（电力系统及其自动化专业论文）客运专线牵引供电系统负载状态数字动模实验系统建模.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t i nt h ef i e l do ft h er e l a yq u a l i t ys u p e r v i s i o na n dt e s l t h ea u t h o r i t a t i v e n e s so f r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o rw h i c hw a sd e v e l o p e db yt h em a n i l o b a sh v d ci n c a n a d ah a sb e e na c c e p t e di nt h eb u s i n e s s i ti sb e c o m i n gt h eb e s tw a yt od e v e l o p a n dm a n u f a c t u r er e l a yp r o t e c t i o np r o d u c t sw i t ht h e a i do fr t d st e s t i n g f o rt h e p u r p o s eo fg e t t i n gu s er t d st e s ti nt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 、b u i l d i n g s u c ha c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e lo nr t d s h a sb e c o m ea nu r g e n c y i nt h i sp a p e r , f i r s t l yw eh a v es t u d i e dt h ec l a s s i cm e t h o d so fd i g i t a ld y n a m i c s i m u l a t i o no nr t d s ，a n dt h e ng e t h e f i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e so fr e l a yi nt h e t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，w ep r o p o s e dt h ew a yt ob u i l dt h em o d e l ：f i r s t l y b u i l di to nt h ep l a t f o r mo fm a t l a b s i m l i n ka n dt h e nt r a n s p l a n ti tt or t d s i nt h e p r o j e c t i o n ，t h ew h o l es c h e m ea n de v e r ye s s e n t i a lp a r t sw e r eb u i l d e da n dm a k e s u r et h a ta l lt h er e s u l t so nm a t l a b s i m l i n kc a nb ee a s i l yu s e do nr t d s t h e e m p h a s i so ft h i sp a p e ri st h el o a dm o d e l i n go ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m i n o r d e rt o s t u d yt h el o a d i n gc o n d i t i o n s ，w eh a v ee s t a b l i s h e dt h et r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mm o d e lw h i c hw a sb a s e do nt h en a t i o n a lp a s s e n g e rd e d i c a t e d l i n e ，s e c o n d l yw eh a v ee s t a b l i s h e ds e v e r a le m u m o d e l sw h i c hw e r eb a s e do nt h e m o s tp r o b a b l yl o a d so nt h en a t i o n a lp d l a tt h el a s tp a r ti nt h i sp a d e r , s e v e r a le x a m i n a t i o n sh a v eb e e nt a k e na n dt h e l o a dc o n d i t i o n sh a v eb e e nt e s t e db yu s i n gt h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma n d e m um o d e l s w ee v a