一种智能牵引变电所及其潮流控制方法

1.本发明涉及交流电气化铁路牵引供电技术领域，特别涉及一种智能牵引变电所及其潮流控制方法。


背景技术：

2.电气化铁路电分相是整个牵引供电系统中的最薄弱环节，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。电气化铁路同相供电可取消牵引变电所处的电分相，双边供电可取消分区所处的电分相，采用同相和双边供电从而消除全线无电区，保证列车的不间断供电，同时消除过分相隐患。另外，通过有效延长供电臂，有利于消峰填谷，平滑牵引负荷波动性，提高再生制动能量直接利用率，节省供电资源，降低基本电费，还有利于解决以负序为主的电能质量问题，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，双边供电牵引网通过两侧牵引变电所与电网形成并联结构，当牵引网空载时，牵引网中有潮流和电流流过，对应的这个潮流称为穿越潮流（对应的电流称为均衡电流），此时，穿越潮流从一侧的牵引变电所流入，从另一侧的牵引变电所流出，即穿越潮流从电网流入牵引网的牵引变电所处于负荷（用电）状态，穿越潮流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，实施双边供电需要解决两个关键技术问题：一是电网和牵引网的继电保护问题，需要继电保护具有更大的保护范围，具有电网故障时联跳牵引网以阻断潮流传递的功能等，对此需电网配备输电线路保护、牵引网配备分段保护等就能完备解决；二是穿越潮流对电网的影响和计量问题，如果穿越潮流返回电网，就相当于该牵引变电所发电，若返送反计，即按照发电对待，将于另一牵引变电所的用电抵消，则用户没有经济损失，如果穿越潮流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潮流，或者如何利用穿越潮流，在正常发挥双边供电优势的同时，减少对电网和用户的影响，提高用电效益。
4.针对穿越潮流，人们提出了一些抑制方法。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《一种电气化铁路双边供电系统》（授权公告号：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，否则影响供电电压和供电能力。理论上，除非牵引变压器次边的阻抗达到无穷大，否则，都不能使穿越潮流或均衡电流达到0。
5.现在，抛开双边供电穿越潮流的抑制技术研究，转换一下思路，提出一种智能牵引变电所及其潮流控制方法，实现电气化铁路同相双边贯通供电，取消电分相、消除无电区，同时，将返回电网的双边供电穿越潮流以及牵引网上电力机车制动产生的再生能量均当作发电潮流加以利用，使返回电网的发电潮流满足预设要求，例如为0，并且对过量的负序进行补偿，使其达到国标要求。


技术实现要素：

6.本发明的目的提供一种智能牵引变电所及其潮流控制方法，它能有效地解决以下技术问题：（1）使得牵引变电所的潮流可控；（2）对从采用双边供电的牵引网ocs返回电网的以及牵引网上电力机车制动产生的发电潮流进行利用使得返回电网的发电潮流满足预设要求；（3）对过量的负序进行补偿使其达到国标要求。
7.本发明通过以下技术手段实现：一种智能牵引变电所，包括牵引变压器tt，智能牵引变电所设有潮流调控装置pcd和控制器cc，所述牵引变压器tt的原边与三相电网中的u相、v相连接，次边的一端与牵引母线tsb连接，另一端接地；所述牵引母线tsb通过馈线f与采用交流双边供电的牵引网ocs连接；所述控制器cc用于根据牵引母线tsb和馈线f的电量信息控制潮流调控装置pcd对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求，控制器cc还用于控制潮流调控装置pcd利用从交流双边供电牵引网ocs返回牵引变电所的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
8.所述馈线f包括馈线f1和馈线f2，所述牵引网ocs包括牵引网ocs1和牵引网ocs2，牵引母线tsb通过馈线f1向牵引网ocs1供电，牵引母线tsb通过馈线f2向牵引网ocs2供电，牵引网ocs1与牵引网ocs2之间设置有电分段。
9.所述馈线f1上设有电流互感器ct1，馈线f2上设有电流互感器ct2，牵引母线tsb上设有电压互感器pt；所述电流互感器ct1、电流互感器ct2和电压互感器pt的测量端均与控制器cc的输入端连接，控制器cc的控制端与潮流调控装置pcd的控制端连接。
