一种分区所双边供电牵引网穿越功率利用系统及控制方法

1.本发明涉及牵引供电系统电路设计领域，特别涉及一种分区所双边供电牵引网穿越功率利用系统及控制方法。


背景技术：

2.电气化铁路电分相是整个牵引供电系统中的薄弱环节，电分相的中性段形成无电区，造成供电中断，虽然中性段无电区一般只有几十米，但列车控制自动过分相的断电距离却达500米以上，严重制约列车良好运行，甚至上坡时造成列车坡停事故。电气化铁路双边供电可取消分区所处的电分相，消除此处无电区，保证列车的不间断供电，同时消除过分相隐患。双边供电具有供电可靠性高、网压水平好、供电能力大、功率损失小等优点。
3.通常情况下，双边供电牵引网与电网形成并联结构，当牵引网空载时，牵引网中有功率（电流）流过，对应的这个功率称为穿越功率（对应的电流称为均衡电流），此时，穿越功率从一侧的牵引变电所流入，从另一侧的牵引变电所流出，即穿越功率从电网流入牵引网的牵引变电所处于负荷（用电）状态，穿越功率从牵引网流入电网的牵引变电所处于发电状态。正因为双边供电改变了电网结构，实施双边供电首先要解决一些关键技术问题，主要是两个方面：一是电网和牵引网的继电保护问题，其中电网只要配备输电线路保护、牵引网配备分段保护等就能完备就解决，二是穿越功率的计量问题，如果穿越功率返回电网时返送反计，即按照发电对待，则用户没有经济损失，如果穿越功率返回电网时返送不计或正计，则造成用户经济损失，在这种情况下，就需要研究双边供电如何减少穿越功率，或者如何利用穿越功率，在正常发挥双边供电优势的同时，减少经济损失，提高用电效益。
4.目前，人们提出了一些减少穿越功率的方法。其一，通过对牵引变电所的牵引变压器次边串接电抗器降低均衡电流，如中国专利1《一种电气化铁路双边供电系统》（授权号：cn103552488b），其不足在于，所需的电抗器较大，需要调整列车的功率因数为超前。其二，通过调节双边供电相邻两牵引变电所输出电压，降低两者电压差，从而达到降低均衡电流的目的，如，中国专利2《一种电气化铁路双边供电方法》（授权号：cn110126682b）提出在牵引变电所增设电压补偿装置，利用晶闸管27级档位调节，实现电压相位补偿，减小双边供电的两牵引变电所输出电压差，中国专利3《一种用于柔性贯通双边供电系统的可调牵引变压器及穿越功率利用方法》（公布号：cn113077979a）通过调节可调变压器高、低压分接头使相邻两牵引变电所空载母线电压幅值差与相位差趋于零。该方法的难度在于变电所电压的实时调节，其效果直接影响穿越功率的控制效果。另一种称之为“准双边”供电的实现方法是：相邻两牵引变电同一供电区间的两供电臂（第一供电臂和第二供电臂）不直接连通，通过在两供电臂末端跨接功率交换装置（单相背靠背变流器），实现两供电臂之间功率传输，从而达到双边供电，如中国专利4《一种列车供电网络及其准双边供电的牵引供电系统》（公布号：cn111267675a）。显然，这种供电方式并非传统意义的双边供电，不能取消分区所处的电分相，且功率交换装置的功率应按线路列车通行能力来配置，造价昂贵。另外，功率交换装置无过载能力，可靠性差，往往通过容量冗余来间接提高过载能力。因此，这种“准双边”供
电系统失去了双边供电的天然优势。中国专利5（公布号：cn111361463a）公开了交流牵引网柔性双边供电潮流控制系统，采用了与中国专利4相同的技术手段，不同之处在于，还在第一供电臂和第二供电臂末端跨接了另外一套阀组，与功率交换装置形成并联。当列车通过两供电臂交界处时，通过阀组抑制电弧产生。可见，减少或消除双边供电的穿越功率尚未有效的解决方案。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明的一方面在于提出一种分区所双边供电牵引网穿越功率利用系统，通过设置于分区所的穿越功率利用装置ses和中央控制器cc，对双边供电牵引网ocs穿越功率进行利用，从而使得返回电网的穿越功率满足预设要求。