（电力系统及其自动化专业论文）牵引网故障数字仿真系统.pdf

西南交通大学硕士研究生论文第1 i 页 a b s t r a c t r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r s ( r t d s ) h a v eb e e l la p p l i e dt ot e s t i n gf i e l d so f r e l a y - p r o t e c t i o ne q u i p m e n t sf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dc o n t r o l p r o t e c t i o n f o rh v d cs y s t e m , w h o s ea u t h o r i t i e so ft e s t i n gr e s u l t sh a v eb e e na p p m v a l e db y e l e c t r i cp o w e rt r a d e b e c a u s eo ft h el a c ko fe f f e c t i v ed y n a m i cs i m u l a t i o nt e s t i n g t o o lo fe l e c t r i f l e dr a i l w a yr e l a y - p r o t e c t i o ne q u i p m e n t si no u rc o u n t r y , i no r d e rt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i f i e dr a i l w a yr e l a y - p r o t e c t i o ne q u i t ：l m e n t sa n d b u i l dt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yt r a d et e s t i n gs t a n d a r do f r e l a y - p r o t e c t i o ne q u i p m e n t s , i tb e c o m e san e wt r i a li nt h ef i e l do fe l e c t r i f i e d r a i l w a yr e l a y - p r o t e c t i o n e q u i p m e n t st e s t i n gb yt h ew a yo fi n b u i l d i n gt r a c t i o np o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n m o d e l so nt h ef l a to f l u d sw h i c hc a l lb eu s e dt or e s e a r c ht h ed y n a m i cs i m u l a t i o n o f e l e c t r i f i e dr a i l w a yr e l a y - p r o t e c t i o ne q u i p m e n t s a i m e da tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ma ca n dd cn e t w o r k a n de l e c t r i f i e dr a i l w a yn e t w o r k , c o m p o n e n tm o d e ll i b r a r ys u i t a b l ef o re l e c t r i f i e d r a i l w a yr e l a y - p r o t e c t i o ne q u i f m e n t st e s t i n gi su s e r - d e f i n e do nt h eb a s eo fw h i c h e l e c t r i f l e dr a i l w a yn e t w o r km o d e li sc o n s t r u c t e da p p l i c a b l ef o rt h er e a m ho f t r a c t i o np o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nw h i c hi si m p o r t a n tt or e s e a r c ho nn e w p r i n c i p l e o fr e l a y p r o t e c t i o n , s h o r t e n dr e s e a r c h & d e v e l o p m e n tp e r i o da n d i m p r o v et h es y n t h e t i