CN210894503U - 一种线路阻抗特性模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种线路阻抗特性模拟系统，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；谐波发生器根据控制器发送的谐波指令，通过载波移相调制发出与谐波指令相对应的谐波电压分量，谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器和调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；然后，电压电流采集装置采集调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器，以使控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。本实用新型实现了对牵引网谐波阻抗的模拟，为线路谐振特性研究提供依据。

Description

一种线路阻抗特性模拟系统

技术领域

本实用新型涉及电气技术领域，更具体的说，涉及一种线路阻抗特性模拟系统。

背景技术

近年来，高速电气化铁路在我国发展十分迅速，随着大量交直交机车(动车组)在高速铁路上的应用，交直交机车与牵引网之间的匹配关系问题日益突出，主要表现为交直交机车和牵引网之间的高次谐波谐振问题。

牵引供电系统的外部电源短路容量差异较大，从而等效至牵引供电系统进线处的系统阻抗差异较大。另外，牵引供电系统存在越区供电等运行方式的改变，导致系统等效参数变化，造成牵引供电系统的特征频率具有多样化特点。与此同时，电气化铁路采用的直接供电方式、AT供电方式等结构的电气参数各异。因此，交直交机车的谐波频谱和牵引供电系统特征频率变化导致高次谐波放大，共振具有随机性。

综上所述，如何提供一种线路阻抗特性模拟系统，实现对牵引网谐波阻抗的模拟，从而为线路谐振特性研究提供依据，成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型公开一种线路阻抗特性模拟系统，以实现对牵引网谐波阻抗的模拟，从而为线路谐振特性研究提供依据。

一种线路阻抗特性模拟系统，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；

所述模拟牵引网电源依次通过所述继电保护装置、所述调压器与所述线路阻抗特性模拟器的输入端连接，所述线路阻抗特性模拟器的输出端连接所述负载；

所述线路阻抗特性模拟器用于对线路阻抗特性进行模拟；

所述继电保护装置用于对所述模拟牵引网电源进行过压保护；

所述控制器的信号控制端口分别与所述线路阻抗特性模拟器的控制端和所述谐波发生器的输入端连接，所述谐波发生器的输出端连接所述线路阻抗特性模拟器和所述负载的公共端；

所述谐波发生器用于根据所述控制器发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与所述谐波指令相对应的谐波电压分量，所述谐波电压分量依次通过所述线路阻抗特性模拟器和所述调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；

所述电压电流采集装置的输入端分别与所述调压器的输入端和所述调压器的输出端连接，所述电压电流采集装置的输出端连接所述控制器的信号采集端，所述电压电流采集装置用于采集所述调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将所述一次侧电压电流和所述二次侧电压电流输出至所述控制器，以所述使控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到所述谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。

可选的，所述调压器为降压变压器。

可选的，所述谐波发生器内部使用数字信号处理器作为控制器，采用IGBT作为开关器件，并采用三电平拓扑。

可选的，所述线路阻抗特性模拟器包括：可调电阻、可调电容器和可调电抗器，所述可调电阻的一端作为所述线路阻抗特性模拟器的输入端，所述可调电阻的另一端连接所述可调电抗器的一端，所述可调电抗器的另一端作为所述线路阻抗特性模拟器的输出端，所述可调电容器的一端连接所述可调电阻和所述可调电抗器的公共端，所述可调电容器的另一端接地。

可选的，所述电压电流采集装置包括：第一电流互感器、第二电流互感器、第一电压互感器和第二电压互感器；

所述第一电流互感器用于设置在所述调压器的输入端，采集一次侧电流；

所述第二电流互感器用于设置在所述调压器的输出端，采集二次侧电流；

所述第一电压互感器用于设置在所述调压器的输入端，采集一次侧电压；

所述第二电压互感器用于设置在所述调压器的输出端，采集二次侧电压。

可选的，还包括：电能质量优化装置和断路器；

所述电能质量优化装置的一端分别与所述控制器和所述电压电流采集装置连接，所述电能质量优化装置的另一端通过所述断路器接入所述调压器与所述负载之间，所述电能质量优化装置用于对所述电压电流采集装置输出的一次侧电压电流和二次侧电压电流进行滤波，并将滤波后的一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至所述控制器。

