陳遠(yuǎn)揚(yáng)，陳浩，王燦，黃際元，吳佩穎

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；3.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015；4.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南長沙410042)

高速鐵路牽引負(fù)荷對(duì)湖南電網(wǎng)的影響

陳遠(yuǎn)揚(yáng)1，陳浩1，王燦2，黃際元3，吳佩穎4

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；3.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015；4.國網(wǎng)湖南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南長沙410042)

結(jié)合近年來湖南電網(wǎng)及高速鐵路規(guī)劃布局，本文從電網(wǎng)靜態(tài)安全潮流控制、無功電壓平衡等方面對(duì)高鐵牽引負(fù)荷對(duì)湖南電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析。基于以上分析，為減少高鐵牽引負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)帶來的不利影響，本文為調(diào)度運(yùn)行專業(yè)人員合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式、計(jì)劃檢修工作及調(diào)整控制電網(wǎng)運(yùn)行潮流及電壓提供了建議措施。

高鐵牽引負(fù)荷；沖擊性；靜態(tài)安全；無功電壓；潮流控制

近年來，高速鐵路作為一種安全可靠、舒適快捷、低碳環(huán)保的交通運(yùn)行方式，已成為中國鐵路發(fā)展的必然趨勢。作為華中地區(qū)鐵路交通運(yùn)輸?shù)闹袠惺》?，隨著京廣高鐵武廣客運(yùn)段 (2008年底投運(yùn))、衡柳高鐵 (2013年底投運(yùn))以及滬昆高鐵長沙至懷化段 (2014年底投運(yùn))陸續(xù)開通運(yùn)營，湖南省境內(nèi)高鐵里程數(shù)已超過1 000 km，覆蓋率達(dá)到71%以上，已大大高于全國平均水平。截至目前，湖南高鐵已形成了以省會(huì)長沙為中心，京廣客運(yùn)專線縱貫?zāi)媳?，滬昆客運(yùn)專線橫穿東西，縱橫通達(dá)、快捷便利的高鐵網(wǎng)絡(luò)格局，加之尚在規(guī)劃中的渝湘高鐵 (重慶—湖南)、懷邵衡高鐵 (懷化—邵陽—衡陽)，湖南高鐵發(fā)展進(jìn)程已邁入 “高鐵黃金時(shí)代”，湖南省高鐵網(wǎng)絡(luò)格局如圖1所示。

作為關(guān)系日常民生出行的電力一級(jí)用戶，高速鐵路因其高速度、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)對(duì)牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較高的要求。同時(shí)，高鐵牽引負(fù)荷的大功率、時(shí)變性、沖擊性等特點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行也帶來了更為深遠(yuǎn)的影響。近年來，廣大科研機(jī)構(gòu)分別從高鐵供電可靠性、負(fù)荷特性、電能質(zhì)量等方面進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn) 〔1—2〕從接觸網(wǎng)電壓降落、三相電壓不平衡度和諧波等方面闡述分析了電鐵牽引變接入不同電壓等級(jí)系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)〔3〕從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析不同運(yùn)行方式的高鐵牽引負(fù)荷特性和數(shù)據(jù)分布特征；文獻(xiàn) 〔4〕從電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)上評(píng)價(jià)了牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響；文獻(xiàn) 〔5〕根據(jù)電氣化鐵路供電變電站的電能質(zhì)量測試結(jié)果，就諧波、負(fù)序等主要測試數(shù)據(jù)及電氣化鐵路供電中的主要問題進(jìn)行整理和分析。

圖1 湖南省高鐵概況圖

為提高機(jī)車運(yùn)行功率及高鐵供電可靠性，湖南省境內(nèi)的高速鐵路客運(yùn)專線除衡柳高鐵外，其余(京廣、滬昆)均采用220 kV供電電壓等級(jí)，故高鐵對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行影響也擴(kuò)展到220 kV主網(wǎng)層面。為配合京廣、滬昆高鐵的陸續(xù)投運(yùn)，湖南電網(wǎng)配合投產(chǎn)了20余座220 kV高鐵牽引變，京廣、滬昆高鐵及其供電線路影響范圍見表1。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展及省高速鐵路的加速擴(kuò)展，為保證對(duì)高鐵可靠供電以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，重視和加強(qiáng)對(duì)電鐵負(fù)荷的研究與管理具有重要意義。

