1、供变电工程新技术,西南交通大学电气工程学院 黄彦全 2008-9-26,牵引供电系统概况,牵引供电系统的主要组成部分：电源进线、牵引变压器、高压开关设备、导线、绝缘子、电压互感器、电流互感器、避雷器、馈出线等。,牵引供电系统示意图,接触网导线俯视示意图,牵引供电系统与电力系统的关系：,牵引供电系统是电力系统的用户，从电力系统获得电源； 电力牵引负荷属于一级负荷，且负荷功率大，因此需要以较高电压等级输电线路供电，一般用110kV或220kV电压等级供电，并且要用两回电源供电； 电牵引负荷为一种富含高次谐波、冲击性强、三相不平衡的非线性负荷，因此，存在牵引供电系统向电力系统注入谐波功率、负序功率的
2、可能性； 电牵引负荷功率因数波动范围宽，存在与电力系统交换大量无功功率的可能。,牵引供电系统通过接触网向机车供电，其功率流动途径为：牵引变压器低压测牵引侧母线馈出线接触导线机车钢轨、大地牵引变压器； 电力机车是移动的负荷，且从供电系统中吸取的功率随路况、牵引定数、机车操作情况有所不同，因此，牵引网上电压变动，需要保证电力机车最低工作电压。,牵引供电系统与电力机车之间的关系：,主要的牵引供电方式： 直供方式、BT供电方式、AT供电方式等。 AT供电方式的优点：供电距离长、通信干扰小、供电功率大等。,直供方式示意图,BT供电方式,直供回流线方式,AT供电方式,牵引变压器主要接线形式： 单相变压器、
3、V/V接线变压器、YN,d11接线变压器，各种平衡变压器； V/V接线变压器具有接线简单容量利用率高、既可用于直供供电方式也可应用于AT供电方式的优点。,电气化铁路负荷特点： 波动剧烈，机车从网上取流变化范围大，可以短时间内从轻负荷变化为重负荷，也可以短时间内从重负荷变化为轻负荷； 每天内的短时最大负荷与日负荷平均值存在差别，时间越短，则该时间内最大负荷与与日平均负荷差别越大。,高速电气化铁路牵引供电系统特点： 可靠性要求高，负荷的冲击性更强，最大负荷更大，有别于常速牵引变电所的是高速电气化铁路牵引变压器的设计容量将更大，同样地，高压开关设备的技术参数要求也更高，如具有更大的冲击电流承受能力、
4、具有更高的遮断容量等。 欧洲牵引供电系统特点： 存在不同的供电制式：直流供电、单相低频交流供电和单相工频交流供电； 具有独立的发电厂，形成的电源系统，与公共电网只存在小的功率交换，以弥补自身发电能力的不足。,牵引变电所综合自动化系统,牵引变电所组成： 一次设备和二次设备组成； 二次设备由测量系统、控制系统和保护系统组成。 传统的测量、控制和保护系统存在的不足： 系统中存在大量的金属电缆； 系统中存在大量的开关接点； 开关接点的可靠性会影响到整个二次系统的可靠性； 系统的运行方式改变后，需要对整个二次系统进行改造。,通常整个系统从整体结构上分为三层：通信层、变电所层和间隔层。 间隔层设备直接与一
5、次设备连接，实现对一次设备的保护功能、设备运行状态参数的采集功能和实现对一次设备的控制功能。 变电所层通过网络收集间隔层设备所采集的一次设备运行状态参数、事件报文，并对间隔层设备下达控制命令和修改间隔层设备设置及其参数。 调度系统需要从牵引变电所收集设备运行状态参数，需要修改牵引变电所中测量设备、控制设备和保护装置的配置和参数，需要对牵引变电所设备进行控制和调整，这些信息的交换通过通信层完成。,牵引变电所综合自动化系统与牵引供电调度自动化管理系统结合，可构成多种运行模式：有人值班、无人值班有人值守和无人值守。,牵引变电所综合自动化系统主要的设备组成： GPS（全球定位系统），是用于对系统中各设
6、备进行授时的重要设备； 当地监控装置，是用于对牵引变电所设备运行状态、控制和试验提供人机对话接口； 网络，是牵引变电所综合自动化系统内部之间、内部与外部信息交换的路径； 通信管理机，通信管理机起到管理牵引变电所自动化系统中各设备之间通信的功能； 保护装置，是实现对牵引变电所各一次设备进行保护以避免故障和异常状态对设备的损害的智能设备； 测控装置，是完成牵引变电所电气参数测量、对开关设备进行控制和一些设备运行状态进行调整的执行者。 测控保一体化装置。,牵引变电所综合自动化系统主要功能： 完成对牵引变电所各电气参数的测量； 完成对牵引变电所各一次设备和馈线的保护，以微机为核心，原理远较电磁型保护、
