城市軌道交通供電系統電能質量限值計算方法

朱明星，錢辰辰，段曉波，李令冬，胡文平，戎士洋

(1.安徽大學電氣工程與自動化學院，合肥市 230601；2.河北省電力公司電力科學研究院，石家莊市 050021)

城市軌道交通供電系統電能質量限值計算方法

朱明星1，錢辰辰1，段曉波2，李令冬1，胡文平2，戎士洋2

(1.安徽大學電氣工程與自動化學院，合肥市 230601；2.河北省電力公司電力科學研究院，石家莊市 050021)

近年來，由于城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環境、節約能源和用地等特點，在國內大中型城市迅速發展，但是城市軌道交通用電屬性決定了其為典型的非線性“污染源”負荷。為了保證含城市軌道交通的供配電系統安全穩定運行，需要明確含城市軌道交通電網電能質量限值的計算方法，以利于對其進行電能質量測試與評估。基于這一背景，研究了城市軌道交通接入電網電能質量限值的計算方法，提出了含城市軌道交通負荷的供配電系統電能質量限值計算方法，并對某實際城市軌道交通供配電系統進行了電能質量限值計算，為科學評估含城市軌道交通供配電系統的電能質量提供了評估依據。

城市軌道交通；電能質量；限值；計算方法；評估

0 引 言

城市軌道交通建設作為城市基礎設施建設的主題之一，一直是國內外研究的熱點。中國經濟的發展促使中國城市軌道交通的建設迎來了一個新的高潮，各大城市紛紛制訂了規模龐大的軌道交通網絡規劃，建設工作亦已全面展開。文獻[1]提出了24脈波整流機組相比12脈波具有更強的削弱網側諧波電流的功能，24脈波整流機組將成為地鐵中電網建設的主流；文獻[2]建立了24脈波整流機組主電路仿真模型，并對直流側諧波電流和饋入電網的諧波電流進行了分析；文獻[3]分析了由整流機組自身所引起的影響網側諧波電流含量的各種因素；文獻[4]研究了城市輕軌供電系統對公共電網電能質量的影響，文獻[5]提出了電網評估指標體系的構建及應用，為電能質量評估提供技術支持。

城市軌道交通屬于非線性負荷，必將成為電網中的污染源，大量城市軌道交通負荷接入電網，可能會對電網的電能質量帶來不利影響，難以保證供配電系統的安全運行，因此必須對含城市軌道交通負荷的供配電系統進行測試分析和評估。

同時考慮到城軌供配電系統內部考核較接于電力公司公共連接點(point of common coupling, PCC)點的限值要求程度不同，將城軌交通供配電系統考核點分為4類，采用不同的評估方法，力求最大限度地降低用戶電能質量的技術和管理成本。

為科學評估含城市軌道交通負荷供配電系統的電能質量，首先要解決含城市軌道交通負荷供配電系統的電能質量限值計算問題，本文從城市軌道交通供電方式出發，提出了城市軌道交通供配電系統電能質量限值的計算方法，并利用該方法對某一含城市軌道交通負荷的供配電系統進行電能質量限值計算，為科學評估含城市軌道交通供配電系統的電能質量提夠了技術支持。

1 城市軌道交通典型供配電系統

1.1 一次供電方式

城市軌道交通一次供電首先經過軌道交通的中央變電所降到35 kV，然后送至下級牽引供電站，為整流機組供電，整流成為1 500 V的直流送至牽引供電臂。城市軌道交通典型一次側供電方式如圖1所示。從圖1可以看出，城市軌道交通的一次側供電采用雙母線供電，以保證系統的安全穩定運行。

圖1 城市軌道交通典型一次供電系統圖

1.2 二次供電方式

目前，各條軌道交通線路的供電方式類似，牽引供電均采用不可控整流，同時，考慮到24 脈波整流機組直流側輸出的直流電流諧波含量很小，饋入電網的交流電流諧波含量也會降低，減少了對電網的污染，且輸出直流電壓的紋波系數小，直流電壓質量高等優點，城市軌道交通大部分采用24脈沖方式。城市軌道交通二次側供電方式如圖2所示[6]。

圖2 城市軌道交通二次供電系統圖

根據城軌交通的供電方式，給出某典型城軌負荷接入電網供配電系統如圖3所示。

2 城市軌道交通供配電系統電能質量限值計算方法

2.1 電能質量評估點和評估指標

根據電能質量評估內容、評估指標、評估標準和評估目的的不同，將含城市軌道交通供配電系統的評估點分為電力公司評估點和城軌供電系統內部評估點，其中電力公司評估點包括電力公司內部評估點和電力公司與電力用戶雙向評估點；城軌供電系統內部評估點包括高壓評估點和中壓評估點。