c a lp e r f o r m a n c eo f p r o t e c t i o ne q u i p m e n t s s i m u l a t i o nm o d e l so ft r a c t i o n p o w e rs u b s t a t i o n s i m u l a t i o n s y s t e m a r e a b s t r a c t e ds oa st 0d e f i n eu s e r - d e f i n e dc o m p o n e n tm o d e l sl i b r a r yo nt h ep l a to f m s m o d e l ss u c ha st r a c t i o nt r a n s f o r m e r , o v e r - h e mc o n t a c ts y s t e m , t r a c t i o n s u p p l ym o d ea n df a u l ta r er e a l i s e d o nt h ep r o t o t y p eo f b e i j i n g - t i 面i nd e d i c a t e d p a s s e n g e rl i n e ，i n t r o d u c i n gt h ea b s t r a c t i o nm e t h o do fs y s t e mp r o t o t y p ea n d p a r a m e t e rd e f i n i n gm e t h o do fc o m p o n e n tm o d e l s t h es i m u l a t i o nt e s t i n go f c o m p o n e n tm o d e i si n d i c a t e st h a tu s e r - d e f i n e dc o m p o n e n tm o d e l sa r ea c c u r a t e e n o u g ht ob eu s e dt ot r a c t i o np o w e rs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o n o nt h eb a s eo fc o m p o n e n tm o d e ll i b r a r y , ad y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e mo f a l l - p a r a l l e la tt r a c t i o np o w e rs y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h es h o r t - c i r c u i tt e s to ft h e c o n s t r u c t e d s y s t e m m o d e li n d i c a t e st h a t s y s t e mm o d e lc o n s t r u c t e db y u s e r - d e f i n e d c o m p o n e n tm o d e l s i s p r e c i s ee n o u g ht od oe x p e r i m e n t sw i t l l f u n c t i o n st e s t i n go f r e l a y - p r o t e c t i o ne q u i i m e n t s k e yw o r d sr e a l - t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ；e l e c t r i f i e dr a i l w a y ：d y n a m i cs i m u l a t i o n c o m p o n e n tm o d e i ；r e l a yp r o t e c t i o n ；f u n c t i o nt e s t i n gt r i a l 西南交通大学硕士研究生论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力系统实时仿真器 1 1 1 引言 随着电力系统规模的不断扩大，电网的电气连接更加紧密，同时各种新 型电力系统元件( 如f a c t s 装置) 的不断出现，给电力系统的规划设计、运 行及故障的分析处理等带来了新的挑战。通常，在电力系统的规划和设计阶 段主要是依靠功能强大的非实时的离线( o f f - l i n e ) 计算机仿真软件，如e m t p e m t p v i e w 、a t p a t p d r a w 、e m t d c p s c a d 等”o 。但是完整的项 目实施还需要在投入运行之前对电网、电气设备及继电保护装置等进行实时 测试，以验证设备、保护及其控制系统能否满足实际电网运行的要求。