l u a t e dt h ei n a c c u r a c ya n dg o tt h ep a r a m e t e ra n dw a v e f o r m d a t ao ft h em a t u r i t ym o d e l s t h ef o u n d a t i o nh a sb e e nm a d et h a tt h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l sc a nb ef i n a l l yr u n n i n go nr t d s k e yw o r d s ：r t d s ；p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e s ；d i g i t a ld y n a m i cs i m u l a t i o n ； r e l a yp r o t e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1数字动模实验的发展现状 长久以来，保护装置的开发工作一直对动模实验有着强烈的需求。事实 上，拥有了优秀的动模实验系统，就意味着拥有了先进的研发工具，更短的 研发周期和更强的产品竞争力。逐渐地，动模实验系统本身也在由物模系统 向数字动模实验系统演化着，而与各种数字动模实验系统相比，r t d s 数字 动模实验系统，无疑是佼佼者【l j 。 目前，在国内电力系统测试领域，l h d s 数字动模实验系统的应用已显 示出了强大的威力，诸多电力供应商和主要保护制造厂家，如许继、南瑞、 国电南自、北京四方等，无不引进了规模不等的r t d s 系统【2 l 【3 】。r t d s 测试 结果的权威性已获得行业认可，随着电力行业标准和相关法规的完善，r t d s 测试也将成为保护装置从研发到产品的必由之路。 在铁道部提出的跨越式发展战略的指导下，中国正在大规模建设客运专 线，并对既有线路进行提速【4 】1 5 1 。中国计划到2 0 2 0 年将铁路网络扩大至l o 万公里，其中1 2 万公里为客运专线。2 0 0 5 年1 1 月，西门子与铁道部签署 了提供6 0 列时速3 0 0 公里高速列车的合同，该批列车将于2 0 0 8 年首先运行 于北京一天津线路f 6 i ，随后将应用于其他高速列车线路。我国铁路建设坚持 以我为主的技术创新思路，按照国家“自主创新，重点跨越，支撑发展，引 领未来”的科技发展方针，围绕大规模铁路建设的重点任务，进一步加大自 主创新力度，系统掌握成套技术，力争在铁路技术装备现代化上取得重点突 破，实现重点跨越。 反观国内的电气化铁路保护装置测试领域，还尚未应用r t d s 这个有力 的工具。随着时间的推移和电气化铁路行业标准和相关法规的不断完善，也 跟随着电力系统的脚步，电气化铁路保护对r t d s 动模实验的需求也将会越 来越强烈。而要在短短几年中高标准、高质量地建设好、管理好大量的高速 铁路是重大而艰巨的系统工程，需要广集博纳各方智慧，在这样的新形势下， 也为将r t d s 实验引入电气化铁路继电保护开发中的提供了难得的机遇，创 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 造了有利的条件。所以，在r t d s 建立客运专线的数字动模实验系统已经成 为一个十分重要的课题。 1 2 课题研究意义 目前，我国的微机保护产品已经有了很高的技术水平，并且装备到了大 量的电气化铁路，而开发r t d s 数字动模实验系统将对微机保护产品的研发 有极大的推动和帮助，以迎接未来的高速铁路时代。 本课题使得r t d s 平台应用突破原有的电力系统领域，推广到电气化铁 路领域，推动国内r t d s 平台应用的发展深化。电力行业的r t d s 测试结果 的权威性已获得行业认可，随着时间的推移和电气化铁路行业标准和相关法 规的不断完善，也随着电气化铁路保护技术的发展，r t d s 动模测试的权威 性将在电气化铁路保护行业获得广泛的认可。 r t d s 数字动模实验系统在保护装置开发中具有非常重要的作用，相对 原先基于经验开发装置、模拟动模实验测试、长期现场实际运行检验装置的 研发模式有所改变，在研发保护装置的方法上，就某些具有因开发时代局限 而不能很好的满足现在实际现场需求的处理方法，在充分测试的前提下可以 采用新的研究成果，以提高保护装置的综合性能指标：随着技术的发展，用 户需求的进一步提高，以及保护本身原理研究的突破，保护装置产品也应及 时的升级换代或研制开发新产品。充分利用r 1 巾s 实验，作为保护装置开发 的重要手段，将在缩短研发周期的同时，会不同程度的提高保护装置的整体 性能。建立电气化铁路的r t d s 数字动模实验系统意味着对于保护装置有了 一种全新的研发模式。 1 3 研究方法 建立电气化铁路网络的r t d s 模型。与电力系统保护的实验方法类似， 开发电气化铁路动模实验系统的关键，在于电气化铁路模型系统的建立。同 样的工作在于，搭建出虚拟的电气化铁路网络，和精确化这个网络【7 j 。 建立模型的思路是，首先分析国内客运专线系统，抽象出各个模块以及 模块的参数，然后在m a t l a b s i m l i n k 中建立这些模块，再对模块进行必要的 测试来验证它们。