(1)電力公司內部評估點：主要評價電力公司對所有用戶供電質量和接入電力公司所有用戶的用電質量，如圖3所示的A點。

(2)電力公司與用戶雙向評估點：主要評價電力公司供電質量和單個電力用戶的用電質量，如圖3所示的A1、A2、A3點。

圖3 典型城市軌道接入電網的供配電系統圖

(3)城市軌道交通用戶內部中高壓評估點：主要評價城市軌道交通供配電系統內部中高壓供電質量和各牽引變電高壓負荷用電質量，如圖3所示的A11、B1、B11、B12和B1n。

(4)城市軌道交通用戶內部低壓評估點：城軌供電系統內部中壓評估點主要評價城市軌道交通供配電系統內部中壓供電質量和城市軌道用戶用電質量，如圖3所示的C1、C2、Cn、C11、C12、C21、C22、Cn1和Cn2點。

2.2 電力公司評估點的限值計算方法

2.2.1 供電電壓質量限值計算方法

(1)在正常運行條件下，電力公司評估點系統頻率偏差限值為±0.2 Hz[7]。

(2)電力公司評估點110 kV供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過額定電壓的10%[8]。

(3)電網正常運轉時，電力公司內部評估點負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%；接于電力公司內部評估點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%[9]。

(4)電力公司評估點電壓總諧波畸變率限值為2.0%，奇次諧波電壓含有率限值為1.6%，偶次諧波電壓含有率限值為0.8%[10]。

(5)電力公司內部評估點電壓閃變限值為1.0；電力公司評估點電壓變動限值與變動頻度的關系見表1[11]。

表1 電力公司評估點電壓波動限值

2.2.2 用電電流質量限值計算方法

(1)電力公司內部評估點諧波電流限值。

根據文獻[10]，設Ihp為基準短路容量時的諧波電流限值，Sc為基準短路容量，Smin為電力公司內部評估點最小短路容量，則電力公司內部評估點A的諧波電流限值Ip按式(1)計算：

(1)

(2)電力公司與電力用戶雙向評估點諧波電流限值。

根據文獻[10]，設Sp為供電容量，Si為協議用電容量，則電力公司與電力用戶雙向評估點A1、A2和A3的諧波電流限值Ih按下式計算：

(2)

(3)電力公司評估點負序電流限值。

根據文獻[9]，設Un為電力公司評估點的電壓等級(單位： kV)，ξu為電力公司評估點對應的負序電壓限值，Smin為電力公司評估點對應的最小短路容量(單位：MVA)，同時考慮到系統基波阻抗約等于基波負序阻抗，則在系統最小運行方式下，電力公司評估點的負序電流限值可以按照下式進行計算：

(3)

(4)無功功率沖擊限值。

根據文獻[11]可知，在高壓電網中，假設ΔQi為電力公司評估點的無功功率沖擊，Smin為電力公司評估點對應的最小短路容量，則電壓變動可近似由下式獲得：

(4)

因此，可以利用電力公司評估點電壓變動限值給出無功功率沖擊限值見表2。

表2 電力公司評估點無功功率沖擊限值

(5)接于電力公司內部評估點各用戶引起的電壓長時間閃變限值。

文獻[11]規定波動負荷單獨引起的閃變值根據用戶負荷大小、其協議用電容量占總供電容量的比例以及電力系統公共連接點的狀況，分別按三級作不同的規定和處理，本文按照第二級處理。

假設Lp為電力公司內部評估點對應電壓等級的長時間閃變值Plt限值；Lh為上一電壓等級的長時間閃變值Plt限值；T為上一電壓等級對下一電壓等級的閃變傳遞函數，推薦為0.8；F為波動負荷的同時系數，其典型值F=0.2～0.3；Si為各用戶的協議用電容量；St為電力公司內部評估點的總供容量，則如圖3中的A1、A2、A3點用戶引起的電壓長時間閃變限值為

(5)

2.3 內部評估點限值計算方法

2.3.1 供電電壓質量限值計算方法

(1)在正常運行條件下，系統頻率偏差限值為±0.2 Hz[7]。

(2)35 kV及以上供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過額定電壓的10%；20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的7%[8]。

