基于5G技術的鐵路站房低壓配電箱電能質量優化

郭思紅

0 引言

低壓配電箱是鐵路站房供配電系統的關鍵設備，具備電能分配、配電線路保護及用電設備保護等功能。隨著科學技術不斷進步以及人們生活水平不斷提高，鐵路站房中用電設備的種類越來越多，對供電可靠性要求越來越高，用電量也越來越大。由于配電箱負載用電設備特性的不同，導致配電箱出現大量的電能質量問題，如向單相負載供電帶來的三相功率不平衡，向照明、電機等非線性負載供電帶來的諧波電流過大，以及無功功率過高引起的功率因數降低等問題[1～4]。以上電能質量問題將導致配電線路損耗增加、傳輸能力下降、配電設備及配電線路絕緣加速老化，并影響用電設備的供電質量及供電可靠性。同時，處于同一配電變壓器下的任意一臺配電箱均有可能受到同臺區下其他配電箱電能質量問題的干擾。更為嚴重的問題是，多臺配電箱電能質量問題匯入配電變壓器后，會干擾上級變壓器的正常運行，造成變壓器三相不平衡、諧波超限、損耗增大、功率因數低等問題。因此，對配電箱存在的電能質量問題進行治理，并將其造成的危害降低到最小程度迫在眉睫。

鐵路站房配電箱電能質量治理點多面廣，各配 電箱電能質量情況各異。因同一配電變壓器下的配電箱之間、配電箱與配電臺區之間電能質量問題相互影響，只依靠就地配電箱電能質量治理已經遠遠不能在系統級層面使供電網絡內的電能質量問題得到優化。隨著5G技術的商業化應用，其數據傳輸的高速化、可視化以及低延時、高可靠性、海量連接的特點，可以使鐵路站房配電箱電能質量治理中存在的上述問題得到解決。

本文提出基于5G技術的低壓配電箱電能質量優化策略，實現聯控方案，并分析在配電箱處進行電能質量治理的可行性。

1 配電箱電能質量治理

配電箱是低壓電源與負荷之間的連接開關，通過配電箱將電源靈活分配給不同類型、不同功率需求的負荷，因此配電箱向配電臺區匯入的電能質量狀況極其復雜。對電能質量問題的優化通常采用電力電子型的電能質量治理裝置，該裝置采集配電箱處的負載電流，通過分析電流中的諧波分量、無功分量、負序分量和零序分量，利用電流跟蹤控制算法產生指令信號，經過調制后產生PWM信號，該信號控制裝置內IGBT的通斷產生補償電流，使電能質量問題得以解決[5，6]。

1.1 5G技術與配電箱電能質量治理的聯控策略

在實際應用中，通常會面臨較為復雜的情況：同一個配電變壓器下有多個配電箱，每個配電箱通常接入不同類型、不同相序的負荷，導致多個配電箱之間電流諧波、無功、三相不平衡情況不同；接入同一高壓母線下通常有多臺配電變壓器，每臺配電變壓器下的配電箱之間的電能質量問題各不相同，造成電能質量優化的難度加大；配電臺區內的配電箱電能質量問題由于共用低壓母線，致使電能質量問題相互影響，尤其是當配電箱位置處的電能質量治理裝置達到滿容量時，超出電能質量治理裝置補償容量的諧波電流、無功電流、三相不平衡電流仍然會造成配電變壓器處的電能質量問題，該問題反過來再次影響配電箱處的電能質量。根據上述問題，提出5G技術與電能質量優化的系統級聯控策略，如圖1所示。

圖1 5G技術與配電箱電能質量優化聯控策略

圖1 中，A1、A2為配電變壓器TA供電范圍內的配電箱，B1、B2為配電變壓器TB供電范圍內的配電箱。以A1為例，根據基爾霍夫電流定理，在A1處存在如下電流關系：

式中：IsA1為電能質量治理裝置補償后的電流；ILA1為補償前的電流；IsF1為電能質量治理裝置的補償電流；ILzpA1為基波有功電流；ILhA1為含有的諧波電流；ILqA1為基波無功電流。

當IsF1= -ILhA1-ILqA1時，IsA1=ILzpA1，此時僅含有基波有功電流，且匯入配電變壓器的電流為基波正弦有功電流，功率因數為1。此時，電能質量治理裝置可實現對配電箱的全補償。

而當電能質量治理裝置的補償容量有限，最大補償電流IsF1＜(ILhA1+ILqA1)時，配電箱匯入配電變壓器的電流除含有基波有功電流外，還含有無功和諧波電流。此時，電能質量治理裝置僅能實現對配電箱電能質量的欠補償。

眾所周知，基波頻率的周期為20 ms，即無功電流和不平衡電流的周期為20 ms，而諧波電流的頻率通常為20/n（n為諧波次數）ms。4G技術的網絡延遲約100 ms，而5G技術的網絡延遲約1 ms。因此，通過5G技術可以實現供電網絡內電能質量治理裝置之間的快速信息交互。一方面，可以在諧波范圍內快速對諧波電流跟蹤補償，提高補償跟蹤能力；另一方面，在基波范圍內，可以大大提高不平衡電流和無功電流的動態響應速度。

利用5G技術，A2處的電能質量治理裝置可以補償A1處電能質量治理裝置缺損的補償容量，IsF1+IsF2= -ILhA1-ILqA1-ILhA2-ILqA2，最終IsA=IsA1+IsA2=ILzpA1+ILzpA2，流入配電變壓器TA低壓母線的電流僅含有基波有功電流。

