有轨电车工程供电系统负荷均衡控制方法与流程

本发明涉及轨道交通技术和供电控制技术领域。

背景技术：

目前，现代有轨电车工程在国内的推广应用越来越多，但现在较多城市由于景观、规划及其他原因，采用了车载储能方式供电运行的有轨电车，要求全线完全不设置接触网或较大区段范围均不设置接触网，通过在车站或其他局部区段范围内设置的充电轨等设施，利用车辆在车站停车上下客的时间，向车辆上安装的储能装置进行大功率快速充电，通过车载储能装置给车辆运行提供牵引电能的方式。

在现代有轨电车的供电系统方案中，基本均采用分散式供电模式，就近引入地方电网的若干回10kV电源，采用单环网、“大环串”接线方式的中压供电环网结构，引入的10kV电源点较少，而环串中的变电所数量较多，每个变电所负责向就近的若干个车站或其他站点的充电装置提供电源。

现有技术中存在以下问题：

由于行车编制车辆运行密度较大，工程远期基本均考虑设置为20对/小时或以上的行车对数。每个车站分为上行和下行站台，车辆运行至车站时，便立即开始对其车辆上配置的超级电容等储能设施进行大功率快速充电，由于停站的时间较短(一般在30秒以内)，电流及功率均较大，一般电压可达500～900V，电流可达1000A以上，由于车载储能设施的容量配置不同，甚至有的车辆能达到2100A以上。

因为车辆运行的概率关系，可能会在某一段短时间范围内，出现多列车辆在多个车站或多个充电轨同时进行大功率快速充电的情况，使得变电所设备或10kV外部电源引入回路出现短时过载，对地方电网造成冲击，超过其允许负荷值，严重情况下或导致过电流保护跳闸动作，导致供电事故的发生，影响线路的正常运行。

为避免该情况的出现，或将导致变电所设备安装容量或引入电源点的容量加大较多，或者导致外部电源引入点的数量增加较多，均会对工程的工程投资、可实施性等多方面造成严重的影响。同时由于车辆运行充电为间歇式工作制式，正线车辆在车站的充电时间一般间隔约2分钟以上，充电约30秒，使得供电系统设施正常情况下其供电能力及车辆车载储能装置的续航能力未充分利用，不利于资源共享，也不利于整个供电系统的节能运行。

由于出现该情况存在一定的概率，如果频繁出现由于过负荷电流导致保护装置过电流保护跳闸，将使得整个工程较大范围内失去正常的供电电源，不仅影响设备的使用寿命，更为严重的是将影响本有轨电车工程的正常运营，甚至出现停运的严重后果。

因此，针对该采用“大环串”接线方式的中压供电环网结构及车辆运行的充电模式，提出一种基于数字通信网络技术的供电系统负荷均衡控制方案，实现供电系统方案的优化，避免过多车辆同时大功率快速充电导致超过允许的过负荷情况出线，充分利用供电系统的供电能力及车载储能式车辆的续航能力，一个变电所同时向多个车站的充电轨供电，一个10kV外部电源可以向更多的变电所供电；合理分配各充电轨的充电时间，优化供电系统的安装容量。

能减少对城市电网电源点及容量的过多占用，减少对城市电网容量的冲击，减少工程的实施难度，降低工程建设及运营维护费用。实现现代有轨电车线路工程节能、环保、经济及保证运营安全可靠。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够避免短时过负荷冲击供电系统的有轨电车工程供电系统负荷均衡控制方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，有轨电车工程供电系统负荷均衡控制方法，其特征在于，包括下述步骤:

1)监控子站判断在其监控范围内是否有车辆正在进行大电流快速充电，将监控信息上报至监控主站；

2)监控主站判断本监控主站范围内是否可能出现过负荷，若是则依据各监控子站上报的监控信息将本监控主站范围内的未进行大电流快速充电的充电回路切断；

3)当监控子站检测到大电流快速充电已经完成，将完成信息上报至监控主站；4)监控主站收到完成信息后，监控主站判断本监控主站范围内是否已从可能出现过负荷的状态中退出，若是则释放被切断的充电回路。

