基于5G技术的铁路站房低压配电箱电能质量优化

郭思红

0 引言

低压配电箱是铁路站房供配电系统的关键设备，具备电能分配、配电线路保护及用电设备保护等功能。随着科学技术不断进步以及人们生活水平不断提高，铁路站房中用电设备的种类越来越多，对供电可靠性要求越来越高，用电量也越来越大。由于配电箱负载用电设备特性的不同，导致配电箱出现大量的电能质量问题，如向单相负载供电带来的三相功率不平衡，向照明、电机等非线性负载供电带来的谐波电流过大，以及无功功率过高引起的功率因数降低等问题[1～4]。以上电能质量问题将导致配电线路损耗增加、传输能力下降、配电设备及配电线路绝缘加速老化，并影响用电设备的供电质量及供电可靠性。同时，处于同一配电变压器下的任意一台配电箱均有可能受到同台区下其他配电箱电能质量问题的干扰。更为严重的问题是，多台配电箱电能质量问题汇入配电变压器后，会干扰上级变压器的正常运行，造成变压器三相不平衡、谐波超限、损耗增大、功率因数低等问题。因此，对配电箱存在的电能质量问题进行治理，并将其造成的危害降低到最小程度迫在眉睫。

铁路站房配电箱电能质量治理点多面广，各配 电箱电能质量情况各异。因同一配电变压器下的配电箱之间、配电箱与配电台区之间电能质量问题相互影响，只依靠就地配电箱电能质量治理已经远远不能在系统级层面使供电网络内的电能质量问题得到优化。随着5G技术的商业化应用，其数据传输的高速化、可视化以及低延时、高可靠性、海量连接的特点，可以使铁路站房配电箱电能质量治理中存在的上述问题得到解决。

本文提出基于5G技术的低压配电箱电能质量优化策略，实现联控方案，并分析在配电箱处进行电能质量治理的可行性。

1 配电箱电能质量治理

配电箱是低压电源与负荷之间的连接开关，通过配电箱将电源灵活分配给不同类型、不同功率需求的负荷，因此配电箱向配电台区汇入的电能质量状况极其复杂。对电能质量问题的优化通常采用电力电子型的电能质量治理装置，该装置采集配电箱处的负载电流，通过分析电流中的谐波分量、无功分量、负序分量和零序分量，利用电流跟踪控制算法产生指令信号，经过调制后产生PWM信号，该信号控制装置内IGBT的通断产生补偿电流，使电能质量问题得以解决[5，6]。

1.1 5G技术与配电箱电能质量治理的联控策略

在实际应用中，通常会面临较为复杂的情况：同一个配电变压器下有多个配电箱，每个配电箱通常接入不同类型、不同相序的负荷，导致多个配电箱之间电流谐波、无功、三相不平衡情况不同；接入同一高压母线下通常有多台配电变压器，每台配电变压器下的配电箱之间的电能质量问题各不相同，造成电能质量优化的难度加大；配电台区内的配电箱电能质量问题由于共用低压母线，致使电能质量问题相互影响，尤其是当配电箱位置处的电能质量治理装置达到满容量时，超出电能质量治理装置补偿容量的谐波电流、无功电流、三相不平衡电流仍然会造成配电变压器处的电能质量问题，该问题反过来再次影响配电箱处的电能质量。根据上述问题，提出5G技术与电能质量优化的系统级联控策略，如图1所示。

图1 5G技术与配电箱电能质量优化联控策略

图1 中，A1、A2为配电变压器TA供电范围内的配电箱，B1、B2为配电变压器TB供电范围内的配电箱。以A1为例，根据基尔霍夫电流定理，在A1处存在如下电流关系：

式中：IsA1为电能质量治理装置补偿后的电流；ILA1为补偿前的电流；IsF1为电能质量治理装置的补偿电流；ILzpA1为基波有功电流；ILhA1为含有的谐波电流；ILqA1为基波无功电流。

当IsF1= -ILhA1-ILqA1时，IsA1=ILzpA1，此时仅含有基波有功电流，且汇入配电变压器的电流为基波正弦有功电流，功率因数为1。此时，电能质量治理装置可实现对配电箱的全补偿。

而当电能质量治理装置的补偿容量有限，最大补偿电流IsF1＜(ILhA1+ILqA1)时，配电箱汇入配电变压器的电流除含有基波有功电流外，还含有无功和谐波电流。此时，电能质量治理装置仅能实现对配电箱电能质量的欠补偿。

众所周知，基波频率的周期为20 ms，即无功电流和不平衡电流的周期为20 ms，而谐波电流的频率通常为20/n（n为谐波次数）ms。4G技术的网络延迟约100 ms，而5G技术的网络延迟约1 ms。因此，通过5G技术可以实现供电网络内电能质量治理装置之间的快速信息交互。一方面，可以在谐波范围内快速对谐波电流跟踪补偿，提高补偿跟踪能力；另一方面，在基波范围内，可以大大提高不平衡电流和无功电流的动态响应速度。

利用5G技术，A2处的电能质量治理装置可以补偿A1处电能质量治理装置缺损的补偿容量，IsF1+IsF2= -ILhA1-ILqA1-ILhA2-ILqA2，最终IsA=IsA1+IsA2=ILzpA1+ILzpA2，流入配电变压器TA低压母线的电流仅含有基波有功电流。