实时 数字仿真器r t d s ( r e a lt i m ed i g i t a ls i m u l a t o r s ) 是实时全数字电磁暂态电力 系统仿真装置，它的出现为电力系统的设计、运行及研究提供了新的解决方 梨3 1 。 经过多年的硬件和软件设计，1 9 9 3 年第一台商业化的r 1 d s 装置在加拿 大m a n i t o b a 高压直流研究中心( h v d c ) 开发成功。r t d s 技术公司( r t d s t e c h n o l o g i e si n c ) 随后于1 9 9 4 年2 月在加拿大的m a n i t o b ah v d c 研究中心成 立。公司的主要任务是制造、销售、技术服务和对实时数字仿真器( r t d s ) 的开发。r t d s 技术公司的成立极大地推进了电力系统实时仿真器这项新技 术，并提供仿真的解决方法以及制造仿真系统。在公司成立的第一个五年内， 就有超过1 3 0 台r t d s 仿真装置分别被安装在1 4 个国家。许多世界上最著名 的电力设备制造商( 如g e 、a b b ) 、电力公司、研究机构、大学和设计院都 采用r t d s 技术公司提供的高质量的电力系统实时仿真设备来完成其科研、 生产和开发任务。 r t d s 技术公司提供电力系统仿真技术用于复杂的高压交直流网络的快 速、可靠、精确和经济的研究m 。实时数字仿真技术代替以仿真为基础的老 一代网络分析系统。r t d s 仿真装置的开发没有先例，运用的先进的硬件和 软件技术是专门为电力系统的实时仿真所创造的。r 1 d s 仿真装置使电力专 家有可能确定网络结构的同时对运行年限的各个方面进行实时试验。系统的 西南交通大学硕士研究生论文第2 页 问题能更快地被发现，解决的办法也能立即进行设计和试验。使用r t d s 仿 真装置，电力系统新设备和网络的设计或改进能够被评价和准确地试验。现 在人们能用数字技术建立电力系统更详细和更广泛的模型。使用r t d s 在实 时的条件下，也就是如同在实际的网络运行状态下，设备能被试验、运转和 优选；意外事故能被设计和仿真；元件间的互相影响能被更好地分析和理解。 1 1 2r t d s 仿真系统的特点 实时数字仿真器r t d s 是一个全数字化的电力系统电磁暂态( e m t p ) 仿 真装置。r t d s 硬件基于d s p ( 数字信号处理器) 和并行计算，计算速度可达 到实时输出的目的。r t d s 的基本组成部分为r a c k ，多个r a c k 之间通过 总线和工作站接口卡w i f ( w o r k s t a t i o ni n t e r f a c e ) 相连，r a c k 的数量视仿真 系统的规模而定。每个r a c k 包括多个r p c ( r i s ep r o c e s s o rc a r d ) 卡或3 p c ( t r i p l ep r o c e s s o rc a r d ) 卡，每个3 p c 卡包括3 个s h a r ca d 2 1 0 6 2 数字信号 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) ，速度更快，功能更强。一个或多个 d s p 可仿真一个电力系统的基本元件，如母线、线路、开关、电压互感器( p t ) 、 电流互感器( c t ) 、发电机、励磁系统等。r t d s 通过这些基本元件构成系统。 构成的系统运行于其上层工作站的p s c a d ( 电力系统计算机辅助设计) 软件。 p s c a d 是r t d s 专用的图形界面，可供用户完成构成系统、运行监控、分析 结果等工作。r t d s 的核心软件为e m t d c 软件，该软件是可以进行直流研 究的电磁暂态计算程序。r t d s 通过以太网与工作站相连在工作站上，可以 通过p s c a d 对r t d s 完成各种操作。r t d s 最重要的特性是它能维持实时条 件下的连续运行也就是说，它能足够快地求解电力系统的方程并连续地产 生输出，这些输出真实地代表了实际网络的状态。由于计算结果的实时性， 仿真系统能直接连到电力系统控制和保护设备上进行闭环试验。这种试验方 法可在多种故障条件下对设备进行测试 7 ，其中许多测试条件是无法用其他 办法或不允许在实际系统中实现的。因此，r t d s 仿真系统可用来做保护系统 的闭环试验并且大大优于其他试验方法，还能校验保护设备的性能及设置。 放大器常被接入回路以使继电保护能用其在运行中所使用的工作电压和电流 来测试。 r t d s 仿真系统是先进的计算机硬件和大量的计算机软件的综合体。电 力系统的模型是通过从任意数目的用户自定义的电力系统元件库中取出元件 模型构造而成，同时显示在计算机屏幕上。软件是与r t d s 仿真系统硬件联 西南交通大学硕士研究生论文第3 页 系的主要界面，它的设计允许用户完成所有必需的步骤，包括准备和进行仿 真工作、分析输出结果等。硬件是完全模块化的，允许用户随时扩展设备以 适应最复杂和详细的系统模型。 