孫偉卿,楊敬元,潘以周,雷 達,楊赟磊,趙旭偉,徐 龍,肖 瑩

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.國網(wǎng)山西電力科學研究院，山西 太原 030001)

忻州電網(wǎng)電氣化鐵路電能質(zhì)量普測分析

孫偉卿1,楊敬元1,潘以周1,雷 達2,楊赟磊2,趙旭偉2,徐 龍2,肖 瑩2

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.國網(wǎng)山西電力科學研究院，山西 太原 030001)

電氣化鐵路牽引負荷屬于典型的電子開關負荷，具有強非線性，易對電網(wǎng)供電電能質(zhì)量造成不良影響。為了解忻州電網(wǎng)在電氣化鐵路牽引負荷影響下的電能質(zhì)量狀況，進而開展有針對性的預防、管理和治理措施，對忻州配電網(wǎng)開展了一次有針對性的電氣化鐵路牽引負荷電能質(zhì)量普測。測試對象為11個110 kV變電站的19條線路。然后，對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并對照相關國家標準找出忻州電網(wǎng)存在的普遍性電能質(zhì)量問題。結(jié)果表明:忻州地區(qū)電氣化鐵路牽引負荷的諧波問題較為嚴重，尤其以三次諧波超標為甚，個別線路甚至遠遠超過國家標準限制。此外，部分測試點存在電壓波動幅度大、三相不平衡、電壓閃變等問題，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。最后，針對忻州電網(wǎng)當前的電能質(zhì)量狀況，提出了治理以及改善的相關建議。

電網(wǎng)； 電氣化鐵路； 電能質(zhì)量； 普測； 饋線

0 引言

忻州地區(qū)毗鄰太原衛(wèi)星發(fā)射中心，電網(wǎng)電能質(zhì)量狀況備受關注[1]。另一方面，隨著忻州地區(qū)的生產(chǎn)力發(fā)展以及經(jīng)濟建設的推進，用電用戶對電能質(zhì)量的投訴與高質(zhì)量電能的需求也日益增長[2]。

電能質(zhì)量問題會對電力系統(tǒng)的正常工作、效率運行以及各用電設備等造成一定的危害，電氣化鐵路的開發(fā)建設又使得各種負面影響愈發(fā)凸顯，忻州配電網(wǎng)的電能質(zhì)量受到了更多的污染。妥善解決電能質(zhì)量問題已是當務之急，亟需收集關于忻州電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的詳細資料，為電能質(zhì)量實時監(jiān)測工作的開展以及相關科研活動提供數(shù)據(jù)支持。

本文對忻州電網(wǎng)電氣化鐵路電能質(zhì)量普測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，掌握忻州配電網(wǎng)大型用戶電能質(zhì)量污染現(xiàn)狀，同時提出針對這些問題的治理措施。

1 測量概況

1.1 測試對象

為掌握忻州配電網(wǎng)電能質(zhì)量狀況，對忻州電網(wǎng)開展了一次有針對性的大規(guī)模測試。測量對象為忻州崞陽站、柳塬站等11個站共19條測試線路，對這19條線路的測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并找出山西省配電網(wǎng)大用戶普遍存在的電能質(zhì)量問題。

1.2 測試依據(jù)

測試依據(jù)的相關國家標準包括:《GB/T 14549-1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》、《GB/T 12325-2008 電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》、《GB/T 12326-2008 電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》、《GB/T 15543-2008 電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》、《GB/T 15945-2008 電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》等。

1.3 測試內(nèi)容

測試內(nèi)容主要包含三相電壓不平衡度、供電電壓的偏差、電壓波動與閃變、電網(wǎng)頻率以及諧波等一系列的電能質(zhì)量指標，對19條測試線路的電能質(zhì)量參數(shù)逐一測量研究，并得出分析結(jié)果。

1.4 測試方法及測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

測試時間長度選取變電站最大運行方式下一個運行周期(不少于24 h)；測試間隔根據(jù)測試設備采樣處理數(shù)據(jù)頻度確定，一般選取10 s；測試信號為三相相電壓、三相電流。

