電氣化鐵路電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)方案研究

汪自成

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著電氣化鐵路（以下簡稱“電鐵”）迅猛發(fā)展，為電力機(jī)車（或電動車組）提供動力的牽引變電所日益增多，電鐵牽引負(fù)荷特有的三相不對稱性、移動性、非線性、波動性[1]等特征對公用電網(wǎng)的諧波、負(fù)序和閃變等電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，同時因電能質(zhì)量問題引發(fā)電鐵牽引供電設(shè)備損壞、列車停車等事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響鐵路正常運(yùn)輸[2-3]。為了保證電力系統(tǒng)和電鐵自身的牽引供電系統(tǒng)能夠安全、可靠運(yùn)行，需要對電鐵電能質(zhì)量對實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測，對由電能質(zhì)量引起的故障或事件發(fā)生原因分析、責(zé)任劃分、合理解決方案等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

目前電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀是僅對部分牽引變電所的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測手段基本以單點(diǎn)監(jiān)測為主[2]。單點(diǎn)監(jiān)測的電鐵電能質(zhì)量系統(tǒng)由牽引變電所內(nèi)的電壓互感器和電流互感器提供的二次交流電壓、電流信號，通過同步采樣和A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)將連續(xù)模擬量離散化并變換為數(shù)字量，最后由設(shè)置在控制室內(nèi)的監(jiān)測主站對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析、存儲和輸出。

目前電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要存在的問題由： （1） 單點(diǎn)監(jiān)測無法對整個牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況進(jìn)行監(jiān)測并及時捕獲因電能質(zhì)量造成的故障或事件； （2） 沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系和技術(shù)要求，各電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)、采集終端、數(shù)據(jù)格式等要求不統(tǒng)一，監(jiān)測系統(tǒng)間無法相互兼容；（3） 單點(diǎn)監(jiān)測僅在牽引變電所內(nèi)設(shè)置有監(jiān)測終端采集設(shè)備及電能質(zhì)量監(jiān)控屏，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與報表仍需要人工現(xiàn)場處理，效率低下且無法從系統(tǒng)角度進(jìn)行評估。

2 電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展情況

20世紀(jì)50年代以來，電力系統(tǒng)逐漸認(rèn)識到電能質(zhì)量對整個電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行的重要性，開展了大量研究工作，并形成了和發(fā)布了一系列的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形成。其中電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中《電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》首次系統(tǒng)、詳細(xì)規(guī)定了電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)體系，包括監(jiān)測主站、采集終端、數(shù)據(jù)格式及存儲、通信等要求。

目前電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)已形成較為完善的基于Internet、分布式電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能全過程地監(jiān)測整個供電系統(tǒng)各個監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量狀況，并及時捕獲和存儲供電系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量擾動事件，其監(jiān)測中心可遠(yuǎn)程監(jiān)測用戶負(fù)荷和變電站的電能質(zhì)量，從而有效地對整個電能質(zhì)量水平做出綜合評價。目前電力系統(tǒng)普遍采用三層式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，典型系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 三層式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)圖

3 電鐵和電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測對象差異性分析

電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測主要內(nèi)容[4]有：電壓、電流、有功、無功功率因素、電壓偏差、頻率偏差、諧波、間諧波、負(fù)序、閃變等。其中電壓瞬變和電流瞬變屬于瞬態(tài)量，電壓暫降、暫升、短時中斷屬于暫態(tài)量，其他均屬于穩(wěn)態(tài)量。

電鐵的牽引變電所在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中均屬于終端變電所，牽引變壓器低壓側(cè)電壓等級為27.5 kV，牽引負(fù)荷為單相負(fù)荷且波動劇烈。目前牽引變電所電源側(cè)的電能質(zhì)量監(jiān)測、評價標(biāo)準(zhǔn)與電力系統(tǒng)一致，饋線側(cè)27.5 kV系統(tǒng)僅有電壓波動范圍評價標(biāo)準(zhǔn)，再無其他的評價標(biāo)準(zhǔn)。對電鐵電能質(zhì)量的監(jiān)測內(nèi)容原則上僅需監(jiān)測電源側(cè)各種電能質(zhì)量和饋線側(cè)電壓波動， 無須監(jiān)測27.5 kV側(cè)的電壓不平衡度、 諧波電壓、諧波電流等。由于電鐵牽引供電系統(tǒng)和動車組、機(jī)車的電氣耦合屬于動態(tài)電氣耦合，電氣現(xiàn)象十分復(fù)雜，為了能夠更好地監(jiān)測和分析車、網(wǎng)電氣耦合過程從而改善車、網(wǎng)電氣匹配性能，在電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中也需要監(jiān)測饋線側(cè)的諧波、功率因數(shù)、電壓暫降、電壓暫升、電壓和電流瞬變等電能質(zhì)量參數(shù)。