最后用这些模块逐步组合成为整个数字动模实验系统模型， 并对组合后的数字动模实验系统模型f 引，作者将在具体的保护实验中进行更 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 全面的测试。最后将成熟的模块数据引入r t d s 平台。 1 4 研究内容 将r t d s 实验引入电气化铁路继电保护开发中，并在r t d s 建立电气化 铁路的动模实验系统正是本课题的目的所在。本课题研究内容主要包括以下 三个方厩： 1 r t d s 数字动模实验系统的组成、原理和功能的研究。通过对r t d s 平台的软硬件的充分研究，以及分析r t d s 数字动模实验在电力系统保护实 验方面的开展情况，取得合理地在电气化铁路领域进行r t d s 数字动模实验 的一系列方法。 2 通过对客运专线的牵引供电系统的运行情况的研究。制定牵引供电系 统分解原则，对牵引供电系统的结构进行分析，将实际的系统映射到 r s c a d 爪t d s 的实验系统。考虑r s c a d 瓜t d s 的工作能力，和各种故障、 负载以及保护原理，针对不同的保护项目建立不同的实验模型。 3 在m a t l a b s i m l i n k 中建立r t d s 数字动模实验系统的各个模块，并充 分地测试和验证它们。最后用这些模块逐步组合成为整个数字动模实验系统 模型建立和验证各个元件模型的精确性。在大量的负载实验中取得最终用于 r t d s 数字动模实验系统的模型参数和数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章r t d s 仿真系统的功能和特点 2 1 r t d s 仿真系统的功能和特点 r t d s 全称为实时数字仿真器( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) ，是由加拿 大m a n i l o b a 直流研究中心( h v d c ) 开发的专门用于实时研究电力系统的数 字动模系统，是一种专门设计用于研究电力系统电磁暂态现象的装置。该系 统中的电力系统元件模型和仿真算法是建立在已获得行业认可，且已广泛应 用的e m t p 和e m t d c 基础上的，其仿真结果与现场实际系统的真实情况是 一致的。该系统已在全球多个国家和地区推广使用，逐步替代传统的物理模 拟方式，如西门子、a b b 等知名企业都有自己的r t d s 实验室，将r t d s 作 为产品功能测试的重要手段。 我国目前也有2 0 余家单位引进了规模不等的r t d s 系统。其中有诸多 电力供应商和主要保护制造厂家如南瑞、国电南自、北京四方、许继等。r t d s 在国内得到了越来越多的认可。 电力系统的仿真研究可以包括几乎所有的网络结构。从非常小的单电源 的负载研究直到能代表一个完整的电力公司网络的基本动态特性的研究。特 别是r t d s 仿真系统提供的结果比传统的稳定和潮流程序深刻得多，这是因 为r t d s 仿真系统代表的系统特性包含了一个很大的频率范围( 直流到 4 k i - i z ) 。在这个频率范围内，r t d s 仿真系统是精确分析电力系统现象的理 想工具 1 1 1 9 1 。 r t d s 典型的计算步长为5 0 微秒，即对5 0 h z 工频分为4 0 0 个步长，每 个步长都对参数改变后的网络重新计算一次。所以在电力系统的仿真研究中， 它可以被看作是“实时的”模似装置。实时仿真使用户能测试物理设备和更 有效更快地完成实时仿真的许多研究。由于r t d s 模似器是实时的，因此 它能直接与各种电力系统控制和保护装置相连接，因而在r t d s 上的测试比 其他测试方法更全面，更便捷 2 1 1 3 1 【1 0 1 。 r t d s 并不是系统元件的物理小型化，其元件参数和电路结构以软件模 型为基础。r t d s 的研究能被迅速而且方便地修改，从一个问题切换到另一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 个问题只需要较短的时间。能设定研究序列并自动运行，批模拟只需要极少 甚至不需要用户交互作用。由于r t d s 模似器在有无用户交互作用( 交互式 的或批处理形式运行) 时都能运行。因此，装置能接受成千上万次的批处理测 试而不需要监控。r t d s 模似器对每个测试的回应都将提供详细的报告。不 论用户是对装置进行测试还是对运行模拟研究，r t d s 都能提供很大的帮助。 2 2r t d s 仿真实验的工作原理 主要设备装置由两台多个d s p 组成的计算机柜和一台微机组成。如图 2 - i ： 图2 - 1r t d s 主要设备装置 微机为上位机，它既是人机接口，也是对下位机的控制设备。通过这台 微机可进行编程、控制和各种实时的操作f 7 l 。作为下位机的两台计算机柜， 每台可计算一定规模的网络( 节点数目有限) ，而两台计算机柜可同时计算 联络不紧密的两个网络( 两个网络矩阵) ，并通过它们之间的通信模拟这两 个网络的互相作用【1 1 f 1 1 1 例如下图2 2 网络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 s r cb u s i c c 1 p - - 4 1 0 (m w , 5 0 m v l ca dl o a 图2 - 2 r t d s 中的电力系统网络模型 计算机柜的若干个d s p 计算单元组成一个个相似的3 p c 单元，分别根 据人为设定的元件模型计算网络中的每个元件的输入输出。