短時間閃變值以10 min作為一次測試時間，24 h內(nèi)允許的超過國標限值的最大次數(shù)為7次(70 min)。長時間閃變值以2 h為一次測試周期，超標任意一次即判為不合格[3-5]。測量數(shù)據(jù)的結(jié)果以所測時間內(nèi)三相數(shù)據(jù)中數(shù)值最大的一相為準。

針對諧波電流以及諧波電壓所進行的測試應該在電網(wǎng)正常工作時可能出現(xiàn)的最小運行方式之下進行，并且應該選擇在諧波源的工作期間產(chǎn)生的諧波量較大的時間內(nèi)開展[6]。測量結(jié)果的選取參考電能質(zhì)量國家標準，諧波類數(shù)據(jù)的測量結(jié)果不僅要取各相測量數(shù)據(jù)中最大的一相，還要取該相數(shù)據(jù)中的95%概率大值。將此數(shù)據(jù)結(jié)果與國家標準中規(guī)定的允許值進行對照，作為評判諧波是否滿足國家要求的依據(jù)。95%概率大值的近似選取方法為:將實際測量的數(shù)據(jù)按從大到小的順序排序，去除總量中最大的5%部分的數(shù)據(jù)，取剩下數(shù)值中的最大值作為該測試點測量值。

1.5 測量數(shù)據(jù)限值要求

(1)諧波電壓限值如表1所示。

表1 諧波電壓限值

(2)對于標稱電壓為110 kV，基準短路容量為750 MV的系統(tǒng)，諧波電流允許值如表2所示。

表2 諧波電流允許值

(3)電壓不平衡度限值。

電網(wǎng)各個部分正常運轉(zhuǎn)時，負序電壓的不平衡度在一段時間內(nèi)不能高于標準值的2%，短時間內(nèi)不能高于標準值的4%。連接至某一公共點的各個用戶在此公共連接點所引起的負序電壓不平衡度一般不能高過標準值的1.3%，較短時間內(nèi)不能高于標準值的2.6%[7]。

(4)電壓偏差限值。

相關國家標準規(guī)定在電網(wǎng)中各部分正常運轉(zhuǎn)的前提下，受電的用戶端供電電壓偏差針對不同電壓等級的允許值如下所示。

①35 kV及以上的供電系統(tǒng)中，電壓正偏差與電壓負偏差的絕對值之和要求不能高于電力系統(tǒng)標準電壓的10%。

②20 kV及以下三相供電系統(tǒng)的電壓正偏差不能高于標準電壓的+7%，負偏差不能低于標準值的-7%。

③220 V單相供電的電力系統(tǒng)中電壓正偏差不能高于標準電壓的+7%，負偏差不能低于標準值的-10%。

(5)頻率偏差限值。

相關國家標準規(guī)定:電力系統(tǒng)中各個部分在正常運轉(zhuǎn)的情形下，它的頻率偏差不能夠超出±0.2 Hz；當遇到容量比較小的系統(tǒng)時，其偏差值不能夠超出±0.5 Hz[8]。

(6)電壓閃變限值如表3所示。

表3 閃變限值

表3中:UL表示UN≤1 kV；UM表示1kV

2 忻州配電網(wǎng)電能質(zhì)量分析

2.1 電壓偏差

測試線路電壓偏差如圖1所示。19組測試線路正負電壓偏差絕對值之和的平均值是8.623%。忻州地區(qū)所測線路中，大部分測量點電壓偏差均符合國家標準，但崞孤線、北田線、義神線、宋秦二線、軒鐵線、軒龍一線這6條線路的正負電壓偏差絕對值之和超出了國標允許值10%，發(fā)生超標。其中，義神線超標情況最為嚴重，供電電壓正負偏差絕對值達到了12.282%，超出國標限值的程度最大。忻州地區(qū)煤礦業(yè)發(fā)達，且重視發(fā)展電氣化鐵路，許多設備具有沖擊性的負荷，比如電焊機、電弧爐等，導致了某些地區(qū)電壓偏差較大的問題。而電氣化鐵路的開發(fā)建設與穩(wěn)定發(fā)展，會使得這一問題愈加凸顯。