可选的，电能质量优化装置为滤波器。

从上述的技术方案可知，本实用新型公开了一种线路阻抗特性模拟系统，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；谐波发生器根据控制器发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与谐波指令相对应的谐波电压分量，该谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器和调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；然后，电压电流采集装置采集调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器，以使控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。因此，本实用新型实现了对牵引网谐波阻抗的模拟，从而为线路谐振特性研究提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的一种线路阻抗特性模拟系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例公开的一种线路阻抗特性模拟器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例公开的另一种线路阻抗特性模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的发明人经过研究后发现，牵引供电系统的谐振可近似看作是牵引网分布电容与电源等值电感(包含变压器漏感和系统电感)的并联谐振。牵引网谐振频率由其自身电气参数和变压器以及系统阻抗频率特性决定，与负荷位置无关。供电臂越长，总分布电容越大，牵引网谐振频率越低，谐振频率近似与供电臂长度的平方根成反比。

基于此，本实用新型实施例公开了一种线路阻抗特性模拟系统，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；谐波发生器根据控制器发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与谐波指令相对应的谐波电压分量，该谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器和调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；然后，电压电流采集装置采集调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器，以使控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。因此，本实用新型实现了对牵引网谐波阻抗的模拟，从而为线路谐振特性研究提供依据。

参见图1，本实用新型一实施例公开的一种线路阻抗特性模拟系统的结构示意图，该系统包括：模拟牵引网电源11、继电保护装置12、调压器13、线路阻抗特性模拟器14、负载15、谐波发生器16、控制器17和电压电流采集装置18。

其中：

模拟牵引网电源11可采用单相电源，单相电源的电压为380V，频率为50H_Z。

模拟牵引网电源11依次通过继电保护装置12、调压器13与线路阻抗特性模拟器14的输入端连接，线路阻抗特性模拟器14的输出端连接负载15，线路阻抗特性模拟器14用于对线路阻抗特性进行模拟。

优选的，调压器13为降压变压器，该降压变压器用于将380V降压至220V。

线路阻抗特性模拟器14，由于牵引网等效计算的复杂性，一般认为只有在机车牵引谐波的某些频次和线路阻抗频率特性特征频率点重合，且幅值超过预设值才会发生有害并联谐振，为方便分析，本实施例只考虑特征频率点，根据特征频率点重新拟合线路阻抗特性曲线，组建线路阻抗特性模拟器，线路阻抗特性模拟器14的结构可为T型结构也可为π型结构或者其他二端口模型结构。

本实施例中，继电保护装置12用于对模拟牵引网电源11进行过压保护。

继电保护是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。

控制器17的信号控制端口分别与线路阻抗特性模拟器14的控制端和谐波发生器16的输入端连接，谐波发生器16的输出端连接线路阻抗特性模拟器14和负载15的公共端，谐波发生器16用于根据控制器17发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与所述谐波指令相对应的谐波电压分量，所述谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器14和调压器13转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中。

需要特别说明的是，在实际应用中，用于可以通过操作与控制器17连接的上位机10，设置包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令。

电压电流采集装置18的输入端分别与调压器13的输入端和调压器13的输出端连接，电压电流采集装置18的输出端连接控制器17的信号采集端，电压电流采集装置18用于采集调压器13的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器17，以使控制器17根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到所述谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。

综上可知，本实用新型公开的线路阻抗特性模拟系统，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；谐波发生器根据控制器发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与谐波指令相对应的谐波电压分量，该谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器和调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；然后，电压电流采集装置采集调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器，以使控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。因此，本实用新型实现了对牵引网谐波阻抗的模拟，从而为线路谐振特性研究提供依据。

