電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行情況分析范文

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《煉鐵》2017年第4期

摘要:電鐵牽引負(fù)荷不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，對(duì)于某一具體牽引站，有空載、AB相有一輛車(chē)(啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng))、BC相有一輛車(chē)(啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng))、CA相有一輛車(chē)(啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng))等十種情況，以及各種更為復(fù)雜接法導(dǎo)致的更加復(fù)雜情況，難以進(jìn)行分析。因此，文中提出了基于單相模糊C均值聚類(lèi)(FuzzyC-Means，F(xiàn)CM)的電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析方法。實(shí)例分析表明，所建各相負(fù)荷不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的模型是合理而有效的。

關(guān)鍵詞:電鐵牽引負(fù)荷;單相模糊C均值聚類(lèi);電網(wǎng)電能質(zhì)量

0引言

電氣化鐵路是指采用電力牽引的鐵路，其由于牽引力大、能源消耗小等優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國(guó)的廣泛重視［1］。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，電氣化鐵路和電力機(jī)車(chē)是一個(gè)很大的諧波源，其主要產(chǎn)生三次、五次、七次等諧波電流，通過(guò)鐵路沿線的牽引電網(wǎng)流入電力系統(tǒng)，對(duì)電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量產(chǎn)生較為嚴(yán)重的負(fù)面影響［2－3］。不同的電氣化鐵路負(fù)荷運(yùn)行情況，如空載、啟動(dòng)、運(yùn)行、停車(chē)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的區(qū)別十分明顯。因此，需要研究電氣化鐵路不同負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，開(kāi)展有針對(duì)性的電能質(zhì)量管理。每一輛電力機(jī)車(chē)是由電網(wǎng)三相電中的兩相供電，對(duì)于某一具體牽引站，假設(shè)同一時(shí)刻最多只能一輛車(chē)，在V/v牽引變壓器接法下，可能有空載、AB相有一輛車(chē)(啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng))、BC相有一輛車(chē)(啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng))、CA相有一輛車(chē)(啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng))等十種情況，在Scott牽引變壓器接法下，有著更為復(fù)雜的情況。如果同時(shí)分析電網(wǎng)側(cè)三相電能質(zhì)量，則可能出現(xiàn)的分析結(jié)果為ABC空載、AB啟動(dòng)C空載、BC啟動(dòng)A空載、CA啟動(dòng)B空載、AB運(yùn)行C空載、BC運(yùn)行A空載、CA運(yùn)行B空載、AB制動(dòng)C空載、BC制動(dòng)A空載、CA制動(dòng)A空載等多種不同情況下電網(wǎng)電能質(zhì)量的區(qū)別，目前現(xiàn)有的聚類(lèi)方法難以很好的進(jìn)行區(qū)分。但是，對(duì)于某一相，比如電網(wǎng)A相電能質(zhì)量，只有四種情況:A相空載、A相啟動(dòng)、A相運(yùn)行、A相制動(dòng)。因此，本文將收集到的牽引站電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)拆分為A相數(shù)據(jù)、B相數(shù)據(jù)、C相數(shù)據(jù)，并分別對(duì)其進(jìn)行分析。

不同負(fù)荷運(yùn)行情況實(shí)質(zhì)上是不同的運(yùn)行工況，本文所研究問(wèn)題可抽象為多工況聚類(lèi)分析問(wèn)題。模糊C均值聚類(lèi)(FuzzyC-Means，F(xiàn)CM)由于其計(jì)算簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，一般用來(lái)自動(dòng)獲得每種工況的建模數(shù)據(jù)。FCM算法在進(jìn)行聚類(lèi)時(shí)，需要提供聚類(lèi)數(shù)目，為了能夠自適應(yīng)地進(jìn)行聚類(lèi)，引入Xie-Beni指標(biāo)來(lái)獲得最優(yōu)聚類(lèi)數(shù)［4］。因此，結(jié)合電氣化鐵路牽引負(fù)荷的特點(diǎn)，本文提出基于單相FCM的電鐵牽引負(fù)荷運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析方法，通過(guò)電鐵牽引站電網(wǎng)側(cè)的全功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率以及基波、三、五、七次諧波絕對(duì)值作為分析變量，針對(duì)牽引站電網(wǎng)側(cè)的每一相監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采用FCM方法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，將每一相數(shù)據(jù)自動(dòng)分為空載、啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)四個(gè)類(lèi)別，并分析四種運(yùn)行情況下的電流基波和三、五、七次諧波，得到每一相不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。對(duì)于新建線路，可以采用本文所提方法，分析其空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等運(yùn)行情況下對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