为达到整体潮流 计算的5 0 微秒步长，对单个元件的计算必须在2 0 微秒内完成，这也对元件 模型的复杂度有所限制。3 p c 单元的输入输出如图2 3 。 3 p c 单元上的插孔可直接对外输出网络节点的电流电压模拟量，范围分 别是+ 一1 0 v 和+ 5 m a ( 需通过放大设备放大后驱动各种待测的保护装置) ； 也可直接输入输出各种数字开关量，以达到对外界控制的实时响应。 2 3 典型的r t d s 动模实验方法 典型的r t d s 动模实验，数字动模实验系统通过放大器与被测装置联系， 同时接受装置的动作信号和人为的控制信号，考量这些变化并立刻改变系统 参数，产生在线的系统行为，从而做到交互的动态模拟【l 引。如下图2 3 ： 由于r t d s 仿真系统能逼真地模拟实际电力系统的状态，同时由于被试 设备直接连接到仿真系统，因而试验将象在实际系统中运行一样。这种试验 方法使设备能在大量的系统可能偶然发生的情况下试验，而这些试验是用别 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的方法不能做到的或在实际的系统中不允许进行的【引。由于试验是闭环进行 的，因此该试验不仅能用来评价保护和控制设备的运行，而且也能用来评估 电力网络对设备正常运行或误动作的反应。 r t d s 仿真系统能用来做保护系统的闭环试验并且大大优于其它试验 或校验保护设备参数和设置的方法。放大器经常被结合使用以便使继电器能 用运行中所使用的电压和电流来试验【1 3 l f l 4 】【i ” 图2 3典型的r t d s 动模实验原理圈 实时仿真是试验控制设备的唯一方法，r t d s 仿真系统中所具有灵活和 充分的讯号输入和输出结构使得试验复杂控制器所需的大量讯号传送更容易 0 6 l i ”l ，代表着完成这些试验最灵活和高效的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章牵引供电系统保护的分析 由于考虑r s c a d r t d s 的工作能力，和各种各样的故障、负载以及保 护原理，本课题在分析电气化铁路保护设备的类型和作用范围后，决定将针 对馈线保护建立实验模型。 3 1典型的微机保护设备的独立作用范围 每个实验模型都取决于所实验的保护设备的独立作用范围。 1 实验模型的元件种类和个数。 2 实验模型的网络维度。 以交大许继的电气化铁路保护设备为对象，典型的微机保护设备包括了 如下方面。 1 馈线保护类。包括了三段距离保护；电流速断保护；过电流保护；电 流增量保护；反时限过负荷保护；接触网发热保护；一次重合闸；p t 断线检 测。 2 并补保护类。包括了电流速断保护；过电压保护；过电流保护：低电 压保护；差电流保护；差电压保护：谐波过电流保护；谐波阻抗保护；p t 断线闭锁功能。 3 动力变保护类。包括了电流速断保护：过电流保护：失电压保护：反 时限过负荷保护；瓦斯保护；温度保护。 4 牵引主变压器主保护类。包括了带二次谐波闭锁的比率差动保护；差 流速断保护；高压侧失压保护；高压p t 断线检测。 5 牵引主变压器后备保护类。包括了过电流和过负荷保护。 在通过对r s c a d r t d s 实验平台的研究和思考后发现，很多保护内容 也是现阶段无法实现的i t s l 1 9 】，所以本课题根据如下原则对这些保护内容作出 了取舍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 优先取用理论较为完善，体现电气化铁路系统特点较为明显，实用范 围较广，价值较高的保护内容，以作为将r s c a d r t d s 引入电气化铁路的 重要内容，并将目标定位为解决到工程实用阶段。 2 体现电气化铁路系统特点较为明显，价值较高，但理论尚不完善，需 要某些理论探索的保护内容，定位为后续项目内容，做理论创新的尝试。 3 一个保护内容当前在数字动模实验领域不能解决，或者至少在 r s c a d r t d s 的设计领域内不能解决，将从本课题中舍去。 3 1 1 牵引主变压器主保护类 该保护类定位为后续项目内容，原因主要是对变压器本体内部故障进行 数字动模仿真的难度很大。具体说明如下： 数字动模的强项在于线路保护装置动模试验。建立发电机和变压器的主 体内部故障仿真模型，一直困扰学术界，这是一个世界性的前沿难题。国内 尚无在实时数字动模试验系统进行变压器本体内部故障仿真的报导1 2 0 】【2 1 l 【2 2 1 。 3 1 2 馈线保护类 馈线保护是本项目的重点。 本课题将其定位为在电气化铁路中引入r s c a d r t d s 的重要内容，并 致力于解决到工程实用阶段并开发出实用的、全面的馈线保护类 r s c a d r t d s 实验系统。这样的课题定位基于如下理由： 1 电气化铁路接触网是专供电力机车负荷的供电线路，它与一般三相交 流供电系统相比较，有许多不同的特点：单相；机车负荷通过移动接触直接 从网上取流：包含有较大的谐波分量；回路阻抗大；在系统最小运行方式下 供电臂末端短路时，短路电流在数值上可能与最大负荷电流相差不多；运行 条件恶劣，故障率较大且无备用等等1 2 3 1 。为此，要求牵引变电所馈线保护应 具有高度的可靠性和灵敏度【2 4 】。 2 变电所馈线设置了以阻抗( 距离) 保护为主保护，电流速断为辅助保护， 故障后断路器自动一次重合闸和故障点自动标定装置的综合保护措施，变电 所馈线上与变电所的母线和主变压器相连，下与接触网相连，是牵引供电系 统有别于其他供电系统最独特的环节f 2 5 】。 