城市轨道交通牵引供电变压器自动调压技术研究

李建民，陶乃彬

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州　450052)



城市轨道交通牵引供电变压器自动调压技术研究

李建民，陶乃彬

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州450052)

摘要：通过综合运用远动技术和综合自动化技术，对供电系统的变压器进行自动调压，对于保证供电质量，确保电气列车的安全平稳运行有着极其重要的意义。指出了这项综合技术的意义，对其实现的结构进行了分析，对相应技术进行了有机融合。

关键词：远动技术；变压器；自动调压；牵引供电系统；有载调压

变电综合自动化技术是利用分布式多微机系统实现对一次设备的监视、控制,并在局域网络或者系统平台的支持下,进而实现信号、数据采集、屏幕显示、事件顺序记录等功能；在微机监控系统的基础上，融合微机保护和本体自控设备(含远动RTU)，承担整个变电所信息处理、信息交互以及全部监控功能。远动技术是一种异地监视和控制的技术，它的优越性主要体现在三个方面：一是实现大视域下的集中监视,提高对系统的科学掌控水平,进而提高安全经济运行水平；二是实现全方位的集中控制,提高有效控制能力,提高劳动生产率;三是有利于实现大数据共享,实现综合自动化策略的优化决策。

城市轨道交通变电所通常采用全所综合自动化，将控制、信号、测量、保护等自动及远动装置，运用计算机技术、通信技术、网络技术，经过功能组合和优化设计，通过不同等级的平台,实现变电所的监视、测量、控制和保护的一体化。

城市轨道交通供电系统一般设置以下自动设备：110 kV主变电所35 kV母联设置自动投入装置；牵引降压变电所35 kV母联开关设置自动投入装置；直流1 500 V馈线设置带有能判断故障性质的自动重合闸装置；0.4 kV母联开关设置自动投入装置；直流电源的两路电源间自动投入设备；交流自用电的两路电源间自动投入设备。可见，变电所综合自动化技术并没有把变压器自动调压作为必配的自动装置；但是，随着技术的发展和对供电系统要求的进一步提高，变压器自动调压设备必然成为变电所综合自动化的基本配置，而且也可以实现异地调压，为最终实现真正的无人值班打下良好的基础；因此，必须加以研究和解决。

1有载调压现状

(1)调压模式：一是手动调压；二是人工监控应答式调压；三是当地全自动调压；四是异地监视全自动调压。最佳模式是异地监视全自动调压。

大多并列运行的有载调压变压器都是手动工作方式，其调压操作是在人工监控下进行的。当110 KV电压波动超过±5%时，值班人员在确认无误后，必须首先分断馈电母排联络开关，让原并列运行的变压器处于分列运行状态,根据实际情况在确定调节位置无误后,手动操作有载分接开关调节器，切换到要求的工作档位。然后检查操作结果：若各变压器所在档位和指示电压完全正确,就重合母联开关；若不正确,检查原因,直至完全一致。最后，再次检查变压器并列运行的工况，看是否均衡,输出电压是否满足要求,才完成电压调整的全过程。人工监控手动操作的调压方法有调压不及时、操作慢、耗时长以及受人为因素影响的缺点。

(2)有载调压变压器的调压方法，也是改变一或二次(高低压)绕组的有效匝数，改变电压比；与其他变压器都不同的是，采用了有载调压分接开关的关键技术和核心装置，用以在变压器负载运行时变换一次(或二次)线圈的分接，进行分级调压。

有载调压分接开关由切换开关、选择开关和操作机构等部分组成。切换开关专门承担切换负载电流部分，是调压的关键设备，不产生电弧是对其性能的基本要求，而且要动作迅速。选择开关是按分接顺序，预先接通相邻的即刻要换接的分接头，并承担连续负载的部分。操作机构是开关本体动作的动力源，一般将电能转化为机械能，通过连杆完成操作任务。电磁操作机构较多，可以电动或手动。此外，为保证操作的安全可靠，增加了限动、安全连锁、位置指示等附属装置。

有载调压变压器的调压范围及级数规定标准：110 kV及以下的高压线圈为n±3×2.5%；220 kV的高压线圈为Un±4×2%；我们常见的10 kV以下的有载调压变压器，每档为±5%或±2.5%，一般分有5档、7档、9档，可根据实际情况进行选择。

目前，有载调压还没有和SCADA系统结合，使相关技术实现有机融合是进一步研究的方向。

2变压器设置自动调压的作用

城市轨道交通供电系统主变电所的两台并联运行的变压器之间存在循环电流。尽管在设计时,要求这两台变压器的基本参数一致，而且必须是同一厂家同一批次,但是受输入电源的影响，或者是变比误差的影响，两台变压器之间仍然存在循环电流，有时这个电流还非常大，会造成变压器损耗增大。目前，一般通过安装平衡绕组(也可以安装有载调压设备)，以减少循环电流。

