基于概率統計的新疆電氣化鐵路負荷特性分析及對地區電網的影響

印 欣，張紹洲，劉紅麗，常喜強

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;2.伊犁電力公司，新疆 伊寧 835000;3.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

新疆第一條電氣化鐵路精伊霍線精河至伊犁全線共設精河南、敖包、阿恰爾、蘇古爾、蘇布臺、布列開、伊寧東7個電鐵牽引變電站，主要任務是向電力機車供電。牽引供電系統的負荷特性，主要取決于電力機車的電氣特性、鐵路線路條件和運輸組織方案等因素。電氣化鐵路的相繼投入運行，已影響到電網的安全、穩定、環保運行和供電質量。從分析電氣化鐵路運行數據著手，找出了新疆電氣化鐵路的運行規律和負荷特性，在現場調查和實測的基礎上，分析研究了電氣化鐵路對地區電網的影響，即造成地區電網負荷預測準確率、電壓調整和控制、供電線路電壓質量、接入變電站繼電保護裝置等問題，提出了加強負荷預測、調度運行管理、電壓調整等多項解決措施。對于電鐵負荷預測、電壓調整、運行控制、諧波治理等方面具有指導意義。

1 電氣化鐵路負荷特性分析

電氣化鐵路牽引負荷是移動、幅值變化大而且頻繁的特殊負荷，其負荷日波動的特征非常明顯，引起這種日波動的原因與線路條件、機車類型與操縱、機車速度、牽引重量等因素有關，而這些因素又具有隨機性，因此電鐵牽引負荷是一個典型的日波動負荷，具有短時沖擊負荷的特征;電鐵牽引負荷又是不平衡負荷，它引起三相電力系統不對稱，產生負序電流;形成負序電壓;電鐵牽引負荷由整流型電力機車產生，含有豐富的諧波，屬于諧波電流源。因此對電網的影響較大。

圖1 新疆電氣化鐵路示意圖

電鐵負荷隨時間在不斷變化，一般用負荷圖表表示。常規的統計方式是每隔15 min采集牽引變壓器高壓側有功功率，一天采集96個點的數據。采集的數據當中，有電鐵通過的時段牽引變電站向列車供電，主變壓器高壓側有功不為0，其余時段由于鐵路上沒有列車通行，主變壓器高壓側采集到的有功均為0。但考慮到采集誤差的影響，原本有功為0的時段內有很小的功率存在，不為0的有功時段內采集到很小甚至0功率，需要根據概率統計的方式剔除由于采集誤差造成的不準確。根據SCADA系統實測數據，以2011年1月阿恰爾牽引變電站2號主變壓器高壓側有功功率為例，如圖2所示。

圖2 2011年1月阿恰爾牽引變電站2號主變壓器高壓側有功功率示意圖(MW)

從圖2中可以看出1月阿恰爾牽引變電站的送電情況。每日4:30分之前，牽引變電站接觸網幾乎沒有功率流動，說明鐵路上沒有大規模的物力、人力運輸，負荷較小，零星的負荷可能是鐵路人員檢修或采集系統造成的誤差。4:30～5:00，有接近1 MW的功率流入供電臂內，說明即將有負荷較重的電力機車從阿恰爾牽引變電站送電范圍內駛過，電力機車受電將從上一個牽引變電站接觸網過渡到阿恰爾牽引變電站接觸網，電力機車上的直流電機失去電源，由電動機狀態轉變為發電機狀態向接觸網供電。5:00～5:30，電力機車駛入阿恰爾牽引變電站供電范圍內，牽引變電站開始給電力機車供電，主變壓器向電力機車輸送功率較大，達到6 MW左右。受天氣、節假日、春運等因素對鐵路運力造成的影響，電鐵負荷在這一時段內仍然呈現隨機性、波動性特點。從圖中還可以看出，每日電鐵負荷高峰均集中在5:00～5:30和5:45～6:15兩時間段內，每日電鐵負荷同時率較高，負荷較大，時間節點較為固定，由此推斷出兩時段內通行的列車均為客運列車。根據鐵路運輸相關規定，兩列電力機車同向行駛時間間隔至少30 min，可以推斷出5:45～6:15行駛的列車與5:00～5:30鐵路上行駛的列車是相向而行的。其余時刻鐵路上有零星的負荷，這是由于天氣情況造成火車晚點、誤點以及線路檢修等原因造成的。

