计及电气化铁路接入影响的电能质量预测评估方法

于丹文，张 岩，张青青，许庆燊

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.电网智能化调度与控制教育部重点实验室（山东大学），山东 济南 250061）

0 引言

到“十三五”期末，我国预计铁路运营的总里程14.6 万km，其中高铁运营里程约3.8 万km，居世界第一位，覆盖95%的100 万人口及以上的城市［1］。随着高速电气化铁路的大规模建设和高速列车技术的日益成熟，铁路机车的取用功率显著增加，使其对电网的影响在影响程度不断加深，影响范围日益扩大。

国内外关于电气化铁路用户对电网电能质量的影 响［2-4］及其检 测［5］、监测 情 况［6］的研 究以 及国 内 开展的大规模现场实测数据及分析［7］结果均表明，对电力系统而言，电气化铁路属于大容量、非线性、波动性负荷，在运行中具有高负载率、高可靠性、高波动频率等特点［8-11］，且机车受电时间长，是典型的短时集中负荷，由于其非线性，将在供电系统中产生各次谐波；由于其波动性，将引起供电系统电压波动。因此，在电气化铁路用户接入系统前，需要根据所在区域电网的参数、接入系统方案、牵引供电资料、牵引负荷资料等建立评估模型，结合牵引所供电变电站的背景谐波测试结果，预测在电气化铁路接入后，公共连接点各项电能质量稳态指标是否超出国家标准允许的限值，并针对超标情况提出治理要求［12-13］。通过对电气化铁路用户进行电能质量预测评估，可实现电能质量干扰治理措施前移，降低用户接入后期出现电能质量指标异常情况的风险，对提高供电质量、优化用户营商环境具有重要意义。

以某电气化铁路工程接入系统的实际提资内容为基础，将牵引变电站各典型次谐波电流作为注入电力系统公共连接点的谐波源，从各次谐波含量、总谐波畸变率、三相电压不平衡度、电压偏差、电压波动等多个角度评估电气化铁路用户接入对区域电网电能质量指标的影响，利用ETAP 软件建立仿真评估模型，为计及电气化铁路接入影响的电能质量预测评估工作提供参考。

1 工程概况

1.1 接入系统方案

以某电气化铁路工程为例，该工程新建1 座牵引变电站，由系统中A、B 两个相互独立的220 kV 变电站各出1 回110 kV 线路供电，其中A 变电站为主供站。A、B 变电站参数如表1 所示。

表1 变电站参数

1.2 电能质量背景测试

在测试时间方面，为尽可能准确地预测牵引负荷周期性变化给附近电网的公共连接点母线造成的影响，在进行电能质量预测评估时首先应对公共连接点的背景电能质量状况进行连续长时间测试，一般不少于24 h。

在采样频率方面，要求工作频率为50 Hz，每周波采样128 点及以上，采样间隔须满足国标及IEC标准要求，谐波分析至少4 个周波，建议采样窗口取8 个工频周期，并采用合适的窗函数，如矩形窗、汉宁窗等。谐波次数至少至第25 次。

在测试项目方面，电能质量背景测试应至少包括供电变电站公共连接点母线处的2～25 次谐波电压含有率、三相电压不平衡度以及三相总谐波畸变率，其中三相电压不平衡度、谐波的测量结果采用95%概率值，三相总谐波畸变率以最大值相的数值作为评估背景依据。该工程供电变电站电能质量背景测试结果如表2 所示。

表2 电能质量背景测试结果

1.3 牵引系统概况

根据铁路设计单位提供的资料，该工程新建牵引变电站1 个，采用110 kV 电源设计，牵引变压器110 kV／27.5 kV、单相接线形式，阻抗电压为8.4%，预留V 接条件，正常时，牵引变压器一台运行，另一台备用。

近期牵引变电站低压侧折算到27.5 kV 的平均电流、短时最大电流如表3 所示。

2 仿真和计算评估

2.1 仿真模型

在ETAP 软件中建立牵引变电站接入系统仿真模型，对牵引变电站接入后供电变电站母线的谐波电压、三相电压不平衡度、电压偏差、电压波动等电能质量稳态指标进行仿真，对注入系统的谐波电流进行计算分析。仿真模型如图1 所示。

表3 近期牵引变电站低压侧电流 A

2.2 谐波电压评估

在评估计算中需要对各种供电方式进行排列，以验证各种工况下公共连接点处的谐波电压含有率是否符合国标要求。

一般可将牵引变电站的两供电臂同时流过短时最大电流假设为极端工况，此时供电变电站公共连接点母线总谐波畸变率存在最大值。在忽略背景谐波情况下，公共连接点母线的典型次 （3 次、5 次、7次）谐波电压含有率如图2 所示。

图1 ETAP 仿真模型

根据表2 的电能质量背景测试结果，将仿真结果与背景测试结果迭加，得到考虑背景谐波后各供电变电站公共连接点母线各次谐波含有率，如图3所示。

图2 不考虑背景谐波情况下各次谐波电压频谱

图3 考虑背景谐波情况下各次谐波电压频谱

两种情况下，相应的总谐波电压畸变率如表4所示。

表4 总谐波电压畸变率 %

通过与GB／T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》 中的限值对比可知，A、B 变电站110 kV 母线电压总谐波畸变率均不超过2%限值，3、5、7 次典型次谐波电压含有率均不超过1.6%限值。