本发明通过以下技术手段实现：包括牵引网ocs、向牵引网ocs提供双边供电的牵引变电所tsa和牵引变电所tsb以及牵引变电所tsa和牵引变电所tsb之间的分区所，还包括设置于分区所的穿越功率利用装置ses和中央控制器cc；在牵引变电所tsa设置牵引母线电压互感器pta、牵引母线进线电流互感器ctaa和牵引馈线电流互感器cta以及在牵引变电所tsb设置牵引母线电压互感器ptb、牵引母线进线电流互感器ctbb和牵引馈线电流互感器ctb；中央控制器cc实时获取牵引变电所tsa、牵引变电所tsb的牵引母线和牵引馈线电量信息，控制穿越功率利用装置ses对双边供电牵引网ocs的穿越功率进行利用，使返回电网的穿越功率达到预设要求。
6.进一步地，所述穿越功率利用装置ses包括上网装置和储能装置esd；所述上网装置包括上网线l1、上网线l2和上网母线lb；上网母线lb经上网线l1、上网线l2分别与分区所内的分段器csp两侧相连；所述储能装置esd与上网装置的上网母线lb相连。
7.进一步地，所述牵引变电所tsa、牵引变电所tsb均采用同相供电，牵引变电所tsa、牵引变电所tsb的左右供电臂分别通过分段器csp连接。
8.进一步地，所述中央控制器cc测控端经光纤对与储能装置esd相连；设置于牵引变电所tsa的牵引母线电压互感器pta、牵引母线进线电流互感器ctaa、牵引馈线电流互感器cta的测量端以及设置于牵引变电所tsb的牵引母线电压互感器ptb、牵引母线进线电流互感器ctbb、牵引馈线电流互感器ctb的测量端均通过光纤对与中央控制器cc输入端相连。
9.本发明的另一方面在于提供一种基于上述分区所双边供电牵引网穿越功率利用系统的控制方法，包括：检测牵引变电所tsa和牵引变电所tsb的电量信息；根据牵引变电所tsa和牵引变电所tsb的电量信息，计算得到牵引变电所tsa和牵引变电所tsb的功率信息，其中，由牵引变电所tsa或牵引变电所tsb流向牵引网ocs的功率为正，由牵引网ocs流向牵引变电所tsa或牵引变电所tsb的功率为负；根据所述功率信息，中央控制器cc控制穿越功率利用装置ses对双边供电牵引网ocs穿越功率进行利用，使得返回电网的穿越功率满足预设要求。
10.进一步地，所述方法包括：中央控制器cc分别检测牵引变电所tsa的牵引母线电压ua、牵引母线电流ia以及牵引网馈线电流ica和牵引变电所tsb的牵引母线电压ub、牵引母线电流ib以及牵引网馈线
电流icb；根据牵引母线电压ua电压和牵引网馈线电流ica计算得到牵引变电所tsa向牵引网提供的有功功率pca和无功功率qca，根据牵引母线电压ub电压和牵引网馈线电流icb计算得到牵引变电所tsb向牵引网提供的有功功率pcb和无功功率qcb，根据牵引母线电压ua电压和牵引母线电流ia计算得到牵引变电所tsa的总有功功率pa和总无功功率qa，根据牵引母线电压ub电压和牵引母线电流ib计算得到牵引变电所tsb的总有功功率pb和总无功功率qb，根据牵引变电所tsa的有功功率pca及牵引变电所tsa的无功功率qca和牵引变电所tsb的有功功率pcb及牵引变电所tsb的无功功率qcb计算得到牵引网总有功功率ptr为：ptr=pca pcb，计算牵引网总无功功率qtr为：qtr=qca qcb；根据牵引网总有功功率ptr、牵引变电所tsa的有功功率pca、牵引变电所tsb的有功功率pcb，中央控制器cc控制穿越功率利用装置ses对牵引网ocs双边供电穿越功率进行利用，使得返回电网的穿越功率满足预设要求。
11.进一步地，中央控制器cc根据牵引网总有功功率ptr、牵引变电所tsa的有功功率pca和牵引变电所tsb的有功功率pcb，中央控制器cc控制穿越功率利用装置ses对牵引网ocs双边供电穿越功率进行利用，使得返回电网的穿越功率满足预设要求包括：若牵引网总有功功率ptr满足：ptr》p0，此时，判断pca*pcb的正负，若pca*pcb》0，进入工况一，中央控制器cc控制储能装置esd运行于放电状态，放电功率为pdis，若pca*pcb《0，进入工况二，中央控制器cc控制储能装置esd运行于第一充电状态，第一充电功率为pch1；若牵引网总有功功率ptr满足：0《ptr≤p0，进入工况三，中央控制器cc控制储能装置esd运行于第二充电状态，第二充电功率为pch2；若牵引网总有功功率ptr满足：ptr≤0，进入工况四，中央控制器cc控制储能装置esd运行于第三充电状态，第三充电功率为pch3；其中，p0为牵引网空载有功损耗。
