CN112848976A - 一种基于三网融合的网络化牵引供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于三网融合的网络化牵引供电系统，网络化包括与光纤网络有线通信的牵引变电所和与牵引变电所能够无线通讯的列车；光纤网络对接收的数据处理后，控制牵引变电所内部件，牵引变电所之间通过光纤网络共享牵引变电所负荷数据，牵引变电所与位于其两侧供电臂上的列车通过无线网络进行通信；牵引供电系统中电力系统进线以相同相序接入变电所一次侧，变压器输出端和潮流控制器的输出端与牵引变压器的直接次边输出经牵引网相连接，共同为牵引网供电。有益效果是：通过潮流控制器实现贯通供电，消除供电孤岛，不产生均衡电流和电磁环网，提高供电能力和再生制动能量利用率。储能装置，实现新能源互联，提高供电系统用电的环境友好水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种牵引供电系统，特别是涉及一种基于电气网、能源网、信息网深度融合的牵引供电系统。
背景技术
我国干线铁路牵引供电系统采用单相交流工频（50Hz）牵引网额定电压为25kV的供电制式，采用架空接触网供电方式向列车供电。牵引供电系统与三相公用电网间存在相数差异，为保证电网三相平衡，电气化铁路采用相序轮换方法接入公用电网，供电分区固然存在相位差，一般在相邻供电臂间和牵引变电所出口处设置电分相，形成了供电孤岛、信息孤岛。目前，牵引供电系统存在的问题主要表现在以下几个方面：
（1）牵引供电能力格式化，存在供电孤岛
交流牵引供电系统以牵引变电所和供电臂为单元独立运行，供电臂间功率不能融通，格式化供电特性十分明显。电分相作为格式化供电的分界点。列车运行时产生的再生制动能量仅能在供电臂内进行消纳，难以充分利用，牵引功率也无法在不同供电臂之间进行转移及相互支援，互联互通程度低，功率无法融通，存在供电孤岛，牵引供电系统对能源的综合利用率仍存在较大优化空间。
（2）车网间存在信息隔离，匹配性不足
牵引供电系统是列车的动力来源，其运行稳定性以及车网间的匹配性不仅影响供电系统的运行效率，还与列车运行质量密切相关。在既有电气化铁路体系中，列车控制及运行数据与牵引供电系统存在信息隔离，无法实现牵引供电系统与列车间实时的车地信息交互，相邻牵引变电所间信息隔离,导致牵引供电潮流与列车负荷需求之间无法实现匹配。
（3）牵引供电系统供电设备容量配置冗余度高
既有供电臂长度较短且覆盖范围较小，大多数情况下供电臂间功率无法转移，导致既有牵引供电系统中设备冗余度高。
（4）铁路系统供电资源统筹性与新能源消纳能力有待提升
我国铁路牵引供电系统需要通过对能源技术创新，增强储能调峰的灵活性和经济性。
综上所述，为了解决既有格式化牵引供电中存在的问题，进一步优化交流牵引供电系统的运行品质，急需提出一种创新的网络化牵引供电技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种牵引网功率可控与可传递，并促进再生能利用及新能源就地消纳的牵引供电系统。
本发明所采用的技术方案是，一种基于三网融合的网络化牵引供电系统，网络化包括与光纤网络有线通信的牵引变电所和与牵引变电所能够无线通讯的列车；所述光纤网络对接收的数据处理后，控制牵引变电所内部件，所述牵引变电所SS1、SS2之间通过光纤网络共享牵引变电所负荷数据，所述牵引变电所与位于其两侧供电臂上的列车通过无线网络进行通信；
牵引供电系统包括电力系统进线、牵引变电所SS1、SS2、开闭所SP、牵引网OCS和钢轨R；所述电力系统进线以相同相序接入牵引变电所一次侧，牵引变压器TT1输出端和潮流控制器PFC1的输出端与牵引变压器TT2的直接次边输出经牵引网OCS相连接，共同为牵引网OCS供电。