1 1 3r t d s 仿真系统的功能 r t d s 采用并行d s p 进行数字仿真，每l 3 个d s p 仿真一个电力系统 元件，仿真步长可达5 0 1 2s ，因而具备一切数字仿真的特点，如精度高、响 应时间短、修改参数方便、建立模型简单、仿真事故不会引起设备损坏等优 点。除此之外，图形操作界面不仅可以直观方便地建立仿真系统并分配给 r t d s 进行实时计算，也可作为e m t d c 等软件的用户界面。从应用实例来 看，随着r t d s 的推广应用，其应用于电力系统的各种仿真和测试也越来越 多，r t d s 主要有以下几个方面的功斛9 】 交流电网实时暂态分析计算和交直流联网系统的运行研究。r t d s 仿 真系统可研究电力系统暂态过程中，各种快速响应装置的相互影响，如 f a c t s 装置( s v c 、s t a t c o m 、t c s c 、u p f c ) 、高速继电保护装置、断路 器、自动重合闸、变压器的饱和特性励磁涌流等。还可研究电网互联的运行 问题。 高压直流输电( h v d c ) 系统及其控制系统的研究。r t d s 可仿真 h v d c 的换流器、线路、电抗器及控制系统、交流系统、高压输电线路、发 电机等，还可与实际h v d c 控制系统相连组成实时闭环系统。 研究电力系统暂态过程中稳定性及对电网的影响问题。r t d s 可以用 来研究扰动对电力系统暂态稳定性的影响，以及暂态过程对电网的影响，后 者主要包括发电机轴系扭振问题，以及对电力系统稳定器、自动调压器、保 护系统的影响。研究变压器饱和效应及其他非线性影响、自动重合闸。当电 力系统受到干扰时，仿真电网的振荡，以及新型快速控制及开关设备的相互 影响。 开发测试电力系统新装置。r t d s 用于开发和研究电力系统新装置及 其控制系统。此外，r t d s 还可以对继电保护系统进行实时闭环测试。 进行事故分析和仿真计算。从r t d s 的功能特点和应用范围来看，和 同类仿真器相比，其大电网仿真和闭环测试功能最具特点，因此，可以考虑 用r t d s 作为电网规划设计、运行及其故障分析的工具。 西南交通大学硕士研究生论文第4 页 1 1 4r t d s 硬件和软件 ( 1 ) r 1 d s 硬件【枷 为方便用户使用和扩展，r t d s 的硬件结构都是采用小型模块化设计， 并采用并行处理方式。当计算大型的仿真系统时，可以将其作为一个整体或 若干部分运行。一个r t d s 仿真器是一个或多个计算机硬件单元，这些单元 被称为机柜( r a c k ) ，它们安装在机架中。最小的机架有1 个机柜，中等的 机架有1 2 个机柜，全尺寸机架室有1 个、2 个或3 个机柜。机架中还有一 些必要的辅助设备，如电源和冷却风扇以及可选硬件如接口设备。r t d s 仿 真装置硬件的一个机柜包含最多1 8 个处理器和2 个通信卡。现在，有两种处 理卡即纵排处理器卡( r p c ) 和新型的三处理器卡( 3 p c ) 可供选择。为进行仿 真工作有2 种类型的通信卡是必需的，它们是工作站接口卡( w i c ) 和机柜问 通信卡( i r c ) 。w l c 在r t d s 仿真装置和工作站之间进行通信。i r c 则在r t d s 仿真装置硬件机柜之间通信。根据r t d s 仿真装置模块的性质，为了增加仿 真器的计算能力，只要多加硬件机柜即可。 ( 2 ) r t d s 软件【1 0 】 r t d s 软件可以归为以下几类： 图形用户界面。所有用户和r t d s 仿真装置之间的交互作用都通过采 用复杂的图型驱动用户接口程序即r t d s 的p s c a d 程序而执行。p s c a d 代 表了一组由单个模块组成的软件，这些模块被用于在仿真器的整个运行过程 中完成不同的任务。这个软件是用户和r t d s 硬件的主要接口，它允许用户 执行所有必需的步骤去准备和运行仿真以及分析仿真输出。 编译程序。位于图形用户界面软件和运行于r t d s 仿真装置中的d s p 代码之间的一个重要链接是专门设计的编译系统。r t d s 仿真装置的编译程 序从d r a f t 取得电路图和参数，并生成数字信号处理器所需的并行运行码。 另外，在仿真过程中，编译程序基于所需电路图和有效的r t d s 硬件自动给 每个d s p 分配任务。 模块库。为了产生d s p 代码，编译程序要访问预定义和预装配电力 系统元件以及控制功能模块库。为在设计和交接试验阶段中高效的测试驱动 设备，可以采用自动批处理运行方式。由于这些软件模型的长度直接影响可 得到的最小仿真时间步长( 例如，如果可执行代码很长，时间步长就长) ，在 创建有效码时需要很小心。电力系统组件模型库包括： 西南交通大学硕士研究生论文第5 页 r p c 模型 无源组件：电阻器，感应器，电容器，滤波器分支，非线性电感器。 多导体输电线路：行波的，频率相关的，p i 部件，电缆。 变压器：饱和和磁滞现象的两线圈或三线圈变压器。 电源和电机：同步电机，感应电机，等效电源。 高压直流：g r a e t z 桥六脉动阀组，点对点或背对背。 s v c ：晶闸管控制电感器，晶闸管控制电容器。 开关：断路器，故障切换( i g ，l l ) ，二极管，晶闸管，可切换滤 波器，无功功率控制器。 测量传感器：电流互感器，电容性电压互感器，感应电压互感器。 