(3)內部評估點A11的負序電壓不平衡度限值為1.3%，短時不超過2.6%[9]。

B1的負序電壓不平衡度限值由內部評估點的負序電流計算得到，假設B1點額定電壓為Un′(單位： kV)，B1點最小短路容量為Smin′(單位：MVA)，B1的負序電流限值為εi(單位：A)，則B1點的負序電壓限值(單位：%)計算公式如式(6)所示：

(6)

(4)內部評估點電壓變動限值見表3[11]。

表3 內部評估點的電壓變動限值

(5)內部評估點屬于工廠內部評估點，如果按照國標來考核，用戶即使投資大量的電能質量治理裝置仍不能達到要求，科學制定中高壓用戶內部配電網的電能質量和干擾限值可以最大限度地降低用戶電能質量的技術和管理成本，本文根據IEC61000-3-6標準[12]給出城軌供電系統內部評估點電壓總畸變率限值為6.5%，各次諧波電壓限值參見表4。

(6)內部評估點的電壓閃變限值。

內部評估點A11電壓長時間閃變限值與電力公司評估點A1電壓長時間閃變限值相同，同時考慮到由波動負荷引起的電壓波動從低壓傳遞到高壓的比例約為0.8～1，則可得出內部評估點B1、B11、B12、B1n的閃變限值與電力公司評估點A1電壓長時間閃變限值亦相同。

考慮到內部低壓評估點C1、C2、Cn、C11、C12、C21、C22、Cn1和Cn2點所帶的負荷特性，因此針對內部低壓考核點不需要計算電壓閃變限值。

2.3.2 用電電流質量限值計算方法

(1)內部中高壓評估點諧波電流限值。

假設根據電力公司與電力用戶雙向評估點諧波電流限值計算方法計算出A1點的諧波電流限值為Ih，則內部110 kV進線A11點的諧波電流限值也為Ih。同時不考慮背景諧波或背景諧波很小時，根據主變電所變壓器變比計算得出內部35 kV進線B1點的諧波電流限值為Ihk，其中k為變壓器變比。

表4 內部評估點的各次諧波電壓限值

(2)內部各牽引站諧波電流限值。

由于內部低壓負荷所產生的諧波電流注入35 kV系統的諧波電流很小，并假設城市軌道交通1臺主變帶n臺牽引站，則內部各牽引站B12、B1n的諧波電流限值相等，為Ihk/n。

(3)內部低壓負荷諧波電流限值。

內部低壓負荷主要為動力照明用電負荷，并根據用途和重要性分為三級：一級負荷主要包括：變電所操作電源、應急照明、通信系統、信號系統、自動售檢票系統、火災自動報警系統、安全門、人防系統、廢水泵、消防水系統設備及閥門、氣體滅火系統、消防用風機及相關閥門、擋煙垂簾、用于疏散的自動扶梯、防火卷簾門等。二級負荷主要包括：公共區正常照明、附屬房間照明、不用于疏散的自動扶梯(電梯)、污水泵、普通風機及相關閥門、檢修電源等。三級負荷主要包括：空調制冷系統設備、廣告照明、電熱設備、清掃電源及其他不屬于一、二級負荷的用電設備，因此內部低壓負荷的諧波電流限值應按照GB 17625.1—2003/IEC 61000-3-2：2001 《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16 A)》[13]和GB/Z17625.6—2003/IEC TR 61000-3-4：1998《電磁兼容 限值 對額定電流大于16 A的設備在低壓供電系統中產生的諧波電流的限制》[14]進行計算。

(4)內部評估點負序電流限值。

內部評估點A11負序電流限值計算方法與電力公司評估點A1負序電流限值相同。

假設已知A11的負序電流限值為εi,A11，變壓器變比為k，則B1的負序電流限值εi=εi,A11k。

(5)內部評估點無功沖擊限值。

已知內部評估點B1的最小短路容量，可采用電力公司內部評估點無功沖擊限值計算方法得出內部評估點B1的無功沖擊限值，同時考慮到B1點與A11點中間只有變壓器和線路，因此內部評估點A11的無功沖擊限值與B1點相同。

考慮到內部低壓評估點C1、C2、Cn、C11、C12、C21、C22、Cn1和Cn2點所帶的負荷特性，對內部低壓考核點不需要計算無功沖擊限值。

3 限值計算方法的應用實例

某城市軌道交通供配電系統如圖3所示，已知該供配電系統橋西110 kV母線的最小短路容量Smin，1=1 331 MVA，和平醫院站110 kV母線的最小短路容量Smin,2=990 MVA，城市軌道交通的供電容量Sp=180 MVA，城市軌道交通主變的協議用電容量Si=31.5 MVA，城市軌道交通主變一共帶3臺牽引站。