根據以上分析可知，精伊霍電氣化鐵路每日雙向發行一趟客運列車，在每日5:00～5:30和5:45～6:15兩時間段由阿恰爾牽引變電站供電，最大負荷為7.7 MW，最小負荷為4.2 MW，平均負荷達到5.9 MW。

2011年3月12日阿恰爾牽引變電站2號主變壓器檢修，由1號主變壓器轉帶電鐵負荷，以SCADA系統實測阿恰爾牽引變電站1號主變壓器高壓側有功功率為例，如圖3所示(3月12日至3月27日)。

圖3 2011年3月12日至27日阿恰爾牽引變電站1號主變壓器高壓側有功功率示意圖(MW)

從圖3中可以看出，5:00～5:30通行的列車時刻表沒有發生變化，而相向而行的列車由5:45～6:15改為6:45～7:15通過牽引站送電范圍。由于改變送電方式，同時受天氣原因、鐵路狀況、節假日的影響更加劇烈，阿恰爾牽引變電站3月份負荷同時率較1月份有明顯的下降，列車通行時段內負荷波動性更加明顯。同時，隨著客運量的提升，傳輸功率也有了一定的增加。從圖中可以看到5:00～5:30時段內電鐵最大負荷為9.6 MW，最小負荷為4.2 MW，平均負荷為6.9 MW，最大峰谷差為5.4 MW。

對比1月份負荷特性柱狀圖，可以發現3月份電鐵在阿恰爾牽引變電站供電范圍內最大負荷較大，平均負荷以及最大峰谷差也較大，日負荷較1月有明顯的升高。同時隨著線路運行狀況的不斷改善，客運線路車次不斷增加，鐵路運力相應提高，使得負荷呈現出的波動性、時段性更加明顯。

通過以上分析可知，了解了電鐵負荷特性，同時把握了鐵路運輸的組織方式，對于電網部門更好地開展負荷預測、電壓調整、諧波治理、供電可靠性等方面提供了切實的依據。

2 電氣化負荷對地區電網的影響

目前伊犁電網所接的電氣化鐵路牽引變電站負荷主要以110 kV電壓等級接入伊犁電網，在現場調查和實測的基礎上，目前電氣化鐵路對伊犁電網的影響主要表現在如下幾個方面:負荷預測、電壓調整和控制、電壓質量、繼電保護方面。

2.1 負荷管理方面

電氣化牽引負荷在有機車運行時，存在負荷，機車停運時，負荷消失，且列車行進過程中遇到的阻力也不斷變化，列車需要頻繁地啟動、加速、惰行、制動(僅考慮單個牽引變電站供電范圍內機車的啟動次數，電氣化鐵路為20次以上)，或者從一個供電區進入或退出，都將造成牽引負荷劇烈地波動，這些都使得牽引變電站負荷存在著隨機性、無序性、沖擊性，負荷隨著機車進行波動，這對地區電網負荷預測準確性產生一定的影響，典型日負荷波動曲線具體參見圖5。

圖4 伊東牽引變電站月負荷波動曲線

圖5 伊東牽引變電站日負荷波動曲線

目前伊犁地區電網電鐵負荷波動在0～5 MW，且波動較快。這增加了負荷預測的難度，影響了準確性的提高，對于發電出力安排、地區上下網功率交換均造成了影響。

2.2 電壓控制方面

電鐵牽引負荷在波動時，產生較大的沖擊電流。產生最大電流突變量的主要原因是電力機車在合閘時內部變壓器產生了勵磁涌流，最大涌流幅值大約可達最大容量機車額定電流的4倍，在PCC點將產生較大的電壓波動，電壓的波動對與之相連的樞紐變電站電壓調整和控制也產生較大的影響。典型日電壓波動曲線具體參見圖6。