3 馈线保护类涉及牵引供电系统各种不同的运行方式和工况，与之相应 的工作将是建立完善的故障库和对各种非正常运行情况作出全面地模拟。建 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 立并完善馈线保护类的数字动模实验将为引入其他保护类奠定基础。 4 馈线保护类涉及的都是线路保护装置动模实验，相应地，对暂态电磁 网络的模拟是r s c a d r t d s 平台的专长，模拟效果也最好。 3 1 3 其他保护类 由于时间和各种资源的限制，对于并补保护类，动力变保护类，牵引主 变压器后备保护类这三个保护类，暂时作为本项目的后续项目来安排。理由 如下： 1 根据本课题制定的对保护项目的取舍原则，此三类保护体现电气化铁 路系统特点较为明显较之馈线保护类不为明显，理论尚不完善，仍需要一些 理论探索。 2 此三类保护可共用或重用馈线保护类的很多设计成果，作为后续项目 是合理的。 3 2 馈线保护数字动模实验 3 2 。1动模实验考查的馈线保护指标 动模实验的目的之一，是了解保护装置的各项性能指标【2 1 ，以便在不同 装置之间作出比较和选择。 对保护装置主要性能指标为保护的可靠性、选择性、灵敏性和速动性， 实验方案考查对象也主要是这四个指标口6 1 ，其他性能指标如结构、电气性能、 冲击、高低温、湿热、盐雾、电磁兼容等应由其他实验考查【8 】( 1 ，不在本课 题考虑之列。 对于馈线保护而言，主要性能指标的考察指标如下： 1 选择性。主要通过各种运行工况来考查保护的选择性，在各种故障工 况时应可靠动作，而在各种负载运行工况( 包括机车起动，重载运行，再生 制动等) 对应可靠不动作。 2 可靠性。馈线保护在各种异常情况( 包括谐波干扰，非正常频率、系 统设备异常或硬件故障等) 下。应能正确判别和动作，馈线保护在其他装置 处在不正常工作状态时应正确动作。这些情况包括：a t 饱和、t v 闪络、 开关跳闸失败或偷跳、通信故障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 3 灵敏性。保护的灵敏性主要反映在判断高阻接地故障的能力中，在区 内故障经一定屯阻接地时，保护应当可靠动作。保护在重负荷下的动作情况 也应当考查。 4 速动性。一旦发生故障，必须快速地识别和动作，以免故障扩散和造 成其他设备损坏。 3 2 2 馈线保护的一般设置 3 2 2 1 馈线以距离保护作为主保护 由于牵引供电系统与电力系统相比具有牵引网结构复杂、方式多变，供 电负荷又有移动性、富含谐波分量等特点【7 ”，应该在保护设计中给予考虑。 另外，牵引网的工作条件也较电力系统输电线路恶劣，在机车受电弓的作用 下，接触网处于振动状态【3 1 ，因而导致其机械故障的机率增加，造成短路， 直接影响铁路的正常运行。同时，电气化铁路牵引馈线属于长距离、重负荷 线路，虽然属于3 5 k v 电压等级，但仍应以距离保护作为主保护【2 引。 距离保护是反应故障点至保护安装点间的短路阻抗大小，并根据距离远 近来确定动作时间的。它的最大优点是受系统运行方式和故障类型的影响较 小，因此，可以说距离保护本身就对系统运行方式和故障变化具有自适应能 力。 在电气化铁道中，通常选择具有多边形特性的距离保护。典型的四段距 离保护采用阻抗四边形特性或平行四边形特性。 3 2 2 2 其他的后备保护设置 其他的后备保护设置有低电压闭锁，二次谐波闭锁、谐波自适应特性。 这样的特性作者也予以了充分的考虑，在具体的实验中作者将逐一说明。 距离保护为了躲过线路的最大负荷，所以整定值一般较小，当线路短路 接地电阻较大时，保护就无法动作，降低了供电系统的可靠性【2 9 1 ，此时设置 电流增量保护。比较短路与过负荷两种状态可知，无论是在牵引运行状态还 是在再生制动状态，负荷电流中均含有大量的商次谐波( 三次谐波为主) ，另 外，当a t 投入或机车变压器投入时，产生的励磁涌流含有很高的二次谐波 分量，而短路故障时，故障电流基本是基波，故利用高次谐波抑制，二次谐 波闭锁功能，并判断基波电流增量而动作的i 保护，可以不受机车再生负荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 的影响，作为距离保护的后备对高阻接地故障能起到较好的保护作用1 3 0 1 。 当系统发生严重故障时为消除距离保护动作死区，设置电流速断保护， 对重负荷线路可以选择低电压闭锁、二次谐波闭锁、谐波自适应特性。设置 反时限过流保护和三段过流保护为后备保护【引】。 3 2 3 三段自适应距离保护 由于距离保护既反应被保护线路故障时电压的降低，又反应电流的升高， 采用方向阻抗继电器时还可反应相角的变化，因此其灵敏系数较高，在牵引 网保护中作为主保护。短路点至保护安装处的阻抗取决于短路点的位置，即 短路点至保护安装处的电距离，因而利用这一特点可以测量短路点至保护安 装处的阻抗，可以正确反应短路现象。距离保护就是根据这一特点构成的， 其动作元件是反应阻抗下降而动作的阻抗继电器【4 】【3 2 1 。阻抗继电器可用比较 保护安装处母线电压及短路电流的方法实现。 测量阻抗 乃= = z d 考 ( 3 - t ) 式中 u j 测量电压 i j 一测量电流 z d 一一一次侧短路阻抗 n j 电流互感器变比 n y 电压互感器变比 动作判据： 乙 竹n n o o n 卜“ o 时n 竹n n o o n 西卜p o 曲r 竹n 1 0 0 1 o 寸。