基于高速列車取流特性的牽引變電所負(fù)荷電流預(yù)測(cè)及應(yīng)用

李昱

（京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038）

0 引言

在牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)中，牽引變電所負(fù)荷電流過(guò)程具有重要意義。例如，在設(shè)計(jì)階段，需要通過(guò)預(yù)測(cè)或計(jì)算負(fù)荷電流開(kāi)展變壓器容量設(shè)計(jì)[1]；在運(yùn)營(yíng)階段，需要通過(guò)預(yù)測(cè)負(fù)荷電流校核運(yùn)行圖調(diào)整后的變電所供電能力[2]；運(yùn)營(yíng)中為達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，需要預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的負(fù)荷電流過(guò)程，以便確定容量計(jì)費(fèi)方式和最大需量。因此，對(duì)負(fù)荷電流的預(yù)測(cè)十分重要。

根據(jù)不同需求，可采用不同方法預(yù)測(cè)負(fù)荷電流。典型方法包括：基于概率特征參數(shù)的典型負(fù)荷曲線方法[3]和基于牽引供電系統(tǒng)仿真軟件的負(fù)荷過(guò)程計(jì)算方法[4]。

文獻(xiàn)[3]給出基于統(tǒng)計(jì)的牽引變壓器典型負(fù)荷曲線進(jìn)行變壓器容量設(shè)計(jì)的方法。其主要思想是：將波動(dòng)的牽引負(fù)荷視為隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)測(cè)試大運(yùn)量復(fù)線、小運(yùn)量復(fù)線、大運(yùn)量單線、小運(yùn)量單線等典型線路的負(fù)荷電流過(guò)程，獲得負(fù)荷電流的數(shù)字特征。其主要數(shù)字特征包括：空載概率、帶電平均電流值、日平均電流值、日平均電流有效值、帶電平均電流有效值、帶電有效系數(shù)、日有效系數(shù)等?；谝欢ㄒ?guī)則構(gòu)建階梯狀的典型負(fù)荷曲線，使典型負(fù)荷曲線的數(shù)字特征與實(shí)際負(fù)荷過(guò)程的數(shù)字特征接近，因此，可利用典型負(fù)荷曲線代替實(shí)際負(fù)荷曲線。通過(guò)構(gòu)建不同線路特征的典型負(fù)荷曲線，并基于該典型負(fù)荷曲線，結(jié)合變壓器壽命損失開(kāi)展新線的牽引變壓器容量設(shè)計(jì)[5]。

隨著牽引供電計(jì)算仿真軟件的應(yīng)用，可通過(guò)軟件模擬線路的實(shí)際負(fù)荷過(guò)程，基于該實(shí)際負(fù)荷過(guò)程進(jìn)行變壓器容量設(shè)計(jì)較為準(zhǔn)確[6]。但牽引供電計(jì)算仿真軟件需要詳細(xì)的線路參數(shù)、列車參數(shù)和運(yùn)行圖，存在參數(shù)獲取困難、方法計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，很難被牽引供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)人員快速掌握。

高速列車的負(fù)荷過(guò)程與傳統(tǒng)普速列車的電流取流有所不同，高速列車取流呈現(xiàn)明顯的階梯性，即加速情況下的滿功率運(yùn)行，恒速情況下以低于滿功率的某一恒定功率運(yùn)行。因此，相對(duì)于普速列車，高速列車取流特性曲線更簡(jiǎn)潔，為基于高速列車的取流特征和運(yùn)行圖來(lái)獲得牽引變電所負(fù)荷過(guò)程提供了可能[7-8]。

在此，給出典型高速列車的取流特性曲線，基于該曲線并結(jié)合運(yùn)行圖即可預(yù)測(cè)牽引變電所負(fù)荷電流，該方法克服了典型負(fù)荷曲線難以確定和牽引供電仿真計(jì)算復(fù)雜的不足。

1 高速列車取流特性

1.1 影響因素分析

影響高速列車取流的因素眾多，如動(dòng)車組速度等級(jí)、編組數(shù)量、牽引網(wǎng)電壓、線路參數(shù)、供電臂長(zhǎng)度等。

（1）與取流大小有關(guān)的因素。影響高速列車取流大小的核心因素是列車速度等級(jí)和編組長(zhǎng)度。盡管高速列車的種類較多，包含CRH3、CRH380A、CRH380B、CRH380C和復(fù)興號(hào)等系列，但從速度等級(jí)看，此類列車都屬于時(shí)速350 km等級(jí)；從功率等級(jí)看，相同編組長(zhǎng)度的列車功率等級(jí)均在同一等級(jí)。同一速度等級(jí)下的高速列車，16輛長(zhǎng)編組列車功率等級(jí)約為8輛短編組功率等級(jí)的2倍。