电力系统计测：有功无功功率，三相r m s 电压，电流，频率，相位 差。 控制器：电力系统稳定装置，自动电压校准器，调速器，涡轮机( 最大值， 7 块) ，h v d c 控制器，s v c 控制器。 通信系统：采样，继电器功能。 其他：具有旁路切换系列电容器，具有一般控制的静态无功补偿，晶闸 管控制电阻器。 3 p c 模型 f a c t s ：基于g 1 d 的电压型转换器，统一电力潮流控制器，具有改良 点火和内部故障的晶闸管控制的串联补偿电容器。 多导体输电线路：互耦的1 2 导线线路行波模型，单或双回路的p i 部件。 高压直流：具有改良点火和内部故障的g r a e t z 桥转换器模型。 变压器：两线圈或三线圈变压器带装载分接头。 s v c ：具有改良点火的扩大的s v c 模型测量传感器实时网络解决方案。 r ) s 仿真系统可以快速、灵活，连续地实现数据输入、仿真运行和结 果分析，并且可以快速、方便地改变电力系统的拓扑结构、系统参数。因此， 它可以实时进行电力系统电磁暂态计算、电力系统机械暂态过程计算、电力 系统稳态计算( 含潮流计算) 。与离线仿真软件相比，计算结果更为精确。 1 2 课题研究意义 随着现代科学技术的发展，研究事物的运动要按照各自的系统来研究， 但有许多系统由于条件的限制不可能在真实的系统上进行试验和研究，这就 西南交通大学硕士研究生论文第6 页 可以采用动模试验的方法。动模试验是按照相似性原理建立的缩小的实际物 理模型，电力系统动模试验就是一种用于研究电力系统动态特性的物理模型 系统，具有直观形象的特点。但是随着系统规模和复杂程度的变化，采用物 理模型的动模试验方法受到很大的限制，与此同时，随着数字计算机和数值 计算技术的飞速发展，出现了用数学模型代替物理模型的新型仿真系统o 2 】， 我们把建立数学模型并在数字计算机上傲试验的过程称为数字动模试验。 在国内电力系统测试领域，r t d s 数模系统的引入和应用还是初步的， 只有少数几个厂家诸如许继、南瑞等引入了一定规模的r 1 d s 系统。许继检 测中心员工经过三年多的探索和实践在i 盯d s 上开发了1 1 0 k v 长距离输电线 路的试验模型，并围绕该模型展开了各种保护装置的功能测试试验。 随着电气化铁道行业标准和相关法规的不断完善，为了提高电气化铁道 继电保护装置的可靠性，许继检测中心设想在r t d s 上建立牵引供电系统试 验模型，以开展对电气化铁道保护产品的功能测试工作，而国内的电气化铁 道保护装置测试领域，还没有应用r 1 d s 这个有力的工具。因此将r 1 d s 试 验系统引入电气化铁道继电保护开发中，在r t d s 上建立电气化铁道的动模 试验系统已经成为许继检测中心的一个重要课题。 r 1 d s 数字动模试验系统在保护装置开发中具有非常重要的作用，对原 来基于经验装置开发、物模试验测试、长期现场实际运行检验的装置研发模 式有所改变，充分利用r t d s 试验系统，作为保护装置开发的重要手段，将 有利于缩短开发周期、提高保护装置的整体性能。同时，随着新的保护原理 的研究，把新原理应用于新的保护装置，在充分测试的前提下，可以采用新 的研究成果。电力行业的r t d s 测试结果的权威性已获得行业认可，随着电 气化铁道行业标准和相关法规的不断完善，也随着电气化铁道保护装置的不 断完善，r t d s 动模测试的权威性也将在电气化铁道保护行业获得广泛的认 可。 1 3 研究方法 使用r t d s 进行电气化铁道的继电保护装置试验的关键在于仿真模型的 建立。由于目前还没有牵引供电系统的数字动态仿真的先例，结合本课题的 开发定位，设想中的电气化铁道保护装置的r t d s 数字动模试验系统将为如 下形式：首先分析电力系统与电气化铁道系统之间的异同，确定出在r t d s 中需要自定义的电气化铁道系统元件库；其次使用r t d s 的模型库和编程工 西南交通大学硕士研究生论文第7 页 具，搭建出自定义的电气化铁道系统的元件库；然后根据电气化铁道系统的 故障分析抽象出典型的故障模型并建立故障库仿真模型；接着对自定义的电 气化铁道元件模型进行元件仿真测试，以验证元件模型的精确性；最后对不 同的保护应用和各种牵引变电所的现场实际，从元件模型库中取出所需要的 元件模型联结成需要的电气化铁道线路网络，并对该牵引供电系统进行系统 仿真，验证电气化铁道系统模型的精确性。完成了以上工作，就可以根据需 要将机车负载和故障模型加在线路网络的特定位置，进行各种具体的负载运 行试验和继保装置保护试验项目。 在验证电气化铁道元件模型库是否满足要求时，有以下两个步骤： 根据已知的元件原型电气参数对抽象出来的元件仿真模型进行参数 设置。 对元件仿真模型进行仿真测试，以验证元件的某些特性符合已知的 元件原型特性曲线。 在验证电气化铁道系统模型是否满足要求时，有以下两个方法： 如果有电气化铁道系统的物模试验模型，可以将试验结果和 相同电铁网络的物模试验模型结果进行比对。 如果有电气化铁道系统的现场故障录波数据，可以将试验结 果和故障录波数据作比对。 1 4 研究内容 1 4 1 课题研究的关键 由于p s c a d r t d s 是关于电力系统暂态仿真的系统，要建立电气化铁道 试验模型非常困难，需要解决的问题主要有： 电气化铁道系统的电力网格结构。