和平醫院主變電所110/35 kV變壓器的額定容量為Sn=31.5 MVA，短路電壓百分比為10.5%，結合和平醫院站110 kV母線的最小短路容量計算得出和平醫院站35 kV母線的最小短路容量Smin,3=230.23 MVA。

最后，根據本文介紹的限值計算方法給出該城市軌道交通各評估點的限值如表5和表6所示，其中Δf為各評估點頻率限值，eu為各評估點電壓偏差限值，THDu為電壓總諧波畸變率限值，HRUh為各次諧波電壓含有率；εu為負序電壓限值；εi為負序電流限值；Pst為電壓閃變限值；d為電壓波動限值；ΔQ無功沖擊限值；Ih為各次諧波電流限值。

表5 城市軌道交通各評估點的限值計算結果

表6城市軌道交通各評估點的諧波電流限值計算結果

Tab.6Harmoniccurrentlimitresultsofeachevaluationpointinurbanrailtransit

4 結 論

城市軌道交通接入電網電能質量限值計算科學合理的方法，是在確保供配電系統安全穩定運行的前提下，盡可能地優化電能質量管理，降低電能質量治理成本。本文正是基本此思路提出了城市軌道交通供配電系統的電能質量計算方法，并得出了以下結論。

(1)電力公司內部評估點嚴格按照電能質量國家標準進行限值計算；而對于城市軌道交通內部評估點采用電磁兼容標準進行限值計算，在保證PCC點電能質量不超標的情況下放寬了對城軌交通內部電網電能質量考核。

(2)較科學合理地解決了城軌交通負荷與其他用戶對PCC點電能質量限值指標的分配工作。

(3)對于各低壓負荷，只要其自身滿足電磁兼容標準就允許接入電網，不對低壓總進線進行考核。

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[12]IEC 61000—3—6 Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power system[S].

[13]GB 17625.1—2003/IEC 61000—3—2：2001 電磁兼容 限值 諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16A)[S].

[14]GB/Z 17625.6—2003/IEC TR 61000—3—4：1998 電磁兼容 限值 對額定電流大于16 A的設備在低壓供電系統中產生的諧波電流的限制[S].

(編輯：張媛媛)

CalculationMethodofPowerQualityLimitsofUrbanRailTransitPowerSupplySystem

ZHU Mingxing1, QIAN Chenchen1,DUAN Xiaobo2, LI Lingdong1, HU Wenping2, RONG Shiyang2

(1. Electrical Engineering and Automation of Anhui University, Hefei 230601, China;2. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)

In recent years, due to the characteristics of huge capacity, fast speed, safety, on schedule, environmental protection, energy and land saving, and so on, urban rail transit has been rapidly developed in the large and medium-sized cities in China. But the electricity attribute of urban rail transit determines that it is a typical nonlinear “pollution” load. In order to ensure the safe and stable operation of the power supply and distribution system containing urban rail transit, the calculation method of power quality limits of urban rail transit should be put forward for the test and evaluation of power quality. Therefore, this paper studied the calculation method of power quality limits of urban rail transit accessed to power grid, and proposed the calculation method of power quality limits for the power supply and distribution system containing urban rail transit, and used the calculation method for an actual the power supply and distribution system containing urban rail transit. The research results can provide a basis for the scientific evaluation of power quality of power supply and distribution system containing urban rail transit.

urban rail transit; power quality; limit; calculation method; evaluation

河北省電力公司2012綜合計劃項目(kj2012-048)；青海省重大科技專項(2012-J-A1)。

TM 174

： A

： 1000-7229(2014)09-0039-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.008

2014-03-11

：2014-05-08

朱明星(1968)，男，副教授，碩士研究生導師，長期致力于大型企業用戶供配電系統的電能質量技術監督與管理、電能質量監測與分析、電能質量控制、電能質量綜合評估、電能質量仿真技術等領域的科研與工程項目；

錢辰辰(1989)，男，碩士研究生，研究方向為電能質量分析與控制，微網分析與控制，本文通訊作者，E-mail：ccqian118@163.com；

段曉波(1959)，男，高級工程師，雙學士，主要從事電能質量分析與控制、電網分析工作；

李令冬(1942)，男，教授級高級工程師，主要從事工業節電與配電網電能質量控制方面的研究工作；

胡文平(1968)，男，博士，高級工程師，主要從事新能源發電并網、電網分析工作；

戎士洋(1982)，男，碩士，工程師，主要從事新能源發電并網、電網分析工作。