CN111460736B - 一种牵引变压器动模试验系统的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，包括以下步骤：1)将动模试验系统分为牵引供电系统和逻辑控制系统；2)将牵引供电系统分为牵引供电刚性子系统和牵引供电弹性子系统，并选择与配置牵引供电刚性子系统和牵引供电弹性子系统；3)对牵引变电所二级子系统进行初始建模和一致性验证；4)对能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化；5)按照逻辑控制需求，搭建与配置对应的逻辑控制系统。本发明提供了一种技术成本相对较低，可移植性和可扩展性好，同时牵引变压器模型种类、试验项目和故障场景多元化的建模方法，用本方法搭建的动模试验系统可对在牵引供电系统中运行的变压器保护控制装置进行功能和性能考核，以确保装置在现场的可靠运行。

Description

一种牵引变压器动模试验系统的建模方法

技术领域

本发明属于轨道交通牵引供电领域，尤其是涉及一种牵引变压器动模试验系统的建模方法。

背景技术

随着高速铁路投运里程的不断加大，对牵引供电系统的可靠性和安全性提出了更高的要求；牵引变压器动模试验是牵引供电系统动模试验的一个重要组成部分，牵引变压器作为牵引供电系统中最重要的电气设备之一，其安全稳定关乎旅客的生命财产安全。

目前在牵引变压器动模试验系统的建模方面，存在以下局限与缺点：

基于RTDS/RSCAD的建模需要高成本的软硬件授权和复杂的程序编写，零散的仿真模型使其可移植性和可扩展性变差。对于要求能够实现自动测试和附加特殊试验项目的牵引变压器动模试验而言，仿真模型和控制程序的改变易造成“牵一发而动全身”的消极影响。

基于Matlab/Simulink的建模虽比较常见，但都没有以实时数字仿真平台为依托，应用在试验项目和故障场景众多的牵引变压器动模试验中，因此模型种类和故障功能受到极大限制。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，该方法存在以下优点：

(1)基于Matlab/Simulnk的系统建模，解决了技术费用成本高、可移植性差、可扩展性差等缺点。

(2)采用本发明所提建模方法搭建的牵引供电系统解决了模型种类和故障种类单一等缺点。

(3)采用本发明所提建模方法搭建的逻辑控制系统使其可以应用到实时数字仿真平台。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，包括以下步骤：

S1、对牵引变压器动模试验系统进行功能性划分，将动模试验系统分为牵引供电系统和逻辑控制系统；

S2、对步骤S1中所述的牵引供电系统进行需求性划分，将牵引供电系统分为牵引供电刚性子系统和牵引供电弹性子系统，并根据牵引变压器种类配置所述牵引供电刚性子系统的模型参数以及选择牵引供电弹性子系统的运行状态；

S3、步骤S2中的牵引供电刚性子系统包括牵引变电所二级子系统，对牵引变电所二级子系统进行初始建模和一致性验证；

S4、对步骤S3中的牵引变电所二级子系统中能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化；

S5、基于已建成的牵引供电系统，按照逻辑控制需求，搭建与配置对应的逻辑控制系统。

进一步的，步骤S2中所述的牵引供电刚性子系统是牵引供电系统中的必要子系统；

所述牵引供电刚性子系统包含依次连接的电源二级子系统、牵引变电所二级子系统、牵引网二级子系统和机车二级子系统。

进一步的，步骤S2中所述的所述牵引供电弹性子系统是牵引供电系统中的非必要子系统；

所述牵引供电弹性子系统包含AT所二级子系统和分区所二级子系统。

进一步的，步骤S3中所述的牵引变电所二级子系统包含多种用于实现匝间故障功能的牵引变压器模型及其差动保护模块；

每种用于实现匝间故障功能的牵引变压器模型均采用数量不等且绕组接线形式不同的单相多绕组变压器模块来搭建。

进一步的，步骤S3中所述的一致性验证是将能够实现匝间故障功能的牵引变压器与单个单相多绕组牵引变压器进行输出电压对比，以确保匝间故障功能的实现。

进一步的，利用差动保护模块中的Al算法单元对步骤S4中所述的能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化。

所述Al算法单元根据能够实现匝间故障功能的牵引变压器两侧CT二次电流平衡关系计算每相的差动电流和制动电流；

进一步的，所述逻辑控制系统包括输入控制子系统、故障控制子系统和输出控制子系统。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种牵引变压器动模试验系统的建模方法流程图示意图；

图2为本发明实施例所述的匝间故障VX接线牵引变压器原理接线图示意图；

图3为本发明实施例所述的牵引变压器一致性验证结果图示意图；

图4为本发明实施例所述的牵引变压器优化流程图示意图；

图5为本发明实施例所述的故障控制子系统示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，其主要流程如图1所示，包括以下步骤：