轨道交通动力照明供电系统变压器必须设置桥间平衡电抗器。因为该变压器也会由于35 kV侧输入电源不一致而产生循环电流，故也必须安装有载调压设备和平衡绕组。如果有载调压不及时，就会造成负荷的不均衡和计量的不准确，从而造成损耗。

对于城市轨道交通牵引供电系统，由于两台牵引整流变压器均为轴向双分裂式结构，阀侧绕组间较大的短路阻抗能很好地降低环流，加之主接线采用单母线接线，输入电源一致性好；因此，两台变压器间不设置桥间平衡电抗器。由于整流变压器机组最终要向接触线供电，其电压波动有严格的要求，一般情况下，在750 V直流系统供电制式下，其电压波动范围为900～500 V;在1 500 V直流系统供电制式下，其电压波动范围为1 800～1 000 V。如果超出电压波动范围，将会对电动车组的牵引特性造成很大的影响，必须在原边设置调压设备；由于动车组负荷变化较大，建议设置有载自动调压，以满足动车组的要求。

3设置自动调压的意义

首先，安装有载调压系统可以满足负荷对供电电压的要求。由于主变电所供电距离有时很长，线路压降增大，造成末端电压不达标，超过了±5%的标准。安装有载调压系统后，就可以及时地通过提高原边电压，进而提高始端电压，使末端电压达标，防止因电压过低或过高而影响正常行车。其次，可以让设备工作在额定电压附近，减少边界电压运营时间，提高经济运营水平和效率。再次，可以及时调压，为电网调度自动化创造了条件。最后，设置自动调压可以延长设备使用寿命。

4基于智能化的变压器自动调压设计要求

智能化的变压器自动调压设备可根据变压器运行情况自动调节有载调压开关，使变压器低压侧电压始终保持在合格范围内，从而显著提高了供电质量。同时，也可以及时地检测环流大小，降低环流数值。

智能化的变压器自动调压设备设计思路：

(1)具有智能分析能力。当输出不满足要求时，应立即通过调压设备调压；当输出满足要求时，检查环流，如果环流过大，可以控制调压设备调压。对于第二种情况，需要特殊的要求。采集电路要具有监测电流的电流互感器，以及定时测量回路；软件要具有数据分析和处理功能，可以建立对应的数据模型。这个数据模型最重要的是环流标准的制定，目前我国还没有制定最大环流允许值的国家标准，要根据实际情况来确定，既不能太低，也不能太高，太高会使变压器频繁自动调压，太低起不到控制的作用。

(2)模块化设计原则。相对独立，又与远动技术的RTU相融合。独立性表现在具有自己独立的CPU，兼容性体现在可以整体作为RTU的一个智能外设。作为一个相对独立的单元，可以充分利用变压器原有监控单元的数据和设备，以减少设备的投资，充分发挥设备的效益；但其前提是相互间不能产生干扰。

(3)具有自动报警功能和连锁功能。应该能发出声光警报，提示工作人员及时处理；同时能够防止因电气元件故障而引起的连续调档,即具有防滑档措施，确保逐级调节。

(4)具有上报功能。要充分利用RTU的信息上报功能，把实时信息(包括实际运行数据、报警信息、执行控制结果等)上报上层控制中心和远方的最高集中控制中心，这有利于工作人员作出科学的决断,同时可以利用系统大数据保证控制策略的科学。

(5)必须具有广泛的适应性。对于牵引变压器设置自动调压设备，其目的是唯一的，就是使输出电压满足要求。主变电所和动力照明变电所的变压器必须具有两个功能：一是稳定输出电压；二是减小绕组环流。因此，调压系统应能够满足多个模式的要求。

5自动调压系统构成

自动调压智能化控制系统由五部分组成。第一部分是测量控制电气设备。为确保监视实施过程的变化情况,系统设置了电压互感器、电流互感器以及电压变送器和电流变送器等测量设备;同时,为了满足控制的要求增加了有接点和无接点设备。第二部分是实体设备，包括有载调压变压器、有载分接开关自动调节器两个核心的执行设备。第三部分是具有不同功能的输入输出回路。包括模拟量采集回路和开关量采集回路，以及逻辑控制输出回路。第四部分是软件支持系统平台。第五部是通信单元，确保上下级之间的信息交换和正确传递。为了确保运行安全,保留了分列独立自动/手动调压控制功能和调压操作执行机构，即当智能系统出现问题后，可以完全解除该系统，而不影响人工操作。