所述牵引变电所包括牵引变压器、潮流控制器、储能装置和新能源发电装置；经所述牵引变压器变换的电能次边一路输出为牵引网OCS供电，另一路输出为潮流控制器PFC1、PFC2供电；潮流控制装置PFC1、PFC2的直流部分与储能装置连接，储能装置另一侧与新能源发电G1、G2装置连接，完成电气网与能源网间直接互联，储能装置和新能源发电装置为牵引负荷供电或储能。
所述牵引变电所接收列车信息，包括取流量、位置信息及机车在不同位置时双边牵引网的负荷分流曲线；所述光纤网络采集牵引变电所的压互、流互输出的数据，监测牵引变电所内各元件的运行情况。
所述牵引网OCS供电包括牵引变电所SS1出口处的电分相S1、牵引变电所SS2出口处的电分相S2和闭合分区所SP的电分相K1，控制电分相实现相邻牵引变电所电气连通；相邻所述牵引变电所之间供电臂同相位，同频率电压，闭合电分相K1开关，向该区段牵引网贯通供电。
所述潮流控制器PFC能够调节电压，保证相邻牵引变电所在牵引网贯通区段的潮流在两座牵引变电所间均匀分布。
本发明的有益效果是： 一、通过潮流控制器PFC，取消分区所处的电分相，实现范围的贯通供电，即牵引网功率融通，可以降低牵引网损耗，提高供电能力，同时不产生均衡电流和电磁环网。
二、通过潮流控制器PFC调节电压可以实现相邻牵引变电所牵引网贯通区段的潮流在两座牵引所间分布，消除供电孤岛，提高供电能力和再生制动能量利用率。
三、潮流控制器PFC直流环节接入储能装置，实现新能源互联，将电气网与能源网有机结合，提高牵引供电系统用电的环境友好水平；
四、利用现代通信技术构建信息网，通过有线、无线网络连接网络化牵引供电系统牵引变电所、运行列车，实时监测负荷及列车位置等信息，经系统实时潮流计算，由潮流控制器控制系统智能化运行，克服现有牵引供电系统的供电孤岛、信息孤岛问题，由被动供电改为经济高效协同智能供电。
五、形成了基于车所及所间信息网为潮流控制信息，以电气潮流网为纽带，实现新能源接入能源互联功能的网络化牵引供电系统。
六、本牵引供电系统技术成熟，实施简便，既可用于既有线路也可用于新建线路。
附图说明
图1本发明网络化牵引供电系统的各网络互联互通模型示意图；
图2本发明网络化牵引供电系统示意图；
图3本发明网络化牵引供电系统的再生能量及储能装置能量利用逻辑示意图；
图4本发明网络化牵引供电系统的潮流控制原理图示意图；
图5本发明网络化牵引供电系统的网络设备安装及信息交互示意图。
具体实施方式
网络化牵引供电系统基于电力电子技术，借鉴柔性输电、能源互联技术，集成铁路再生制动能量利用技术，改善牵引网功率潮流特性。
实现牵引供电系统功率可控与可传递性，改善供电品质，并由此变革牵引供电系统能力配置原则，大幅提高供电能力与行车组织的适配性，提高新能源利用率,运用柔性电力电子与人工智能技术，突出信息技术与电力电子技术的紧密结合，解决供电与信息孤岛等问题，实现网络化、系统自主运行目标。
网络化牵引供电系统是指基于车所及所间信息网为潮流控制信息，以电气潮流网为纽带，实现新能源接入能源互联功能的新型牵引供电系统。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1至图5所示，本发明一种基于三网融合的网络化牵引供电系统，网络化包括与光纤网络有线通信的牵引变电所和与牵引变电所能够无线通讯的列车；所述光纤网络对接收的数据处理后，控制牵引变电所内部件，所述牵引变电所SS1、SS2之间通过光纤网络共享牵引变电所负荷数据，所述牵引变电所与位于其两侧供电臂上的列车通过无线网络进行通信；实现牵引供电系统与列车间实时的车地信息交互，相邻牵引变电所间信息相联系,保证牵引供电潮流与列车负荷需求之间匹配。所述牵引变电所接收列车信息，包括取流量、位置信息及机车在不同位置时双边牵引网的负荷分流曲线；所述光纤网络采集牵引变电所的压互、流互输出的数据，监测牵引变电所内各部件的运行情况，同时经系统实时潮流计算，由潮流控制器控制系统智能化运行，克服现有牵引供电系统的供电孤岛、信息孤岛问题，由被动供电改为经济高效协同智能供电。