常用线路、变压器等保护装置的 动模测试已经相对成熟并有相应的标准发布，其运行方式和典型系统参数均 有大量测试实例和实际系统参数支持。而电气化铁道一次系统的结构、运行 工况和接线方式都与上述系统存在着较大的差别。为建立一套实用的电气化 铁道保护产品测试平台，就必须了解在不同的接线方式和运行模式下，各电 力元件的典型结构和参数。 电气化铁道系统中的负荷特性。电气化铁道系统中的负荷为电力机 车，与电力系统保护装置测试中使用的负荷有很大的差别。r t d s 现有负荷 西南交通大学硕士研究生论文第8 页 模型分为三类：由电阻电抗构成的固定负荷、以无穷大电源带电阻电抗形式 提供的负荷和以有功无功功率形式提供的动态负荷。而电气化铁道系统中的 负荷与上述三类都不同，电力机车的负荷特性、机车对于保护装置所保护的 供电区间的冲击等问题，在r t d s 上没有现成的模型可以利用。如何确定电 力机车的动态负荷曲线并在r t d s 上实现，是开展电气化铁道保护产品测试 的关键。 电气化铁道保护的主要考核指标。由于电气化铁道运行的特殊性， 对其保护的要求也与对通常线路、变压器等的要求存在相当大的区别，保护 原理也会不同。因此，电气化铁道保护产品动模测试在现阶段没有通用的测 试大纲或权威标准，在建立测试模型后，如何针对不同保护功能制定考核保 护性能的试验项目和性能标准，使测试结果具备全面性、有效性和权威性， 也是另一个需要确定的问题。 1 4 2 本文的主要研究内容 针对上述提出的问题，本文的主要研究内容如下： 比较电力系统和电气化铁道系统的异同，设计牵引变电所仿真系统， 抽象出了需要在r t d s 中自定义的电气化铁道元件模型。自定义的电气化铁 道元件库模块包括变压器( 单相变压器、吸流变压器( b t ) 、自耦变压器( a t ) 、 三相变压器( y 1 l 接线) 、三相一两相s c o “i t 变压器和阻抗匹配平衡变压 器) 模块、牵引供电方式( 直接供电方式、b t 供电方式和a t 供电方式) 模 块、牵引网类型模块和故障仿真( 金属性故障和高阻故障) 模块。 利用单相变压器搭建了电气化铁道中常用的六种变压器模型( 单相变 压器、吸流变压器( b t ) 、自耦变压器( a t ) 、三相变压器( y 1 l 接线) 、 三相一两相s c o t t 变压器和阻抗匹配平衡变压器) ，并对模型进行了简单的 电气试验。 为了适应未来高速铁路客运专线发展的需要，以京津高速铁路为系统 原型，完成了京津高速客运专线的原型系统分析、牵引供电系统供电方案选 择、牵引网配置方案、电气设备参数搜集等工作。这些工作是后续建模的基 础。 以m a t l a b 为开发平台，建立了供电电源模型、牵引变压器模型、 a t 变压器模型、牵引网模型、故障模型等元件模型，并对牵引网模型、故障 模型等元件模型进行了仿真测试，以验证元件的精确性。 西南交通大学硕士研究生论文第9 页 以元件模型为基础搭建了牵引供电系统动态仿真系统，在此系统模型 上进一步做牵引网短路试验和断线试验。进一步验证系统模型的正确性和精 确性，并获得系统模型中线路的阻抗数据，为后续线路的保护试验做准备。 西南交通大学硕士研究生论文第10 页 第2 章牵引变电所仿真系统设计 牵引变电所仿真系统主要实现对牵引供电系统各种设备和运行环境的数 字建模，在试验室中完成系统功能及工作环境的仿真。因此，本文所设计的 牵引变电所仿真系统包括以下几个部分：电力机车仿真模块、供电方式仿真 模块和运行故障仿真模块。 2 1 电力机车仿真模块 牵引供电系统的主要负荷是电力机车，本模块主要是为了仿真在电力机 车负荷下，牵引供电系统的工作状态和负荷曲线，为牵引变电所的设计提供 仿真数据。本模块通过对现有电力机车的主电路进行数学建模，并与供电方 式仿真模块相配合，仿真实际运行中的负荷电流。 电力机车仿真模块主要实现多种常用电力机车的运行仿真，建立各种型 号机车的主电路模型，计算机车各种运行状态( 如牵引网电压水平、机车速度、 手柄档位等) 下工作电流，包括基波和各次谐波电流，作为牵引变电所仿真模 块正常工作情况下的馈线电流。仿真时，可通过调度命令选择机车型号、运 行速度等条件，调用电力机车仿真模块中相应的仿真结果，输入到牵引变电 所仿真模块的馈线端。 为了能够得到各种情况下的机车工作电流，作为变电所仿真模块的电流 输入，需要计算各类型机车在不同电压、速度和档位情况下的工作电流，形 成数据库，由变电所仿真模块调用。 一般情况下，牵引网电压处于2 3 k v 到2 7 5 k v 之间，为确保机车的正常 运行，在供电系统非正常运行情况下( 检修或事故) ，规定受电弓的电压不得 低于1 9 k v 。因此，仿真可以在电压为1 9 k v 至3 0 k v 的范围内进行。当电压 为1 9 k v 至2 3 k v 时，仿真的步长为l k v ：当电压为2 3 5 k v 至3 0 k v 时，仿真 步长为0 ：5 k v e l 3 】。在同一电压和档位下，速度的仿真步长可取2 k m h 。档位 的仿真步长取1 级。按照电压、速度和档位的仿真步长反复调用计算模型就 可以得到一个完备的在各种情况下( 不同机车类型，电压、速度和档位) 的工 作电流集合。 