交流电气化支线铁路最大需量控制技术

吕顺凯

（株洲中车时代电气股份有限公司 供电系统事业部，湖南 株洲 412001）

0 引言

支线铁路是众多中小城市和工矿企业与干线铁路联系的桥梁与纽带，在繁荣地方经济、促进区域经济均衡发展等方面发挥着重要作用［1-2］。自《国务院关于改革铁路投融资体制加快推进铁路建设的意见》（国发〔2013〕33号）实施以来，支线铁路的所有权和经营权向社会资本全面开放，支线铁路建设和扩能改造进入高速发展期［3］。新建支线铁路一般采用电气化牵引供电方式，既有支线铁路现已逐步完成或正在进行电气化技术改造。

按照《销售电价管理暂行办法》等相关规定，支线铁路牵引用电成本主要由电度电费和基本电费2个部分构成。电度电费是按用户实际用电量计算的电费；基本电费可按变压器容量或最大需量计费，由用户自行选择，逐月结算［4-5］。由于线路运量小、行车密度较低、牵引负荷极不均衡、牵引变压器负载率低，导致牵引变压器安装容量相对偏大。因此，支线铁路进行基本电费结算时，普遍采用适宜极不均衡负荷的最大需量法［6-7］，经济性更优。

为进一步降低支线铁路基本电费支出，推进支线铁路节支技术发展，基于现场实测数据，研究最大需量控制系统及其工作原理，并通过算例分析，验证该控制策略的可行性和有效性。

1 支线铁路需量特点

需量是指在1 个规定的时间间隔内功率的平均值，其表达式见式（1）：

式中：p为瞬时功率，kW；T0为结算周期，min；P为T0时间内的平均有功功率，即需量，kW；t为时间，min。最大需量指规定周期内所记录需量的最大值［8-9］。我国通常采用滑差时间为1 min、需量周期为15 min 的滑差式需量计算方法，在此也按照该方式进行实测数据分析及效果仿真验证。

支线铁路多为单线铁路，为保证运行安全，普遍采用半自动闭塞方式，在同一闭塞分区内，同一时刻只允许1趟列车运行，行车密度较低。同时，线路列车运行图和牵引质量以日为单位，长期固定、重复，具有高度规律性。因此，根据某日牵引负荷数据计算得出的日最大需量，可等效视为月度最大需量。

基于某线路2 个相邻牵引变电所（分别称为变电所a和变电所b）牵引负荷实测数据及其需量计算结果，分析支线铁路的需量特点。变电所a 和变电所b 的日有功功率和需量趋势对比见图1，单个变电所较长时间处于空载或轻载状态，牵引负荷和需量的间歇性和波动性特征明显；2个变电所的牵引负荷和需量通常错峰出现，即任意时刻，较少出现2个变电所均为重载或同时达到较高峰值需量的情况。

图1 变电所a和变电所b日有功功率及需量趋势对比

2 最大需量控制系统

依据支线铁路相邻变电所牵引负荷和需量错峰出现特点，设计一种基于变电所间有功融通的最大需量控制系统（见图2）。按照功能单元划分，最大需量控制系统主要由需量管理装置以及有功融通装置2部分构成。需量管理装置为控制机构，采集变电所a和变电所b的电压和电流等电气量，计算得出实时功率信息，按照预定控制策略生成有功融通指令。有功融通装置属于执行机构，接收需量管理装置发送的指令，控制相邻变电所之间的有功融通。

图2 最大需量控制系统构成

需量管理装置示意见图3，主要包括需量管理服务器、通信管理主机、通信终端单元、电气量采集单元、电气量计算单元等。在变电所a 和变电所b 设置电气量采集单元、电气量计算单元、通信终端单元；在分区所设置通信管理主机、需量管理服务器等；通信终端单元与通信管理主机之间通过有线或无线通信专网传输电气量信息。

图3 需量管理装置示意图

有功融通装置示意见图4，主要包括隔离开关、断路器、电压互感器、电流互感器、控制单元、保护单元、交直交变流器机组、变压器以及其他附属设备，安装于分区所，并联接入变电所a和变电所b的馈线。