12.进一步地，所述工况一中，储能装置esd的放电功率pdis为：pdis=min(ptr，pe)；所述工况二中，储能装置esd的第一充电功率pch1为：pch1=|min(pca，pcb)|，储能装置esd输出牵引网总无功功率qtr；所述工况三中，储能装置esd的第二充电功率pch2为：pch2=|min(pca，pcb)|；储能装置esd输出牵引网总无功功率qtr；所述工况四中，记返回牵引变电所tsa的有功功率为paa，返回牵引变电所tsb的有功功率为pbb，若pa》0，paa=0，若pa≤0，paa=pa；若pb》0，pbb=0，若pb≤0，pbb=pb；计算牵引变电所tsa和牵引变电所tsb总反馈功率pab为：pab=|paa pbb|；所述总反馈功率pab=0时，储能装置esd待机；所述总反馈功率pab≠0时，储能装置esd的第三充电功率pch3为：pch3= min(pab，pe)；上述pe为储能装置esd额定功率，|*|为求绝对值操作。
13.本发明工作原理是：通常情况下，双边供电牵引网与电网形成并联结构，当牵引网空载时，电网输送的功率会有一部分在牵引网中功率流过，对应的这个功率称为穿越功率（对应的电流称为均衡电流）。输电线、牵引网的分布电容还会出现充电电流和充电功率。穿越功率沿着牵引网流动，属于纵向分量，而充电功率像负荷一样，称为横向分量。牵引网空
载时，选择测量穿越功率的有功分量就可以反映穿越情况，并且可以在牵引变电所进线、牵引馈线以及牵引网的任何方便的部位测量得到。牵引网负载时，如果牵引负荷产生较大的横向分量，等于或大于返回电网的穿越功率量值时，只表现出横向分量效应。牵引网负荷为再生制动工况时，产生的再生制动功率首先由同行牵引列车就近消纳，牵引变电所的同相供电和分区所双边供电牵引网等效于延长了供电臂，同行车中的牵引列车可以更大概率地吸收制动列车的再生功率，使得最终返回电网的再生功率大大减小，甚至到0，多余的再生能量会与穿越功率叠加，再通过牵引变电所反馈至电网，这与穿越功率返回到电网的性质是相同的，也会带来计量问题，计量方式有返送反计，返送不计，返送正计之分，在经济上会对用户会产生不同程度的影响。利用双边供电两牵引变电所的电压电流信息，判定双边供电区间牵引网所属运行工况：在空载工况下，通过设置于牵引网的穿越功率利用装置将穿越功率加以储存，使返回电网的穿越功率达到预设值甚至为0；在再生制动工况下，对含有再生制动的穿越功率加以利用；在牵引工况下，控制穿越功率利用装置释放能量，供列车使用。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、在取消分区所处的电分相、消除无电区的同时，使穿越功率转化为可利用功率和电能，使返回电网的功率达到预设要求，甚至为0。
15.二、在不改变电网对铁路供电结构情况下，使牵引网穿越功率得到利用，消除穿越功率计量带来的负面影响，使双边供电的优点得到充分发挥；三、可靠性高，不受运行工况影响，调节方便；四、有利于供电臂能量互为利用，提高再生制动能量直接利用率五、技术先进、可靠，易于实施。
附图说明
16.图1为本发明双边供电与电网连接关系示意图。
17.图2为本发明结构示意图。
18.图3为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
19.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
