高速鐵路牽引負荷對湖南電網(wǎng)的影響

陳遠揚，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)濟技術(shù)研究院，湖南長沙410042)

高速鐵路牽引負荷對湖南電網(wǎng)的影響

陳遠揚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高鐵牽引負荷對湖南電網(wǎng)的影響進行分析。基于以上分析，為減少高鐵牽引負荷對電網(wǎng)帶來的不利影響，本文為調(diào)度運行專業(yè)人員合理安排電網(wǎng)運行方式、計劃檢修工作及調(diào)整控制電網(wǎng)運行潮流及電壓提供了建議措施。

高鐵牽引負荷；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)鐵路交通運輸?shù)闹袠惺》荩S著京廣高鐵武廣客運段 (2008年底投運)、衡柳高鐵 (2013年底投運)以及滬昆高鐵長沙至懷化段 (2014年底投運)陸續(xù)開通運營，湖南省境內(nèi)高鐵里程數(shù)已超過1 000 km，覆蓋率達到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長沙為中心，京廣客運專線縱貫?zāi)媳?，滬昆客運專線橫穿東西，縱橫通達、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)展進程已邁入 “高鐵黃金時代”，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用戶，高速鐵路因其高速度、運行平穩(wěn)等特點對牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較高的要求。同時，高鐵牽引負荷的大功率、時變性、沖擊性等特點對電網(wǎng)運行也帶來了更為深遠的影響。近年來，廣大科研機構(gòu)分別從高鐵供電可靠性、負荷特性、電能質(zhì)量等方面進行了深入的研究。文獻 〔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系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點；文獻〔3〕從統(tǒng)計學(xué)角度分析不同運行方式的高鐵牽引負荷特性和數(shù)據(jù)分布特征；文獻 〔4〕從電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)指標上評價了牽引負荷對電力系統(tǒng)的影響；文獻 〔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行整理和分析。

圖1 湖南省高鐵概況圖

為提高機車運行功率及高鐵供電可靠性，湖南省境內(nèi)的高速鐵路客運專線除衡柳高鐵外，其余(京廣、滬昆)均采用220 kV供電電壓等級，故高鐵對電網(wǎng)的運行影響也擴展到220 kV主網(wǎng)層面。為配合京廣、滬昆高鐵的陸續(xù)投運，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展，為保證對高鐵可靠供電以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟運行，重視和加強對電鐵負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、滬昆高鐵沖擊負荷對電網(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)負荷特性，為調(diào)度運行專業(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)，再通過動車的受電弓、主斷路器引入到動車主變壓器，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荷，高速鐵路不可避免地將產(chǎn)生的負序和諧波電流注入電網(wǎng)，必然會引起三相電壓不對稱、電壓波形畸變和電壓波動。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，而牽引負荷是大量高速移動、高行車密度、重載型高速列車〔6〕(一對8輛編組的CRH3型高鐵動車組牽引功率可達8.8 MW左右，列車追蹤時間間隔約為5～6 min)，故高鐵牽引變負荷呈現(xiàn)出與行車密度、載重、行車速度實時相關(guān)聯(lián)的頻繁波動狀態(tài)，且時變性、沖擊性均強于一般電氣化鐵路，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱的運行方式下易造成電壓波動、閃變，惡化供電質(zhì)量，尤其是高峰時段沖擊負荷會對電網(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。

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

表2 典型日高峰時高鐵區(qū)段負荷占地區(qū)負荷比例

由表2可得，在兩種典型運行方式下，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)總負荷比例較高。當電網(wǎng)處于檢修方式時，高速鐵路短時沖擊負荷對局部電網(wǎng)的影響將更明顯，此時電網(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，其控制限額會進一步收緊。本節(jié)從典型性原則出發(fā)，選取兩種日常計劃檢修方式下的高鐵負荷占比較高的岳陽 (京廣高鐵沿線)、婁底 (滬昆高鐵沿線)電網(wǎng)作為研究對象，分析京廣、滬昆高鐵對地區(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荷需求。電源分布上，220 kV及以上電壓等級的電源有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)負荷、岳陽電廠開機方式密切相關(guān)，若岳陽電廠開機方式大而地區(qū)負荷低時，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)；當開機方式小而地區(qū)負荷高時，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，對岳陽電廠機組旋備、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層面機組開機不足 (一期全停、二期2臺機組運行)，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

