武广客运专线铁路电力负荷特性分析及预测

贺 辉，杨 洁

（1.湖南省电力公司 调度通信局，长沙 410007；2.娄底电业局，湖南 娄底 417000）

武汉至广州客运专线铁路（以下简称武广高铁）北起新武汉站，南至广州站，途经湖北、湖南和广东3省，全长968 km，湖北境内有5个220 kV牵引站，湖南境内有11个220 kV牵引站，广东境内有6个220 kV牵引站。武广高铁每辆列车有8节车厢，可载客1 000人左右，牵引重量为800 t，时速为350 km/h，列车追踪时间间隔4 min。牵引供电系统采用AT（自耦变压器）供电方式，牵引变电站间距为50～60 km，牵引变压器单台容量为75～100 MVA。

1 高铁负荷特点

1.1 冲击负荷明显

电气化铁路负荷是单相负荷，一根线接接触网，另外一根线接钢轨，如图1所示。这种大功率单相整流型负荷具有不对称、非线性和波动性的特点，在其运行过程中所产生的负序电流和谐波电流注入电力系统后，必然会引起三相电压不对称、电压波形畸变和电压波动，从而对电能质量产生一定影响，严重时还会危及电力系统的正常运行。

图1 电气化铁路牵引供电原理

电气化铁路的负荷随着机车牵引列车的数量、重量以及线路的坡度而变化，牵引列车满载、列车数量多、速度快、上坡时的负荷就比较大。铁路部门根据旅客流量和运力安排，实施相应的不同编组、不同追踪间隔的列车运输方案。所以，牵引变电站两供电臂内列车的数量及每辆列车的负载状态随时都在变化，变电站的负荷呈现出频繁波动的状态。在节假日或铁路故障后恢复运行等情况下，会出现列车的紧密追踪，此时牵引变电站将出现负荷高峰。

图2是2010年11月4日城用线（单个牵引站）、郴州地区（含城用线，共3个牵引站）以及湖南全省（共11个牵引站）的高铁负荷曲线（采样间隔为5 min）。从图2可知，城用线、郴州地区和湖南全省高铁负荷的冲击非常明显。当高铁负荷叠加到郴州地区的基本负荷上后，负荷的波动非常明显，如图3（a）所示。由此可见，武广高铁的冲击负荷对武广沿线的岳阳、衡阳以及郴州等地的负荷影响很大，严重影响其负荷预测的准确率。但是湖南全省的高铁负荷叠加到全省的基本负荷上后，由于全省的负荷基数大、各种冲击负荷（如：高铁及普通电气化铁路负荷、钢厂轧钢的负荷等）相互叠加，全省负荷曲线的毛刺不是很明显，对全省的负荷预测影响不大，如图3（b）所示。

图2 高铁负荷曲线

图3 总负荷曲线

在统计学上可以使用标准差和变异系数等指标表征数据的离散程度。标准差越大，数据之间的差异越大，各数据距离均值越远，平均数的代表性越低；反之，标准差越小，数据之间的差异越小，各数据距离均值较近，平均数的代表性越高。

虽然标准差能客观准确地反映一组数据的离散程度，但它是有计量单位的有名数，对于不同现象，或同一现象不同的样本，标准差不能直接相比，因此本文使用离散系数（变异系数）。常用的离散系数有平均差系数和标准差系数。

标准差系数是将标准差除以相应的平均数，用以反映数量值离差的相对水平，计量单位为百分数，如式（1）所示

式中：Vσ为标准差系数；σ为标准差；lav为日平均负荷。

文献［2］列出了反映牵引负荷离散程度和波动剧烈程度的波动系数。牵引负荷方均根值lrms表征了一个周期内的二阶原点矩，其数学定义如式（2）所示

δ1越大，负荷数据越分散。但是此指标只能比较不同牵引站的负荷，当多个牵引站负荷叠加到基本负荷后，比较效果不是很明显。定义一个新的波动系数δ2用来衡量所有负荷的波动作用，其数学定义如式（4）所示

通过对2010年11月4日的相关负荷数据进行分析计算，得到如表1所示的标准差系数和波动系数。

表1 负荷标准差系数和波动系数

分析表1可以发现：①单个高铁牵引站（城用线）负荷的标准差系数和波动系数均最大，表明单个牵引站的冲击负荷最明显，负荷数据离散程度也最高；②牵引站的冲击负荷叠加后，负荷的冲击作用反而减少了，负荷数据的离散程度也降低了；③高铁负荷叠加到基本负荷后，标准差系数和波动系数大大减少，且全省总负荷的相关指标小于地区总负荷的相关指标；④将多个牵引站负荷叠加至基本负荷后，凭借δ1已经无法进行比较。

1.2 列车制动时向系统倒送功率

如图4所示的2010年11月4日城用线高铁负荷（采样间隔为1 min）一天内有21次明显的“负”负荷。出现“负”负荷，表明牵引变电站处于能量回馈状态。高速动车组在制动工况下，电机处于发电状态，将动能转换为电能并通过变流器将其回馈到牵引网，这时牵引网的电压将被抬高。如果上一级电网较大，电网电压基本稳定，则牵引变电站相当于一个发电厂，于是就出现了“负”负荷。