图4 有功融通装置示意图

3 最大需量控制原理

最大需量控制系统实时检测变电所a 和变电所b 的有功功率，通过控制变电所间有功融通，实现空载或轻载变电所对重载变电所的功率支撑。暂不考虑损耗及转移阈值，定义有功融通装置由变电所a 向变电所b融通有功功率时为功率正方向，设定有功融通功率参考值为P，则其计算式见式（2）：

式中：P1为牵引变电所a 的瞬时总有功功率，P1≥0；P2为牵引变电所b的瞬时总有功功率，P2≥0。

有功融通之后，牵引变电所a 和牵引变电所b 的瞬时总有功功率见式（3）：

由于单个变电所长期处于空载或轻载状态，2个相邻变电所重载错峰出现，通过双向有功融通，可同时实现2个变电所的最大需量控制。典型工况下最大需量控制原理见图5，当变电所a 出现重载（负荷有功功率为P1）且变电所b空载时，有功融通装置工作，从变电所b 转移有功功率0.5P1至变电所a，变电所a 由公共电网获取的有功功率减半，等效降低变电所a 的最大需量；当变电所b出现重载（负荷有功功率为P2）且变电所a 空载时，有功融通装置工作，从变电所a 转移有功功率0.5P2至变电所b，变电所b由公共电网获取的有功功率减半，等效降低变电所b的最大需量。

图5 最大需量控制原理

4 最大需量控制策略

工程应用时，变电所间有功融通功率幅值受限于有功融通装置的额定功率。同时，为减少工作损耗，提高系统效率，在不影响最大需量控制能力的前提下，可设置适当的有功融通阈值，当变电所牵引负荷低于设定值时，装置不进行功率转移。因此，制定最大需量控制策略时，除了比较相邻变电所负荷有功功率大小关系，还需综合考虑预设有功融通阈值和有功融通装置的额定功率对于最大需量控制效果的影响。

设定预设有功融通阈值为P3，有功融通装置的额定功率为P4，计及多项条件共同约束，制定最大需量控制策略具体如下：

（1） 当P1≤P3且P2≤P3时，P=0。即当变电所a 和变电所b的有功功率均未超过预设阈值时，不进行变电所间有功功率融通。

（2） 当P1＞P3或P2＞P3，P1＞P2，0.5|P2-P1|≤P4时，P=0.5（P2-P1）。即当变电所a或变电所b的有功功率超过预设阈值，变电所a 的有功功率大于变电所b 的有功功率，且变电所b 与变电所a 有功功率差值的二分之一未超过变流器机组额定功率时，进行变电所间有功功率融通。有功功率潮流方向为：由变电所b至变电所a，融通功率幅值等于变电所b 与变电所a 有功功率差值的二分之一。

（3） 当P1＞P3或P2＞P3，P1＞P2， 0.5|P2-P1|＞P4时，P=-P4。即当变电所a 或变电所b 的有功功率超过预设阈值，变电所a 的有功功率大于变电所b 的有功功率，且变电所b 与变电所a 有功功率差值的二分之一超过变流器机组额定功率时，进行变电所间有功功率融通。有功功率潮流方向为：由变电所b 至变电所a，融通功率幅值等于变流器机组的额定功率。

（4） 当P1＞P3或P2＞P3，P1≤P2，0.5|P2-P1|≤P4时，P=0.5（P2-P1）。即当变电所a或变电所b的有功功率超过预设阈值，变电所a 的有功功率小于变电所b 的有功功率，且变电所b 与变电所a 有功功率差值的二分之一未超过变流器机组额定功率时，进行变电所间有功功率融通。有功功率潮流方向为：由变电所a至变电所b，融通功率幅值等于变电所b 与变电所a 有功功率差值的二分之一。

（5） 当P1＞P3或P2＞P3，P1≤P2，0.5|P2-P1|＞P4时，P=P4。即当变电所a 或变电所b 的有功功率超过预设阈值，变电所a 的有功功率小于变电所b 的有功功率，且变电所b 与变电所a 有功功率差值的二分之一超过变流器机组额定功率时，进行变电所间有功功率融通。有功功率潮流方向为：由变电所a 至变电所b，融通功率幅值等于变流器机组的额定功率。

最大需量控制流程见图6。

图6 最大需量控制流程

5 算例分析

为验证最大需量控制方案及策略的正确性和有效性，基于上述某线路相邻牵引变电所a 和变电所b 的现场实测数据进行算例分析。考虑变电所a 和变电所b 的日有功功率的概率分布及负荷峰值，设定预设有功融通阈值为4 MW，有功融通装置的额定功率为9 MW，分析结果见图7—图9和表1、表2。