（2）與取流持續(xù)時(shí)間有關(guān)的因素。影響電流持續(xù)時(shí)間的核心因素包括列車起始狀態(tài)和線路長(zhǎng)度。加速滿功率運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間主要與列車的起始狀態(tài)有關(guān)。列車停站后，為了達(dá)到最高運(yùn)行速度，出站加速時(shí)間長(zhǎng)；列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，主要是通過(guò)加速來(lái)彌補(bǔ)列車通過(guò)電分相造成的速度損失，滿功率加速運(yùn)行的時(shí)間短。恒速恒功率運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間主要與線路長(zhǎng)度有關(guān)。列車加速到最高速度后，會(huì)進(jìn)入恒速運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)列車按照恒功率方式運(yùn)行，線路越長(zhǎng)，恒功率運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)。由于我國(guó)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的供電臂長(zhǎng)度一般都按照20～25 km設(shè)計(jì)，因此恒速持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間容易獲取。

1.2 取流特性曲線及其特征參數(shù)

基于速度等級(jí)、編組長(zhǎng)度的劃分能夠從外部特性上代表各種列車的電流取流特性。不同編組長(zhǎng)度列車在區(qū)間運(yùn)行的變電所取流特性和經(jīng)停車站后的變電所取流特性見(jiàn)圖1—圖4，典型取流特性的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 16輛長(zhǎng)編組列車（A型）經(jīng)過(guò)區(qū)間變電所的取流特性

圖2 16輛長(zhǎng)編組列車（A型）停車出站后的取流特性

圖3 8輛短編組列車（B型）經(jīng)過(guò)區(qū)間變電所的取流特性

圖4 8輛短編組列車（B型）停車出站后的取流特性

圖5 基于列車電流疊加的仿真電流和實(shí)測(cè)電流對(duì)比

表1 時(shí)速300 km列車取流特性的特征參數(shù)

2 牽引變電所母線電流預(yù)測(cè)

2.1 基于列車電流疊加的母線電流預(yù)測(cè)

在此提出的牽引變電所母線電流預(yù)測(cè)方法為：在運(yùn)行圖基礎(chǔ)上獲得經(jīng)過(guò)該變電所供電范圍每列車經(jīng)過(guò)該變電所的時(shí)刻、該車的初始狀態(tài)、列車編組長(zhǎng)度和速度等級(jí)信息，基于以上信息確定該車應(yīng)選用的電流曲線。根據(jù)下一時(shí)刻進(jìn)入該供電臂的列車信息，確定下一列車所選用的電流曲線，并與上一列車電流曲線相加，依次循環(huán)，可以獲得全天變電所負(fù)荷電流過(guò)程曲線。對(duì)于進(jìn)站過(guò)程中處于再生制動(dòng)的列車，可以參照牽引取流曲線。

2.2 對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證16輛編組、8輛編組列車電流曲線的正確性，找出實(shí)測(cè)電流中有2列列車在該區(qū)間同時(shí)運(yùn)行的情況，將16輛編組、8輛編組單列列車電流曲線相應(yīng)疊加，并與實(shí)測(cè)電流進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖5）。結(jié)果表明，基于列車取流曲線疊加所獲得的牽引變電所電流與實(shí)測(cè)的牽引變電所電流趨勢(shì)基本一致。

3 應(yīng)用案例

3.1 基于最大需量的電費(fèi)計(jì)算

按照《銷售電價(jià)管理暫定辦法》，執(zhí)行兩部制電價(jià)的電力用戶，基本電價(jià)按容量或按最大需量計(jì)費(fèi)[9]，由用戶選擇。

（1）按照變壓器容量計(jì)費(fèi)?；倦娰M(fèi)按照用戶變壓器容量收取，用戶每月繳納的基本電費(fèi)由用戶安裝的變壓器容量乘以單位容量的電價(jià)得到。計(jì)算公式為：基本電費(fèi)（元）=變壓器安裝容量（kVA）×容量電價(jià)（元/kVA）。

容量計(jì)費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)在于能鼓勵(lì)用戶主動(dòng)降低利用率較低的變壓器容量，提高用電負(fù)荷，優(yōu)化電力資源的分配。但也存在用戶通過(guò)負(fù)荷運(yùn)行選擇小容量變壓器以消減容量電費(fèi)的弊端，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。

（2）按照最大需量計(jì)費(fèi)。采用最大需量計(jì)費(fèi)的用戶需要安裝最大需量電能表，當(dāng)1個(gè)月內(nèi)連續(xù)15 min電能表所記錄的平均有功功率最大值不超過(guò)1.05倍最大需量契約值時(shí)，最大需量計(jì)費(fèi)的計(jì)算公式如下：