對該日9時至20時之間岳陽地區(qū)高鐵負荷及相關(guān)斷面數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并定義斷面潮流負載率超過95%為斷面重載，高鐵負荷占地區(qū)總負荷比例超過8%為高鐵峰段，結(jié)果如圖4所示。

圖4 岳陽地區(qū)高鐵占比及斷面負載

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

1.2 局部地區(qū)電網(wǎng)電壓波動

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)將冷鋼負荷通過110 kV地區(qū)電網(wǎng)倒中連、上渡變供電，此時婁底西部電網(wǎng)由觀鵝與柘鵝線供電，此時專供鴨田牽引變的鵝鴨線，對該上述局部電網(wǎng)負荷產(chǎn)生沖擊的同時，也造成了部分時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，對柘溪電廠開機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時至13時之間該電網(wǎng)的高鐵負荷及實時電壓進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖6所示。由于在銻鋼線7時30分停電前，將冷鋼負荷倒至上渡供電區(qū)，造成斷面短時接近滿載，此時主網(wǎng)上渡變母線電壓瞬間由229 kV被拉低至223 kV。7時30分后，鵝鴨線高鐵負荷陸續(xù)對上渡變母線電壓造成電壓波動，其中電壓波動1 kV及以上次數(shù)占統(tǒng)計區(qū)間36.7%，約占高鐵負荷峰段時間的46.7%，也即有近50%超過1 kV電壓波動與高鐵沖擊負荷有關(guān)。電壓嚴重時，電壓波動達2 kV及以上占統(tǒng)計區(qū)間的6.67%，其中有60%以上與高鐵沖擊負荷有關(guān)，上渡變220 kV母線電壓最低達到221.56 kV，顯然對電壓控制是不利的。為將電壓控制在合理范圍內(nèi)，需要地調(diào)事先將負荷盡量倒走同時投入無功補償裝置，以提高母線電壓，減少沖擊負荷導(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

基于分析，可以得到京廣、滬昆高鐵帶來的沖擊負荷，對局部地區(qū)電網(wǎng)靜態(tài)安全潮流及電壓控制均會產(chǎn)生較大的不利影響。目前滬昆高鐵負荷主要影響婁邵、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，高鐵負荷將再上一個水平，其沖擊負荷對電網(wǎng)正?；驒z修方式下的影響將更為嚴重。故安排電網(wǎng)檢修方式時，應(yīng)考慮采用相關(guān)廠站母線上的高鐵最大沖擊負荷作為該母線負荷預(yù)測值一部分來進行靜態(tài)穩(wěn)定及無功電壓校核。特別地當高鐵負荷對受電區(qū)域總負荷占比較大，應(yīng)提前合理安排開機方式，或調(diào)整負荷分配，預(yù)留充足的有功、無功備用，避免高鐵沖擊負荷頻繁造成斷面潮流或母線電壓越限。

2 空載線路對電壓的影響問題

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。白天客運高峰期單一回線路負載運行，另一回空載運行提供備用；夜晚高鐵陸續(xù)停止運營后，兩回線路均空載運行。

圖7 牽引變接線圖

由于空載線路仍處于帶電狀態(tài)，線路相間和對地電容產(chǎn)生相當數(shù)量的容性無功功率 (即充電功率)，而220 kV電壓等級的每公里的單根送電線路充電功率約為0.14 Mvar/km〔7〕，相當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，中樞點電壓可控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，需要保證在最大負荷情況下，地區(qū)電網(wǎng)的最大無功出力大于無功負荷；在最小負荷情況下，區(qū)域電網(wǎng)的最小無功出力小于無功負荷〔6〕。而湖南電網(wǎng)內(nèi)，湘西南的懷吉電網(wǎng)一直存在因負荷較低、無進相能力小水電機組多等原因無功電源充裕、低谷時段部分廠站電壓偏高的特點。