同理，当A1和A2处的电能质量治理装置都不足以补偿配电箱的谐波和无功电流，致使IsA含有谐波和无功电流，此时通过5G通信，A1、A2、B1、B2处的电能质量治理装置通过信息交互，可以控制B1和B2处的电能质量治理装置，补偿容量缺损，使Is=IsA+IsB，补偿后Is仅含有基波有功电流。

1.2 三相不平衡及零线电流治理

电能质量治理装置三相不平衡治理原理如图2所示。

图2 三相不平衡治理原理

如图2所示，配电箱所带负荷由于种类多、类型不一致，造成三相电流不平衡，N相含有较大数值的零序电流。根据电力系统序分量法可知，不平衡的电流可以分解为正序、负序和零序分量，因此，电能质量治理装置通过检测配电箱电流ILA、ILB、ILC中的负序和零序电流分量，向内注入反向分量进行不平衡补偿。

图3为治理前后配电箱电流波形。由图3可以看出，治理前配电箱电流波形中零线电流较大，三相电流不平衡，存在严重安全隐患。治理后配电箱电流波形基本正常，零线电流滤除超过95%，效果明显。

图3 测试数据

1.3 谐波治理

电能质量治理装置通过检测配电箱中的负荷电流，利用瞬时功率理论经过指令变换分析负荷电流中的谐波分量。补偿电流与配电箱电流中的谐波分量相位相差180°，经过叠加补偿后的电流为正弦电流。

图4、图5分别为治理前后的谐波电流对比及分析。由图可知，补偿前ILA/ILB/ILC中含有3次、5次、9次谐波电流分别为100、50、40 A，通过电能质量治理装置优化后，谐波电流接近为0，同时其他高频谐波电流也得到了优化，优化后谐波电流趋于0，补偿后电流为正弦电流。

图4 谐波补偿效果

图5 谐波补偿前后电流谐波分析

1.4 无功补偿提高功率因数

电能质量治理装置进行无功补偿时，通过调节变换器电压，使系统电压与变换器电压之间的电压差作用在平波电抗器上产生电流，当该电流与系统电压相差90°或-90°时，补偿系统内的无功功率，如图6所示。

图6 无功补偿工作原理

图7所示为某铁路线铁路站房配电箱无功补偿前后的现场测试数据。

图7 现场测试数据

从图7中测试数据看出，补偿前配电箱无功功率较大，功率因数约为0.74，功率因数偏低。补偿后配电箱无功功率得到优化，功率因数达到0.99，补偿效果明显。

2 低压配电箱可视化运维及一键巡视

结合二次模拟量分布测量需求，利用5G技术采用可视化运维方式巡视装置采集保护定值、采样值、开关量、动作、告警等二次信息，进行“一键式”校核，通过显示屏上的APP生成报告，完成主机实现功能。可视化包括站控层网络构架可视化、光纤链路图可视化、虚端子可视化、SCD（全所系统配置文件）可视化校验、SCD可视化比对以及试验过程可视化。校核巡视包括定值校核、电气量（遥测）信息监视、开关量监视、保护动作信息及保护告警信息校核等。对报告进行管理，确认各项巡视核查工作已开展、已查阅。

一键巡视流程：

（1）导入SCD，导入后程序解析相关信息，自动判断需要开展巡视核查的IED（智能电子设备），并生成站控层网络结构图、全站光纤链路图、虚端子图以及SCD校验图。

（2）接入站控层网络装置，可接入站控层交换机获取全站保护的站控层数据，也可直接采集单一保护信息，根据实际情况配置相应IP。

（3）定值、压板建模。定值、压板的校核需要以调度定值清单作为标准值进行比对，需提前建立定值、压板的标准值模板。

（4）试验程序可根据自动判断的IED设备或人工选择IED设备进行巡视核查。整个巡视过程以图形化方式展示，可直观显示当前巡视设备以及核查情况。

3 5G技术在配电箱电能质量优化中的应用优势

5G技术在各领域的应用研究如火如荼，其在配电箱电能质量优化中具有如下优势：

（1）带宽容量大、传输速率高。在补偿数据尤其高频谐波数据传输、提高电能质量综合补偿装置的动态响应方面具有无可比拟的优势。

（2）5G网的连接数量大。在低压配电网网络中，配电箱数据繁多，5G网可以容纳众多配电箱数据和电能质量综合补偿装置数据的接入互通。

（3）低延时、低功耗。在点对点传输过程中，5G网在传输延时和功耗方面都得到大幅降低。

（4）智能网络管理。5G网络的频谱利用率将大幅提升，终端成本也会一定程度的降低[7～10]，使未来配电箱与5G结合的电能质量优化技术推广具有更加广阔的前景。

4 结语

铁路站房配电箱数量众多，电能质量治理点多面广，各配电箱电能质量治理情况各异，电能质量治理装置现场运行工况复杂多样，各电能质量治理装置仅负责就地配电箱电能质量治理，利用率低。5G技术的应用可以实现从系统级层面出发，发挥5G优势，建立配电箱数据的大数据网络，通过对电能质量治理装置的联控、联调及大数据挖掘，提供配电箱电能质量治理的优化方案，实现整个配电网络的电能质量优化，提高了电能质量治理装置的利用效率，提升了配电系统的网络级供电可靠性。