王亞寧

（陜西省電力技工學(xué)校，陜西 西安 710100）

由于電力機(jī)車電氣化鐵路的負(fù)荷，當(dāng)接入電網(wǎng)運(yùn)行，產(chǎn)生大量的諧波和負(fù)序分量在電力系統(tǒng)中，如果不采取措施治理，將構(gòu)成嚴(yán)重威脅的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的電氣設(shè)備及電力系統(tǒng)。中國(guó)的電鐵牽引負(fù)荷的負(fù)序電流的危害分析，中國(guó)的電力牽引電流的電能質(zhì)量改進(jìn)措施的概述。

1 電力機(jī)車的負(fù)序電流對(duì)電力系統(tǒng)的影響

1.1 對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

機(jī)車產(chǎn)生的負(fù)序電流對(duì)發(fā)電機(jī)影響最大的是轉(zhuǎn)子的附加損耗及發(fā)熱，其次就是增加了振動(dòng)。負(fù)序電流流過發(fā)電機(jī)定子繞組時(shí)將產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，但方向與轉(zhuǎn)向相反，會(huì)在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈、阻尼線圈及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2f0的電動(dòng)勢(shì)，并引起渦流，發(fā)生熱量及能量損失。由于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)出來的電流頻率高，集膚效應(yīng)較為嚴(yán)重，可能出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象，降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度及絕緣性能，對(duì)于需要牽引應(yīng)力大的護(hù)環(huán)部分可能會(huì)引起重大的后果。

1.2 對(duì)送電線路的影響

負(fù)序電流流過送電線路時(shí)，負(fù)序功率實(shí)際上并不做功，而只造成電能損失，增加了網(wǎng)損降低了送電線路的輸送能力。

1.3 對(duì)電力變壓器的影響

負(fù)序電流造成三相電流不對(duì)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(fā)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(chǎn)生附加發(fā)熱。

1.4 對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，正序電壓產(chǎn)生正序電流和順轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電壓產(chǎn)生負(fù)序電流和逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。較小的負(fù)序電壓加到異步電動(dòng)機(jī)上將會(huì)引起較大的負(fù)序電流及負(fù)序逆轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩，直接影響異步電動(dòng)機(jī)的效率和安全可靠運(yùn)行，引起電動(dòng)機(jī)的額外發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。

1.5 對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響

容易使電力系統(tǒng)中以負(fù)序分量啟動(dòng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，例如，當(dāng)負(fù)序電流作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，常規(guī)的距離保護(hù)就要轉(zhuǎn)入閉鎖狀態(tài)，使一段時(shí)間內(nèi)距離保護(hù)的快速動(dòng)作段退出運(yùn)行；而當(dāng)電鐵負(fù)序作用于解除閉鎖后，如系統(tǒng)此時(shí)發(fā)生振蕩，則距離保護(hù)可能誤動(dòng)作跳閘。所以，為消除負(fù)序的影響，將增加繼電保護(hù)裝置的復(fù)雜性、降低可靠性。

2 牽引變現(xiàn)行對(duì)電能質(zhì)量改善的措施

從對(duì)牽引變及牽引網(wǎng)接線方面采取措施有以下的方法，當(dāng)然也必須從電力機(jī)車本身方面來配合改善電能質(zhì)量。

2.1 牽引變電所的換相連接

在一個(gè)電氣化鐵路、城市地鐵、有軌交通區(qū)段，當(dāng)各牽引變電所由同一電力系統(tǒng)供電時(shí)，各牽引變電所在電力系統(tǒng)中引起的總負(fù)序電流與每個(gè)牽引變電所引入的相序有關(guān)。為了減小對(duì)電力系統(tǒng)的不對(duì)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(tǒng)的不同相上，其目的使電鐵單相負(fù)荷反映到電力系統(tǒng)盡可能達(dá)到三相負(fù)荷對(duì)稱。無論對(duì)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(diǎn)是：當(dāng)牽引變電所兩側(cè)的牽引負(fù)荷相等時(shí)，反映到電力系統(tǒng)中三相是對(duì)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(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的負(fù)序影響。

2.3 對(duì)諧波電流和無功電力加強(qiáng)就地補(bǔ)償

無功補(bǔ)償量可隨機(jī)車負(fù)荷變化而調(diào)整，機(jī)車可經(jīng)常保持較高的功率因數(shù)；減小了接觸網(wǎng)電流與接觸網(wǎng)損耗 。相應(yīng)降低了接觸網(wǎng)電壓損失，改善了機(jī)車電壓質(zhì)量；較少的諧波電流流入接觸網(wǎng)，減小了對(duì)電力系統(tǒng)的諧波影響。