优选的，谐波发生器16内部使用数字信号处理器作为控制器，采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管半导体)作为开关器件，并采用三电平拓扑，输出电流0-20A，谐波阶次2-53次(可叠加设置)。

谐波发生器16由单相中性点钳位三电平背靠背变流器构成，功率器件为IGBT。

参见图2，本实用新型一实施例公开的一种线路阻抗特性模拟器的结构示意图，线路阻抗特性模拟器14包括：可调电阻R、可调电容器C和可调电抗器L，可调电阻R的一端作为线路阻抗特性模拟器14的输入端，可调电阻R的另一端连接可调电抗器L的一端，可调电抗器L的另一端作为线路阻抗特性模拟器14的输出端，可调电容器C的一端连接可调电阻R和可调电抗器L的公共端，可调电容器C的另一端接地。

本实施例中，电压电流采集装置18包括：第一电流互感器、第二电流互感器、第一电压互感器和第二电压互感器。

其中，第一电流互感器用于设置在调压器13的输入端，采集一次侧电流，第二电流互感器用于设置在调压器13的输出端，采集二次侧电流。

第一电压互感器用于设置在调压器13的输入端，采集一次侧电压，第二电压互感器用于设置在调压器13的输出端，采集二次侧电压。

为进一步优化上述实施例，控制器17还可以用于：多次重复向谐波发生器16发送包含不同测试谐波频率的谐波指令，并计算得到相对应的牵引网谐波阻抗，直至所述测试谐波频率的范围包含预设频率范围，根据不同测试谐波频率和牵引网谐波阻抗的对应关系，绘制线路阻抗频率特性曲线。

其中，预设频率范围可以为：100Hz-2650Hz。

需要特别说明的是，本实用新型在绘制得到线路阻抗频率特性曲线之后，就可以根据线路阻抗频率特性曲线确定电能质量优化装置19在线路中的接入位置，并可以对电能质量优化装置19的性能进行分析。

因此，参见图3，本实用新型一实施例公开的一种线路阻抗特性模拟系统的结构示意图，在图1所示实施例的基础上，还可以包括：电能质量优化装置19和断路器20；

电能质量优化装置19的一端分别与控制器17和电压电流采集装置18连接，电能质量优化装置19的另一端通过断路器20接入调压器13与负载15之间，电能质量优化装置19用于对电压电流采集装置18输出的一次侧电压电流和二次侧电压电流进行滤波，并将滤波后的一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器17。

可选的，电能质量优化装置19为滤波器。

需要说明的是，在实际应用中，电能质量优化装置19的另一端通过断路器20可以接入至调压器13与负载15之间的任意位置，因此，控制器17可以通过分析电能质量优化装置19在不同接入点的滤波效果，确定电能质量优化装置19的最优接入方案。

具体的，控制器17向谐波发生器16发送包含不同频率和幅值的谐波指令，谐波发生器16根据控制器17发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与谐波指令相对应的谐波电压分量，所述谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器14和调压器13转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中，控制器17获取模拟牵引网中谐波电流的成分。

变换电能质量优化装置19的接入位置，重复上述过程，分析电能质量优化装置19在不同接入点的滤波效果，确定电能质量优化装置19的最优接入方案。

因此，控制器17还用于，获取电能质量优化装置19在调压器13与负载15之间的不同接入位置时模拟牵引网中的谐波电流，根据所述谐波电流包含的谐波成分，分析电能质量优化装置19在不同接入点的滤波效果，根据所述滤波效果确定电能质量优化装置19的最优接入方案。

需要特别说明的是，本实用新型公开的线路阻抗特性模拟系统可包括两种工作模式，第一种是已知线路阻抗特性，在这种情况下，就可以根据特征频率点配置线路阻抗特性模拟器；第二种是未知线路阻抗特性，在这种情况下，首先对已知的牵引供电系统设计输入文件(包含谐波频谱)，采用卡尔逊理论得到理论线路阻抗特性，然后根据计算得到的理论线路阻抗特性配置线路阻抗特性模拟器。