20.实施例1如图1所示，双边供电与电网连接关系单线示意图如图1所示，双边供电牵引网ocs通过两侧牵引变电所tsa和牵引变电所tsb与电网g形成并联结构。由并联分流原理可知，双边供电会在牵引网ocs产生一个与电网g平行的电流分量，称为均衡电流，产生穿越功率，这对铁路的电量计费问题造成影响。如果双边供电的两个变电所原边的电量计费采取返送反计方式，问题就可以得到很好的解决，如果采用返送不计或返送正计，将会成为铁路的额外负担。为此，如图2所示，本实施例提供一种分区所双边供电牵引网穿越功率利用系统，包括牵引网ocs、向牵引网ocs提供双边供电的牵引变电所tsa和牵引变电所tsb以及牵引变电所
tsa和牵引变电所tsb之间的分区所，还包括设置于分区所的穿越功率利用装置ses和中央控制器cc；在牵引变电所tsa设置牵引母线电压互感器pta、牵引母线进线电流互感器ctaa和牵引馈线电流互感器cta以及在牵引变电所tsb设置牵引母线电压互感器ptb、牵引母线进线电流互感器ctbb和牵引馈线电流互感器ctb；中央控制器cc实时获取牵引变电所tsa、牵引变电所tsb的牵引母线和牵引馈线电量信息，控制穿越功率利用装置ses对双边供电牵引网ocs的穿越功率进行利用，使返回电网的穿越功率达到预设要求。
21.在本实施例的应用场景中，变电所tsa和变电所tsb之间的牵引网ocs采用双边供电，同时，背景技术所提到的需要在牵引变电所的牵引变压器次边串接电抗器以降低均衡电流，或者在牵引变电所增设电压补偿装置实现电压相位补偿以减小双边供电的两牵引变电所输出电压差，本实施例对该两种措施并不强制要求，即本实施例可以采用该两种措施也可以不采用该两种措施，本实施例的核心在于对穿越功率或是对存在穿越功率的返回变电所的功率进行利用，重在对出现穿越功率这一结果后进行的处理，而非抑制穿越功率的产生， 这是本实施例区别于现有技术的关键所在，此外，本实施例在利用穿越功率的技术构思的基础上，由于实际工况中，存在列车制动时产生的再生功率和原本存在的穿越功率一起返回变电所的情况，因此，本实施例所说的利用穿越功率也可以是指利用含有穿越功率的返回变电所的功率，通过对穿越功率的利用，从而消除穿越功率对电网和用户的负面影响，使双边供电的优点得到充分发挥。
22.作为优选，所述穿越功率利用装置ses包括上网装置和储能装置esd；所述上网装置包括上网线l1、上网线l2和上网母线lb；上网母线lb经上网线l1、上网线l2分别与分区所内的分段器csp两侧相连；所述储能装置esd与上网装置的上网母线lb相连。
23.作为优选，所述牵引变电所tsa、牵引变电所tsb均采用同相供电，牵引变电所tsa、牵引变电所tsb的左右供电臂分别通过分段器csp连接。
24.这里，牵引变电所tsa和牵引变电所tsb采用同相供电技术后，供电臂延长，同行车中的牵引列车可以更大概率地吸收制动列车的再生功率，提高再生制动能量的直接利用率，使得最终返回电网的再生功率大大减小，甚至到0。为了维护方便，本实施例借助于分区所的电分段，一方面可以配合使用分段测控保护技术，在使列车不断电通过的同时便于检修维护，另一方面，不改变电网对铁路双边供电结构，为穿越功率利用系统接入提供了条件。
25.作为优选，所述中央控制器cc测控端经光纤对与储能装置esd相连；中央控制器cc输入端分别通过光纤对与设置于牵引变电所tsa的牵引母线电压互感器pta、牵引母线进线电流互感器ctaa、牵引馈线电流互感器cta以及牵引变电所tsb的牵引母线电压互感器ptb、牵引母线进线电流互感器ctbb、牵引馈线电流互感器ctb的测量端相连。
26.这里，当牵引网ocs中有穿越功率时，中央控制器cc可以控制储能装置esd对穿越功率进行储存，以使得返回电网的穿越功率满足预设要求。当再生制动功率未被同行车中的牵引列车完全吸收时，剩余的再生制动功率与穿越功率叠加，构成等效穿越功率，中央控制器cc可以控制储能装置esd对含有再生制动功率的等效穿越功率进行储存，以使得返回电网的穿越功率满足预设要求。
27.实施例2