进一步的，所述步骤4)为：

一次性将所有切断的充电回路全部释放。

所述步骤4)为：

按照预设时间间隔，依据先切断先释放的顺序逐步释放切断的充电回路。

或者，所述步骤1)为：

监控子站采集充电回路的电流有效值和达到此有效值的电流持续时间，若二者皆达到预设阈值则表示有车辆正在进行大电流快速充电，进而上报监控信息。

所述步骤2)为：

监控主站检测其所在变电设备输入电流的电流值是否超出预设值，以及超出预设值的持续时间，判断本监控主站范围内是否可能出现过负荷，若是则依据各监控子站上报的监控信息将本监控主站范围内的未进行大电流快速充电的充电回路切断。

本发明的有益效果是：

1)本发明提供的方法中，不对既有的供电系统方案及规模造成影响。

2)本发明提供的方法中，负荷均衡控制系统能自动进行监控运行，能避免对供电系统设备容量及外部电源容量造成的短时过负荷冲击。充分利用车载储能车辆的续航能力，确保供电系统的安全可靠运行。

3)本发明提供的方法中，采用数字通信网络实现数据信息的传输，负荷均衡控制系统规模可以很容易根据现场充电回路的数量规模进行适应。

4)本发明提供的方法中，可根据现场情况，选择不同的动作逻辑方案，逻辑判据方案简单可靠。

附图说明

图1为本发明方涉及的控制系统构成示意图。

图2为本负荷均衡控制系统动作逻辑示意图。

具体实施方式

参见图1、2。首先配置一套设置于变电所内及跨变电所间的负荷均衡控制系统。负荷均衡监控主站装置基于数字通信网络技术发送及接收其他设置于现场充电回路的负荷均衡监控子站装置的信息，实现供电系统的负荷均衡控制。

本发明提供一种基于数字通信网络技术的供电系统负荷均衡控制方案，该数字通信网络可以是IEC 61850的GOOSE技术或其他通用的数字通信网络。

在设置负荷均衡监控主站装置的变电所采集牵引供电设备或10kV供电电源回路的负荷电流，各现场充电回路设置负荷均衡监控子站装置，采集各充电设施的充电电流及充电开关的位置状态。

结合采集的电流数据，负荷均衡监控主站装置判断变电所牵引供电设备或10kV供电电源回路是否出现可能超过允许的过负荷情况；负荷均衡监控子站装置判断是否本充电回路有车辆正在进行大电流快速充电，充电状态及充电开关信息通过数字通信网络传递至负荷均衡监控主站装置。

在负荷均衡监控功能投入，当负荷均衡监控主站装置判断到可能出现超过允许的过负荷电流情况时，发出控制命令，将本供电分区范围内其他暂未进行大电流快速充电的充电回路切断，防止在下一个时段内出现其他车辆的充电电流叠加，避免充电负荷的大容量冲击。

在检测到该过负荷信号消失，释放之前被切断的充电回路，允许其进行正常充电。

进一步，所述方法包括以下步骤：

第一步：系统设备配置

按实际工程的供电系统方案进行负荷均衡监控主站设备、负荷均衡监控子站设备、数字通信网络设施配置，完成负荷均衡控制系统方案接线图，设备配置关系。

一般情况下，一套负荷均衡控制系统包括一台负荷均衡监控主站设备、若干台负荷均衡监控子站设备，以及实现相互间数据通信的数字通信网络设施。

第二步：系统状态量及整定值设定

1)系统整定值设定：

负荷均衡监控主站：设定系统过负荷电流的电流基准值Izdset，过负荷检测延时时间Tzdset。

负荷均衡监控子站：设定充电回路充电电流最小检测基准值Icdset，充电电流检测延时时间Tcdset。

2)系统运行状态量设定：

负荷均衡监控主站：负荷均衡控制功能投入/退出状态位Y (1)

负荷均衡监控子站：充电回路开关负荷均衡控制允许/禁止状态信号B (2)