表1 湖南境內(nèi)京廣、滬昆高鐵及其供電線路影響范圍概況表

文中主要以京廣、滬昆高鐵湖南區(qū)段負(fù)荷為例，分別從電網(wǎng)靜態(tài)安全潮流、電壓控制、無功平衡等方面，研究京廣、滬昆高鐵沖擊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響，并結(jié)合電網(wǎng)及高鐵的發(fā)展趨勢，充分考慮高鐵的相關(guān)負(fù)荷特性，為調(diào)度運(yùn)行專業(yè)人員合理安排電網(wǎng)檢修工作及調(diào)整控制電網(wǎng)運(yùn)行潮流及電壓提供了建議措施。

1 靜態(tài)安全潮流及電壓控制問題

一般而言，牽引供電回路是由牽引變電站、饋電線、接觸網(wǎng)、電力機(jī)車、鋼軌、地或回流線構(gòu)成。牽引變電力系統(tǒng)輸送來的220 kV三相交流電變換為27.5 kV單相電，然后以單相供電方式經(jīng)饋電線送至接觸網(wǎng)，再通過動(dòng)車的受電弓、主斷路器引入到動(dòng)車主變壓器，然后通過接地線連到車輪上，最后通過鋼軌回流到變電所中，完成供電過程。高鐵供電系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 高鐵供電系統(tǒng)示意圖

作為一種沖擊性單相整流型負(fù)荷，高速鐵路不可避免地將產(chǎn)生的負(fù)序和諧波電流注入電網(wǎng)，必然會(huì)引起三相電壓不對(duì)稱、電壓波形畸變和電壓波動(dòng)。另外，高鐵牽引網(wǎng)采用全并聯(lián)AT〔5〕供電方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、供電區(qū)間長，而牽引負(fù)荷是大量高速移動(dòng)、高行車密度、重載型高速列車〔6〕(一對(duì)8輛編組的CRH3型高鐵動(dòng)車組牽引功率可達(dá)8.8 MW左右，列車追蹤時(shí)間間隔約為5～6 min)，故高鐵牽引變負(fù)荷呈現(xiàn)出與行車密度、載重、行車速度實(shí)時(shí)相關(guān)聯(lián)的頻繁波動(dòng)狀態(tài)，且時(shí)變性、沖擊性均強(qiáng)于一般電氣化鐵路，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的運(yùn)行方式下易造成電壓波動(dòng)、閃變，惡化供電質(zhì)量，尤其是高峰時(shí)段沖擊負(fù)荷會(huì)對(duì)電網(wǎng)靜態(tài)安全、電壓方面造成顯著影響，甚至威脅電網(wǎng)供電安全。

高鐵負(fù)荷占地區(qū)負(fù)荷比重越大，其波動(dòng)所帶來的沖擊對(duì)局部地區(qū)電網(wǎng)影響就越明顯。秋汛豐水期、夏季高負(fù)荷高峰期兩個(gè)典型時(shí)段下，對(duì)京廣、滬昆高鐵各區(qū)段負(fù)荷占所過境地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 典型日高峰時(shí)高鐵區(qū)段負(fù)荷占地區(qū)負(fù)荷比例

由表2可得，在兩種典型運(yùn)行方式下，滬昆高鐵的懷化段、婁底段以及京廣高鐵的岳陽段、郴州段占各地區(qū)總負(fù)荷比例較高。當(dāng)電網(wǎng)處于檢修方式時(shí)，高速鐵路短時(shí)沖擊負(fù)荷對(duì)局部電網(wǎng)的影響將更明顯，此時(shí)電網(wǎng)靜態(tài)安全或暫態(tài)穩(wěn)定裕度均受到影響，相關(guān)輸電斷面N—1熱穩(wěn)或功角、電壓問題更加突出，其控制限額會(huì)進(jìn)一步收緊。本節(jié)從典型性原則出發(fā)，選取兩種日常計(jì)劃檢修方式下的高鐵負(fù)荷占比較高的岳陽 (京廣高鐵沿線)、婁底 (滬昆高鐵沿線)電網(wǎng)作為研究對(duì)象，分析京廣、滬昆高鐵對(duì)地區(qū)相關(guān)的斷面輸送功率或電壓的影響。

