電氣化負(fù)荷對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響

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電鐵負(fù)荷隨時(shí)間在不斷變化，一般用負(fù)荷圖表表示。常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方式是每隔15min采集牽引變壓器高壓側(cè)有功功率，一天采集96個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)當(dāng)中，有電鐵通過(guò)的時(shí)段牽引變電站向列車供電，主變壓器高壓側(cè)有功不為0，其余時(shí)段由于鐵路上沒(méi)有列車通行，主變壓器高壓側(cè)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(shí)段內(nèi)有很小的功率存在，不為0的有功時(shí)段內(nèi)采集到很小甚至0功率，需要根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的方式剔除由于采集誤差造成的不準(zhǔn)確。根據(jù)SCADA系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以2011年1月阿恰爾牽引變電站2號(hào)主變壓器高壓側(cè)有功功率為例。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(wǎng)幾乎沒(méi)有功率流動(dòng)，說(shuō)明鐵路上沒(méi)有大規(guī)模的物力、人力運(yùn)輸，負(fù)荷較小，零星的負(fù)荷可能是鐵路人員檢修或采集系統(tǒng)造成的誤差。4:30～5:00，有接近1MW的功率流入供電臂內(nèi)，說(shuō)明即將有負(fù)荷較重的電力機(jī)車從阿恰爾牽引變電站送電范圍內(nèi)駛過(guò)，電力機(jī)車受電將從上一個(gè)牽引變電站接觸網(wǎng)過(guò)渡到阿恰爾牽引變電站接觸網(wǎng)，電力機(jī)車上的直流電機(jī)失去電源，由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)向接觸網(wǎng)供電。5:00～5:30，電力機(jī)車駛?cè)氚⑶枲恳冸娬竟╇姺秶鷥?nèi)，牽引變電站開(kāi)始給電力機(jī)車供電，主變壓器向電力機(jī)車輸送功率較大，達(dá)到6MW左右。受天氣、節(jié)假日、春運(yùn)等因素對(duì)鐵路運(yùn)力造成的影響，電鐵負(fù)荷在這一時(shí)段內(nèi)仍然呈現(xiàn)隨機(jī)性、波動(dòng)性特點(diǎn)。從圖中還可以看出，每日電鐵負(fù)荷高峰均集中在5:00～5:30和5:45～6:15兩時(shí)間段內(nèi)，每日電鐵負(fù)荷同時(shí)率較高，負(fù)荷較大，時(shí)間節(jié)點(diǎn)較為固定，由此推斷出兩時(shí)段內(nèi)通行的列車均為客運(yùn)列車。

根據(jù)鐵路運(yùn)輸相關(guān)規(guī)定，兩列電力機(jī)車同向行駛時(shí)間間隔至少30min，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(shí)刻鐵路上有零星的負(fù)荷，這是由于天氣情況造成火車晚點(diǎn)、誤點(diǎn)以及線路檢修等原因造成的。根據(jù)以上分析可知，精伊霍電氣化鐵路每日雙向發(fā)行一趟客運(yùn)列車，在每日5:00～5:30和5:45～6:15兩時(shí)間段由阿恰爾牽引變電站供電，最大負(fù)荷為7．7MW，最小負(fù)荷為4．2MW，平均負(fù)荷達(dá)到5．9MW。2011年3月12日阿恰爾牽引變電站2號(hào)主變壓器檢修，由1號(hào)主變壓器轉(zhuǎn)帶電鐵負(fù)荷，以SCA-DA系統(tǒng)實(shí)測(cè)阿恰爾牽引變電站1號(hào)主變壓器高壓側(cè)有功功率為例，如圖3所示(3月12日至3月27日)。從圖3中可以看出，5:00～5:30通行的列車時(shí)刻表沒(méi)有發(fā)生變化，而相向而行的列車由5:45～6:15改為6:45～7:15通過(guò)牽引站送電范圍。由于改變送電方式，同時(shí)受天氣原因、鐵路狀況、節(jié)假日的影響更加劇烈，阿恰爾牽引變電站3月份負(fù)荷同時(shí)率較1月份有明顯的下降，列車通行時(shí)段內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)性更加明顯。同時(shí)，隨著客運(yùn)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(shí)段內(nèi)電鐵最大負(fù)荷為9．6MW，最小負(fù)荷為4．2MW，平均負(fù)荷為6．9MW，最大峰谷差為5．4MW。對(duì)比1月份負(fù)荷特性柱狀圖，可以發(fā)現(xiàn)3月份電鐵在阿恰爾牽引變電站供電范圍內(nèi)最大負(fù)荷較大，平均負(fù)荷以及最大峰谷差也較大，日負(fù)荷較1月有明顯的升高。同時(shí)隨著線路運(yùn)行狀況的不斷改善，客運(yùn)線路車次不斷增加，鐵路運(yùn)力相應(yīng)提高，使得負(fù)荷呈現(xiàn)出的波動(dòng)性、時(shí)段性更加明顯。通過(guò)以上分析可知，了解了電鐵負(fù)荷特性，同時(shí)把握了鐵路運(yùn)輸?shù)慕M織方式，對(duì)于電網(wǎng)部門(mén)更好地開(kāi)展負(fù)荷預(yù)測(cè)、電壓調(diào)整、諧波治理、供電可靠性等方面提供了切實(shí)的依據(jù)。