如图3所示，本实施例提供一种基于实施例1所提供分区所双边供电牵引网穿越功率利用系统的控制方法，应用于中央控制器cc，通过以下技术方案来实现的：步骤s100：检测牵引变电所tsa和牵引变电所tsb的电量信息；步骤s200：根据牵引变电所tsa和牵引变电所tsb的电量信息，计算得到牵引变电所tsa和牵引变电所tsb的功率信息，其中，由牵引变电所tsa或牵引变电所tsb流向牵引网ocs的功率为正，由牵引网ocs流向牵引变电所tsa或牵引变电所tsb的功率为负；步骤s300：根据所述功率信息，中央控制器cc控制穿越功率利用装置ses对双边供电牵引网ocs穿越功率进行利用，使得返回电网的穿越功率满足预设要求。
28.作为优选，所述方法包括：中央控制器cc分别检测牵引变电所tsa的牵引母线电压ua、牵引母线电流ia以及牵引网馈线电流ica和牵引变电所tsb的牵引母线电压ub、牵引母线电流ib以及牵引网馈线电流icb；根据牵引母线电压ua电压和牵引网馈线电流ica计算得到牵引变电所tsa向牵引网提供的有功功率pca和无功功率qca，根据牵引母线电压ub电压和牵引网馈线电流icb计算得到牵引变电所tsb向牵引网提供的有功功率pcb和无功功率qcb，根据牵引母线电压ua电压和牵引母线电流ia计算得到牵引变电所tsa的总有功功率pa和总无功功率qa，根据牵引母线电压ub电压和牵引母线电流ib计算得到牵引变电所tsb的总有功功率pb和总无功功率qb，根据牵引变电所tsa的有功功率pca及牵引变电所tsa的无功功率qca和牵引变电所tsb的有功功率pcb及牵引变电所tsb的无功功率qcb计算得到牵引网总有功功率ptr为：ptr=pca pcb，计算牵引网总无功功率qtr为：qtr=qca qcb；根据牵引网总有功功率ptr、牵引变电所tsa的有功功率pca、牵引变电所tsb的有功功率pcb，中央控制器cc控制穿越功率利用装置ses对牵引网ocs双边供电穿越功率进行利用，使得返回电网的穿越功率满足预设要求。
29.作为优选，中央控制器cc根据牵引网总有功功率ptr、牵引变电所tsa的有功功率pca和牵引变电所tsb的有功功率pcb，中央控制器cc控制穿越功率利用装置ses对牵引网ocs双边供电穿越功率进行利用，使得返回电网的穿越功率满足预设要求包括：若牵引网总有功功率ptr满足：ptr》p0，此时，判断pca*pcb的正负，若pca*pcb》0，进入工况一，中央控制器cc控制储能装置esd运行于放电状态，放电功率为pdis，若pca*pcb《0，进入工况二，中央控制器cc控制储能装置esd运行于第一充电状态，第一充电功率为pch1；若牵引网总有功功率ptr满足：0《ptr≤p0，进入工况三，中央控制器cc控制储能装置esd运行于第二充电状态，第二充电功率为pch2；若牵引网总有功功率ptr满足：ptr≤0，进入工况四，中央控制器cc控制储能装置esd运行于第三充电状态，第三充电功率为pch3；其中，p0为牵引网空载有功损耗。
30.作为优选，所述工况一中，储能装置esd的放电功率pdis为：pdis=min(ptr，pe)；所述工况二中，储能装置esd的第一充电功率pch1为：pch1=|min(pca，pcb)|，储能装置esd输出牵引网总无功功率qtr；所述工况三中，储能装置esd的第二充电功率pch2为：pch2=|min(pca，pcb)|；储能
装置esd输出牵引网总无功功率qtr；所述工况四中，记返回牵引变电所tsa的有功功率为paa，返回牵引变电所tsb的有功功率为pbb，若pa》0，paa=0，若pa≤0，paa=pa；若pb》0，pbb=0，若pb≤0，pbb=pb；计算牵引变电所tsa和牵引变电所tsb总反馈功率pab为：pab=|paa pbb|；所述总反馈功率pab=0时，储能装置esd待机；所述总反馈功率pab≠0时，储能装置esd的第三充电功率pch3为：pch3= min(pab，pe)；上述pe为储能装置esd额定功率，|*|为求绝对值操作。
31.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。