负荷均衡监控主站：负荷均衡控制启动控制状态位G (3)

负荷均衡监控子站：充电回路充电状态位：C (4)

负荷均衡监控子站：充电回路开关位置状态：K (5)

(1)负荷均衡控制功能投入/退出状态位：Y

负荷均衡监控主站设备：负荷均衡控制功能投入：Y＝1。负荷均衡控制功能退出：Y＝0。

(2)充电回路开关负荷均衡控制允许/禁止状态信号：B

负荷均衡监控子站设备：

本充电回路开关允许负荷均衡控制分、合闸控制状态位：B＝1。

本充电回路开关禁止负荷均衡控制分、合闸控制状态位：B＝0。

(3)负荷均衡控制启动控制状态位：G

负荷均衡监控主站设备进行实际的过负荷电流检测：在线采集的电流有效值If，检测延时时间(持续时间)Tf。

若If≥Izdset，Tf≥Tzdset代表系统检测到有过负荷情况发生，发负荷均衡控制充电回路切断控制信息G＝1。

若If＜Izdset，Tf≥Tzdset代表没有过负荷情况发生，发负荷均衡控制充电回路释放控制信息G＝0。

(4)充电回路充电状态位：C

负荷均衡监控子站设备进行实际的充电电流检测：在线采集的充电电流检测值Icd，充电电流检测延时时间Tcd。

若Icd≥Icdset，Tcd≥Tcdset代表正常充电，发出该回路处于大电流快速充电状态，发出充电状态信息C＝1。

若Icd＜Icdset，Tcd≥Tcdset代表该回路暂未进行大电流快速充电，发出充电状态信息C＝0，允许进行切断操作。

(5)充电回路开关位置状态：K

负荷均衡监控子站设备进行实际的充电开关状态检测：开关处于合闸位置：K＝1。开关处于分闸位置：K＝0。

(6)充电回路开关处于切断状态的时间T1，充电回路开关之间释放操作间隔时间T2。

第三步：选择负荷均衡控制实施逻辑

对于切断和释放供电范围内的充电回路，有以下两种控制逻辑：

1)控制逻辑一：

切断时：一次性将其他暂未进行大电流快速充电的充电回路切断。

释放时：一次性将所有切断的充电回路全部释放。

2)控制逻辑二：

切断时：一次性将其他暂未进行大电流快速充电的充电回路切断。

释放时：间隔一定时间，逐步释放切断的充电回路。释放的顺序按照先切断、先释放的顺序关系进行释放。如果时间相同，则随机进行释放。

第四步：负荷均衡控制系统根据现场情况进行逻辑判断

1)负荷均衡监控主站设备进行实际的过负荷电流检测：

若If≥Izdset，Tf≥Tzdset代表系统检测到有过负荷情况发生，发负荷均衡控制充电回路切断控制信息G＝1。

2)各负荷均衡监控子站设备进行实际的充电电流检测：

若Icd≥Icdset，Tcd≥Tcdset代表正常充电，发出该回路处于大电流快速充电状态，发出充电状态信息C＝1。

3)系统通过组合判断负荷均衡控制功能投入/退出状态位Y，各充电回路开关负荷均衡控制允许/禁止状态信号B，负荷均衡控制启动控制状态位G，充电回路充电状态位C，充电回路开关位置状态K，综合判断后控制输出。

充电回路开关处于切断状态的时间T1，充电回路开关之间释放操作间隔时间T2。

(1)采用动作逻辑方案一时：

①当负荷均衡监控主站Y＝1，G＝1状态条件均同时存在，各负荷均衡监控子站满足B＝1，C＝0，K＝1控制条件的充电开关回路，均一次性切断动作出口。

②当负荷均衡监控主站Y＝1，G＝0状态条件均同时存在，各负荷均衡监控子站满足B＝1，K＝0控制条件的充电开关回路均释放动作出口，恢复可以充电的状态。

(2)采用动作逻辑方案二时：

①当负荷均衡监控主站Y＝1，G＝1状态条件均同时存在，各负荷均衡监控子站满足B＝1，C＝0，K＝1控制条件的充电开关回路，均一次性切断动作出口。

②当负荷均衡监控主站Y＝1，G＝0状态条件均同时存在，各负荷均衡监控子站满足B＝1，K＝0控制条件，处于断开的充电回路开关进行比较，该回路开关处于切断状态的时间T1为最大时，满足充电回路释放的控制条件，充电回路释放动作出口，恢复可以充电的状态。