10.所述潮流调控装置pcd包括变流装置tpc、变流装置ppc、变流装置dpc、储能装置es及正极母线pb和负极母线nb，其中：所述变流装置tpc为单相变流系统，其交流侧的一端与牵引母线tsb连接，另一端接地；所述变流装置ppc为单相变流系统，其交流侧的一端直接与三相电网中的w相连接，另一端与三线电网的零线n相连；或者，变流装置ppc交流侧的另一端与牵引变压器tt的原边绕组中间抽头o连接；所述变流装置dpc为三相变流系统，其交流侧分别与牵引变电所配电系统三相母线a、母线b、母线c相连；所述变流装置ppc、变流装置tpc、变流装置dpc以及储能装置es的直流侧正极和负极分别与所述正极母线pb和负极母线nb连接。
11.所述潮流调控装置pcd的控制端包括变流装置tpc、变流装置ppc、变流装置dpc、储能装置es的控制端。
12.一种智能牵引变电所的潮流控制方法，所述电压互感器pt检测牵引母线tsb的电压ut，电流互感器ct1、电流互感器ct2分别检测馈线f1、馈线f2的电流；根据检测到的牵引母线tsb的电压和馈线f1、馈线f2的电流，控制器cc计算得到牵引母线tsb通过馈线f1、馈线f2分别向牵引网ocs1、牵引网ocs2提供的有功潮流，其中，流向牵引网ocs1、牵引网ocs2的有功潮流为正，流向牵引母线tsb的有功潮流为负；根据所述有功潮流，控制器cc控制潮流调控装置pcd的变流装置tpc和变流装置ppc对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求；或者，控制器cc控制潮流调控装
置pcd的变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网ocs1、牵引网ocs2返回牵引变电所总的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
13.所述控制器cc根据牵引母线tsb的电压ut和馈线f1的电流i1计算得到牵引母线tsb通过馈线f1向牵引网ocs1提供的有功潮流p1，根据牵引母线tsb的电压ut和馈线f2的电流i2计算得到牵引母线tsb通过馈线f2向牵引网ocs2提供的有功潮流p2；控制器cc根据有功潮流p1和有功潮流p2控制潮流调控装置pcd的变流装置tpc和变流装置ppc对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求；或者，控制潮流调控装置pcd的变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网ocs1、牵引网ocs2返回牵引变电所总的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
14.若p1 p2＜0，控制器cc判定馈线f1和馈线f2返回电网的为发电潮流，则控制潮流调控装置pcd的变流装置tpc、变流装置dpc工作并向配电系统三相母线a、母线b、母线c供电，或者控制变流装置tpc的储能装置es充电，二者的发电潮流之和等于 |p1 p2|，使得返回电网的发电潮流=0，满足预设要求；同时，使控制潮流调控装置pcd中的变流装置ppc待机；若p1 p2》0，控制器cc判定馈线f1和馈线f2为牵引工况，则控制潮流调控装置pcd的变流装置ppc和变流装置tpc对牵引变压器tt进行负序补偿，并控制潮流调控装置pcd中的储能装置es通过变流装置tpc向牵引母线tsb供电，使得牵引变电所负序达标；同时控制潮流调控装置pcd中的变流装置dpc待机；若p1 p2=0，控制器cc判定馈线f1和馈线f2空载，则控制潮流调控装置pcd待机。与现有技术相比，本发明的有益效果是：一、智能牵引变电所是一种潮流可控的变电所，在此，通过设置变流装置和储能装置，构成一种新的结构，经判定、控制，可将返回电网的双边供电穿越潮流以及牵引网上电力机车制动产生的再生功率均当作发电潮流加以利用，使返回电网的发电潮流为0，或满足要求，并且对过量的负序进行补偿，使其达到国标要求。
15.二、在不改变电网对铁路供电结构情况下，使牵引网发电潮流得到利用，消除穿越潮流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。
16.三、在牵引变电所同相供电基础上实施相邻变电所之间的双边供电，更加有利于供电臂再生能量的利用，提高再生制动能量直接利用率，通常情况下，可使返回电网的再生功率和电能降为0。
17.四、潮流调控装置可以连接牵引变电所储能装置和配电系统供电，除了利用穿越潮流外，还可利用剩余的再生制动电能。
18.五、牵引变电所同相供电与发电潮流利用装置复用，减少设备重复与投资。