如图2所示，牵引供电系统包括电力系统进线、牵引变电所SS1、SS2、开闭所SP、牵引网OCS和钢轨R；牵引变电所包括牵引变压器、潮流控制器、储能装置和新能源发电装置；所述潮流控制器PFC中的AC/DC-DC/AC可调节输出电压，控制网络中潮流分布，克服现有技术中供电臂间功率不能融通以及索引功率不能在不同供电臂间进行转移的缺陷，保证相邻牵引变电所牵引网贯通区段的潮流在两座牵引变电所间均匀分布，实现新能源在两座牵引所之间消纳。
所述电力系统进线以相同相序接入牵引变电所SS1、SS2一次侧。经牵引变压器TT1、TT2进行电能变换，次边一路输出为牵引网OCS供电，另一路输出为潮流控制器PFC1、PFC2供电，经潮流控制装置PFC1、PFC2进行AC/DC-DC/AC变换，为牵引网OCS供电。潮流控制装置PFC1、PFC2的直流部分接入储能装置，储能装置另一侧接入新能源发电G1、G2，完成电气网与能源网间直接互联，在需要时可为牵引负荷供电或储能，增强储能调峰的灵活性和经济性，同时提高牵引供电系统用电的环境友好水平。打开牵引变电所SS1出口处的电分相S1、牵引变电所SS2出口处的电分相S2，闭合分区所SP的电分相K1，控制电分相实现相邻牵引变电所电气连通，相邻所述牵引变电所之间供电臂同相位，同频率电压，闭合电分相K1开关，令牵引网OCS形成双边供电。通过 潮流控制器PFC可以防止相邻两座牵引所SS1、SS2在27.5kV侧形成电磁环网，影响电力系统和铁路牵引供电系统运营安全。上述结构中，牵引变压器TT1潮流控制器输出端与牵引变压器TT2的直接次边输出经牵引网相连接，共同为牵引网供电。此结构一端存在可控制电力电子器件，另一端不可控，因此称该结构为网络化牵引供电系统的半控型牵引变电所结构。
正常运行时调节潮流控制器PFC1、PFC2，令牵引变电所SS1、SS2的出口电压幅值、相位与牵引网另一端的直接输出侧相同，牵引网上损耗最小，处于经济运行工况。
当线路中机车为牵引工况，根据列车与牵引变电所SS1、SS2的相对位置，在正常工作范围，使用潮流控制器调整牵引所SS1、SS2出口电压水平，控制牵引网潮流，具体来讲主要有以下工况。
工况1：当牵引负荷位于附图1中L1位置时处于再生状态，L2、L3处于牵引状态，为了提高L1再生功率的吸收率，调节牵引变电所SS1-潮流控制器PFC1出口电压高于索引变电所SS2的出口电压，提高L1的再生电能吸收率。
工况2：当索引变电所SS2提供牵引负荷L3、L4时，由于索引变电所SS2提供的负荷较重。为了提高索引变电所SS1的功率输出，平衡索引变电所SS2输出功率，调节牵引变电所SS1-潮流控制器PFC1出口电压高于牵引变电所SS2的出口电压，降低牵引变电所SS2功率输出，可以降低牵引变电所SS2的峰值功率。
工况3:如图4所示，牵引变电所SS1和牵引变电所SS2出口电压为U 1和U 2，机车的电流为I，两座牵引变电所提供的电流为I 1和I 2，距列车距离分别为d 1和d 2，两个变电所之间距离为d。则I 1和I 2为
从上述公式可以看出，通过调节变电所出口电压可以调节I 1和I 2的大小。
如图3所示，新能源接入及能源互联的功能应用原理：