由于现在运行的机车类型较多，而本文侧重于故障仿真，因此，本模块 西南交通大学硕士研究生论文第1 1 页 仅进行了理论分析，具体模型的建立和仿真由本课题的合作者来研究。 2 2 供电方式仿真模块 电气化铁道的供电方式是多种多样的，而在每种特定的供电方式下，变 电所的运行状态是不相同的，因此，供电方式仿真模块用于选择不同的供电 类型，以仿真整个牵引供电系统在不同工作方式下的运行情况。该模块主要 包括三个主要部分- 变压器类型选择、牵引供电方式选择和牵引网类型选择。 2 2 1 变压器类型选择 变电所类型是根据牵引变压器的联结方式来区分的，本文主要讨论铁路 上目前常用的六种变压器：单相交压器、吸流变压器( b t ) 、自耦变压器( a t ) 、 三相变压器( y a - 1l 接线) 、三相一两相s c o t t 变压器和阻抗匹配平衡变压 器。下面对这几种不同类型的变压器分别进行建模和仿真。 变压器的原理展开图约定【1 4 】如下： 为施工和运行安全起见，同一规定次边绕组的c 端子接钢轨和 地。 原次边对应绕组相互平行。 原次边每绕组的同名端应放在同一侧。 因此，根据变压器的原理展开图，单相变压器可以根据需要联结成任何 其他形式的变压器【l5 】。因此，以下六种变压器均由单相变压器联结而成。 单相变压器 l t r 图2 1 单相变压器 单相变压器是目前高速铁路中应用广泛的一种变压器类型。其一次侧绕 组跨接三相电力系统的两相上，取用线电压；二次侧绕组一端连接2 7 5 k v 牵 引母线上，另一端连接钢轨及接地网。牵引变电所装设2 台单相变压器，可 西南交通大学硕士研究生论文第12 页 以两台并联运行，也可以一台运行，另一台备用。 该单相变压器的模型可以直接采用p s c a d ，r t d s 里的库元件。对于直供 和b t 供电方式下的牵引网，可以直接采用单相双绕组变压器；对于a t 供电 方式下的牵引网，可以采用单相三绕组变压器，次边的两个绕组的异名段连 接作为中间抽头接钢轨和接地网，其它两个抽头分别接接触网和正馈线。单 相变压器的仿真模型及仿真曲线见图2 - 2 和2 3 。 图2 - 2单相变压器的仿真模型 图2 3单相变压器的仿真曲线 三相变压器( y 1 l 接线) 三相变压器( y 1 l 接线) 如图2 - 4 所示，其一次侧绕组联成y 接线，分 别将其三端按相序联于三相输电线，其电压等级一般为1 1 0 k v 或2 2 0 k v ，二 次侧绕组联成形，通常以c 端接钢轨回流线，a 、b 两端分别联于两相牵引 母线，其对地电压均为2 7 5 k v 。 西南交通大学硕士研究生论文第1 3 页 a 8 c ：亚 r 亍一 图2 - 4 三相变压器( y a 1 1 接线) 该三相变压器的建模采用p s c a d r t d s 里的三个单相双绕组变压器按 照图2 - 4 变压器铁芯的耦合方式连接而成。其仿真模型如图2 - 5 所示。各个 电流的仿真波形如图2 6 所示。 t s 图2 书各个电流的仿真结果 以i 柏为基准向量，从图中可以分析出电流的向量关系i 曲、i 。、i 。、i 。 西南交通大学硕士研究生论文第1 4 页 分别为5 9 6 、2 0 7 8 4 、5 6 8 9 、7 0 1 5 。 三相一两相s c o t t 变压器 三相一两相变压器( s c o t t ) 接线原理如图2 7 所示，它也是由两台单相变 压器按规定联接而成。一台单相变压器的原边绕组两端引出，分别接到三相 电力系统的两相，称为m 座变压器；另一台单相变压器的原变绕组一端引出， 接到三相电力系统的另外一相，另一边接到m 座变压器原边绕组的中点o ， 称为t 座变压器。绕组匝数比如图2 7 所示。 b c l = 图2 - 7三相一两相s c o t t 变压器 该三相一两相牵引变压器的建模采用p s c a d 里的两个单相绕组变压器按 s c o t t 变压器的联结方式联结而成，如图2 - 8 所示。t 、m 座电压及相位差 如图2 - 9 所示。 1 0 e 3 【0 h m j 图2 - 8三相一两相s c o t t 变压器仿真模型 西南交通大学硕士研究生论文第15 页 阻抗匹配平衡变压器 阻抗匹配平衡变压器接线原理如图2 1 0 所示，它继承了三相变压器 ( y a 1 1 接线) 的结构优点，并在自由相上增加两个绕组以使一次侧平衡。 其次侧三相绕组匝数相等为，二次侧a 、c 相以及b 相b y 绕组的匝数相 等为，b 相两支臂绕组a d 、e b 也相等，为形= 一1 ) w e 2 。 = 图2 1 0阻抗匹配平衡变压器 该阻抗匹配平衡变压器的仿真模型也可以采用p s c a d 里的3 个 西南交通大学硕士研究生论文第16 页 图2 - i i阻抗匹配平衡变压器仿真模型 单相绕组变压器联结而成，如图2 1 l 所示。其中包括2 个单相双绕组变压器 和一个单相4 绕组变压器。根据模型2 1 1 可以测出各个电压之间的相位差如 图2 1 2 所示。 图2 1 2各个电压以及它们之问的相位差 自耦变压器 自耦变压器可以由一个单相双绕组变压器通过一、二次绕组的异名端联 西南交通大学硕士研究生论文第17 页 结构成中线接钢轨和接地网，其它两端分别接正馈线和接触网，自耦变压器 用于a t 供电方式，其仿真模型见图2 1 3 所示。 