当负荷均衡监控主站持续检测到Y＝1，G＝0，则间隔一定时间T2，各负荷均衡监控子站满足B＝1，K＝0控制条件，比较剩余各充电回路开关处于切断状态的时间T1，为最大者，陆续释放各切断的充电开关回路。

实施例：

图1为本发明方法的一种具体应用场景：一个供电分区，一回外部进线电源，两座变电所。供电方案采用10kV单环网供电模式，每个变电站为一回进线、一回出线、三个充电馈出线回路，每套充电装置分别向车站的充电轨供电。每个供电分区设置一套负荷均衡控制系统。由10kV进线电源处设置的负荷均衡监控主站(1)和车站每套充电装置设置的负荷均衡监控子站(3)及数字通信网络设施(2)构成。

以图1为例进行说明：

第一步：

本图例中的负荷均衡控制系统包含一套负荷均衡监控主站FK0(1)及6套负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)，及数字通信网络设施(2)。

负荷均衡监控主站FK0(1)采集10kV进线电源(4)的电流作为过负荷的判断依据，并通过数字通信网络设施(2)接收负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)分别采集的充电回路中电流传感器CT(5)的充电电流及充电回路开关K(6)的位置状态信息。并根据过负荷电流的情况，发出切断或释放充电回路开关的命令。

负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)分别通过数字通信网络设施(2)，接收负荷监控主站FK0(1)发出的切断或释放充电回路开关K(6)的命令。

第二步：状态量及整定值设定

1)负荷均衡监控主站：设定过负荷电流的电流基准值Izdset，过负荷检测延时时间Tzdset。

负荷均衡监控子站：设定充电电流最小检测基准值Icdset，充电电流检测延时时间Tcdset。

2)设定系统运行各装置的电流数据采集及相关状态量见表1。

表1负荷均衡控制系统各相关设备对应的数据采集及状态信息表

第三步：选择负荷均衡控制实施逻辑

对于切断和释放供电范围内的充电回路，有以下两种控制逻辑：

1)控制逻辑一：

切断时：一次性将其他暂未进行大电流快速充电的充电回路切断。

释放时：一次性将所有切断的充电回路全部释放。

2)控制逻辑二：

切断时：一次性将其他暂未进行大电流快速充电的充电回路切断。

释放时：间隔一定时间，逐步释放切断的充电回路。释放的顺序按照先切断、先释放的顺序关系进行释放。如果时间相同，则随机进行释放。

第四步：负荷均衡控制系统根据现场情况进行逻辑判断

1)首先负荷均衡监控主站FK0(1)判断对应本系统的负荷均衡控制功能是否投入，即状态位Y，如果Y＝1，功能投入，则系统负荷均衡控制功能启动，如果Y＝0，功能退出，则整个系统的负荷均衡控制功能退出。

2)判断本系统中的负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)对应的负荷均衡控制功能是否投入，即状态位B。如果B＝1，则其对应的负荷均衡控制功能投入；如果B＝0，则其对应的负荷均衡控制功能功能退出。

