电铁牵引负荷对县级电网电能质量影响的测量与治理仿真

江宇，杨文群，王治玲，刘江，赵春

(1. 国网重庆秀山县供电有限责任公司，重庆 409900; 2. 国网重庆市电力公司江津分公司，重庆 402260)



电铁牵引负荷对县级电网电能质量影响的测量与治理仿真

江宇1，2，杨文群1，王治玲2，刘江2，赵春2

(1. 国网重庆秀山县供电有限责任公司，重庆 409900; 2. 国网重庆市电力公司江津分公司，重庆 402260)

县级电网电源点少电气结构较弱，县级电网接入的电铁牵引负荷具有的非线性、单相独立性和随机波动性的特点，是影响县级电网电能质量的主要原因，利用ELSPEC电能质量监测仪对县级电网110 kV母线电压进行连续测试，分析得出电铁牵引负荷产生的电压骤降、谐波注入、电压波动及闪变、负序不平衡度对县级电网电能质量的影响程度，根据测量结果对负荷侧拟采用的SVC补偿方案利用PSCAD电网仿真计算软件进行仿真分析，得出采用SVC治理措施后电压合格水平得到有效提升的结论。

电铁；县级电网；电能质量；测量；仿真

0 引 言

随着电气工业的发展进步，特别是数字式自动控制技术在工业生产中的大规模应用，对供电系统的电压质量提出了更高的要求。而根据经济发展和社会用电需要，县级电网和大城市核心电网相比布置的电源点较少，电气结构较弱，电网运行中电能质量受到冲击性大负荷的影响更大，电网中接入敏感负荷越来越多，电能质量对这些敏感负荷正常运行造成了严重影响[1]，全面监测电能质量已成为供电部门的重要任务。

秀山电网处于渝东南地区，仅有一座220 kV变电站作为电源支撑点，电网内接有二座110 kV电铁牵引站，电铁负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称性、非线性、波动性和功率大的特性[2-3]，对电网电压质量影响明显，在电网侧利用ELSPEC电能质量监测仪对县级电网110 kV母线电压进行连续测试，分析得出电铁牵引负荷产生的电压骤降、谐波注入、电压波动及闪变、负序不平衡度对县级电网电能质量的影响程度，结合秀山电网实际情况提出从负荷侧采用SVC补偿的措施，利用PSCAD电网仿真计算软件对拟采用的补偿方案进行仿真分析，得出治理后电能质量仿真结果。

1 电铁牵引负荷的原理及特性

目前我国电气化铁道仍主要采用交直型电力机车和交直交型电力机车，交直型电力机车是典型的不平衡、整流型负荷，其产生的谐波、负序对公用电网造成的主要电能质量问题是电压骤降、闪变大、谐波、无功和负序，交直交电力机车产生少量高次谐波，主要影响是负序。秀山地区运行的主要是交直型电力机车，本文主要研究交直型电力机车的影响。

图1 交直型电力机车电气示意图

电铁牵引供电系统是电气化铁路从电力系统接引电源，降压转换后给电力机车供电的电力网络。它由牵引变电所和牵引网两部分组成。牵引变电所采用二路电源进线，二台牵引变压器，一主一备方式运行。110 kV或220 kV电源经牵引变压器后，降压为1×27.5 kV或2×27.5 kV，然后供给牵引网。牵引网如同电力系统的输电线路，由供电线路、接触网、轨道回路等组成。接触网架设在铁路上方，电力机车通过受电弓与接触线滑动接触而获得电能。牵引供电系统电气原理图如图1所示[4]。

电铁牵引供电系统的任务是向电力机车供电。电铁牵引供电系统的负荷特性，主要取决于电力机车的电气特性、铁路线路条件和运输组织方案等因素。交直型电力机车采用半控桥式整流，通过晶闸管控制导通角来控制机车出力，所以，交直机车在整流过程中会产生谐波，导致功率因数较低[5-6]。

2 电铁牵引负荷对电能质量影响的测量

2.1 测试点和测试量的选择

图2 电网接线及测量点选取示意图

秀山电网两座电铁牵引站分别接入220 kV秀山站的110 kV母线，和平凯站110 kV母线，接线示意图如图2所示，为得出电铁牵引负荷对秀山电网电能质量的影响，选择两个测试点分别为平凯站110 kV母线电压和平梅北线电流，涌图站110 kV母线电压。两台ELSPEC电能质量监测仪G4400从12月2日至12月8日分别对测量点进行了一周的连续测量，在涌图变电站高压侧母线主要测量在无电铁负荷影响下的电压偏差情况，在平梅北线主要测量有电铁负荷影响下的有功负荷、无功负荷和电压波动情况。测量点设置如图2所示。