寸，o o ，o n o n 竹o o 寸qo o 掣o o n o o ， o o 寸 o o n i 。id 。“啪。葛8 。“钔。譬m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 一， ， 1 6 0 0 01 7 0 0 01 8 0 0 01 9 0 2 0 0 0 02 1 0 0 0 2 2 0 0 0 2 3 0 0 02 4 0 0 02 5 0 0 02 6 0 0 02 7 02 2 0 03 0 0 0 0 一h 胪一一h _ _ v o l t a g ef v 】 图4 - 2 单机牵引模式限流特性 4 2 交直交电动车组的仿真 从上节可以看出，我国未来客运专线上主要的运营列车型号的主流是高 速的电动车组，这些电动车组采用了i g b t 水冷v v v f 的牵引交流器，大功 率的牵引电动机，具有较大的加速和再生制动加速度【3 ”。这样的牵引负荷状 态对于牵引供电系统来说具有大容量和低电压波动的要求，也对馈线保护的 可靠性提出了极高的要求。 多年来人们利用计算机对电传动机车的运行过程所作的大量的研究工作 均出自于采用电机的稳态特性( 相对稳定的电量输入和相对稳定的力矩输出) ， 在此基础上，交直传动的机车模拟操纵装置获得了成功【3 8 】【3 9 l 。对于交直交传 动的机车来说，由于频率的变化，其稳态工作点也随之变化，而从一个稳态点到 另一个稳态点的过渡过程更是稳态特性无法体现的f 4 0 】【4 1 1 。本文基于逆变器和 交流电机的瞬态模型对交直交机车的瞬间运行过程进行研究。 4 2 1逆变器的仿真模型 作为交流电机的供给电源，逆变器是由电力电子元件组成的一个典型的 iv一掣e11芒窆o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 电力电子电路。无论是用g t o 还是i p m ，开关元件的工作方式都是“通”或 “断”。在任意时刻只要开关元件确定，其输出的各相电位及线电压也很方便 地确定【4 2 1 1 4 3 1 。 u 口2 u d u b o ( 4 1 ) u b c = “一u c o ( 4 2 ) u c d = u c o 一“d ( 4 3 ) 1 “m = - ( 2 u d u b o u c o ) ( 4 4 ) j 1 u b n = ( 2 “一u c o 一”j d ) ( 4 - 5 ) j 1 u c t v2 ( 2 “一“j d t l t l o ) ( 4 6 ) j “。，u n o ，u c o 可以根据不同的控制方式，通过开关元件状态方便地确定。依 据这样的数学模型，本课题在s i m l i n k 中建立了逆变器模型，如图4 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 图4 - 3 逆变器模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 4 2 2 牵引电机的仿真模型 对于变频电机，人们通常采用假想将坐标轴线放在定子的静止坐标系 统，a - b c 和a 一母一0 系统，e 是d 轴与a 轴的夹角。三相定子坐标系向两相定 子坐标系的转换由下式确定 “1 1 4 5 1 4 6 1 ： 阱 詈陲辩， 三相定子坐标系向两相转子坐标系的转换由下式【4 7 1 确定 小 一co三socos(o-三2，r3)sino s i n ( o 2zr3，警2#312j 目粕， 一一一 ) 一s i n ( 口+ ) 0y 6l 、 l1 j 1 i 、斗- 叫 22 厂 。 正方向的规定： 流入电机的电流为正值，电压降的正方向与电流的正方向一致。对定子和 转子，正值的电流均产生正值的磁链。 在转子坐标系下以标幺值表示的异步电机的基本关系式为4 8 】： d - - p 一巧，+ ( 4 9 ) “g = p 一匕q + ( 4 - 1 0 ) = 此+ r , i o 峄x 小鼍x 。 q = x i j 。+ i k x ， = x o o ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) “o ，= p ，+ r a ， ( 4 1 7 ) 1 q 0 = 0 + 三 ( 4 1 8 ) 二 1 = 0 + ( 4 1 9 ) k ，= x j o ， ( 4 2 0 ) 为了研究和使用上的方便，可将以上诸式系数化简后，即得用d ，q ，o 分量 表示的异步电机的基本方程用矩阵形式表示如下： 口k + 毋r x n p x 0 0 o 一r x i | p x | 5 + r i o p x 0 o p x 钌，x 。 p x 。+ r f 0 o o ( 4 2 1 ) 式中 埽代表定子电阻： 鼢代表转子电阻： x m 代表定转子间互电感： x r r 转子自电感： x s s 定子自电感： p 为算子d d t ： ur 代表转子角速度： u ，i 的下标d ，q ，0 代表坐标系； r 代表转子。 o0 o oo oo p x o + 0 o p x o h r f 嚣。 