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电铁牵引负荷运行情况分析

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《炼铁》2017年第4期

摘要:电铁牵引负荷不同运行情况对电网电能质量产生不同的影响,对于某一具体牵引站,有空载、AB相有一辆车(启动、运行、制动)、BC相有一辆车(启动、运行、制动)、CA相有一辆车(启动、运行、制动)等十种情况,以及各种更为复杂接法导致的更加复杂情况,难以进行分析。因此,文中提出了基于单相模糊C均值聚类(FuzzyC-Means,FCM)的电铁牵引负荷运行情况对电网运行影响的分析方法。实例分析表明,所建各相负荷不同运行情况对电网电能质量影响的模型是合理而有效的。

关键词:电铁牵引负荷;单相模糊C均值聚类;电网电能质量

0引言

电气化铁路是指采用电力牵引的铁路,其由于牵引力大、能源消耗小等优点而受到世界各国的广泛重视[1]。对于电力系统而言,电气化铁路和电力机车是一个很大的谐波源,其主要产生三次、五次、七次等谐波电流,通过铁路沿线的牵引电网流入电力系统,对电力系统供电电能质量产生较为严重的负面影响[2-3]。不同的电气化铁路负荷运行情况,如空载、启动、运行、停车,对电网运行影响的区别十分明显。因此,需要研究电气化铁路不同负荷运行情况对电网电能质量的影响,开展有针对性的电能质量管理。每一辆电力机车是由电网三相电中的两相供电,对于某一具体牵引站,假设同一时刻最多只能一辆车,在V/v牵引变压器接法下,可能有空载、AB相有一辆车(启动、运行、制动)、BC相有一辆车(启动、运行、制动)、CA相有一辆车(启动、运行、制动)等十种情况,在Scott牵引变压器接法下,有着更为复杂的情况。如果同时分析电网侧三相电能质量,则可能出现的分析结果为ABC空载、AB启动C空载、BC启动A空载、CA启动B空载、AB运行C空载、BC运行A空载、CA运行B空载、AB制动C空载、BC制动A空载、CA制动A空载等多种不同情况下电网电能质量的区别,目前现有的聚类方法难以很好的进行区分。但是,对于某一相,比如电网A相电能质量,只有四种情况:A相空载、A相启动、A相运行、A相制动。因此,本文将收集到的牵引站电网侧电能质量数据拆分为A相数据、B相数据、C相数据,并分别对其进行分析。

不同负荷运行情况实质上是不同的运行工况,本文所研究问题可抽象为多工况聚类分析问题。模糊C均值聚类(FuzzyC-Means,FCM)由于其计算简单、计算方便,一般用来自动获得每种工况的建模数据。FCM算法在进行聚类时,需要提供聚类数目,为了能够自适应地进行聚类,引入Xie-Beni指标来获得最优聚类数[4]。因此,结合电气化铁路牵引负荷的特点,本文提出基于单相FCM的电铁牵引负荷运行情况对电网运行影响的分析方法,通过电铁牵引站电网侧的全功率因数、电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率以及基波、三、五、七次谐波绝对值作为分析变量,针对牵引站电网侧的每一相监控数据,采用FCM方法对其进行训练,将每一相数据自动分为空载、启动、运行、制动四个类别,并分析四种运行情况下的电流基波和三、五、七次谐波,得到每一相不同运行情况对电网电能质量的影响。对于新建线路,可以采用本文所提方法,分析其空载、启动、运行和制动等运行情况下对电网电能质量的影响。

1电铁牵引负荷电能质量监测系统

电铁牵引负荷电能质量监测系统如图1所示,其按照分层分布式结构组建。例如,某一条铁路跨越多个区域电网,在牵引供电的系统变电站设置监测终端,各监测终端接入相应区域的通信网络。监测终端的监测数据可送入区域电网服务站,或直接送入上一级电网服务站。

2基于单相C均值聚类分析方法

2.1模糊C均值聚类算法

模糊C均值聚类(FCM)是由Bezdek于1981年提出的,它解决的问题是根据聚类准则函数,将样本集分为c个聚类。2.2聚类个数的自适应选择FCM在使用时要事先给定聚类个数,需要一定的先验知识,限制了其实际应用。为了在聚类时获得最佳聚类数,需引入聚类有效性评价指标,其中Xie-Beni指标凭借其效果得到了广泛应用。

2.3单相模糊C均值聚类分析

步骤对于某一具体牵引站,假设同一时刻最多只能一辆车,针对A相电能质量数据,只有四种情况:A相空载、A相启动、A相运行、A相制动。同理,针对B相和C相数据,也分别只有四种情况。因此,本文将收集到的牵引站电网侧电能质量数据拆分为A相数据、B相数据、C相数据,并分别对其采用FCM方法进行聚类分析,得到对应的各类数据和数据特征,即各相空载、启动、运行和制动情况下的数据特征,并分析其负荷不同运行情况下的电流基波和三、五、七次谐波,得到其对电网电能质量的影响。最后,基于已有模型,分析新建线路在A相、B相、C相空载、启动、运行和制动情况下对电网A相、B相、C相电能质量的影响。

3电铁牵引负荷不同运行状态分析

实例本文采用某电铁牵引站电网侧的监控数据,采集10000组数据,主要包括电流有效值、电压有效值、全功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、电流基波、电流三次谐波、电流五次谐波和电流七次谐波等,形成数据集X,并将数据集X分为A相数据集XA、B相数据集XB、C相数据集XC。首先,针对A相原始数据集XA,采用FCM进行训练,得到负荷空载、启动、运行和制动下的特征参数,以及负荷不同运行状态下的基波和三、五、七次谐波。

4结束

电铁牵引负荷不同运行情况对电网电能质量产生不同的影响,本文提出基于单相FCM的电铁牵引负荷不同运行情况对电网运行影响的分析方法,通过采集电铁牵引站电网侧的全功率因数、电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率以及电流基波、三、五、七次谐波相对值,并将其分为A相数据、B相数据和C相数据,针对牵引站电网侧的每一相监控数据,采用FCM方法对其进行训练,将每一相数据自动分为空载、启动、运行、制动四个类别,并分析四种运行情况下的电流基波和三、五、七次谐波,得到每一相不同运行情况对电网运行的影响。对于新建线路,可以采用本文所建模型,分析其空载、启动、运行和制动等运行情况下对电网电能质量的影响。

参考文献:

[1]曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京:中围铁道出版社,1983.

[2]陈民武,宫衍圣,李群湛,等.电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(16):141-147.

[3]刘育权,吴国沛,华煌圣,等.高速铁路牵引负荷对电力系统的影响研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(18):150-154.

[5]于坤山,周胜军,王同勋,等.电气化铁路供电与电能质量[M].北京:中国电力出版社,2011.

[6]周胜军,于坤山,冯满盈,等.电气化铁路供电电能质量测试主要结果分析[J].电网技术,2009(13):54-57.

作者:田颖1;孙伟卿1;王金浩2;吴玉龙2;李胜文2;杜慧杰2;徐龙2 单位:1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,2.国网山西省电力公司电力科学研究院

炼铁杂志责任编辑:张雨    阅读:人次