7、晶体管型保护、集成电路保护丰富； 完成对牵引变电所的控制任务； 完成对牵引变电所信息管理自动化任务,网络技术牵引变电所综合自动化系统的一个重要特点是信息交换的网络化，现行牵引变电所综合自动化系统主要涉及的网络技术有：,以太网 工业以太网是基于IEEE802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点，是未来工业自动化系统网络发展的方向。,现场总线技术 现行现场总线类型主
8、要有：RS-485、CAN总线、PROFIBUS、Lon Works、FF、HART等。 常用的现场总线有CAN总线、PROFIBUS、Lon Works。 现场总线技术在其发展过程中存在不足： 1) 现有的现场总线标准过多，仅国际标准IEC61158就包含了8个类型，未能统一到单一标准上来； 2) 不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成； 3) 由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高； 4) 现场总线的速度较低，支持的应用有限，不便于和Internet信息集成。,通信媒介 常用的通信媒介主要地有双绞线和光纤。 双绞线具有抗共模干扰能力强、容许通信速率较高和安
9、装维护方便的优点。 光纤作为一种宽带、高可靠性的通信媒介逐步应用到牵引变电所综合自动化系统中。,分散控制系统 牵引变电所综合自动化系统可以集中安装布置，也可以分散安装布置。 集中安装布置方式与传统牵引变电所二次系统的安装布置方式很相似，安装紧凑，运行环境良好，但仍然需要不少的金属电缆。 分布安装布置方式下，系统各部分的信息交换主要通过网络完成，可有效地减少金属电缆的使用，是一种具有良好发展前景的牵引变电所综合自动化系统结构。 根据自动化系统结构不同，分为集中结构（CCS）和分散结构（DCS）两种。,如果由单一计算机系统完成全部控制功能，称为集中结构。对于复杂控制系统和被控制对象较为分散的控制系
10、统，常采用多台计算机分散安装于不同的场所，分别完成不同功能控制任务或功能，各台计算机之间通过网络交换信息，这种结构称为分散结构。,DCS的主要优点是系统的处理能力强大，可靠性高，安装调试方便，维护简单，缺点是在应用于实时性要求较高和数据交换量大的系统时，对网络带宽的要求较高。在控制系统的设计时，应根据实际情况采取适度的集中和分散。 DCS最重要的特点便是集中管理和分散控制。,牵引变电所综合自动化系统中，所应用的测量、控制和保护设备通常以高性能微处理器为核心构成，另外一种系统构成方式采用的是可编程控制器（PLC）为核心的测控系统。,PLC（可编程控制器）是一种广泛应用于工业控制系统中的装置，可编
11、程控制器具有以下特点： 抗干扰能力强、可靠性高； 模块化结构； 编程方法简单、接口扩展容易。,PLC作为一种特殊的控制计算机已经在交通运输、电力、轻工、制造、冶金等领域得到了广泛应用。 PLC的编程简单易学，一般可以采用助记符方式或梯形图方式编制PLC程序； PLC程序采取扫描方式运行，其程序执行是根据程序一步一步执行，程序总的执行时间应该短于看门狗的定时； PLC配置了相应的输入/输出回路后，其输入和输出信号类型可视用户需要而定（一般可以有继电器输出方式、晶体管输出方式和晶闸管输出方式）。,PLC可以应用于牵引变电所的某一设备或功能，如备用电源自动投切、直流电源控制管理等，也可作为分散控制系统（DCS）的一部分，与其它设备一起组成牵引变电所综合自动化系统。,PLC应用于牵引变电所自动化系统的障碍之一是其交流信号采样能力的不足，从而难以把PLC作为继电保护功能的实现平台，价格因素也是PLC在牵引变电所自动化系统中应用的障碍之一。随着技术的发展，PLC在牵引变电所自动化系统的应用前途会越来越广。,