1.1 靜態(tài)安全潮流控制

如圖3所示，岳陽地區(qū)內(nèi)有塝上、先鋒、梅子、坦渡4座高鐵牽引變以滿足過境的京廣高鐵負(fù)荷需求。電源分布上，220 kV及以上電壓等級(jí)的電源有220 kV華岳一、二期電廠及500 kV華岳三期電廠。岳陽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與岳陽地區(qū)負(fù)荷、岳陽電廠開機(jī)方式密切相關(guān)，若岳陽電廠開機(jī)方式大而地區(qū)負(fù)荷低時(shí)，220 kV昆文Ⅰ，Ⅱ線、奇新Ⅰ，Ⅱ線與500 kV昆沙線構(gòu)成500/220 kV潮流外送電磁環(huán)網(wǎng)；當(dāng)開機(jī)方式小而地區(qū)負(fù)荷高時(shí)，由220 kV袁威袁撈、220 kV沙文沙漢與500 kV昆沙線構(gòu)成500/220 kV潮流內(nèi)受電磁環(huán)網(wǎng)，電網(wǎng)地理接線圖如圖3所示。某日500 kV昆沙Ⅰ線停電檢修，此時(shí)上述電磁環(huán)網(wǎng)均打開，考慮到系統(tǒng)靜態(tài)安全及暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題，對(duì)岳陽電廠機(jī)組旋備、奇新昆文斷面、袁威袁撈斷面均給出了控制要求，其中考慮到岳陽電廠220 kV層面機(jī)組開機(jī)不足 (一期全停、二期2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行)，岳陽電網(wǎng)為典型受端電網(wǎng)，需控制袁威線+袁撈Ⅰ線斷面不超300 MW。

圖3 岳陽電網(wǎng)地理接線圖

對(duì)該日9時(shí)至20時(shí)之間岳陽地區(qū)高鐵負(fù)荷及相關(guān)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并定義斷面潮流負(fù)載率超過95%為斷面重載，高鐵負(fù)荷占地區(qū)總負(fù)荷比例超過8%為高鐵峰段，結(jié)果如圖4所示。

圖4 岳陽地區(qū)高鐵占比及斷面負(fù)載

分析可得斷面重載約占整個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間時(shí)間的41.6%，占高鐵峰段時(shí)間的78.2%，即有超過75%的斷面重載都與高鐵沖擊負(fù)荷波動(dòng)有關(guān)。為將斷面及時(shí)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，一般需要快速增加華岳電廠220 kV層面機(jī)組的出力，而由于火電響應(yīng)AGC調(diào)整出力的延時(shí)性，效果不太理想，導(dǎo)致斷面負(fù)載率超 100%而越限，越限時(shí)間約占統(tǒng)計(jì)區(qū)間的12.1%。

1.2 局部地區(qū)電網(wǎng)電壓波動(dòng)

如圖5所示，婁底西部通過鵝塘、上渡、中連3座220 kV變電站下網(wǎng)供新化縣、冷水江市部分地區(qū)負(fù)荷，正常方式下由220 kV銻中、豹中、觀鵝、柘鵝線與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。某日在銻中線、豹中線同停的方式下，安排銻鋼線 (銻都變—冷鋼變)停電，地調(diào)將冷鋼負(fù)荷通過110 kV地區(qū)電網(wǎng)倒中連、上渡變供電，此時(shí)婁底西部電網(wǎng)由觀鵝與柘鵝線供電，此時(shí)專供鴨田牽引變的鵝鴨線，對(duì)該上述局部電網(wǎng)負(fù)荷產(chǎn)生沖擊的同時(shí)，也造成了部分時(shí)段主供廠站電壓的跌落。

考慮到局部末端系統(tǒng)的靜態(tài)安全及暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題，對(duì)柘溪電廠開機(jī)方式及柘鵝觀鵝斷面給出控制要求，其中考慮 N—1后仍滿足線路不過熱穩(wěn)，需控制柘鵝觀鵝潮流之和不超250 MW。