4 電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)探討

國內(nèi)高校和企業(yè)在電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測方面開展了大量研究工作，根據(jù)不同層次的需求，研制出了不同結(jié)構(gòu)原理的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置[5-6]，建立了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[7]，但針對電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究相對較少。隨著電鐵的快速發(fā)展，特別是高速動車組隨著對牽引供電系統(tǒng)提供等電能質(zhì)量要求的提高，因此需要結(jié)合電鐵電能質(zhì)量的特點(diǎn)和運(yùn)維管理方式，探討和建立了適應(yīng)于電鐵的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對電鐵電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的在線監(jiān)測，從而提高電鐵牽引供電系統(tǒng)可靠性、安全性。

目前中國鐵路總公司在電鐵運(yùn)營及維護(hù)管理分三級，即鐵總級、鐵路局級和站段級，與電力系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)管理類似，即國網(wǎng)（南網(wǎng)）級、省級和地市級。考慮到管理方式、建設(shè)成本以及通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等實(shí)際情況，結(jié)合電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測架構(gòu)方案，電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可采用三層架構(gòu)方案或兩層架構(gòu)方案。三層架構(gòu)方案由鐵總級監(jiān)測主站、鐵路局級監(jiān)測子站、監(jiān)測終端、通信網(wǎng)等構(gòu)成，如圖2所示。兩層架構(gòu)方案由鐵總級監(jiān)測主站、監(jiān)測終端、通信網(wǎng)等構(gòu)成，如圖3所示。

圖2 三層式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)圖

圖3 兩層式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)圖

三層式監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)中鐵路局級監(jiān)測主站屬于鐵總級主站的子站系統(tǒng)，負(fù)責(zé)各自管轄范圍內(nèi)牽引所亭的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用，同時負(fù)責(zé)將本鐵路局內(nèi)的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和臺賬信息上送至鐵總級主站。兩層式監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)中不再設(shè)置鐵路局級監(jiān)測子站系統(tǒng)，全路所有的牽引所亭等電能質(zhì)量數(shù)據(jù)均直接上傳至鐵總級主站系統(tǒng)，所有的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用均在鐵總級主站完成，僅把結(jié)果復(fù)視給負(fù)責(zé)牽引變電所、分區(qū)所日常運(yùn)營維護(hù)的供電段或供電車間。

上述兩種電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測架構(gòu)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，三層式架構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果存儲、分析、統(tǒng)計(jì)和應(yīng)用和監(jiān)測終端的運(yùn)營維護(hù)主體是各鐵路局，有利于提高各鐵路局電氣化人員的參與度和保證整個監(jiān)測系統(tǒng)的有效運(yùn)行，其缺點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)有兩級監(jiān)測主站，建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本高。兩層架構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)是少一級監(jiān)測主站，建設(shè)和運(yùn)營成本少，但其缺點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果存儲、分析、統(tǒng)計(jì)均在鐵總級監(jiān)測主站完成，分析結(jié)果僅在站段級復(fù)視，且監(jiān)測終端的運(yùn)營維護(hù)主體是各鐵路局，不利于各鐵路局電氣化人員的參與度和保證整個監(jiān)測系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

5 結(jié)語

隨著我國電鐵快速發(fā)展，電鐵電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的需求也就會越來越迫切，考慮到中國鐵路總公司運(yùn)營維護(hù)體制和電鐵牽引所亭等分布范圍，三層式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)更適合中國鐵路實(shí)際情況，更有利于電鐵牽引供電系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。