2.3 谐波电流评估

该工程牵引变压器为V／V 接线，评估牵引变电站注入供电变电站公共连接点母线的谐波电流值时，高压侧与低压侧电流之间存在转换关系，应结合接线方式对照牵引变电站接入系统的等值图进行分析，如图4 所示。牵引供电系统的A、B、C 三相母线分别与牵引变压器高压侧的三相连接，形成V 型接线。根据等值图分析，A 相为A1，B 相为X2，C 相为X1与A2连接点，即V 的顶点，左右两侧变压器均为单相变压器，左右两变压器变比分别为ω1：ω2与ω′1：ω′2。低压侧共引出4 个端子，由于牵引变电站供电其特殊的使用的要求，若接线方式为正“V”时，“V”的顶点是相连并接地的x1和a2；α、β 两相分别接在牵引变电站两相母线上并作为a1、x2的两个点。α、β 两相向所接的牵引网供电。在这种正“V”接线方式下，α、β 两相电压的相位角度差为60°，因此这种正“V”接线方式也称为60°接线。

图4 牵引变电站系统等值图

首先，需要明确α、β 两臂上谐波电流与基波电流的关系，如式（1）所示。

式中：Iα、Iβ分别为α 臂和β 臂的基波电流值；λh为谐波电流含有率，h 表示谐波次数；Iαh、Iβh分别为α 臂和β 的h 次谐波电流值。

然后，根据采用V／V 型牵引变压器的牵引变电站接入系统等值图，将牵引负荷注入α、β 两个供电臂的各次谐波电流值向高压侧，即供电系统的三相进行转换，得到注入高压侧三相的各次谐波电流值。转换形式如式（2）所示。

式中：IAh、IBh、ICh分别为供电系统侧母线A、B、C 三相的h 次谐波电流值；KT为牵引变压器变比。

牵引供电臂的典型运行工况包括3 种：工况Ⅰ，两供电臂正常运行状态，两臂均以有效值供电；工况Ⅱ，95%电流正常运行状态，其中重负荷臂以95%电流值供电，轻负荷臂以有效值供电；工况Ⅲ，最大+正常运行状态，其中重负荷臂以最大电流值供电，轻负荷臂以有效值供电。

在电能质量预测评估中，选取对供电系统影响最大的工况Ⅲ作为计算工况。

牵引负荷注入公共连接点母线的h 次谐波电流幅值最大相的谐波电流值计算结果如表5 所示。

表5 牵引变电站注入公共连接点的谐波电流值 A

根据GB／T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定，当公共连接点的短路容量与标准中规定的基准容量不同时，公共连接点处允许注入的谐波电流限值需要经过换算得出。换算过程中，单个用户谐波注入限值的分配基于用户用电容量占公共连接点的供电设备容量的比例确定。

经过上述两个换算过程，公共连接点允许该扰动源用户注入系统的谐波电流限值如表6 所示。

表6 谐波电流允许值 A

由表5 与表6 比对可知，该工程牵引变电站接入后，注入B 变电站110 kV 母线的3 次谐波电流超标，其余3 次、5 次、7 次谐波电流均不超标。

2.4 三相电压不平衡度

电气化铁路的牵引供电网中，负荷存在明显的不平衡性，牵引系统电流注入到供电系统后，其三相谐波电流的幅值也存在明显的不平衡性。

当牵引变压器为三相V／V 接线型式时，两供电臂负荷电流的取值需要考虑各种工况，通常在预测评估中选取重负荷臂以最大负荷电流值供电，轻负荷臂负荷电流为0 这一工况校核公共连接点三相不平衡度最大值。针对这一工况进行仿真计算，可得到各系统110 kV 供电母线三相电压不平衡度。将计算结果与供电母线背景测试结果相叠加，可得各公共连接点处母线的三相电压不平衡度，如表7所示。

表7 三相电压不平衡度 %

根据GB／T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》，接于系统公共连接点的每个用户引起该点三相电压不平衡度不超过1.3%。由表7 计算结果分析可知，该工程接入引起的A 变电站110 kV 母线三相电压不平衡度为1.433%，超过了国标限值；引起的B变电站110 kV 母线三相电压不平衡度为0.802%，符合国标限值要求。

2.5 电压偏差及电压波动

根据潮流计算结果，该工程牵引负荷接入后，系统A、B 变电站公共连接点电压偏差及电压波动最大值如表8 所示。

表8 电压偏差及电压波动最大值 %

根据GB／T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》、GB／T 12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》对于电压偏差、电压波动的限值要求，系统各公共连接点的电压偏差满足国标要求。

3 结语

以某电气化铁路工程为例，考虑牵引变电站各典型次谐波电流作为注入电力系统公共连接点的谐波源，利用ETAP 软件建立仿真评估模型，仿真计算扰动源对公共连接点电能质量稳态指标可能造成的最大影响，并结合公共连接点电能质量背景测试结果，将仿真计算结果与国标限值进行对比，综合得出评估结论。

需要说明的是，电能质量预测评估方法给出的是以电网以及用户提供的典型参数为基础的计算结果。与监测评估不同，预测评估能够计及较长时间尺度下的电网运行方式与负荷运行方式的变化，得到用户接入可能对电网造成的最大影响，其给出的是以电网以及用户提供的典型参数为基础的仿真计算结果，电气化铁路投运后的实际情况可能会与预测评估结果有所差别。后续还需通过对电气化铁路用户安装电能质量在线监测终端、开展现场测试等方式加强电能质量指标的持续监测，对超标的接入点及时采取有针对性的治理措施，保证供电电能质量，保障电力系统和铁路系统安全、高效、稳定运行。