電氣化負(fù)荷對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響

目前伊犁電網(wǎng)所接的電氣化鐵路牽引變電站負(fù)荷主要以110kV電壓等級(jí)接入伊犁電網(wǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，目前電氣化鐵路對(duì)伊犁電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:負(fù)荷預(yù)測(cè)、電壓調(diào)整和控制、電壓質(zhì)量、繼電保護(hù)方面。

負(fù)荷管理方面電氣化牽引負(fù)荷在有機(jī)車運(yùn)行時(shí)，存在負(fù)荷，機(jī)車停運(yùn)時(shí)，負(fù)荷消失，且列車行進(jìn)過(guò)程中遇到的阻力也不斷變化，列車需要頻繁地啟動(dòng)、加速、惰行、制動(dòng)(僅考慮單個(gè)牽引變電站供電范圍內(nèi)機(jī)車的啟動(dòng)次數(shù)，電氣化鐵路為20次以上)，或者從一個(gè)供電區(qū)進(jìn)入或退出，都將造成牽引負(fù)荷劇烈地波動(dòng)，這些都使得牽引變電站負(fù)荷存在著隨機(jī)性、無(wú)序性、沖擊性，負(fù)荷隨著機(jī)車進(jìn)行波動(dòng)，這對(duì)地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響，典型日負(fù)荷波動(dòng)曲線具體參見(jiàn)圖5。目前伊犁地區(qū)電網(wǎng)電鐵負(fù)荷波動(dòng)在0～5MW，且波動(dòng)較快。這增加了負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度，影響了準(zhǔn)確性的提高，對(duì)于發(fā)電出力安排、地區(qū)上下網(wǎng)功率交換均造成了影響。

電壓控制方面電鐵牽引負(fù)荷在波動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生較大的沖擊電流。產(chǎn)生最大電流突變量的主要原因是電力機(jī)車在合閘時(shí)內(nèi)部變壓器產(chǎn)生了勵(lì)磁涌流，最大涌流幅值大約可達(dá)最大容量機(jī)車額定電流的4倍，在PCC點(diǎn)將產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，電壓的波動(dòng)對(duì)與之相連的樞紐變電站電壓調(diào)整和控制也產(chǎn)生較大的影響。典型日電壓波動(dòng)曲線具體參見(jiàn)圖6。從上圖可以看出，日負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，對(duì)電壓影響也較大，110kV電壓日波動(dòng)達(dá)到6kV以上，若在負(fù)荷高峰時(shí)期，樞紐變電站電壓較低時(shí)，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(cuò)，班次增多，之間間隔時(shí)間短，那么長(zhǎng)時(shí)間閃變也會(huì)明顯。突然的電壓變化導(dǎo)致自動(dòng)化控制裝置停頓或誤動(dòng)、變頻調(diào)速器停頓、電動(dòng)機(jī)暫停，破壞生產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行會(huì)變得困難、過(guò)熱或?qū)е陆^緣性能不能滿足實(shí)際電壓的變化。長(zhǎng)期或反復(fù)的電壓波動(dòng)會(huì)降低設(shè)備使用壽命，反復(fù)出現(xiàn)的電壓波動(dòng)可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件損壞、死機(jī)、異常。還會(huì)造成電表轉(zhuǎn)速加快，瞬流會(huì)嚴(yán)重影響感性電度表表盤(pán)的作用力矩和轉(zhuǎn)速，使表盤(pán)發(fā)生階躍式地轉(zhuǎn)快。