叫； 蜥嘞船如岫 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 4 2 3 动车组的仿真模型 由于线路的坡度、曲线以及轴重转移、空转等因素的影响，尤其是静摩擦 变化的影响，要想建立起通用的负载模型非常困难【4 9 】【5 0 】【4 7 1 ，所以只能就具体情 况建立具体简化负载模型进行计算。 为了得到最终用于的r t d s 数字动模实验系统的模型参数和数据，本课 题小组在m a t l a b s i m l i n k 中建立三个动车组的仿真模块( 如图4 4 ) ，分别代 表了动车组的三种典型工况：启动，恒功和再生制动，并充分地测试和验证 了它们。最终取得了r t d s 数字动模实验系统适用的负载状态数据。 图4 - 4 三个动车组的仿真模块 三个动车组的仿真模块的内部结构如图4 - 5 ，图4 - 6 ，图4 7 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图4 5 启动工况机车s i m l i n k 模型方案一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 图4 - 6 满载工况机车s i m li n k 模型方案二 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 图4 7 再生工况机车s i m l i n k 模型 考 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 4 2 4 动车组的测试实验 基于馈线保护对电流电压测量值实时处理的原理，对交直交机车运行过 程的电流电压是主要的测试内容，并使用谐波测试模块进行滤波处理和谐波 分析。首先，为了分析动车组模型的电流谐波，建立了如下的电流谐波测试 模块，如图4 8 ： 图4 8 谐波测试模块 同样地，为了分析动车组模型的功率测试，本课题小组建立了如下的功 率测试模块，如图4 9 ： 图4 - 8 功率测试模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 相应的谐波测试数据如下图4 - 9 ，4 1 0 ，4 - 1 1 ： 删u l t , t l i l t t j f a ； ：一i h 一基瞌 一捕谐被 f | 一，状1 i 瞳 一4 # 口# 一椎昔t b a 口t l 一7 女口a b 痰1 毒畦 一9 丧谐镀 。l ，”。嘲， 图4 - 9 满载机车模型的谐波测试数据 日| u 再生i 箍簟越t t i ； t ； | 厂 f ； 墨 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 图4 1 l 再生工况馈线电流谐波分布 传统的自适应距离保护就是利用负荷电流中的综合谐波含量作为控制 量，自适应地调节阻抗继电器的动作边界，以提高距离保护的躲负荷能力： 当系统正常带负荷时，由于谐波的存在，将保护动作边界收缩，躲负荷能力 增强；而当系统故障时，其波形基本正弦，保护边界恢复原定值，在保护范 围内可靠切除故障。在实际中，交一直交机车负荷电流中含有少量的高次谐 波，其综合谐波含量一般不超过1 t 3 6 】【“】【5 1 1 1 5 2 】，。而牵引网短路时，故障电 流的波形在c t 饱和的作用下也不是严格的正弦波，很难根据谐波含量来区 分正常负荷电流和故障电流。 对于交- 直机车负载的线路，距离保护加入自适应原理后，有效解决了谐 波对距离保护的影响问题。但是本课题的机车模型是以交直交的动车组为原 型的，其负荷电流中含有的谐波量值远小于交直流机车，在此情况下，有 必要验证距离保护的自适应原理的适用性。 在负载和故障情况下电流的综合谐波含量测试经过如下图4 1 2 ，4 - 1 3 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 舞台昔被舌量k 缘台黄装含量k 叶问 町 图4 1 2 蠢丑接龙情况下缘台酱泣古量分析 时问i i i 图4 1 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 图4 1 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 图4 1 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 图4 1 6 兽 o e ； 叁 犀 茁 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 图4 1 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 一 s 吾 七 摄 互 苷 臀 辱 糯 o 图4 1 8 d 孽 d 器 d 鹄 d 8 d 鸳宁 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 图4 1 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 图4 2 0 望 o ； 是 匠 鲁 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 可以看出，在高阻接地故障下，无论接地电阻的量值如何，综合谐波含 量k 都十分接近1 ，而在重载运行，轻载运行和再生制动工况下综合谐波含 量k 各不相同，从而使得在分辨高阻接地故障和各种运行工况时，综合谐波 含量k 的实际作用变的十分不可靠，仅在重载有一定的分辨能力，所以，依 靠功率测试来分辨故障和运行两种不同情况更为有利。 