1.对牵引变压器动模试验系统进行功能性划分，将动模试验系统分为牵引供电系统和逻辑控制系统。将能够模拟电能“发、变、输、用”的系统称之为牵引供电系统，而对于能够实现故障控制、状态控制、开关变位、电量转化和输入输出等功能的系统称之为逻辑控制系统。

2.对所述牵引供电系统进行需求性划分，将牵引供电系统分为牵引供电刚性子系统和牵引供电弹性子系统。具体的，牵引供电刚性子系统，是牵引供电系统中的必要子系统，包含依次连接的电源二级子系统、牵引变电所二级子系统、牵引网二级子系统和机车二级子系统。牵引供电弹性子系统，是牵引供电系统中的非必要子系统，包含AT所二级子系统和分区所二级子系统。其中，根据牵引变压器种类配置所述牵引供电刚性子系统的模型参数以及选择牵引供电弹性子系统的运行状态；

譬如，在VX接线牵引变压器动模试验中，通常采用全并联AT供电方式，此时所述牵引供电刚性子系统中的各二级子系统应进行如下配置：电源二级子系统的输出电压应设定为220kV，牵引变电所二级子系统的额定容量应设定为40MVA，牵引网二级子系统应只包T1相、F1相、T2相、F2相和R相的输电线路，机车二级子系统应连接在T1相和R相之间或T2相和R相之间。所述牵引供电弹性子系统中的AT所二级子系统和分区所二级子系统应处在投入状态。

譬如，在YNd11接线牵引变压器动模试验中，通常采用复线直供供电方式，此时所述牵引供电刚性子系统中的各二级子系统应进行如下配置：电源二级子系统的输出电压应设定为110kV，牵引变电所二级子系统的额定容量应设定为20MVA，牵引网二级子系统应只包含α相、β相和R相的输电线路，机车二级子系统应连接在α相和R相之间或β相和R相之间。所述牵引供电弹性子系统中的AT所二级子系统和分区所二级子系统应处在切除状态。

3.对所述牵引供电刚性子系统中的牵引变电所二级子系统进行初始建模和一致性验证。具体的，所述牵引变电所二级子系统包含了能够实现匝间短路故障功能的牵引变压器模型及其差动保护模块，每种能够实现匝间短路故障功能的牵引变压器均采用数量不等且绕组接线形式不同的单相多绕组变压器(MWT，MultiWinding Transformer)模块来搭建，待初始建模完成后，通过比较所述能够实现匝间短路故障功能的牵引变压器模型与单个单相多绕组变压器模型的空载输出电压(幅值和相角差)是否一致，判断牵引变电所二级子系统的初始建模是否正确。

譬如，如图2所示，为实现副边60度接线和三相电向两个两相电的转换，VX接线牵引变压器应包含两个MWT模块，两个MWT模块的原副边均为两个串联的绕组，两个MWT模块的原边正极分别与高压侧的A相和C相相连，两个MWT模块的原边负极均与高压侧的B相相连，两个MWT模块的副边正极分别与低压侧的T1相和T2相相连，两个MWT模块的副边负极均与低压侧的F1相和F2相相连，将模块MWT1和模块MWT2的副边两个串联绕组短接，并将短接处与公共端COM连接，至此变压器初始建模完成。对于绕组数量大于等于2的牵引变压器，通过离线显示端口，可以方便地比较匝间短路VX接线牵引变压器与单个单相多绕组变压器的空载输出基本一致，均近似为：和/>相位差是60度，/>和/>的有效值均是27.5kV且相位差是180度，如图3所示。

4.对所述牵引变电所二级子系统中能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化。具体的，利用差动保护模块中的Al算法单元的对能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化，具体流程如图4所示，采集牵引变压器的高低侧电流，将其送入到CT模块，然后将后台主机配置的电流互感器变比经由后台输入模块Input也送入到CT模块，这样CT模块就实现了一次电流向二次电流的转化，最终将二次电流送入到Al算法单元，用于计算差动电流和制动电流。如果正常运行或区外故障时，差动电流和制动电流落在差动保护动作区内，则需要重新设置变压器的饱和特性参数，即改变变压器的电流-磁通特性曲线，然后重复步骤4，直至差动电流和制动电流同时落在保护动作区外。

其中，针对不同接线牵引变压器，Al算法单元采用的计算公式不同，但都是基于变压器两侧CT二次电流平衡关系。简化后的差动电流和制动电流方程分别如下：

式(1)和(2)中采用的各量释义如下：K_α为α相平衡系数，K_β为β相平衡系数，可由低压侧CT变比除以高压侧CT变比和变压器变比的乘积而求得，为高压侧CT二次电流，/>为低压侧CT二次电流。K_Hl为不平衡修正系数矩阵，不同种类的变压器该系数矩阵不同。