图4 2010年11月4日城用线负荷曲线

由于再生制动能够向电网回馈能量，并且不会对轮轨踏面或制动盘造成损伤，所以再生制动是高速电气铁路首选的制动方式。

从图4可知：①13：55的负荷为负向最大-8.84 MW，9：48的负荷为负向最小-0.27 MW，全天“负”负荷平均值为-5.17 MW；②“负”负荷持续的时间一般不会很长，约为2～3 min。通过统计所有牵引线路的“负”负荷，可以发现“负”负荷的平均值一般都大于-10 MW。

由于“负”负荷出现次数有限，出现时刻也不同，当同一地区多个牵引线路负荷叠加后，出现“负”负荷的情况将会大大减小。当范围扩大到全省时，“负”负荷的出现几率更小。

1.3 全天向系统倒送充电无功

图5为2010年11月4日的城用线有功和无功负荷曲线（采样间隔为5 min）。分析图5可以发现：①即使没有有功负荷的时段（0：00～6：00），接触网也向系统注入无功功率；②该日接触网注入系统的无功负荷最小为6.03 Mvar，最大为21.17 Mvar，平均为9.22 Mvar；③无功负荷的波动与有功负荷的波动几乎一致，且无功负荷的冲击幅度约为有功负荷冲击幅度的一半。

图5 2010年11月4日城用线负荷曲线

2 高铁负荷特性分析

由于列车一般在运行图指导下运行，个别日期因铁路调度运行班次或时间可能有所改变。通常2日之间列车运行班次不会发生很大变化，对应的高铁负荷也有较为明显的规律性。图6和图7为2010年11月城用线负荷和湖南全省高铁负荷数据的分布曲线（采样间隔为5 min）。

图6 2010年11月城用线负荷分布

图7 2010年11月湖南全省高铁负荷分布

分析图2、图6和图7可以发现：

（1）武广高铁负荷具有显著的时段特征，负荷集中在6：00～23：40之间，其余时段负荷为0或者很小。

（2）图6中有负荷时段出现频率最多的负荷为10 MW，表明单个牵引机车的负荷约为10 MW，当牵引站供电范围内有2辆列车运行时（上行和下行）供电负荷约为20 MW，且目前同一站点最多有4辆运行列车。列车制动时返送主网的负荷一般约为6 MW。

（3）负荷受满载和轻载、上坡和下坡、制动和牵引叠加、单组或重联运行等诸多因素影响，出现了图6中斜坡段平稳过渡的负荷，其2010年11月城用线负荷数据的分布规律如表2所示（采样间隔为5 min）。

（4）由于湖南全省的高铁牵引站多，分布范围广，负荷变化平稳，主要负荷在100 MW～150 MW之间，其2010年11月全省高铁负荷数据的分布规律如表3所示（采样间隔为5 min）。

表2 2010年11月城用线负荷数据分布规律

表3 2010年11月湖南全省高铁负荷数据分布规律

（5）2010年11月，单个牵引站最大负荷为43 MW，最小负荷为-9 MW，平均负荷为14 MW，δ2为1.27。湖南全省高铁负荷的最大值为277 MW，最小负荷为-15 MW，平均负荷为77 MW，δ2为0.38。高铁负荷波动明显，对湖南电网自动发电控制（automatic generation control，AGC）和跟踪调节控制性能评价标准带来了很大的困难。

全省高铁负荷的变化范围为292 MW，因而至少要保证146 MW的AGC快速可调机组容量，结合超短期负荷预测，AGC控制策略可设定为火电可调容量跟踪基本负荷的变化趋势，水电可调容量跟踪高铁负荷等冲击负荷，只有这样才能维持电网的频率稳定，保证CPS指标合格，从而维持电网的安全稳定运行。

3 高铁负荷预测

由于高铁负荷冲击明显，变化规律难以把握，对日负荷预测产生一定的影响，因此在实际预测时可以把高铁冲击负荷予以单独考虑。

高铁负荷对沿线地调的负荷预测影响大，但对全省的负荷冲击较小。因此预测时把高铁负荷放在省调统一考虑，具体实行方法如下：①武广沿线的地区预测不含高铁的次日负荷预测曲线，其余地区预测含所有负荷的曲线，共14个地区上报了14条曲线；②把前几天的高铁负荷曲线按照“近大远小”的原则分配不同的权重，自动生成次日的全省高铁总负荷曲线；③省调负荷曲线可由地调上报的14条曲线和全省高铁曲线相加后，综合考虑一定的厂用电和主网损耗而得到。

分别以0.4、0.3、0.2、0.1的系数取当日往前推4日的高铁实际负荷（采样间隔为15 min）进行加权平均，得到次日的高铁负荷预测曲线。设当日t时刻的高铁负荷为ln，t，往前推4日t时刻的高铁负荷可以表示为ln-1，t，ln-2，t，ln-3，t，ln-4，t，则次日 t时刻的高铁预测负荷可以表示为 ln+1，t=0.4×ln-1，t+0.3×ln-2，t+0.2×ln-3，t+0.1×ln-4，t。全省高铁负荷叠加到全省其余基本负荷上，设定全省其余基本负荷预测准确，推算高铁负荷对全省负荷预测的影响程度，可以测算得到2010年11月高铁负荷对湖南全省的负荷预测的平均影响率为0.1%。

4 结论

武广客运专线铁路牵引负荷具有随机波动明显、制动时向系统倒送功率、全天存在充电无功等特点，对沿途地区、省份的短期负荷预测以及电网AGC调节产生严重影响。

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