圖5 婁底西部電網(wǎng)地理接線圖

選取該日6時(shí)至13時(shí)之間該電網(wǎng)的高鐵負(fù)荷及實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖6所示。由于在銻鋼線7時(shí)30分停電前，將冷鋼負(fù)荷倒至上渡供電區(qū)，造成斷面短時(shí)接近滿載，此時(shí)主網(wǎng)上渡變母線電壓瞬間由229 kV被拉低至223 kV。7時(shí)30分后，鵝鴨線高鐵負(fù)荷陸續(xù)對(duì)上渡變母線電壓造成電壓波動(dòng)，其中電壓波動(dòng)1 kV及以上次數(shù)占統(tǒng)計(jì)區(qū)間36.7%，約占高鐵負(fù)荷峰段時(shí)間的46.7%，也即有近50%超過1 kV電壓波動(dòng)與高鐵沖擊負(fù)荷有關(guān)。電壓嚴(yán)重時(shí)，電壓波動(dòng)達(dá)2 kV及以上占統(tǒng)計(jì)區(qū)間的6.67%，其中有60%以上與高鐵沖擊負(fù)荷有關(guān)，上渡變220 kV母線電壓最低達(dá)到221.56 kV，顯然對(duì)電壓控制是不利的。為將電壓控制在合理范圍內(nèi)，需要地調(diào)事先將負(fù)荷盡量倒走同時(shí)投入無功補(bǔ)償裝置，以提高母線電壓，減少?zèng)_擊負(fù)荷導(dǎo)致電壓跌落的不利影響。

圖6 婁底西地區(qū)高鐵占比及電壓波動(dòng)

基于分析，可以得到京廣、滬昆高鐵帶來的沖擊負(fù)荷，對(duì)局部地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)安全潮流及電壓控制均會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響。目前滬昆高鐵負(fù)荷主要影響婁邵、懷吉電網(wǎng)結(jié)構(gòu)聯(lián)系較薄弱的地區(qū)，而明年滬昆高鐵全線貫通后，高鐵負(fù)荷將再上一個(gè)水平，其沖擊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)正?；驒z修方式下的影響將更為嚴(yán)重。故安排電網(wǎng)檢修方式時(shí)，應(yīng)考慮采用相關(guān)廠站母線上的高鐵最大沖擊負(fù)荷作為該母線負(fù)荷預(yù)測值一部分來進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)定及無功電壓校核。特別地當(dāng)高鐵負(fù)荷對(duì)受電區(qū)域總負(fù)荷占比較大，應(yīng)提前合理安排開機(jī)方式，或調(diào)整負(fù)荷分配，預(yù)留充足的有功、無功備用，避免高鐵沖擊負(fù)荷頻繁造成斷面潮流或母線電壓越限。

2 空載線路對(duì)電壓的影響問題

一般而言，為提高高鐵的供電可靠性，牽引變電站均接引電力系統(tǒng)兩回獨(dú)立可靠的220 kV高壓電源，一主一備，互為備用，如圖7所示。白天客運(yùn)高峰期單一回線路負(fù)載運(yùn)行，另一回空載運(yùn)行提供備用；夜晚高鐵陸續(xù)停止運(yùn)營后，兩回線路均空載運(yùn)行。

圖7 牽引變接線圖

由于空載線路仍處于帶電狀態(tài)，線路相間和對(duì)地電容產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的容性無功功率 (即充電功率)，而220 kV電壓等級(jí)的每公里的單根送電線路充電功率約為0.14 Mvar/km〔7〕，相當(dāng)于各空載供電線路送出變電站投入了若干電容。

根據(jù)無功就地平衡原則，為保證局部地區(qū)電網(wǎng)電壓質(zhì)量良好，中樞點(diǎn)電壓可控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，需要保證在最大負(fù)荷情況下，地區(qū)電網(wǎng)的最大無功出力大于無功負(fù)荷；在最小負(fù)荷情況下，區(qū)域電網(wǎng)的最小無功出力小于無功負(fù)荷〔6〕。而湖南電網(wǎng)內(nèi)，湘西南的懷吉電網(wǎng)一直存在因負(fù)荷較低、無進(jìn)相能力小水電機(jī)組多等原因無功電源充裕、低谷時(shí)段部分廠站電壓偏高的特點(diǎn)。