具体实施例如下：在VX接线牵引变压器动模试验中，采集变压器高低侧电流，将其送入到差动保护模块，差动电流和制动电流的计算过程如下：

首先，将低压侧两个两相电流转化为两个单相电流：

其次，变压器变比K、α和β相平衡系数K_α和K_β分别为：

最后，得到三相差动电流计算矩阵：

得到三相制动电流计算矩阵：

5.基于已建成的牵引供电系统，按照逻辑控制需求和试验项目要求，搭建与配置对应的逻辑控制系统，包括如下子系统，但不限于如下子系统：

5.1输入控制子系统，包括后台输入子系统BI和系统输入子系统SI。具体的，后台输入子系统BI，其承接后台主机下发的输入量，包括控制指令、开关量和模拟量，并将不同输入量传送给不同子系统；系统输入模块SI，其输入量来自继电保护装置所产生的各模块出口处的开关状态。譬如：在VX接线牵引变压器动模试验中，当有区内故障发生时，系统输入模块SI需要接收来自继电保护装置所产生的BRK1、BRK2和BRK3的跳闸指令。

5.2故障控制子系统，如图5所示，由步骤5.1中所述的控制指令(L和T)控制故障输出。譬如：在VX接线牵引变压器动模试验中，控制指令L＝1和L＝2分别产生区外故障位置指令K1和K3，控制指令L＝3、L＝4和L＝5分别产生区内故障位置指令K2、K4和K5，控制指令L＝6和L＝7分别产生匝间故障位置指令K6和K7。与故障位置指令不同，故障类型指令则根据数值表控制，对于低压侧两相线路中的故障，具体如表1所示，对于高压侧线路故障和匝间短路故障，亦有相似于表1的数值表。最终两种控制指令(L和T)组成区外故障触发指令K1F1和K3F1，区内故障触发指令K2F1、K4F1和K5F1，匝间故障触发指令K6F1和K7F1，如图2所示。

表1.故障类型控制表

5.3输出控制子系统，包括录波输出子系统RO、后台输出子系统BO和系统输出子系统SO。具体的，其输出量包含开关量和模拟量，开关量是各模块出口处的开关状态，模拟量是经测量模块采集的各节点实时电压和电流，并且以总线的形式，一方面经PT模块或CT模块传送给录波输出模块RO和模拟量输出模块SO，另一方面经傅里叶分析模块Fourier产生其有效值和角度，再传递给后台输出模块BO，以实现运行参数在后台主机上的可视化。

综上所述，通过本发明提出的建模方法，可以在Simulink环境下搭建一种牵引变压器动模试验系统，将编译后的模型文件上传到实时数字仿真器，再结合功率放大器和后台主机，便可以实现牵引变压器动模试验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，其特征在于，

包括以下步骤：

S1、对牵引变压器动模试验系统进行功能性划分，将动模试验系统分为牵引供电系统和逻辑控制系统；

S2、对步骤S1中所述的牵引供电系统进行需求性划分，将牵引供电系统分为牵引供电刚性子系统和牵引供电弹性子系统，并根据牵引变压器种类配置所述牵引供电刚性子系统的模型参数以及选择牵引供电弹性子系统的运行状态；

S3、步骤S2中的牵引供电刚性子系统包括牵引变电所二级子系统，对牵引变电所二级子系统进行初始建模和一致性验证；

S4、对步骤S3中的牵引变电所二级子系统中能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化；

S5、基于已建成的牵引供电系统，按照逻辑控制需求，搭建与配置对应的逻辑控制系统；

对所述牵引供电刚性子系统中的牵引变电所二级子系统进行初始建模和一致性验证时，所述牵引变电所二级子系统包含了能够实现匝间短路故障功能的牵引变压器模型及其差动保护模块，每种能够实现匝间短路故障功能的牵引变压器均采用数量不等且绕组接线形式不同的单相多绕组变压器模块来搭建，待初始建模完成后，通过比较所述能够实现匝间短路故障功能的牵引变压器模型与单个单相多绕组变压器模型的空载输出电压是否一致，判断牵引变电所二级子系统的初始建模是否正确。

2.根据权利要求1所述的一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，其特征在于：

步骤S2中所述的牵引供电刚性子系统是牵引供电系统中的必要子系统；

所述牵引供电刚性子系统包含依次连接的电源二级子系统、牵引变电所二级子系统、牵引网二级子系统和机车二级子系统。

3.根据权利要求1所述的一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，其特征在于：

步骤S2中所述的牵引供电弹性子系统是牵引供电系统中的非必要子系统；

所述牵引供电弹性子系统包含AT所二级子系统和分区所二级子系统。

4.根据权利要求1所述的一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，其特征在于：

利用差动保护模块中的Al算法单元对步骤S4中所述的能够实现匝间故障功能的牵引变压器进行内部参数优化，所述Al算法单元根据能够实现匝间故障功能的牵引变压器两侧CT二次电流平衡关系计算每相的差动电流和制动电流。

5.根据权利要求1所述的一种牵引变压器动模试验系统的建模方法，其特征在于：

所述逻辑控制系统包括输入控制子系统、故障控制子系统和输出控制子系统。