当线路中机车仅存在再生制动工况时。由储能装置经潮流控制器PFC直流部分吸收剩余的再生制动能量。当线路中存在牵引工况时，可以通过潮流控制器PFC1、PFC2的中间直流部分，优先消纳新能源，由于新能源和铁路负荷都具有波动性，通过储能装置平衡负荷波动性。此时牵引变电所SS1、SS2根据列车上传的取流量、位置信息及机车在不同位置时双边牵引网的负荷分流曲线，求解潮流后，智能调节输出电流，间接控制索引变电所SS1、SS2出力。
如图2和图5所示，下面对本发明网络化牵引供电系统的通信方式进行说明。牵引变电所SS1、SS2之间通过光纤通信网络共享牵引变电所负荷数据；牵引变电所与位于其两侧供电臂上的列车使用无线网络通信，具体来讲，牵引变电所SS1与列车L1、L2之间使用无线网络通信，牵引变电所SS2与列车L3、L4使用无线网络通信。
与现有牵引变电所测控系统不同，采集牵引变电所的压互、流互输出的数据，实时监测牵引变电所内各元件的运行情况。具体来讲，采集牵引母线的电压、电流，获得牵引侧实时功率；采集储能装置的储能水平、新能源并网装置的状态，获得新能源可用性。采集供电臂内各列车的运行工况（牵引、惰行、再生制动）、速度和位置等信息，求解本所与相邻牵引所的负荷情况。
如图3所示，获知牵引所及其所带负荷的负荷情况后，获得每一时刻网络化牵引供电系统内各牵引所及其内部元件的目标工况，通过各个牵引所的潮流控制器PFC直接控制、储能和能源互联间接控制进行能量供给。
值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于三网融合的网络化牵引供电系统，其特征在于，网络化包括与光纤网络有线通信的牵引变电所和与牵引变电所能够无线通讯的列车；所述光纤网络对接收的数据处理后，控制牵引变电所内部件，所述牵引变电所SS1、SS2之间通过光纤网络共享牵引变电所负荷数据，所述牵引变电所与位于其两侧供电臂上的列车通过无线网络进行通信；
牵引供电系统包括电力系统进线、牵引变电所SS1、SS2、开闭所SP、牵引网OCS和钢轨R；所述电力系统进线以相同相序接入牵引变电所一次侧，牵引变压器TT1输出端和潮流控制器PFC1的输出端与牵引变压器TT2的直接次边输出经牵引网OCS相连接，共同为牵引网OCS供电。
2.根据权利要求1所述的基于三网融合的网络化牵引供电系统，其特征在于，所述牵引变电所包括牵引变压器、潮流控制器、储能装置和新能源发电装置；经所述牵引变压器变换的电能次边一路输出为牵引网OCS供电，另一路输出为潮流控制器PFC1、PFC2供电；潮流控制装置PFC1、PFC2的直流部分与储能装置连接，储能装置另一侧与新能源发电G1、G2装置连接，完成电气网与能源网间直接互联，储能装置和新能源发电装置为牵引负荷供电或储能。
3.根据权利要求1所述的基于三网融合的网络化牵引供电系统，其特征在于，所述牵引变电所接收列车信息，包括取流量、位置信息及机车在不同位置时双边牵引网的负荷分流曲线；所述光纤网络采集牵引变电所的压互、流互输出的数据，监测牵引变电所内各元件的运行情况。
4.根据权利要求2所述的基于三网融合的网络化牵引供电系统，其特征在于，所述牵引网OCS供电包括牵引变电所SS1出口处的电分相S1、牵引变电所SS2出口处的电分相S2和闭合分区所SP的电分相K1，控制电分相实现相邻牵引变电所电气连通；相邻所述牵引变电所之间供电臂同相位，同频率电压，闭合电分相K1开关，向该区段牵引网贯通供电。
5.根据权利要求2所述的基于三网融合的网络化牵引供电系统，其特征在于，所述潮流控制器PFC能够调节电压，保证相邻牵引变电所在牵引网贯通区段的潮流在两座牵引变电所间均匀分布。
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