3 基于單元控制級(jí)LCL、所控制級(jí)SCL的計(jì)算機(jī)監(jiān)控解決方案

既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用分層分布式系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)或分級(jí)控制系統(tǒng)HCS(Hierarchical Control System)，將遠(yuǎn)動(dòng)功能分為兩級(jí)——牽引變電所控制級(jí)SCL(Substation Control Layer)和單元控制級(jí)LCL(Local Control Layer)。牽引變電所控制級(jí)由計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，單元控制級(jí)功能由單元設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。單元設(shè)備的配置方式可以采用常規(guī)RTU單元結(jié)構(gòu)或加強(qiáng)型RTU單元結(jié)構(gòu)，也可以采用底層智能化結(jié)構(gòu)PLC(Programmable Logical Controller)，還可以采用智能儀表與RTU或PLC混合配置結(jié)構(gòu)，這主要取決于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和監(jiān)控對(duì)象的具體特點(diǎn)。

隨著變電所調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展和深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，新建牽引變電所的自動(dòng)功能和遠(yuǎn)動(dòng)功能都在不斷地發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)與自動(dòng)系統(tǒng)已在新建牽引變電所中得到普遍的應(yīng)用，電氣化鐵道供電系統(tǒng)的可靠性和現(xiàn)代化程度有了顯著的提高。

3.1 單元控制級(jí)LCL

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和具體要求，LCL級(jí)可以采用RTU或加強(qiáng)型RTU單元結(jié)構(gòu)，或PLC可編程控制器式底層智能化結(jié)構(gòu)，還可以配置智能儀表。PLC內(nèi)部具有一定數(shù)量的內(nèi)存單元，通過編程后，可以順序執(zhí)行程序預(yù)定的功能，程序修改簡(jiǎn)便易行。由PLC來完成部分重要的自動(dòng)功能較之通過牽引變電所控制級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，在實(shí)時(shí)性和可靠性方面均能得到更有效的保證。當(dāng)PLC與計(jì)算機(jī)之間通訊聯(lián)接發(fā)生異常時(shí)，不影響PLC程序設(shè)定功能的實(shí)現(xiàn)。智能儀表是一種新型的表計(jì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由智能芯片和測(cè)量機(jī)構(gòu)組成，可以完成對(duì)多種電氣量的綜合測(cè)量功能，而不需要再使用各種變送器，安裝體積小，功能強(qiáng)。

3.2 LCL完成的主要功能包括：

（1）數(shù)據(jù)采集和傳送：數(shù)據(jù)采集和傳送的內(nèi)容包括遙信量和遙測(cè)量。

（2）接收和執(zhí)行控制命令：LCL級(jí)控制命令的執(zhí)行一般采用開關(guān)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(diào)壓(對(duì)具有分接頭可以進(jìn)行有載調(diào)壓的變壓器)、無功調(diào)整(對(duì)具有多組無功功率補(bǔ)償器可以分組投切的牽引變電所)、信號(hào)復(fù)歸、遙控查燈、消防控制等。在執(zhí)行控制命令時(shí)，為滿足現(xiàn)場(chǎng)操作機(jī)構(gòu)在執(zhí)行分、合閘等操作時(shí)的具體要求，可以增設(shè)一級(jí)執(zhí)行繼電器以擴(kuò)大接點(diǎn)容量及數(shù)量。

（3）通訊功能：LCL級(jí)應(yīng)具有通訊接口，以便聯(lián)接遠(yuǎn)動(dòng)通道、牽引變電所級(jí)計(jì)算機(jī)以及當(dāng)?shù)乇銛y式計(jì)算機(jī)，一般可配置2～3個(gè)計(jì)算機(jī)通訊接口。

（4）自動(dòng)功能：自動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)與LCL級(jí)配置的硬件設(shè)備有關(guān)，有些自動(dòng)功能既可以設(shè)在LCL級(jí)實(shí)現(xiàn)，也可以設(shè)在SCL級(jí)實(shí)現(xiàn)。關(guān)于牽引變電所的自動(dòng)功能在下節(jié)作進(jìn)一步討論。

3.3 SCL功能分析：

SCL級(jí)的功能主要通過屏幕顯示和人機(jī)對(duì)話方式來實(shí)現(xiàn)，按照上述方式進(jìn)行系統(tǒng)配置，可以實(shí)現(xiàn)無鍵盤全鼠標(biāo)式操作，在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)減少了人為操作對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。主要功能可以達(dá)到以下幾個(gè)方面：

（1）屏幕顯示與人機(jī)對(duì)話：顯示系統(tǒng)總目錄，主結(jié)線，主變運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)圖，牽引變電所實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)表及歷史運(yùn)行參數(shù)表，定值表、密碼等級(jí)設(shè)定及輸入，電度表，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)棒圖、曲線，模擬指針式和數(shù)字式儀表，控制與操作畫面，自動(dòng)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?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、查燈信息等。

（2）記錄、制表、打印功能：實(shí)現(xiàn)運(yùn)行日志定點(diǎn)打印及召喚打印，事故、故障、越限、操作、事件等可隨機(jī)打印及存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史記錄中，并完成日?qǐng)?bào)、月報(bào)以及年報(bào)表的制表和數(shù)據(jù)生成，所有實(shí)時(shí)、歷史記錄均可召喚打印。