2.2 测试结果分析

2.2.1 电压越限

根据提取的平凯站测量数据，选取一天中电网最大负荷时段(12月3日11点18分至11点30分)的电压、有功、无功曲线测量结果可以看出电压变化与电铁负荷的启用成对应关系如图3所示，电铁负荷在12分钟内有三次启停，且启用负荷和停用负荷均为短时间完成，启停频繁给用户侧和电源侧投切电容器补偿无功造成较大困难。电铁启用负荷时从电网下网大量有功，牵引站补偿的无功不足造成从系统吸收大量无功，最多达9 Mvar，降低系统电压，电压低至111.5 kV。无电铁通过时，牵引站倒送无功，最多达3 Mvar，抬升系统电压，电压高至114.5 kV；电铁功率大，功率因数低特性明显，是造成电压频繁越限的主要原因，电铁牵引负荷造成的电压降达到2.8%。

图3 电压曲线与有功无功负荷运行分析图

提取平凯站、涌图站110 kV母线单日记录曲线如图4所示，一天中电压越上限和越下限次数多，且越限持续时间短、越限时间间隔短。提取涌图站、平凯变站110 kV母线多日记录曲线,两个站的110 kV侧母线电压呈现以天为周期的规律变化，一天内两站电压变化趋势及越限次数、超限幅值基本一致，可以统计得出电铁牵引负荷对秀山电网电能质量影响具有同步性和普遍性。

图4 单日电压变化趋势图

2.2.2 谐波影响

提取12月10日8点40分至10点40分平凯站110 kV母线电压测试数据分析，在2小时内谐波电压统计值如图5所示。根据谐波电压统计情况，奇次谐波电压含有率高于偶次谐波电压含有率，奇次谐波含有率最高是11次谐波为1.5%，偶次谐波含有率最高是二次谐波为0.82%。国标《GB_T_12326-2008电能质量-公用电网谐波》中规定电网奇次谐波电压含有率为1.6%，偶次谐波电压含有率为0.8%，奇次谐波电压含有率接近国标规定，偶次谐波电压中二次谐波电压含有率超过国标。

图5 谐波电压情况

提取12月10日8点40分至10点40分平凯站110 kV平梅北线电流测试数据分析，在2小时内谐波电流统计值如图6所示。根据谐波电流统计情况，除二次谐波电流外，其余奇次谐波电流高于偶次谐波电流，偶次谐波电流含有率最高是二次谐波为19 A。国标《GB_T_12326-2008电能质量-公用电网谐波》中规定谐波电流限值为20 A，而测试结果中二次谐波电流高达19.9 A接近标准限值。

图6 谐波电流情况

2.2.3 长时闪变

提取平凯站110 kV母线12月3日至12月10日的长时闪变测试结果Plt如图7所示。Plt为长达7天测试时间中累计概率统计曲线闪变视感度不超过95%的概率短时闪变值。平凯站110 kV母线电压长时闪变大多数时间超过0.5，长时闪变最高为1.0。根据《GB_T_12326-2008电能质量-电压波动和闪变》要求，长时闪变限值低于1.0，电铁负荷产生的长时闪变达到国标限值。

图7 长时闪变情况

2.2.4 负序电压不平衡度

提取平凯站110 kV线母线12月3日至12月10日负序电压不平衡度的测试结果如图8所示。在测试时间内，平凯站110 kV母线负序电压不平衡度有两个时段超过2%如图8所示，两次负序电压不平衡度超2%的时间分别是18 s和30 s，其余时间均小于2%。根据国标《电能质量_三相电压不平衡》(GB-T_15543-2008)要求，负序电压不平衡度不超过2%，测量结果显示电铁负荷引起的负序电压不平衡度超过国标限值。

图8 12月3日-12月10日负序电压不平衡度

2.3 小结

通过以上分析可知，电铁牵引负荷与电网电压质量影响明显，造成110 kV涌图站、平凯变电站110 kV母线电压高频越限，谐波电压和负序电压不平衡度超过国标限值，谐波电流和长时闪变均达到国标限值。

3 治理措施仿真分析

3.1 治理措施选取

根据目前成熟的无功补偿和电能质量整治的方案，拟在牵引站低压侧配置静止无功功率补偿器(SVC)，SVC是一种典型的柔性交流补偿装置可快速改变无功功率，为电力系统提供动态无功电源，调节系统电压。TSC型(晶闸管投切电容器)SVC装置根据变电站的无功功率和电压，控制晶闸管投切方式，改变电容器组数，实现动态阶跃式可调节无功电源。TSC型SVC装置可用于电气化铁路、冶金工业可有效提升功率因数，降低非线路负荷所引起的电压影响和谐波干扰，使三相负荷平衡，改善质量。根据运行需要选择补充容量为10 Mvar，串抗率为12%。