圖1 測試線路電壓偏差圖

2.2 三相不平衡度

測試線路三相電壓不平衡度如圖2所示。19條線路的三相電壓不平衡度平均值為1.434%。忻州地區(qū)三相電壓不平衡度共有5個測試點發(fā)生超標，分別為保橋線、保陰線、宋秦二線、軒鐵線、軒龍一線。其中，保德站的保橋線與保陰線超標情況較為嚴重，測量值達到了2.789%與2.797%，超過國標限值2%的幅度較大，三相不平衡的問題較為嚴重；而宋秦二線，軒鐵線與軒龍一線超出國標允許值的程度比較小，三相不平衡的問題較為輕微。導致三相不平衡的原因為電力系統(tǒng)之中三相的負荷沒能實現(xiàn)對稱運行。忻州地區(qū)一直很重視電氣化鐵路的發(fā)展，其中運用的是工頻單相交流電，它的牽引負荷會在三相對稱供電系統(tǒng)中引發(fā)電力系統(tǒng)不對稱的問題，導致負序電流以及負序電壓的產(chǎn)生，最終造成供電系統(tǒng)三相不平衡。

圖2 測試線路三相電壓不平衡度圖

2.3 頻率偏差

頻率偏差的測試總體情況非常良好，忻州地區(qū)所測19條測試線路的頻率偏差值均在國標限值之內(nèi)，且各條線路的頻率波動范圍很小，符合國家標準。由此可看出，忻州地區(qū)的電網(wǎng)頻率狀況良好。

2.4 電壓閃變

2.4.1 短時間閃變值

短時間閃變值的測試總體情況較好，在可評估的時間之內(nèi)，19條測試線路中僅有義神線的短時間閃變值超標，其余測試線路的數(shù)據(jù)結(jié)果均在限值之內(nèi)，符合國家標準。

2.4.2 長時間閃變值

19條測試線路所測長時間閃變值最大值如圖3所示。測試總體情況較好，但北田線、義神線、永滴一線3條線路所測長時間閃變最大值超出了國標限值0.6，分別達到了0.652、0.823、0.618。

圖3 測試線路長時間閃變最大值圖

綜上所述，忻州19條測試線路中，僅有北田線、義神線、永滴一線3條線路的電壓閃變存在超標問題，不符合國家標準。電壓閃變問題出現(xiàn)的主要原因是忻州地區(qū)工業(yè)發(fā)達，其具有沖擊性的負荷，比如電焊機、電弧爐等設備的運行等，將會使得電壓迅速地產(chǎn)生變化，繼而引發(fā)閃變問題。

2.5 諧波

2.5.1 電壓總諧波畸變率

測試線路電壓總諧波畸變率如圖4所示。

圖4 測試線路電壓總諧波畸變率圖

忻州地區(qū)共有11個測試點發(fā)生超標，分別為崞孤線、忻柳線、柳鐵線、保橋線、保陰線、宋秦二線、鳳木線、軒鐵線、軒龍一線、永鐵一線、永滴一線。這些測試線路之中，鳳木、軒鐵、軒龍一線這3條測試線路的電壓總諧波畸變率超標情況較為嚴重，分別達到了17.13%、4.061%、4.061%(均為95%概率大值)，遠超國標限值2%。

2.5.2 各次諧波電壓含有率

忻州地區(qū)19組測試線路中，有6條測試線路各次諧波電壓含有率發(fā)生超標，具體情況為:崞孤線的第5次諧波電壓含有率測試結(jié)果高于國標規(guī)定的允許值，宋秦二線的第31次諧波電壓含有率發(fā)生超標，鳳木線第3次諧波電壓含有率發(fā)生超標，軒鐵線第3、5、7、9次諧波電壓含有率發(fā)生超標，軒龍一線的第3、5、7、9次諧波電壓含有率發(fā)生超標，永滴一線的第3次諧波電壓含有率發(fā)生超標。