（3）報(bào)警功能：可將報(bào)警內(nèi)容分級(jí)、分類并設(shè)置成不同的報(bào)警方式。例如，對(duì)事故，故障(包括監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部故障)，斷路器分合閘，變壓器過負(fù)荷、饋線過流等越限，一次側(cè)三相電流不平衡，誤操作等各種事件分級(jí)分類報(bào)警，報(bào)警方式分語音報(bào)警(通過多媒體聲卡)、打印報(bào)警、屏幕顯示報(bào)警，三種方式可任意組合應(yīng)用于同一事件中。

（4）故障數(shù)據(jù)收集與記錄：遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一是防止系統(tǒng)事故，而一旦出現(xiàn)事故，當(dāng)時(shí)的記錄將是分析事故和預(yù)防事故的寶貴資料。因此，故障數(shù)據(jù)的收集與記錄是遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的重要功能之一。故障數(shù)據(jù)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(nèi)開關(guān)變位和繼電保護(hù)等狀態(tài)量出現(xiàn)變化時(shí)，通常要按時(shí)間(內(nèi)部時(shí)鐘)準(zhǔn)確加以記錄，時(shí)間分辨率要求較高，這對(duì)分析故障是很重要的。要作到較好的時(shí)間分辨率(毫秒級(jí))，利用SCL級(jí)完成是比較困難的，一般應(yīng)采用LCL級(jí)硬件設(shè)備 (如RTU、PLC等)進(jìn)行順序記錄，并與SCL級(jí)計(jì)算機(jī)保持時(shí)鐘同步，SOE記錄結(jié)果在SCL級(jí)的人機(jī)界面上進(jìn)行反映，SCL級(jí)可采用事件表的形式滾動(dòng)存放SOE數(shù)據(jù)。SOE正常狀態(tài)下以較長(zhǎng)的周期、較低的優(yōu)先級(jí)作為SCADA正常掃描的一部分，一旦出現(xiàn)SOE所涉及的狀態(tài)量變化，立即提高其優(yōu)先級(jí)，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(xù)記錄事故前后的量測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。一旦出現(xiàn)規(guī)定的事件，連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)就送到專門的存儲(chǔ)區(qū)PDR區(qū)內(nèi)，PDR循環(huán)采集規(guī)定的數(shù)據(jù)集合或相關(guān)量測(cè)量值，循環(huán)周期由數(shù)秒到數(shù)分，利用PDR區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，可以“實(shí)時(shí)”再現(xiàn)事故過程的參數(shù)及狀態(tài)變化情況。

（5）與調(diào)度中心的通訊：SCL級(jí)通過MODEM或計(jì)算機(jī)通訊接口接入通道實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心的通訊，一方面將牽引變電所內(nèi)的運(yùn)行情況上送到調(diào)度中心，另一方面，調(diào)度中心向牽引變電所發(fā)送控制命令以及對(duì)各種控制參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遠(yuǎn)動(dòng)功能和全局性調(diào)度控制。

（6）與繼電保護(hù)的聯(lián)接并進(jìn)行信息交換：牽引變電所的遠(yuǎn)動(dòng)和自動(dòng)化系統(tǒng)一般應(yīng)能反映繼電保護(hù)的信息和數(shù)據(jù)，以便為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。對(duì)既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)功能的改造也應(yīng)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。具備微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的既有牽引變電所，可以采用計(jì)算機(jī)通訊級(jí)的聯(lián)接，將保護(hù)的主要內(nèi)容反映在SCL級(jí)人機(jī)界面，進(jìn)而還可以進(jìn)一步完成保護(hù)定值的監(jiān)視和設(shè)定等功能;不具備微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的既有牽引變電所，應(yīng)將保護(hù)的主要狀態(tài)量通過DI(開關(guān)量輸入)的形式，由LCL級(jí)硬件設(shè)備采樣并反映在遠(yuǎn)動(dòng)與自動(dòng)化系統(tǒng)中。

（7）自動(dòng)功能：既有牽引變電所遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)改造所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)功能主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體情況決定。自動(dòng)功能主要包括：對(duì)可以利用分接頭進(jìn)行有載調(diào)壓的變壓器，采用遙控操作變壓器分接頭的方式實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié);對(duì)具有多組補(bǔ)償電容器并可獨(dú)立投切的牽引變電所，采用遙控操作方式自動(dòng)投切;電壓和無功綜合調(diào)節(jié)的原則按“九域圖”的規(guī)則進(jìn)行。當(dāng)某段母線因故失去工作電源，則由遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)合母聯(lián)開關(guān)，投入備用電源，以維持該段母線供電的連續(xù)性，備用電源的自動(dòng)投入閉鎖條件(如無壓側(cè)系統(tǒng)無事故信號(hào)，主變后備保護(hù)未動(dòng)作，與線路重合閘配合整定等)由SCL級(jí)設(shè)置。