动车组的各个工况下的功率测试数据如下图4 1 4 到图4 2 0 ，可以看出， 功率测试的结果与资料c r h 4 单牵引模式时的动态曲线特性和单机牵引模式 限流特性所反映的实际情况基本一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 第5 章牵引负载仿真 5 1 负载仿真 在本文的第3 章，已经叙述了本课题建立的客运专线供电系统模型，作 者的负载仿真正是在这个模型里加载了各种动车组负载，在设定的工况下所 做的仿真，而这些仿真结果也是基于馈线保护运用的目的对交直交机车的瞬 间运行过程的关键数据，这些数据是r t d s 数字动模仿真的主体内容。 下面来介绍本课题所做的负载仿真。 5 1 1 负载点位置数据 负载点位置数据 负载形式 负载点( k 1 ) 启动l2 4 启动2 9 恒功率 2 6 再生制动1 0 5 1 2 负载仿真组成 负载仿真的内容为，将各种工况的动车组模块连接于牵引供电系统模型 的负载点，如图5 1 ，仿真得出在馈线保护观测点的波形数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 0 页 图5 - i 负载仿真组成图 宁 曝 告q = ： _啊鲁1分fa芷o若n廿譬互苫u坷。2 -o-董寰sd上-o们一岩呈一拳c罾罩-6詈 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 1 页 5 2 仿真结果 5 2 1负载状态动车电流波形电流谐波含量 图5 - 2 启动时刻1 图5 - 3 启动时刻2 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 图5 - 4 恒功率状态 图5 - 5 再生制动时刻 将仿真结果对比交直交动车组运行的电流实际波形和电流谐波含量脚】， 如图5 6 ：以及实际电流谐波含量频率分布 4 6 1 1 5 0 ，如图5 7 ，5 - 8 。可以看 出本仿真的电流波形在机车启动，恒定功率，再生制动的不同工况下，其含 有的高次谐波和谐波的频率分布都基本上吻合于实际数据，模型的误差在可 接受的范围。 ， ： 。 ， 。 置至-置l，毒耋 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 3 页 o1 0 0 ! 暑1 俨 薹， i h。i i ii l 图5 - 6 交直交动车组实际运行电流波形和谐波含量 图5 - 7 实际电流谐波含量频率分布资料1 图5 - 8 实际电流谐波含量频率分布资料2 a：=拍”。 9p星c窖：口e搴!一霉uoz 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 4 页 结论 在铁道部提出的跨越式发展战略的指导下，中国将大规模建设新的客运 线路，并对既有线路进行提速。为了推动客运专线牵引供电系统的保护装置 的研发水平和测试技术，有必要进行客运专线牵引供电系统的数字动模实验。 在各种数字动模实验平台中，加拿大m a n i l o b a 直流研究中心( h v d c ) 开发 的实时数字仿真器( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) 已在电力系统行业获得认可， 该系统中的元件模型和仿真算法先进，仿真结果与现场实际情况一致，是理 想的平台。本课题旨在开发出适用于客运专线牵引供电系统的r t d s 数字动 模实验系统。 论文通过大量的调研和分析r t d s 仿真系统的功能和特点，总结了典型 的r t d s 数字动模实验的方法，设计出了r t d s 数字动模实验的整体方案以 及各个子模块。考虑了牵引供电系统各种保护的特点，有针对性的提出了先 在m a t l a b s i m l i n k 中建立馈线保护数字动模实验系统的研究方法。牵引供电 系统系统划分为若干不同的相对独立的小系统模块，把系统设计中的抽象结 果转化成模块，不仅可以保证设计的逻辑正确性，而且更适合课题的后续开 发。在m a t l a b s i m l i n k 中建立的客运专线牵引供电系统模型，用作牵引供电 系统负载状态实验的平台，有如下特点： ( 1 ) 该牵引供电系统模型为模块化的设计，可以方便地组合为不同的供 电方案。 ( 2 ) 模型采用了a t 供电方式、简单链型悬挂方式的实际参数，代表了 我国客运专线牵引供电系统的发展方向。 ( 3 ) 该牵引供电系统模型本身已经具备了移植到r t d s 平台上的条件， 可以根据需要开展铁路电气化r t d s 的相关实验和研究。 论文的重点在于建立用于馈线保护测试的牵引供电系统负载状态的数字 动模实验系统。为此又建立了动车组模型。在建模的过程中，结合了京津客 运专线和国内c r h 系列动车组的实际资料，并各种典型的负载状态进行实 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 5 页 验，对比了实验结果与实际的资料数据，验证了动车组模块的准确性，为使 用r t d s 来进行客运专线牵引供电系统的数字动模实验做了主体性的，必要 的工作，也为整个数字动模实验模型在r t d s 平台上运行打下了基础。 在此高速铁路大力发展的新时代，本论文建立的客运专线牵引供电系统