滬昆高鐵投運(yùn)后，懷化電網(wǎng)為配合投產(chǎn)8條高鐵供電線路，空載情況下其充電功率概況見表3。

表3 懷化地區(qū)高鐵供電線路充電功率

采用調(diào)度智能系統(tǒng)D5000 PAS(Power Application Software，PAS)潮流計(jì)算軟件對(duì)懷化地區(qū)高鐵供電線路投運(yùn)前后的懷化電網(wǎng)主要變電站母線電壓進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如圖8所示，高鐵供電線路投運(yùn)后，在低谷負(fù)荷期，若不采取其他調(diào)壓手段，220 kV電壓均被抬高，變化率最大的田家變母線電壓上升了1.3%，而懷化西部晃州變母線電壓最高達(dá)234.2 kV，高鐵空載線路充電運(yùn)行近一步惡化了懷化地區(qū)部分廠站的低谷調(diào)壓問題。故為減少高鐵供電線路空載運(yùn)行給低谷調(diào)壓帶來的影響，應(yīng)盡量在低谷來臨時(shí)提前干預(yù)，利用高鐵牽引站周圍的發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行及調(diào)整變電站無功設(shè)備來降低相關(guān)廠站的母線電壓。

圖8 高鐵投運(yùn)前后懷化主要變電站電壓

3 結(jié)論

文中以高速鐵路牽引負(fù)荷的接入后的湖南電網(wǎng)為背景，從電網(wǎng)靜態(tài)安全潮流控制、無功電壓平衡等方面，討論分析了高鐵沖擊負(fù)荷對(duì)局部電網(wǎng)潮流斷面和電壓的影響及高鐵供電線路空載充電功率對(duì)廠站電壓的影響，得到如下結(jié)論:

1)在電網(wǎng)檢修方式下，高鐵短時(shí)沖擊負(fù)荷會(huì)加劇某些斷面的輸送功率，導(dǎo)致斷面重載或過載，同時(shí)在某些無功電壓支撐不足的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，沖擊性負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致牽引站及其周圍變電站電壓發(fā)生大范圍的波動(dòng)。

2)在無功電源充裕的地區(qū)，負(fù)荷低谷階段的高鐵供電線路的充電無功功率將進(jìn)一步抬升地區(qū)電網(wǎng)的電壓，惡化了廠站的低谷調(diào)壓問題。

3)為減少高鐵牽引負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)帶來的不利影響，調(diào)度運(yùn)行管理人員應(yīng)掌握高鐵負(fù)荷特性，對(duì)存在高鐵牽引變負(fù)載的廠站周圍供電線路安排停電前，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行 “先算后?！?，并采用高鐵最大沖擊負(fù)荷數(shù)據(jù)作為受電區(qū)母線負(fù)荷預(yù)測值來校核受電斷面是否存在靜態(tài)安全潮流或電壓越限問題，以合理安排檢修計(jì)劃及電網(wǎng)運(yùn)行方式。

4)在日常潮流調(diào)整時(shí)可通過提前調(diào)整開機(jī)方式或負(fù)荷轉(zhuǎn)供等措施以控制受電區(qū)高鐵沖擊負(fù)荷的負(fù)面影響，并應(yīng)充分利用發(fā)電機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行能力，在低谷負(fù)荷來臨之前，盡量降低無功負(fù)荷不足的地區(qū)廠站母線電壓。

另外，湘西南的懷吉電網(wǎng)存在豐水期水電大方式遠(yuǎn)距離外送而枯水期水電較小負(fù)荷大方式受電的潮流特性，該區(qū)段高速列車負(fù)荷是否會(huì)帶來低頻振蕩等電網(wǎng)動(dòng)態(tài)小干擾問題，仍有待研究。

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Research on the effects of high-speed railway traction load in Hunan power grid

CHEN Yuanyang1，CHEN Hao1，WANG Can2，HUANG Jiyuan3，WU Peiying4
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute，Changsha 410007，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Electric Power Corporation，Changsha 410015，China；4.State Grid Hunan Electric Power Corporation Economic＆Technology Institute，Changsha，410042，China)

Considering the planning pattern of Hunan Power Grid and high-speed railway in recent years，the impact of highspeed railway traction load is analyzed from the static security power flow control and reactive voltage power balance.Based on the above analysis，in order to reduce the adverse effects on power grid of railway traction load，some suggestions of making the reasonable operation mode and maintenance program and adjusting the power flow and voltage of the power grid are also given.

high-speed railway traction load；shock performance；static security；reactive voltage power；power flow control

TM714

B

1008-0198(2016)04-0039-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.010

陳遠(yuǎn)揚(yáng)(1987)，男，漢族，湖南衡陽人，碩士研究生，從事調(diào)度運(yùn)行工作。

2015-12-09 改回日期:2016-01-08