高铁牵引变电站对电力系统的影响及其监控

王亚宁

（陕西省电力技工学校，陕西 西安 710100）

由于电力机车电气化铁路的负荷，当接入电网运行，产生大量的谐波和负序分量在电力系统中，如果不采取措施治理，将构成严重威胁的安全和经济运行的电气设备及电力系统。中国的电铁牵引负荷的负序电流的危害分析，中国的电力牵引电流的电能质量改进措施的概述。

1 电力机车的负序电流对电力系统的影响

1.1 对发电机的影响

机车产生的负序电流对发电机影响最大的是转子的附加损耗及发热，其次就是增加了振动。负序电流流过发电机定子绕组时将产生负序旋转磁场，其转速与转子的转速相同，但方向与转向相反，会在转子励磁线圈、阻尼线圈及转子本体中感应出2f0的电动势，并引起涡流，发生热量及能量损失。由于负序旋转磁场感应出来的电流频率高，集肤效应较为严重，可能出现局部高温现象，降低金属的机械强度及绝缘性能，对于需要牵引应力大的护环部分可能会引起重大的后果。

1.2 对送电线路的影响

负序电流流过送电线路时，负序功率实际上并不做功，而只造成电能损失，增加了网损降低了送电线路的输送能力。

1.3 对电力变压器的影响

负序电流造成三相电流不对称，因而电力变压器三相电流中有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力，使变压器容量利用率下降。另外，还造成变压器的附加能量损失、在变压器铁芯磁路中产生附加发热。

1.4 对电动机的影响

对于异步电动机来说，正序电压产生正序电流和顺转的电磁转矩，负序电压产生负序电流和逆转的电磁转矩。较小的负序电压加到异步电动机上将会引起较大的负序电流及负序逆转电磁转矩，直接影响异步电动机的效率和安全可靠运行，引起电动机的额外发热，严重时会烧毁电动机。

1.5 对继电保护装置的影响

容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，例如，当负序电流作用时间较长时，常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行；而当电铁负序作用于解除闭锁后，如系统此时发生振荡，则距离保护可能误动作跳闸。所以，为消除负序的影响，将增加继电保护装置的复杂性、降低可靠性。

2 牵引变现行对电能质量改善的措施

从对牵引变及牵引网接线方面采取措施有以下的方法，当然也必须从电力机车本身方面来配合改善电能质量。

2.1 牵引变电所的换相连接

在一个电气化铁路、城市地铁、有轨交通区段，当各牵引变电所由同一电力系统供电时，各牵引变电所在电力系统中引起的总负序电流与每个牵引变电所引入的相序有关。为了减小对电力系统的不对称影响，通常采用相序轮换接入，即换相连接。所谓换相连接就是把各牵引变电所的变压器轮换接到电力系统的不同相上，其目的使电铁单相负荷反映到电力系统尽可能达到三相负荷对称。无论对单相接线，还是v／v接线及Y／△三相接线的牵引变电所，均可采用这种方法。

2.2 采用三相／两相平衡牵引变压器

平衡牵引变压器特点是：当牵引变电所两侧的牵引负荷相等时，反映到电力系统中三相是对称的，采用这两种牵引变压器，在理想情况下可大大减小电铁负荷对电力系统的负序影响。

2.3 对谐波电流和无功电力加强就地补偿

无功补偿量可随机车负荷变化而调整，机车可经常保持较高的功率因数；减小了接触网电流与接触网损耗 。相应降低了接触网电压损失，改善了机车电压质量；较少的谐波电流流入接触网，减小了对电力系统的谐波影响。

3 基于单元控制级LCL、所控制级SCL的计算机监控解决方案

既有牵引变电所远动功能实现的系统结构应采用分层分布式系统DCS(Distributed Control System)或分级控制系统HCS(Hierarchical Control System)，将远动功能分为两级——牵引变电所控制级SCL(Substation Control Layer)和单元控制级LCL(Local Control Layer)。牵引变电所控制级由计算机及其辅助设备来实现，单元控制级功能由单元设备来实现。单元设备的配置方式可以采用常规RTU单元结构或加强型RTU单元结构，也可以采用底层智能化结构PLC(Programmable Logical Controller)，还可以采用智能仪表与RTU或PLC混合配置结构，这主要取决于现场设备和监控对象的具体特点。

随着变电所调度自动化技术应用的不断发展和深入，以及计算机技术、通讯技术等领域的发展，新建牵引变电所的自动功能和远动功能都在不断地发展和完善，计算机远动与自动系统已在新建牵引变电所中得到普遍的应用，电气化铁道供电系统的可靠性和现代化程度有了显著的提高。

3.1 单元控制级LCL

根据现场设备和具体要求，LCL级可以采用RTU或加强型RTU单元结构，或PLC可编程控制器式底层智能化结构，还可以配置智能仪表。PLC内部具有一定数量的内存单元，通过编程后，可以顺序执行程序预定的功能，程序修改简便易行。由PLC来完成部分重要的自动功能较之通过牵引变电所控制级计算机实现相应的功能，在实时性和可靠性方面均能得到更有效的保证。当PLC与计算机之间通讯联接发生异常时，不影响PLC程序设定功能的实现。智能仪表是一种新型的表计结构，内部由智能芯片和测量机构组成，可以完成对多种电气量的综合测量功能，而不需要再使用各种变送器，安装体积小，功能强。