圖6 樞紐變電站110 kV母線日電壓波動曲線

圖7 樞紐變電站110 kV母線月電壓波動曲線

從上圖可以看出，日負荷波動較大時，對電壓影響也較大，110 kV電壓日波動達到6 kV以上，若在負荷高峰時期，樞紐變電站電壓較低時，易造成電壓越限，這增大了樞紐變電站電壓控制難度。若電鐵交錯，班次增多，之間間隔時間短，那么長時間閃變也會明顯。突然的電壓變化導致自動化控制裝置停頓或誤動、變頻調速器停頓、電動機暫停，破壞生產，設備運行會變得困難、過熱或導致絕緣性能不能滿足實際電壓的變化。長期或反復的電壓波動會降低設備使用壽命，反復出現的電壓波動可能導致計算機系統硬件損壞、死機、異常。還會造成電表轉速加快，瞬流會嚴重影響感性電度表表盤的作用力矩和轉速，使表盤發生階躍式地轉快。

2.3 對設備的影響

電鐵牽引負荷由于產生負序電流，其負序電流造成三相電流不對稱，因而會造成電力變壓器三相電流中有一相電流增大，而不能有效發揮變壓器的額定出力(變壓器容量利用率下降)。另外，還造成變壓器的附加能量損失，在變壓器鐵心磁路中產生附加發熱。

電鐵牽引負荷由于產生負序電流，其負序電流造成三相電流不對稱，負序電流流過送電線路時，負序功率實際上并不做功，而只造成電能損失，增加了網損，降低了送電線路的輸送能力。

2.4 對供電質量的影響

電鐵牽引變電站所接的公共PCC點的各項電能指標與其短路容量有著密切的關系，短路容量越大，分配給牽引變電站負荷的限值就越大，電鐵負荷對系統的相對影響就越小。電氣化牽引變電站在設計時，其影響電能質量的校核通常采用最終規模的短路容量進行校核，在電氣化牽引站接入時，其系統規模未達到最終規模，同時在系統運行方式變化時，系統的短路容量也不同。所以電鐵牽引變電站所接的公共PCC點的各項電能指標也是一個動態變化，在系統小方式時，尤其是在后半夜時，公共點的各項指標均增大，過渡時期短路電流比設計短路電流小，將造成諧波增大。圖8為樞紐變電站220 kV母線短路電流變化圖，從圖中可以看出，短路電流是有一定變化的，因此需要加強對諧波的監測。

圖8 樞紐變電站220 kV母線短路電流變化圖

3 針對電鐵負荷對地區電網的影響所采取的措施

目前新疆正大力建設電氣化鐵路，同時電氣化鐵路牽引負荷也在快速增長，面對電鐵牽引負荷增長的局面，需要積極應對，積極采取有效措施保證電網安全穩定運行和最大限度地接納電氣化牽引負荷。

(1)針對電氣化鐵路牽引負荷的波動性、無序性和隨機性，加大對電鐵牽引負荷的分析，掌握其運行規律的變化，通過對負荷的概率分布分析，找出其中的特性，便于更好地進行負荷預測和分析。

(2)針對電氣化鐵路牽引負荷對電壓的影響，加大分析力度，尤其是仿真分析，提前做好技術措施，防止電壓波動幅度較大，確保電壓合格。對電氣化鐵路接入的公共站，精心監控母線電壓，有條件的加裝動態無功補償裝置，以跟蹤系統電壓變化。

(3)針對電氣化鐵路牽引負荷的沖擊性、單相性、負序性，加大對設備的檢測力度，定期進行設備運行狀態評估，以提前發現問題、解決問題。

(4)針對電氣化鐵路牽引負荷產生的諧波，加大對諧波的檢測、治理和控制。定期進行諧波狀態評估，以提前發現問題、解決問題。

4 結語

對新疆電氣化鐵路負荷特性進行分析研究，總結出電氣化鐵路運行組織規律，同時結合地區電網提出電鐵對地區電網的影響。掌握了電氣化鐵路的運行規律，可以提高電網負荷預測的準確性，同時對于電壓調整、諧波治理、短路電流、供電質量等方面具有一定的指導意義。牽引供電系統是一個龐大而又復雜的系統，對其進行全面的分析是一項較為復雜的工作。今后的工作還有很多，如列車牽引運行過程的仿真以及電力列車動態仿真模型，計算各個變電所供電臂負荷依時間變化的全過程以及全線列車運行的全過程等等，將在今后的學習和工作中在這些方面做進一步分析研究和探討。

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