3.2 治理措施的仿真

根据变电站主变、输电线路实测参数，在电网典型方式大负荷条件下采用PSCAD电网仿真计算软件对拟采用的补偿措施进行传真分析。电铁牵引站采用站内实际参数，电力机车参数采用实际运行机车SS9型电力机车，利用PSCAD计算软件，搭建仿真模型。

电网典型方式大负荷条件下秀山站、平凯站、涌图站电容器全部投入运行，典型方式下秀山站110 kV母线电压为113.5 kV，平凯站110 kV母线的电压为111.5 kV，涌图站110 kV母线电压为111.8 kV。利用搭建的模型，仿真时间10 s，分析采取改善措施后秀山电网电压、谐波电流、负序电压情况。根据仿真结果可以看出采取治理措施后秀山站110 kV母线电压上升至115.2 kV，平凯站110 kV母线的电压上升至114 kV，涌图站110 kV母线电压为114.3 kV，上升情况如表1所示。同时平凯站110母线电压负序三相不平衡度由1.70降低至1.68。

表1 变电站电压降情况

4 结束语

根据测量结果,电铁冲击性负荷对秀山电网电压质量影响较大，测试期间涌图站、平凯站电压越限频繁，投切普通电容器调整电压在各范围内较为困难，平凯站电压长时闪变、负序不平衡度均超过《GB_T_12326-2008电能质量-电压波动和闪变》要求，谐波电流接近国标《公用电网谐波》限值。在牵引站低压侧配置TSC型(晶闸管投切电容器)SVC，通过对拟采用的治理措施进行仿真分析，得出秀山电网电压频繁越限得到有效控制，平均电压由111.5 kV上升到113 kV，负序电压三相不平衡度由1.70降至1.68，秀山电网电压越限和负序电压三相不平衡度情况均得到改善。

[1] 江宇,夏勇,张斌.高压线路故障产生电压暂降的特性及对敏感负荷设备的影响[J].电气自动化, 2012,34(4): 53-55.

[2] 陈默生,唐凤英,王勤勤.电铁负荷注入配电网的谐波与负序电流测量与分析[J].自动化应用,2011,52(3):46-48.

[3] 李欣然,唐孙谦,朱湘有.基于实测数据的电铁牵引负载谐波源模型[J].电网技术, 2012,36(1): 158-162.

[4] 曾方明. 电铁牵引负荷对电网运行造成的影响及其解决措施[J].自动化应用,2011,52(10): 63-65.

[5] 秦浩庭,李群湛,刘燕.基于Monte Carlo的电铁电能质量预测方法[J].电力系统控制与保护,2011,39(13): 64-69.

[6] 胡斌,徐明清,陶骞.宜万电铁通车后恩施段电能质量评述[J].湖北电力, 2012,36(1): 69-70.

Measurement and Governance Simulation to the Effect of County Power Grid's Power Quality Produced by Electric Railway Traction Load

Jiang Yu1，2, Yang Wenqun2, Wang Zhiling2, Liu Jiang2, Zhao chun2

(1. Power Supply Ltd. Co. of Chongqing Xiushan State Grid, Chongqing 409900,China;2. Jiangjin Power Supply Branch Company of State Grid Chongqing Electric Power Corporation, Chongqing 402260,China)

County grid has less power supply spots and weak electrical structure. The electric railway traction load in the county grid features nonlinear single phase independence and stochastic volatility that mainly impact the power quality of county power grid. In this paper, ELSPEC power quality monitor is used to perform continuous test of the voltage of 110 kV bus and analyze the impact level of voltage sag, harmonic injection, voltage fluctuation and flicker generated by electric railway traction load to the power quality of county power grid. According to the measured results, the load side will adopt SVC Compensation scheme and use PSCAD grid simulation software to conduct simulation analysis. The conclusion shows that the voltage quality level is effectively improved after adopting the SVC compensation scheme.

electric railway traction load； county power grid； power quality； measurement； simulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.036

TM764.1

A

1000-3886(2016)03-0116-03

江宇(1984-)，男，重庆人,电气工程硕士，电力工程师，从事电网调控运行与管理工作。

定稿日期: 2015-12-03

(1. 国网重庆秀山县供电有限责任公司，重庆 409900; 2. 国网重庆市电力公司江津分公司，重庆 402260)

摘 要： 县级电网电源点少电气结构较弱，县级电网接入的电铁牵引负荷具有的非线性、单相独立性和随机波动性的特点，是影响县级电网电能质量的主要原因，利用ELSPEC电能质量监测仪对县级电网110 kV母线电压进行连续测试，分析得出电铁牵引负荷产生的电压骤降、谐波注入、电压波动及闪变、负序不平衡度对县级电网电能质量的影响程度，根据测量结果对负荷侧拟采用的SVC补偿方案利用PSCAD电网仿真计算软件进行仿真分析，得出采用SVC治理措施后电压合格水平得到有效提升的结论。