(1)测量设备

互感器是电压、电流变换设备,将高电压、大电流变成低电压和小电流(标准值),将一次系统的电压电流信息准确地传递到二次侧相关设备。电压变送器则是将各种非电量信号，转换成标准的4～20 mA电流信号，然后送到各模拟量采集回路或者仪表，以供进一步处理用。测量设备的精度一般为0.5级或1级。

(2)输入输出回路

输入回路主要功能是把测量电气设备的输出模拟量变换成数字量，以便把现实的参量送到微机存储单元，供微机进一步分析处理；同时要把开关和变压器有载分接开关的位置信号可靠地采集到确定的存储单元。对它的要求一是保证精度；二是一定要和电气设备进行隔离。

输出回路的主要功能是把上级发送的命令按照逻辑要求有序地加以执行，最后送到电气设备上，实现控制和监视的目的。它需要解决的问题是用弱电回路信号来控制强电回路设备，这一般需要逐级放大和驱动，要根据实际需要加以选择。

(3)通信模块

其主要作用一是完成信息组装，也就是编码；二是完成信息的上传；三是完成信息的接受，也就是解码。通信模块是实现与SCADA有机融合的关键。

(4)软件模块

它的功能是指挥、协调、控制各个输入输出回路的工作以及通信模块的工作，进行数据的分析和处理。它是连接各部分的神经中枢，也是主要体现微机控制价值的部分。一般要完成以下主要工作：进行控制电压、电流的比较，并根据判断结果进行不同的处理；完成开关信号的判断和处理；进行信息的组装(编码)和分解(解码)；选定不同的工作模式。

6系统逻辑结构

(1)逻辑结构

变压器并列运行是一项普遍应用的技术。它既能够提高供电的经济性，在负荷高峰时投入变压器，而在负荷低谷时切除变压器，以减少变压器的损耗，增加变压器的使用效率；又能够提高供电的可靠性，缩小电网设备故障或维修的影响范围，降低停电损失。将有载调压和并列运行技术结合起来，使用有载调压变压器实现并列运行，目的就是综合发挥有载调压和并列运行两者各自的优点，进一步改善供电的连续性、稳定性和安全性。

基于实际的调压操作而编制的逻辑过程如图1所示。

图1　调压执行逻辑顺序

并列有载调压变压器自动调压的设备就要模拟这一逻辑过程，其结构如图2。需要说明的是，这一结构是为主变电所设计的，而对于牵引变电所，则只需要设置一台进线母线电压互感器和一台出线母线电压互感器；而且在软件设计的时候，也是以次边整流器的输出是否满足“相应系统供电制式的电压波动范围”要求作为调压的依据。

图2　智能化变压器自动调压设备原理框图

(2)与SCADA的融合

把整个智能化自动调压系统当作一个智能外设，通过站级网络实现当地自动调压。通过通信模块与SCADA系统连成一体，然后利用城市轨道交通后台强大的软件系统，对调压过程实施监督，同时也可由中心发出指令,实现异地调压的目的。

7结束语

以远动技术为基础，融合变电所综合自动化技术，对变压器实现实时有载调压，不但可以迅速解决电压波动问题，还可以实现异地监控和调整，减少电压不稳造成的危害，防止因电源问题影响正常行车，这对于提高城市轨道交通运营的可靠性有着极其重要的意义。

参考文献

[1]魏俞芝,张森,岂小梅.自动电压控制系统在沧州电网的应用[J].河北电力技术,2012,31(4):49-51.

[2]李建民，张伟.城市轨道交通供电系统变压器运行方式分析研究[J].变压器,2007，44(8)：20-24.

[3]谢加明.基于ARM9-μC/OS-II的多任务A/D采集系统设计与实现[J].电子制作.2014(22):48-49.

[责任编辑：赵伟]

Research on Automatic Voltage Regulation Technology Applied to Traction Power Supply Transformer in Urban Rail Transit

LI Jianmin， TAO Naibin

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052, China)

Abstract:With the remote control and integrated automation technology, the transformers in traction power supply system can adjust voltage automatically, which is very important to keep the voltage stable and ensure the safe operation of electrical trains. This paper figures out the significance of the technology, analyzes its technical framework and discusses its combination with related technologies.

Key words:SCADA; transformer; automatic voltage regulation; traction power supply system; on load voltage regulation

中图分类号:TM4

文献标志码:A

文章编号：1008-6811(2016)01-0014-05

作者简介：李建民(1966—)男，河南浚县人，郑州铁路职业技术学院机车车辆学院教授，主要从事城市轨道交通和电气工程方面的研究。

收稿日期：2016-02-28