l ai l 图2 一1 3自耦变压器仿真模型 各个电压电流量的仿真波形如图2 1 4 所示。 卯 善 。 婿 锄卸 1 兰 。 善 1 口0 on 0 1n 吃n 旺叫 瞪 n n 叮a 阳n n 1 oo0 1o o o 0 4 孵。畸o 0 7o 咀o oj 1 图2 1 4舡各个电压、电流量的仿真波形 吸流变压器 吸流变压器是一种变比为l ：1 的单相变压器，其一次绕组串接入接触网 中，二次绕组串接入回流线中。如图2 1 5 所示。其仿真模型可以用单相变压 图2 1 5吸流变压器 器直接修改参数即可，我国常见的吸流变压器的技术数据可以查阅文献【1 4 1 。 西南交通大学硕士研究生论文第18 页 2 2 2 牵引供电方式的选择 牵引供电方式主要有直接供电、b t 供电和a t 供电三种。直接供电方式 的牵引网仅由接触网、钢轨和吸上线组成，是一种简单供电方式。b t 供电方 式在牵引网中架设吸流变压器，使牵引电流沿回流线流回牵引变电所而不经 过轨道和大地，从而使得牵引电流在邻近的通信线路中的影响大大减弱。由 于沿线路每隔一定距离就设置一台吸流变压器，因此导致牵引网阻抗增大， 并且沿线路的阻抗值不再像直接供电方式那样按照线路长度线性增加，而是 发生跃变。a t 供电方式由接触网、轨道、馈线以及每隔一定距离设置的自藕 变压器所组成。这种供电方式大大降低了牵引网中的电压损失，从而扩大了 牵引变电所的间隔，减少了牵引变电所的数目。这三种供电方式都在电气化 铁道中得到了广泛应用。 b t 供电方式每隔2 - 4 k i n 就要串联一个吸流变压器，而且随着通信线路 的防护措施做得越来越好，b t 供电方式的优势就越来越显得微不足道。因此 未来的牵引供电方式以a t 供电方式和带回流线的直接供电方式为主。 由于选择的供电方式不同，牵引网的结构特点不同，其阻抗分布特性和 故障电流分布特性不同。因此本模块中主要设置了直供和a t 这两种供电方 式以仿真不同情况下的牵引变电所的工作状态。 2 2 3 牵引网类型选择 牵引网类型包括所使用的导线材料型号【1 6 】、悬挂方式( 简单悬挂、单链 形悬挂、有加强导线的单链形悬挂) 以及线路的形式( 单线、复线) 。本文主 要讨论在三种典型牵引网悬挂方式 1 7 q 8 】下，不同的线路形式和不同的供电方 式( 直供、b t 供电、a t 供电) 下的牵引网建模情况。下面是牵引网建模的 简化原则。 不同的悬挂结构，有不同数目的并联导线和不同的电流分布，但由 于各导线相互关联( 简单悬挂除外) ，所以牵引电流在各导线中所产生的电压 降相同，各个导线间的电流分布比例不变。因此接触网中各并联导线可以等 值成一条导线( t 线) 。同样，组成轨道网的各条并联轨道可以等值成一根导 线( r 线) 。两条等值导线的计算见文献【1 4 1 。 对于直接供电方式，仅考虑带回流线的直接供电方式，即增设与轨 道并联的架空回流线。回流线和钢轨并联，看成一个“回流线+ 钢轨”的等值 西南交通大学硕士研究生论文第19 页 n 线。因此，对于单线线路，牵引网模型就是考虑等值导线的自阻抗和互阻 抗的t 线和n 线；对于复线线路，牵引网模型就是考虑等值导线的自阻抗、 互阻抗和上下行互感的t 线和n 线，上下行导线对称布置。 对于b t 供电方式，由于吸流变压器串接入回流线和接触线，所以 回流线等值成一根导线h 线。因此，对于单线线路，牵引网模型就是考虑等 值导线的自阻抗和互阻抗的t 线、n 线和h 线，每隔4 k m 左右串接入一个 吸流变压器；对于复线线路，牵引网模型就是考虑等值导线的自阻抗、互阻 抗和上下行互感的t 线、n 线和h 线，上下行导线对称布置。 对于a t 供电方式，正馈线等值为一根导线f 线，“回流线+ 钢轨” 等值成一根导线n 线。因此，对于单线线路，牵引网阻抗就是考虑等值导线 的自阻抗和互阻抗的t 线、n 线和f 线；对于复线线路，牵引网模型就是考 虑等值导线的自阻抗、互阻抗和上下行互感的t 线、n 线和f 线，上下行导 线对称布置。 2 3 故障仿真模块 故障仿真模块是为了仿真电气化铁道在各种故障情况下牵引供电系统的 运行情况和保护的动作行为。由于牵引变电所仿真系统侧重于对牵引网故障 情况的仿真，而不关心牵引变压器内部故障，因此，本模块主要讨论牵引网 短路故障情况。牵引网短路故障包括一臂牵引网接地、异相牵引网短路和异 相牵引网短路接地，以及a t 牵引网的正馈线短路和接触网与正馈线间的短 路。牵引网故障主要包括以下几种形式。 一臂牵引网接地短路故障 变电所出口处异相短路故障 变电所出口处异相短路接地故障 a t 供电接触网与正馈线间短路 a t 供电正馈线接地短路 a t 供电接触网接地短路 根据故障模块的类型，拟建立金属性短路故障模块、经固定过渡电阻短 路故障模块和经电弧短路故障模块。通过设置线路参数、故障类型和故障短 路点设置牵引网上发生的各种故障。 西南交通大学硕士研究生论文第2 0 页 第3 章牵引供电系统解析 3 1 牵引供电系统供电系统 图3 - 1 是京津高速铁路客运专线牵引供电系统供电方案【2 0 】，沿线客运车 站有北京、亦庄、永乐、武清和天津，全长1 1 5 8 6 公里。沿途共设2 个牵引