、B1、B2處的電能質(zhì)量治理裝置通過信息交互，可以控制B1和B2處的電能質(zhì)量治理裝置，補(bǔ)償容量缺損，使Is=IsA+IsB，補(bǔ)償后Is僅含有基波有功電流。

1.2 三相不平衡及零線電流治理

電能質(zhì)量治理裝置三相不平衡治理原理如圖2所示。

圖2 三相不平衡治理原理

如圖2所示，配電箱所帶負(fù)荷由于種類多、類型不一致，造成三相電流不平衡，N相含有較大數(shù)值的零序電流。根據(jù)電力系統(tǒng)序分量法可知，不平衡的電流可以分解為正序、負(fù)序和零序分量，因此，電能質(zhì)量治理裝置通過檢測配電箱電流ILA、ILB、ILC中的負(fù)序和零序電流分量，向內(nèi)注入反向分量進(jìn)行不平衡補(bǔ)償。

圖3為治理前后配電箱電流波形。由圖3可以看出，治理前配電箱電流波形中零線電流較大，三相電流不平衡，存在嚴(yán)重安全隱患。治理后配電箱電流波形基本正常，零線電流濾除超過95%，效果明顯。

圖3 測試數(shù)據(jù)

1.3 諧波治理

電能質(zhì)量治理裝置通過檢測配電箱中的負(fù)荷電流，利用瞬時功率理論經(jīng)過指令變換分析負(fù)荷電流中的諧波分量。補(bǔ)償電流與配電箱電流中的諧波分量相位相差180°，經(jīng)過疊加補(bǔ)償后的電流為正弦電流。

圖4、圖5分別為治理前后的諧波電流對比及分析。由圖可知，補(bǔ)償前ILA/ILB/ILC中含有3次、5次、9次諧波電流分別為100、50、40 A，通過電能質(zhì)量治理裝置優(yōu)化后，諧波電流接近為0，同時其他高頻諧波電流也得到了優(yōu)化，優(yōu)化后諧波電流趨于0，補(bǔ)償后電流為正弦電流。

圖4 諧波補(bǔ)償效果

圖5 諧波補(bǔ)償前后電流諧波分析

1.4 無功補(bǔ)償提高功率因數(shù)

電能質(zhì)量治理裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償時，通過調(diào)節(jié)變換器電壓，使系統(tǒng)電壓與變換器電壓之間的電壓差作用在平波電抗器上產(chǎn)生電流，當(dāng)該電流與系統(tǒng)電壓相差90°或-90°時，補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)的無功功率，如圖6所示。

圖6 無功補(bǔ)償工作原理

圖7所示為某鐵路線鐵路站房配電箱無功補(bǔ)償前后的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。

圖7 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

從圖7中測試數(shù)據(jù)看出，補(bǔ)償前配電箱無功功率較大，功率因數(shù)約為0.74，功率因數(shù)偏低。補(bǔ)償后配電箱無功功率得到優(yōu)化，功率因數(shù)達(dá)到0.99，補(bǔ)償效果明顯。

2 低壓配電箱可視化運(yùn)維及一鍵巡視

結(jié)合二次模擬量分布測量需求，利用5G技術(shù)采用可視化運(yùn)維方式巡視裝置采集保護(hù)定值、采樣值、開關(guān)量、動作、告警等二次信息，進(jìn)行“一鍵式”校核，通過顯示屏上的APP生成報(bào)告，完成主機(jī)實(shí)現(xiàn)功能。可視化包括站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架可視化、光纖鏈路圖可視化、虛端子可視化、SCD（全所系統(tǒng)配置文件）可視化校驗(yàn)、SCD可視化比對以及試驗(yàn)過程可視化。校核巡視包括定值校核、電氣量（遙測）信息監(jiān)視、開關(guān)量監(jiān)視、保護(hù)動作信息及保護(hù)告警信息校核等。對報(bào)告進(jìn)行管理，確認(rèn)各項(xiàng)巡視核查工作已開展、已查閱。

一鍵巡視流程：

（1）導(dǎo)入SCD，導(dǎo)入后程序解析相關(guān)信息，自動判斷需要開展巡視核查的IED（智能電子設(shè)備），并生成站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖、全站光纖鏈路圖、虛端子圖以及SCD校驗(yàn)圖。

（2）接入站控層網(wǎng)絡(luò)裝置，可接入站控層交換機(jī)獲取全站保護(hù)的站控層數(shù)據(jù)，也可直接采集單一保護(hù)信息，根據(jù)實(shí)際情況配置相應(yīng)IP。

（3）定值、壓板建模。定值、壓板的校核需要以調(diào)度定值清單作為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對，需提前建立定值、壓板的標(biāo)準(zhǔn)值模板。

（4）試驗(yàn)程序可根據(jù)自動判斷的IED設(shè)備或人工選擇IED設(shè)備進(jìn)行巡視核查。整個巡視過程以圖形化方式展示，可直觀顯示當(dāng)前巡視設(shè)備以及核查情況。

3 5G技術(shù)在配電箱電能質(zhì)量優(yōu)化中的應(yīng)用優(yōu)勢

5G技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究如火如荼，其在配電箱電能質(zhì)量優(yōu)化中具有如下優(yōu)勢：

（1）帶寬容量大、傳輸速率高。在補(bǔ)償數(shù)據(jù)尤其高頻諧波數(shù)據(jù)傳輸、提高電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置的動態(tài)響應(yīng)方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

（2）5G網(wǎng)的連接數(shù)量大。在低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，配電箱數(shù)據(jù)繁多，5G網(wǎng)可以容納眾多配電箱數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置數(shù)據(jù)的接入互通。

（3）低延時、低功耗。在點(diǎn)對點(diǎn)傳輸過程中，5G網(wǎng)在傳輸延時和功耗方面都得到大幅降低。

（4）智能網(wǎng)絡(luò)管理。5G網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率將大幅提升，終端成本也會一定程度的降低[7～10]，使未來配電箱與5G結(jié)合的電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)推廣具有更加廣闊的前景。

4 結(jié)語

鐵路站房配電箱數(shù)量眾多，電能質(zhì)量治理點(diǎn)多面廣，各配電箱電能質(zhì)量治理情況各異，電能質(zhì)量治理裝置現(xiàn)場運(yùn)行工況復(fù)雜多樣，各電能質(zhì)量治理裝置僅負(fù)責(zé)就地配電箱電能質(zhì)量治理，利用率低。5G技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)級層面出發(fā)，發(fā)揮5G優(yōu)勢，建立配電箱數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過對電能質(zhì)量治理裝置的聯(lián)控、聯(lián)調(diào)及大數(shù)據(jù)挖掘，提供配電箱電能質(zhì)量治理的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)整個配電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量優(yōu)化，提高了電能質(zhì)量治理裝置的利用效率，提升了配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)級供電可靠性。