對(duì)設(shè)備的影響電鐵牽引負(fù)荷由于產(chǎn)生負(fù)序電流，其負(fù)序電流造成三相電流不對(duì)稱，因而會(huì)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(fā)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(chǎn)生附加發(fā)熱。電鐵牽引負(fù)荷由于產(chǎn)生負(fù)序電流，其負(fù)序電流造成三相電流不對(duì)稱，負(fù)序電流流過(guò)送電線路時(shí)，負(fù)序功率實(shí)際上并不做功，而只造成電能損失，增加了網(wǎng)損，降低了送電線路的輸送能力。

對(duì)供電質(zhì)量的影響電鐵牽引變電站所接的公共PCC點(diǎn)的各項(xiàng)電能指標(biāo)與其短路容量有著密切的關(guān)系，短路容量越大，分配給牽引變電站負(fù)荷的限值就越大，電鐵負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的相對(duì)影響就越小。電氣化牽引變電站在設(shè)計(jì)時(shí)，其影響電能質(zhì)量的校核通常采用最終規(guī)模的短路容量進(jìn)行校核，在電氣化牽引站接入時(shí)，其系統(tǒng)規(guī)模未達(dá)到最終規(guī)模，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行方式變化時(shí)，系統(tǒng)的短路容量也不同。所以電鐵牽引變電站所接的公共PCC點(diǎn)的各項(xiàng)電能指標(biāo)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化，在系統(tǒng)小方式時(shí)，尤其是在后半夜時(shí)，公共點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)均增大，過(guò)渡時(shí)期短路電流比設(shè)計(jì)短路電流小，將造成諧波增大。圖8為樞紐變電站220kV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(qiáng)對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)。

針對(duì)電鐵負(fù)荷對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響所采取的措施

目前新疆正大力建設(shè)電氣化鐵路，同時(shí)電氣化鐵路牽引負(fù)荷也在快速增長(zhǎng)，面對(duì)電鐵牽引負(fù)荷增長(zhǎng)的局面，需要積極應(yīng)對(duì)，積極采取有效措施保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和最大限度地接納電氣化牽引負(fù)荷。(1)針對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷的波動(dòng)性、無(wú)序性和隨機(jī)性，加大對(duì)電鐵牽引負(fù)荷的分析，掌握其運(yùn)行規(guī)律的變化，通過(guò)對(duì)負(fù)荷的概率分布分析，找出其中的特性，便于更好地進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)和分析。(2)針對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷對(duì)電壓的影響，加大分析力度，尤其是仿真分析，提前做好技術(shù)措施，防止電壓波動(dòng)幅度較大，確保電壓合格。對(duì)電氣化鐵路接入的公共站，精心監(jiān)控母線電壓，有條件的加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以跟蹤系統(tǒng)電壓變化。(3)針對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷的沖擊性、單相性、負(fù)序性，加大對(duì)設(shè)備的檢測(cè)力度，定期進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估，以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。(4)針對(duì)電氣化鐵路牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，加大對(duì)諧波的檢測(cè)、治理和控制。定期進(jìn)行諧波狀態(tài)評(píng)估，以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)新疆電氣化鐵路負(fù)荷特性進(jìn)行分析研究，總結(jié)出電氣化鐵路運(yùn)行組織規(guī)律，同時(shí)結(jié)合地區(qū)電網(wǎng)提出電鐵對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響。掌握了電氣化鐵路的運(yùn)行規(guī)律，可以提高電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)于電壓調(diào)整、諧波治理、短路電流、供電質(zhì)量等方面具有一定的指導(dǎo)意義。牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行全面的分析是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作。今后的工作還有很多，如列車牽引運(yùn)行過(guò)程的仿真以及電力列車動(dòng)態(tài)仿真模型，計(jì)算各個(gè)變電所供電臂負(fù)荷依時(shí)間變化的全過(guò)程以及全線列車運(yùn)行的全過(guò)程等等，將在今后的學(xué)習(xí)和工作中在這些方面做進(jìn)一步分析研究和探討。

作者：印欣張紹洲劉紅麗常喜強(qiáng)單位：新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院伊犁電力公司新疆電力公司