1電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電鐵牽引負(fù)荷電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，其按照分層分布式結(jié)構(gòu)組建。例如，某一條鐵路跨越多個(gè)區(qū)域電網(wǎng)，在牽引供電的系統(tǒng)變電站設(shè)置監(jiān)測(cè)終端，各監(jiān)測(cè)終端接入相應(yīng)區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可送入?yún)^(qū)域電網(wǎng)服務(wù)站，或直接送入上一級(jí)電網(wǎng)服務(wù)站。

2基于單相C均值聚類(lèi)分析方法

2．1模糊C均值聚類(lèi)算法

模糊C均值聚類(lèi)(FCM)是由Bezdek于1981年提出的，它解決的問(wèn)題是根據(jù)聚類(lèi)準(zhǔn)則函數(shù)，將樣本集分為c個(gè)聚類(lèi)。2．2聚類(lèi)個(gè)數(shù)的自適應(yīng)選擇FCM在使用時(shí)要事先給定聚類(lèi)個(gè)數(shù)，需要一定的先驗(yàn)知識(shí)，限制了其實(shí)際應(yīng)用。為了在聚類(lèi)時(shí)獲得最佳聚類(lèi)數(shù)，需引入聚類(lèi)有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中Xie-Beni指標(biāo)憑借其效果得到了廣泛應(yīng)用。

2．3單相模糊C均值聚類(lèi)分析

步驟對(duì)于某一具體牽引站，假設(shè)同一時(shí)刻最多只能一輛車(chē)，針對(duì)A相電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，只有四種情況:A相空載、A相啟動(dòng)、A相運(yùn)行、A相制動(dòng)。同理，針對(duì)B相和C相數(shù)據(jù)，也分別只有四種情況。因此，本文將收集到的牽引站電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)拆分為A相數(shù)據(jù)、B相數(shù)據(jù)、C相數(shù)據(jù)，并分別對(duì)其采用FCM方法進(jìn)行聚類(lèi)分析，得到對(duì)應(yīng)的各類(lèi)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)特征，即各相空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)情況下的數(shù)據(jù)特征，并分析其負(fù)荷不同運(yùn)行情況下的電流基波和三、五、七次諧波，得到其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。最后，基于已有模型，分析新建線路在A相、B相、C相空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)情況下對(duì)電網(wǎng)A相、B相、C相電能質(zhì)量的影響。

3電鐵牽引負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)分析

實(shí)例本文采用某電鐵牽引站電網(wǎng)側(cè)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采集10000組數(shù)據(jù)，主要包括電流有效值、電壓有效值、全功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電流基波、電流三次諧波、電流五次諧波和電流七次諧波等，形成數(shù)據(jù)集X，并將數(shù)據(jù)集X分為A相數(shù)據(jù)集XA、B相數(shù)據(jù)集XB、C相數(shù)據(jù)集XC。首先，針對(duì)A相原始數(shù)據(jù)集XA，采用FCM進(jìn)行訓(xùn)練，得到負(fù)荷空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)下的特征參數(shù)，以及負(fù)荷不同運(yùn)行狀態(tài)下的基波和三、五、七次諧波。

4結(jié)束語(yǔ)

電鐵牽引負(fù)荷不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，本文提出基于單相FCM的電鐵牽引負(fù)荷不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析方法，通過(guò)采集電鐵牽引站電網(wǎng)側(cè)的全功率因數(shù)、電流有效值、電壓有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率以及電流基波、三、五、七次諧波相對(duì)值，并將其分為A相數(shù)據(jù)、B相數(shù)據(jù)和C相數(shù)據(jù)，針對(duì)牽引站電網(wǎng)側(cè)的每一相監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采用FCM方法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，將每一相數(shù)據(jù)自動(dòng)分為空載、啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)四個(gè)類(lèi)別，并分析四種運(yùn)行情況下的電流基波和三、五、七次諧波，得到每一相不同運(yùn)行情況對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。對(duì)于新建線路，可以采用本文所建模型，分析其空載、啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)等運(yùn)行情況下對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

參考文獻(xiàn):

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［5］于坤山，周勝軍，王同勛，等．電氣化鐵路供電與電能質(zhì)量［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2011．

［6］周勝軍，于坤山，馮滿盈，等．電氣化鐵路供電電能質(zhì)量測(cè)試主要結(jié)果分析［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2009(13):54－57．

作者：田穎1；孫偉卿1；王金浩2；吳玉龍2；李勝文2；杜慧杰2；徐龍2 單位：1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院