滬昆高鐵投運后，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)潮流計算軟件對懷化地區(qū)高鐵供電線路投運前后的懷化電網(wǎng)主要變電站母線電壓進行計算。結(jié)果如圖8所示，高鐵供電線路投運后，在低谷負荷期，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234.2 kV，高鐵空載線路充電運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行給低谷調(diào)壓帶來的影響，應(yīng)盡量在低谷來臨時提前干預(yù)，利用高鐵牽引站周圍的發(fā)電機組進相運行及調(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荷對局部電網(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，高鐵短時沖擊負荷會加劇某些斷面的輸送功率，導(dǎo)致斷面重載或過載，同時在某些無功電壓支撐不足的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，沖擊性負荷會導(dǎo)致牽引站及其周圍變電站電壓發(fā)生大范圍的波動。

2)在無功電源充裕的地區(qū)，負荷低谷階段的高鐵供電線路的充電無功功率將進一步抬升地區(qū)電網(wǎng)的電壓，惡化了廠站的低谷調(diào)壓問題。

3)為減少高鐵牽引負荷對電網(wǎng)帶來的不利影響，調(diào)度運行管理人員應(yīng)掌握高鐵負荷特性，對存在高鐵牽引變負載的廠站周圍供電線路安排停電前，應(yīng)嚴格執(zhí)行 “先算后?！?，并采用高鐵最大沖擊負荷數(shù)據(jù)作為受電區(qū)母線負荷預(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，以合理安排檢修計劃及電網(wǎng)運行方式。

4)在日常潮流調(diào)整時可通過提前調(diào)整開機方式或負荷轉(zhuǎn)供等措施以控制受電區(qū)高鐵沖擊負荷的負面影響，并應(yīng)充分利用發(fā)電機組進相運行能力，在低谷負荷來臨之前，盡量降低無功負荷不足的地區(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距離外送而枯水期水電較小負荷大方式受電的潮流特性，該區(qū)段高速列車負荷是否會帶來低頻振蕩等電網(wǎng)動態(tài)小干擾問題，仍有待研究。

〔1〕張曉薇，李振國.電氣化鐵路接入電力系統(tǒng)220 kV和110 kV供電電壓等級的研究 〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36 (17):13-15.

〔2〕張小瑜，吳俊勇.電氣化鐵路接入電力系統(tǒng)的電壓等級問題〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(7):12-17.

〔3〕賀輝，楊潔.武廣客運專線鐵路電力負荷特性分析及預(yù)測〔J〕.電力需求側(cè)管理，2011，13(3):47-50.

〔4〕劉育權(quán)，吳國沛，華煌圣，等.高速鐵路牽引負荷對電力系統(tǒng)的影響研究 〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39(18): 150-154.

〔5〕李群湛.我國高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題〔J〕.鐵道學(xué)報，2010，32(4):119-124.

〔6〕孫謙，葉健慧，陳浩，等.高鐵牽引供電系統(tǒng)對實時電網(wǎng)運行影響研究 〔J〕.湖南大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)，2012，39 (10):50-55.

〔7〕周勝軍，于坤山，馮滿盈，等.電氣化鐵路供電電能質(zhì)量測試主要結(jié)果分析 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(13):54-57.

〔8〕國網(wǎng)湖南省電力公司.湖南電網(wǎng) 2015年度運行方式〔Z〕.2014.

〔9〕電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計總院.電力系統(tǒng)設(shè)計手冊 〔M〕.北京:中國電力出版社，1998:228-229.

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

陳遠揚(1987)，男，漢族，湖南衡陽人，碩士研究生，從事調(diào)度運行工作。

2015-12-09 改回日期:2016-01-08