2.5.3 各次諧波電流值

測試總體情況并不理想，19條測試線路之中，共有12條線路發(fā)生超標，具體超標情況如表4所示。

由表4可知，所有存在超標情況線路的第3次諧波電流值均不合格，因而第3次諧波電流值超標情形最為嚴重。忻州19條測試線路第3次諧波電流值如圖5所示。

19條測試線路之中，忻柳線、北田線、保陰線、義神線、鳳木線、軒龍一線與永滴一線的第3次諧波電流值均超過了20 A，遠遠超出了國家標準中的允許值，超標情形較為嚴重。其中，保陰線的第3次諧波電流值超標最為嚴重，測量值達到了52.09 A，遠超國標限值9.6 A。

表4 忻州各測試點各次諧波電流值超標情況

圖5 所有測試線路第3次諧波電流圖

綜上所述，在諧波問題上，19條測試線路中只有匡硅線、宋秦一線、西寧線、鳳寧線4條線路所有指標均在國標限值之內(nèi)，滿足國家標準。剩余15條線路的諧波指標都存在一定程度的超標，未滿足國標的要求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，忻州地區(qū)的諧波問題主要是由電氣化鐵路引起的。由于電力機車的整流裝置大量采用大功率電力電子器件，因此電鐵負荷屬于典型的電子開關負荷。電鐵負荷具有強非線性，易使電壓、電流波形發(fā)生畸變，導致諧波分量進入電力系統(tǒng)，并對其造成一系列負面影響，致使忻州地區(qū)諧波問題較為嚴重。此外，忻州地區(qū)發(fā)達的煤礦業(yè)使得電弧爐、中頻爐等非線性負載裝置較多地投入使用，這些大功率器件使用時也會產(chǎn)生大量諧波。

3 結(jié)束語

忻州電網(wǎng)19條饋線線路上的電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果表明:電氣化鐵路的發(fā)展給忻州電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量污染，應重視主干網(wǎng)的建設，提高投資水平，加強電網(wǎng)抗擾動能力[9]。根據(jù)普測分析結(jié)果，忻州地區(qū)由于電氣化鐵路所引起的諧波污染問題較為嚴重，諧波治理是重中之重，可以考慮在忻州電網(wǎng)諧波問題較為嚴重地區(qū)的電鐵牽引站加裝一些諧波治理裝置，以實現(xiàn)對諧波源的治理[10]。此外，可在忻州區(qū)域內(nèi)的鐵路裝設不平衡變壓器，緩解忻州電網(wǎng)的三相不平衡問題。

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Analysis of the General Survey for the Power Quality
of Electrified Railway Supplied by Xinzhou Power Grid

SUN Weiqing1,YANG Jingyuan1,PAN Yizhou1,LEI Da2,YANG Yunlei2,ZHAO Xuwei2,XU Long2,XIAO Ying2
(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China；
2.Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan 030001,China)

The traction load of electrified railway is a typical kind of electronic switching load,which has strong nonlinearity and may threaten the quality of power supply from the grid.In order to find out the status of power quality under the influence of traction load of electrified railway on Xinzhou power grid,corresponding measures of prevention,management and governance are carried out,and then a general survey of power quality of the electrified railway under traction load is conducted for distribution power grid of Xinzhou.The test objects are the nineteen feeders of eleven 110 kV substations.Then the test data are statistically analyzed,and contrasting relevant national standards,the universal power quality problems existing in Xinzhou power grid are found.The results show that harmonic problems of traction load of electrified railway in Xinzhou region are more serious,especially the third harmonic,and some feeders are far beyond the limits of national standard.Besides,there are some problems in part of the test points，such as large voltage fluctuations,three-phase unbalance and excessive levels of voltage flicker,which may threaten the safety and stably of the power grid.Finally,aiming at the current condition of power quality in Xinzhou power grid,some relevant recommendations about treatment and improvement are proposed.

Power grid; Electrified railway; Power quality; General survey; Feeder

國家電網(wǎng)公司科技基金資助項目

孫偉卿(1985—)，男，博士，副教授，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、智能電網(wǎng)、電力系統(tǒng)優(yōu)化、能源互聯(lián)網(wǎng)的研究。 E-mail:sidswq@163.com。

TP306; TH238

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707015

修改稿收到日期:2017-02-08