3.2 LCL完成的主要功能包括：

（1）数据采集和传送：数据采集和传送的内容包括遥信量和遥测量。

（2）接收和执行控制命令：LCL级控制命令的执行一般采用开关量输出的形式，可以分别用于控制断路器的分合闸、主变压器的调压(对具有分接头可以进行有载调压的变压器)、无功调整(对具有多组无功功率补偿器可以分组投切的牵引变电所)、信号复归、遥控查灯、消防控制等。在执行控制命令时，为满足现场操作机构在执行分、合闸等操作时的具体要求，可以增设一级执行继电器以扩大接点容量及数量。

（3）通讯功能：LCL级应具有通讯接口，以便联接远动通道、牵引变电所级计算机以及当地便携式计算机，一般可配置2～3个计算机通讯接口。

（4）自动功能：自动功能的实现与LCL级配置的硬件设备有关，有些自动功能既可以设在LCL级实现，也可以设在SCL级实现。关于牵引变电所的自动功能在下节作进一步讨论。

3.3 SCL功能分析：

SCL级的功能主要通过屏幕显示和人机对话方式来实现，按照上述方式进行系统配置，可以实现无键盘全鼠标式操作，在运行现场减少了人为操作对计算机系统运行的影响。主要功能可以达到以下几个方面：

（1）屏幕显示与人机对话：显示系统总目录，主结线，主变运行状态及运行参数图，牵引变电所实时运行参数表及历史运行参数表，定值表、密码等级设定及输入，电度表，实时动态参数棒图、曲线，模拟指针式和数字式仪表，控制与操作画面，自动功能投切画面，事故、故障、越限、操作、事件信息及历史记录，SOE表，各种日报表、月报表、查灯信息等。

（2）记录、制表、打印功能：实现运行日志定点打印及召唤打印，事故、故障、越限、操作、事件等可随机打印及存入历史数据库和历史记录中，并完成日报、月报以及年报表的制表和数据生成，所有实时、历史记录均可召唤打印。

（3）报警功能：可将报警内容分级、分类并设置成不同的报警方式。例如，对事故，故障(包括监控系统内部故障)，断路器分合闸，变压器过负荷、馈线过流等越限，一次侧三相电流不平衡，误操作等各种事件分级分类报警，报警方式分语音报警(通过多媒体声卡)、打印报警、屏幕显示报警，三种方式可任意组合应用于同一事件中。

（4）故障数据收集与记录：远动系统的主要目标之一是防止系统事故，而一旦出现事故，当时的记录将是分析事故和预防事故的宝贵资料。因此，故障数据的收集与记录是远动系统的重要功能之一。故障数据的收集与记录可分为顺序事件记录SOE(Sequence Of Events)和事故追忆PDR(Post Disturbance Review)两部分。

顺序事件记录SOE：牵引变电所内开关变位和继电保护等状态量出现变化时，通常要按时间(内部时钟)准确加以记录，时间分辨率要求较高，这对分析故障是很重要的。要作到较好的时间分辨率(毫秒级)，利用SCL级完成是比较困难的，一般应采用LCL级硬件设备 (如RTU、PLC等)进行顺序记录，并与SCL级计算机保持时钟同步，SOE记录结果在SCL级的人机界面上进行反映，SCL级可采用事件表的形式滚动存放SOE数据。SOE正常状态下以较长的周期、较低的优先级作为SCADA正常扫描的一部分，一旦出现SOE所涉及的状态量变化，立即提高其优先级，顺序记录事件信息，用于事后追查和分析事故。

事故追忆PDR：事故追忆PDR功能用于连续记录事故前后的量测数据和状态数据。一旦出现规定的事件，连续记录的数据就送到专门的存储区PDR区内，PDR循环采集规定的数据集合或相关量测量值，循环周期由数秒到数分，利用PDR区存储的数据，可以“实时”再现事故过程的参数及状态变化情况。

（5）与调度中心的通讯：SCL级通过MODEM或计算机通讯接口接入通道实现与调度中心的通讯，一方面将牵引变电所内的运行情况上送到调度中心，另一方面，调度中心向牵引变电所发送控制命令以及对各种控制参数进行修改，实现远方远动功能和全局性调度控制。

（6）与继电保护的联接并进行信息交换：牵引变电所的远动和自动化系统一般应能反映继电保护的信息和数据，以便为综合自动化系统奠定基础。对既有牵引变电所远动功能的改造也应实现这一目标。具备微机保护系统的既有牵引变电所，可以采用计算机通讯级的联接，将保护的主要内容反映在SCL级人机界面，进而还可以进一步完成保护定值的监视和设定等功能;不具备微机保护系统的既有牵引变电所，应将保护的主要状态量通过DI(开关量输入)的形式，由LCL级硬件设备采样并反映在远动与自动化系统中。

（7）自动功能：既有牵引变电所远动系统改造所实现的自动功能主要由现场设备的具体情况决定。自动功能主要包括：对可以利用分接头进行有载调压的变压器，采用遥控操作变压器分接头的方式实现电压的自动调节;对具有多组补偿电容器并可独立投切的牵引变电所，采用遥控操作方式自动投切;电压和无功综合调节的原则按“九域图”的规则进行。当某段母线因故失去工作电源，则由远动系统自动合母联开关，投入备用电源，以维持该段母线供电的连续性，备用电源的自动投入闭锁条件(如无压侧系统无事故信号，主变后备保护未动作，与线路重合闸配合整定等)由SCL级设置。