综上可知，本实用新型公开的线路阻抗特性模拟系统，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；谐波发生器根据控制器发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与谐波指令相对应的谐波电压分量，该谐波电压分量依次通过线路阻抗特性模拟器和调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；然后，电压电流采集装置采集调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至控制器，以使控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。因此，本实用新型实现了对牵引网谐波阻抗的模拟，从而为线路谐振特性研究提供依据。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，包括：模拟牵引网电源、继电保护装置、调压器、线路阻抗特性模拟器、负载、谐波发生器、控制器和电压电流采集装置；

所述模拟牵引网电源依次通过所述继电保护装置、所述调压器与所述线路阻抗特性模拟器的输入端连接，所述线路阻抗特性模拟器的输出端连接所述负载；

所述线路阻抗特性模拟器用于对线路阻抗特性进行模拟；

所述继电保护装置用于对所述模拟牵引网电源进行过压保护；

所述控制器的信号控制端口分别与所述线路阻抗特性模拟器的控制端和所述谐波发生器的输入端连接，所述谐波发生器的输出端连接所述线路阻抗特性模拟器和所述负载的公共端；

所述谐波发生器用于根据所述控制器发送的包含谐波频率和谐波幅值的谐波指令，通过载波移相调制发出与所述谐波指令相对应的谐波电压分量，所述谐波电压分量依次通过所述线路阻抗特性模拟器和所述调压器转化为谐波电流分量，并注入到模拟牵引网中；

所述电压电流采集装置的输入端分别与所述调压器的输入端和所述调压器的输出端连接，所述电压电流采集装置的输出端连接所述控制器的信号采集端，所述电压电流采集装置用于采集所述调压器的一次侧电压电流和二次侧电压电流，并将所述一次侧电压电流和所述二次侧电压电流输出至所述控制器，以使所述控制器根据一次侧电压电流和二次侧电压电流得到所述谐波指令包含的谐波频率下的牵引网谐波阻抗。

2.根据权利要求1所述的线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，所述调压器为降压变压器。

3.根据权利要求1所述的线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，所述谐波发生器内部使用数字信号处理器作为控制器，采用IGBT作为开关器件，并采用三电平拓扑。

4.根据权利要求1所述的线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，所述线路阻抗特性模拟器包括：可调电阻、可调电容器和可调电抗器，所述可调电阻的一端作为所述线路阻抗特性模拟器的输入端，所述可调电阻的另一端连接所述可调电抗器的一端，所述可调电抗器的另一端作为所述线路阻抗特性模拟器的输出端，所述可调电容器的一端连接所述可调电阻和所述可调电抗器的公共端，所述可调电容器的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，所述电压电流采集装置包括：第一电流互感器、第二电流互感器、第一电压互感器和第二电压互感器；

所述第一电流互感器用于设置在所述调压器的输入端，采集一次侧电流；

所述第二电流互感器用于设置在所述调压器的输出端，采集二次侧电流；

所述第一电压互感器用于设置在所述调压器的输入端，采集一次侧电压；

所述第二电压互感器用于设置在所述调压器的输出端，采集二次侧电压。

6.根据权利要求1所述的线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，还包括：电能质量优化装置和断路器；

所述电能质量优化装置的一端分别与所述控制器和所述电压电流采集装置连接，所述电能质量优化装置的另一端通过所述断路器接入所述调压器与所述负载之间，所述电能质量优化装置用于对所述电压电流采集装置输出的一次侧电压电流和二次侧电压电流进行滤波，并将滤波后的一次侧电压电流和二次侧电压电流输出至所述控制器。

7.根据权利要求6所述的线路阻抗特性模拟系统，其特征在于，电能质量优化装置为滤波器。

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