19.六、技术先进、可靠，易于实施。
附图说明
20.图1为本发明的一种结构示意图。
21.图2为本发明的另一种结构示意图。
22.图3为本发明潮流调控装置pcd控制端的连接示意图。
23.图4为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
24.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。
25.实施例1如图1所示，本实施例提供一种智能牵引变电所，包括牵引变压器tt，智能牵引变电所设有潮流调控装置pcd和控制器cc，所述牵引变压器tt的原边与三相电网中的u相、v相连接，次边的一端与牵引母线tsb连接，另一端接地；所述牵引母线tsb通过馈线f与采用交流双边供电的牵引网ocs连接；所述控制器cc用于根据牵引母线tsb和馈线f的电量信息控制潮流调控装置pcd对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求，控制器cc还用于控制潮流调控装置pcd利用从交流双边供电牵引网ocs返回牵引变电所的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
26.本实施例中，采用潮流调控装置pcd对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求，从而可以使得本实施例提供的智能牵引变电所实现同相供电，从而取消变电所处的电分相，牵引网ocs采用双边供电，进一步取消两个变电所之间的分区所处的电分相，可以实现整个牵引网全线贯通式供电。
27.对于实施双边供电的牵引供电系统含有两个及以上的牵引变电所，对于如图1所示的某个特定智能牵引变电所来说，令由该智能牵引变电所返回电网的潮流为发电潮流，由于采用了双边供电，牵引网ocs上会出现穿越潮流，则潮流调控装置pcd会将该智能牵引变电所流向电网的穿越潮流当作发电潮流加以利用，在实际情况中，如果机车制动时产生的再生功率也由该智能变电所流向电网，或再生功率因没有完全被同行的牵引机车吸收而剩余的再生功率也流向电网，则由该智能变电所流向电网的再生功率或剩余的再生功率将和穿越潮流叠加在一起被控制器cc当作总的发电潮流，控制器cc会控制潮流调控装置pcd对总的发电潮流加以利用，从而使得返回电网的发电潮流满足预设要求，这里，预设要求可以指将返回电网的发电潮流控制在某个范围内，也可以指使返回电网的发电潮流为零；对于如图1所示的某个特定智能牵引变电所来说，若令该智能牵引变电所的潮流为牵引状态，由于采用了双边供电，牵引网ocs上会出现穿越潮流，则潮流调控装置pcd会对该智能牵引变电所的牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求；对于如图1所示的某个特定智能牵引变电所来说，若令该智能牵引变电所的潮流为0，则潮流调控装置pcd待机。
28.本实施例在不改变电网对铁路供电结构的情况下，使得返回智能牵引变电所的发电潮流得到利用，有效消除因双边供电产生的穿越潮流、以及再生功率对电网和用户的负面影响，使得双边供电的优点得到充分发挥，另外，本实施例采用潮流调控装置pcd进行负序补偿以及发电潮流利用，实现智能牵引变电所同相供电与发电潮流利用装置复用，有效减少设备重复与投资。
29.另外，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，本实施例对该措施并不强制要求，即本实施例可以采用该措施也可以不采用该措施，本实施例的核心在于对返回变电所的发电潮流进行利用，而由于采用双边供电，势必存在穿越潮流，本实施例重在对出现穿越潮流这一结果后进行的处理，而非抑制穿越潮流的产生， 这是本实施例区别于现有技术的关键之一。
30.作为优选，本实施例中的馈线f包括馈线f1和馈线f2，所述牵引网ocs包括牵引网
ocs1和牵引网ocs2，牵引母线tsb通过馈线f1向牵引网ocs1供电，牵引母线tsb通过馈线f2向牵引网ocs2供电，牵引网ocs1与牵引网ocs2之间设置有电分段。
31.本实施例中，智能变电所采用同相供电技术、牵引网ocs采用双边供电，使得供电臂延长，同行列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，本实施例可以在变电所的牵引网ocs处设置电分段，即在牵引网ocs1与牵引网ocs2之间设置电分段，设置了电分段，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。