最大需量控制系统日融通功率趋势见图7，正值表示由变电所a 向变电所b 融通，负值表示由变电所b 向变电所a 融通。由图7 可以看出，在9 MW 额定功率范围内，有功融通装置能够按照预定控制策略，在变电所a和变电所b之间双向融通有功功率。

图7 最大需量控制系统日融通功率趋势

有功融通前后，变电所a 和变电所b 的有功功率趋势见图8，采用变电所最大需量控制技术后，2 个变电所负荷趋势曲线更为平缓，间歇性和波动性明显改善。通过数据测算得出，变电所a的95%概率大值负荷功率由14.95 MW下降至7.81 MW，降幅达47.76%；变电所b的95%概率大值负荷功率由14.48 MW下降至7.76 MW，降幅达46.41%。同时由图8可以确认，当变电所a 和变电所b 的有功功率均小于4 MW 时，最大需量控制系统未进行有功融通，证明了控制策略的正确性。

图8 有功融通前后变电所a和变电所b日有功功率趋势对比

有功融通前后，变电所a 和变电所b 的需量趋势对比见图9，采取变电所最大需量控制技术后，2 个变电所最大需量均得到有效控制。通过数据测算得出，变电所a 的最大需量由11.65 MW 下降至5.83 MW，降幅达49.96%；变电所b 的最大需量由11.48 MW 下降至5.79 MW，降幅达49.56%。变电所a 和变电所b 的需量趋势曲线相近且更为平缓，显著降低对电网的峰值需求压力。

图9 有功融通前后变电所a和变电所b日需量趋势对比

有功融通前后，变电所最大需量对比分析见表1，通过变电所间有功双向融通，变电所a 和变电所b 合计降低需量11.51 MW，降幅达49.76%。

表1 有功融通前后变电所最大需量对比分析 MW

按照基本电费不同结算方式及最大需量法是否结合需量控制技术，划分3种电费支出方案，各方案的月度支出对比分析见表2。变电所a 和变电所b 的牵引变压器容量均为20 MVA，如果采用变压器容量法结算基本电费，依据湖南省现行变压器容量电价20元/kVA/月进行计算，2 个变电所合计每月需支出80 万元。目前实际采用最大需量法结算基本电费，按照湖南省现行最大需量电价30元/kW/月进行计算，2个变电所合计每月支出69.39万元，较变压器容量法节省10.61万元/月。应用最大需量控制技术后，每月可进一步节省电费34.53万元，折合414.36万元/年，节支效果明显。

表2 月度基本电费支出对比分析 万元

6 结论

基本电费是牵引供电电费支出的重要组成部分，支线铁路采用最大需量法结算基本电费时，成本更优。为进一步降低基本电费，提升支线铁路效益，依据支线铁路需量特点，研究最大需量控制系统方案，制定了计及多项约束条件的控制策略，并基于现场实测数据进行算例分析，得出如下结论：

（1）基于变电所间有功融通的最大需量控制技术合理可行。当相邻变电所负荷趋势较为接近，预设融通阈值和系统额定功率选取较为合理时，支线铁路2个变电所的最大需量可同时减小约50%。按照现场实测数据仿真分析结果，结合湖南省现行电价测算节支收益，每年可节省基本电费超400万元。

（2）有功融通之前，支线铁路单个变电所长时间处于空载或轻载状态，牵引负荷和需量的间歇性和波动性特征明显；相邻变电所的牵引负荷和需量错峰出现。有功融通之后，2个变电所的负荷和需量趋势曲线更为平缓，功率幅值和时间分布更加均匀，公共电网连接点处的负序电流和电压波动及不平衡度将大幅减少，有利于牵引供电系统和公共电网的平稳运行。

通过现场调研及测试分析发现，我国众多交流电气化支线铁路非常适宜通过变电所间有功融通方式进行最大需量控制；运营初期的新建高速铁路和列车行车间隔较大的城际铁路等线路，具有支线铁路相似的极不均衡牵引负荷和相邻变电所错峰特性，上述研究内容对其也同样适用。下一步将进行最大需量控制技术工程化实施和验证，助力我国电气化铁路先进节支技术发展及应用。