3)电流检测：

①负荷均衡监控主站设备进行实际的过负荷电流检测：

若If≥Izdset，Tf≥Tzdset代表系统检测到有过负荷情况发生，发负荷均衡控制充电回路切断控制信息G＝1。反之则G＝0。

②各负荷均衡监控子站设备进行实际的充电电流检测：

若Icd≥Icdset，Tcd≥Tcdset代表正常充电，发出该回路处于大电流快速充电状态，发出充电状态信息C＝1。反之则C＝0。

4)系统以下述工作状况为例进行说明：

①负荷均衡监控主站FK0(1)负荷均衡控制功能投入Y＝1。

②各负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)对应的负荷均衡控制功能投入B＝1。

③负荷均衡监控子站FK1\FK3\FK5(3)对应的充电回路正在充电，即：

Icd1≥Icdset，Tcd1≥Tcdset；得出C1＝1、K1＝1。

Icd3≥Icdset，Tcd3≥Tcdset；得出C3＝1、K3＝1。

Icd5≥Icdset，Tcd5≥Tcdset；得出C5＝1、K5＝1。

④负荷均衡监控子站FK2\FK4\FK6(3)没有充电且开关处于合位，即：

Icd2＜Icdset，Tcd2≥Tcdset；得出C2＝0、K2＝1。

Icd4＜Icdset，Tcd4≥Tcdset；得出C4＝0、K4＝1。

Icd6＜Icdset，Tcd6≥Tcdset；得出C6＝0、K6＝1。

⑤采用不同的动作逻辑方案

Ⅰ、采用动作逻辑方案一时：

A、当过负荷情况发生，即负荷均衡监控主站FK0(1)电流检测：

If≥Izdset，Tf≥Tzdset，得出G＝1。

负荷均衡监控主站FK0(1)将所有负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)中满足C＝0及K＝1状态条件的充电开关回路，均一次性切断动作出口，发分断命令至负荷均衡监控子站(3)，将各充电回路开关K(6)切断。

本工作状况则一次性将负荷均衡监控子站FK2\FK4\FK6(3)对应的充电回路开关K2\K4\K6(6)全部断开。

B、当过负荷情况消失，即负荷均衡监控主站FK0(1)电流检测：

If＜Izdset，Tf≥Tzdset，得出G＝0。

负荷均衡监控主站FK0(1)将所有负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)满足K＝0条件的充电回路开关K(6)，均一次性释放动作出口，恢复可以充电的状态。

本工作状况则一次性将负荷均衡监控子站FK2\FK4\FK6(3)及其他对应断开的充电回路开关K2\K4\K6(6)全部释放，恢复可以充电的状态。

Ⅱ、采用动作逻辑方案二时：

A、当有过负荷情况发生，即负荷均衡监控主站FK0(1)电流检测：

If≥Izdset，Tf≥Tzdset，得出G＝1。

负荷均衡监控主站FK0(1)将所有负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)中满足C＝0及K＝1状态条件的充电开关回路，均一次性切断动作出口，发分断命令至负荷均衡监控子站(3)，将各充电回路开关K(6)切断。

本工作状况则一次性将负荷均衡监控子站FK2\FK4\FK6(3)对应的充电回路开关K2\K4\K6(6)全部断开。

B、当过负荷情况消失，即负荷均衡监控主站FK0(1)电流检测：

If＜Izdset，Tf≥Tzdset，得出G＝0。

负荷均衡监控主站FK0(1)将所有负荷均衡监控子站FK1\FK2\FK3\FK4\FK5\FK6(3)满足K＝0条件的充电回路开关K1\K2\K3\K4\K5\K6(6)进行比较，优先将处于切断状态的时间T2为最大的充电回路开关进行释放，恢复可以充电的状态。

该释放过程中，当持续检测到G＝0，则间隔一定时间T1，陆续优先将处于切断状态的时间T2为最大的回路进行释放，恢复可以充电的状态。

本工作述状况则当过负荷情况消失时，将负荷均衡监控子站FK2\FK4\FK6(3)及其对应的充电开关K2\K4\K6(6)处于断开状态的时间T2进行比较，优先将处于切断状态的时间T2为最大的回路进行释放，恢复可以充电的状态。

如果负荷均衡监控子站FK4(3)对应的充电回路开关K4(6)处于断开的时间T2最大，则优先将其恢复可以充电的状态。间隔一定时间T1，比较负荷均衡监控子站FK2与FK6对应的充电回路开关K2与K6(6)，处于切断状态的时间T2为最大者，陆续释放，类似判断处理，直到整个状态的结束。