32.作为优选，所述馈线f1上设有电流互感器ct1，馈线f2上设有电流互感器ct2，牵引母线tsb上设有电压互感器pt，电流互感器ct1、电流互感器ct2和电压互感器pt的测量端均与控制器cc的输入端连接，控制器cc的控制端与潮流调控装置pcd的控制端连接。
33.作为优选，本实施例中的潮流调控装置pcd包括变流装置tpc、变流装置ppc、变流装置dpc、储能装置es及正极母线pb和负极母线nb，其中：变流装置tpc为单相变流系统，其交流侧的一端与牵引母线tsb连接，另一端接地；变流装置ppc为单相变流系统，其交流侧的一端直接与三相电网中的w相连接，另一端与三线电网的零线n相连；或者，变流装置ppc交流侧的另一端与牵引变压器tt的原边绕组中间抽头o连接；变流装置dpc为三相变流系统，其交流侧分别与牵引变电所配电系统三相母线a、母线b、母线c相连；变流装置ppc、变流装置tpc、变流装置dpc以及储能装置es的直流侧正极和负极分别与所述正极母线pb和负极母线nb连接。
34.这里，如图1所示，三相电网包括u相、v相、w相，牵引变压器tt的原边可以与三相电网中的u相和v相连接，变流装置ppc的交流侧一端则与三相电网中的w相连接，变流装置ppc的交流侧另一端可以连接零线（即图1中的n线），也可以如图2所示与牵引变压器tt的原边绕组中间抽头o连接。
35.作为优选，潮流调控装置pcd的控制端包括变流装置tpc、变流装置ppc、变流装置dpc、储能装置es的控制端。
36.这里，如图3所示，潮流调控装置pcd中的变流装置tpc、变流装置ppc、变流装置dpc、储能装置es的控制端均与控制器cc的控制端相连，即控制器cc的控制端与潮流调控装置pcd的控制端连接。
37.实施例2如图4所示，本实施例提供一种基于实施例1所提供的智能牵引变电所的控制方法，包括：步骤s100：电压互感器pt检测牵引母线tsb的电压ut，电流互感器ct1、电流互感器ct2分别检测馈线f1、馈线f2的电流；步骤s200：根据检测到的牵引母线tsb的电压值和馈线f1、馈线f2的电流值，控制器cc计算得到牵引母线tsb通过馈线f1、馈线f2分别向牵引网ocs1、牵引网ocs2提供的有功潮流，其中，流向牵引网ocs1、牵引网ocs2的有功潮流为正，流向牵引母线tsb的有功潮流为负；
步骤s300：根据所述有功潮流，控制器cc控制潮流调控装置pcd的变流装置tpc和变流装置ppc对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求；或者，控制器cc控制潮流调控装置pcd的变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网ocs1、牵引网ocs2返回牵引变电所总的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
38.作为优选，所述控制方法中：控制器cc根据牵引母线tsb的电压ut和馈线f1的电流i1计算得到牵引母线tsb通过馈线f1向牵引网ocs1提供的有功潮流p1，根据牵引母线tsb的电压ut和馈线f2的电流i2计算得到牵引母线tsb通过馈线f2向牵引网ocs2提供的有功潮流p2；控制器cc根据有功潮流p1和有功潮流p2控制潮流调控装置pcd的变流装置tpc和变流装置ppc对牵引变压器tt进行负序补偿使得负序满足国标要求；或者，控制潮流调控装置pcd的变流装置dpc或储能装置es利用从牵引网ocs1、牵引网ocs2返回牵引变电所总的发电潮流，使得返回电网的发电潮流满足预设要求。
39.作为优选，所述的方法中：若p1 p2＜0，控制器cc判定馈线f1和馈线f2返回电网的为发电潮流，则控制潮流调控装置pcd的变流装置tpc、变流装置dpc工作并向配电系统三相母线a、母线b、母线c供电，或者控制变流装置tpc的储能装置es充电，二者的发电潮流之和等于 |p1 p2|，使得返回电网的发电潮流=0，满足预设要求，同时，使控制潮流调控装置pcd中的变流装置ppc待机；若p1 p2》0，控制器cc判定馈线f1和馈线f2为牵引工况，则控制潮流调控装置pcd的变流装置ppc和变流装置tpc对牵引变压器tt进行负序补偿，并控制潮流调控装置pcd中的储能装置es通过变流装置tpc向牵引母线tsb供电，使得牵引变电所负序达标，同时控制潮流调控装置pcd中的变流装置dpc待机；若p1 p2=0，控制器cc判定馈线f1和馈线f2空载，则控制潮流调控装置pcd待机。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。