同理，當A1和A2處的電能質量治理裝置都不足以補償配電箱的諧波和無功電流，致使IsA含有諧波和無功電流，此時通過5G通信，A1、A2、B1、B2處的電能質量治理裝置通過信息交互，可以控制B1和B2處的電能質量治理裝置，補償容量缺損，使Is=IsA+IsB，補償后Is僅含有基波有功電流。

1.2 三相不平衡及零線電流治理

電能質量治理裝置三相不平衡治理原理如圖2所示。

圖2 三相不平衡治理原理

如圖2所示，配電箱所帶負荷由于種類多、類型不一致，造成三相電流不平衡，N相含有較大數值的零序電流。根據電力系統序分量法可知，不平衡的電流可以分解為正序、負序和零序分量，因此，電能質量治理裝置通過檢測配電箱電流ILA、ILB、ILC中的負序和零序電流分量，向內注入反向分量進行不平衡補償。

圖3為治理前后配電箱電流波形。由圖3可以看出，治理前配電箱電流波形中零線電流較大，三相電流不平衡，存在嚴重安全隱患。治理后配電箱電流波形基本正常，零線電流濾除超過95%，效果明顯。

圖3 測試數據

1.3 諧波治理

電能質量治理裝置通過檢測配電箱中的負荷電流，利用瞬時功率理論經過指令變換分析負荷電流中的諧波分量。補償電流與配電箱電流中的諧波分量相位相差180°，經過疊加補償后的電流為正弦電流。

圖4、圖5分別為治理前后的諧波電流對比及分析。由圖可知，補償前ILA/ILB/ILC中含有3次、5次、9次諧波電流分別為100、50、40 A，通過電能質量治理裝置優化后，諧波電流接近為0，同時其他高頻諧波電流也得到了優化，優化后諧波電流趨于0，補償后電流為正弦電流。

圖4 諧波補償效果

圖5 諧波補償前后電流諧波分析

1.4 無功補償提高功率因數

電能質量治理裝置進行無功補償時，通過調節變換器電壓，使系統電壓與變換器電壓之間的電壓差作用在平波電抗器上產生電流，當該電流與系統電壓相差90°或-90°時，補償系統內的無功功率，如圖6所示。

圖6 無功補償工作原理

圖7所示為某鐵路線鐵路站房配電箱無功補償前后的現場測試數據。

圖7 現場測試數據

從圖7中測試數據看出，補償前配電箱無功功率較大，功率因數約為0.74，功率因數偏低。補償后配電箱無功功率得到優化，功率因數達到0.99，補償效果明顯。

2 低壓配電箱可視化運維及一鍵巡視

結合二次模擬量分布測量需求，利用5G技術采用可視化運維方式巡視裝置采集保護定值、采樣值、開關量、動作、告警等二次信息，進行“一鍵式”校核，通過顯示屏上的APP生成報告，完成主機實現功能。可視化包括站控層網絡構架可視化、光纖鏈路圖可視化、虛端子可視化、SCD（全所系統配置文件）可視化校驗、SCD可視化比對以及試驗過程可視化。校核巡視包括定值校核、電氣量（遙測）信息監視、開關量監視、保護動作信息及保護告警信息校核等。對報告進行管理，確認各項巡視核查工作已開展、已查閱。

一鍵巡視流程：

（1）導入SCD，導入后程序解析相關信息，自動判斷需要開展巡視核查的IED（智能電子設備），并生成站控層網絡結構圖、全站光纖鏈路圖、虛端子圖以及SCD校驗圖。

（2）接入站控層網絡裝置，可接入站控層交換機獲取全站保護的站控層數據，也可直接采集單一保護信息，根據實際情況配置相應IP。

（3）定值、壓板建模。定值、壓板的校核需要以調度定值清單作為標準值進行比對，需提前建立定值、壓板的標準值模板。

（4）試驗程序可根據自動判斷的IED設備或人工選擇IED設備進行巡視核查。整個巡視過程以圖形化方式展示，可直觀顯示當前巡視設備以及核查情況。

3 5G技術在配電箱電能質量優化中的應用優勢

5G技術在各領域的應用研究如火如荼，其在配電箱電能質量優化中具有如下優勢：

（1）帶寬容量大、傳輸速率高。在補償數據尤其高頻諧波數據傳輸、提高電能質量綜合補償裝置的動態響應方面具有無可比擬的優勢。

（2）5G網的連接數量大。在低壓配電網網絡中，配電箱數據繁多，5G網可以容納眾多配電箱數據和電能質量綜合補償裝置數據的接入互通。

（3）低延時、低功耗。在點對點傳輸過程中，5G網在傳輸延時和功耗方面都得到大幅降低。

（4）智能網絡管理。5G網絡的頻譜利用率將大幅提升，終端成本也會一定程度的降低[7～10]，使未來配電箱與5G結合的電能質量優化技術推廣具有更加廣闊的前景。

4 結語

鐵路站房配電箱數量眾多，電能質量治理點多面廣，各配電箱電能質量治理情況各異，電能質量治理裝置現場運行工況復雜多樣，各電能質量治理裝置僅負責就地配電箱電能質量治理，利用率低。5G技術的應用可以實現從系統級層面出發，發揮5G優勢，建立配電箱數據的大數據網絡，通過對電能質量治理裝置的聯控、聯調及大數據挖掘，提供配電箱電能質量治理的優化方案，實現整個配電網絡的電能質量優化，提高了電能質量治理裝置的利用效率，提升了配電系統的網絡級供電可靠性。