基本電費(fèi)（元）=契約值（kW）×最大需量電價(jià)（元/kW）。

基本電費(fèi)按照最大需量計(jì)費(fèi)收取時(shí)，有如下規(guī)定：①用戶與電力部門訂立最大需量契約值，實(shí)際最大需量由供電企業(yè)核準(zhǔn)，若超出約定值，則加倍收取需量電費(fèi)；②若電力用戶最大需量申報(bào)值不足變壓器容量與不經(jīng)過(guò)變壓器入網(wǎng)的電動(dòng)機(jī)容量總和的40%時(shí)，電力部門將按照總?cè)萘康?0%來(lái)核定。如果電力負(fù)荷緊張，電力部門要求用戶最大需量限制在40%以內(nèi)時(shí)，按實(shí)際申報(bào)值核定最大需量；③用戶選擇最大需量計(jì)算基本電費(fèi)時(shí)，應(yīng)提前與供電企業(yè)簽署合同，約定最大需量，用電協(xié)議有效期為1個(gè)季度，變更最大需量契約值的時(shí)間間隔不小于1個(gè)月。

如果約定最大需量過(guò)大，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，達(dá)不到采用最大需量法的經(jīng)濟(jì)效果；如果約定最大需量太小，不能滿足用戶生產(chǎn)生活的需要，反倒不如按照容量計(jì)費(fèi)方法計(jì)算。因此采用最大需量計(jì)費(fèi)的關(guān)鍵在于選擇合適的最大需量值，才能有助于節(jié)約基本電費(fèi)。

設(shè)與電力部門約定最大需量的契約限額為Pc，Vp為基本電費(fèi)，CkW為單價(jià)，Preal為實(shí)際最大需量，變壓器安裝容量為S。按照電價(jià)管理辦法，分別計(jì)算實(shí)際最大需量在不同情況下的基本電費(fèi)：

（1）最大需量契約值Pc＜S×40%，當(dāng)實(shí)際最大需量不超過(guò)契約限額時(shí)，Vp=Pc×CkW=CkW×S×40%（Preal≤Pc=S×40%）。

（2）當(dāng)實(shí)際最大需量大于容量總和的40%且不超過(guò)契約限值的1.05倍時(shí)，最大需量應(yīng)按照契約值計(jì)算，Vp=Pc×CkW（S×40% ＜Preal≤Pc×1.05）。

（3）實(shí)際最大需量超出契約限值的1.05倍時(shí)，超出部分需要支付雙倍電費(fèi)，Vp=Pc×CkW+（Preal-Pc×1.05）×2×CkW（Preal＞Pc×1.05）。

實(shí)際最大需量單位基本電價(jià)和最大需量的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)際最大需量單位基本電價(jià)和最大需量的關(guān)系

3.2 基于負(fù)荷電流過(guò)程的最大需量計(jì)算

由3.1可知，最大需量計(jì)費(fèi)方式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是需要預(yù)測(cè)最大需量。當(dāng)鐵路運(yùn)營(yíng)部門能夠基于上述方法預(yù)測(cè)牽引變電所負(fù)荷過(guò)程，則可根據(jù)負(fù)荷電流過(guò)程來(lái)計(jì)算最大需量。

采用滑差式計(jì)算為最大需量的計(jì)算方法之一，即每隔1個(gè)滑差時(shí)間計(jì)算1次有功功率，然后計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)多個(gè)有功功率的平均值，比較得出最大值即為最大需量?！耙欢螘r(shí)間”是指需量周期，我國(guó)廣泛釆用的滑差式最大需量電能表的需量周期為15 min?；顣r(shí)間可與供電企業(yè)商議確定，通常小于需量周期的三分之一，多選擇1、3、5 min。

以某牽引變電所1 d的最大需量為例進(jìn)行計(jì)算。需量周期設(shè)為15 min，滑差時(shí)間選為3 s，將第1個(gè)有功功率到第300個(gè)有功功率求和并計(jì)算其平均值，第2個(gè)有功功率到第301個(gè)有功功率求和并計(jì)算其平均值，以此類推，直至第28 501個(gè)有功功率到第28 800個(gè)有功功率求和并計(jì)算其平均值，將計(jì)算出的28 501個(gè)平均有功功率進(jìn)行比較，最大值即是當(dāng)日最大需量，其計(jì)算流程見(jiàn)圖7。同理可計(jì)算滑差時(shí)間為1、3、5 min的當(dāng)日最大需量。

圖7 滑差式最大需量計(jì)算計(jì)算流程

基于負(fù)荷電流過(guò)程和最大需量計(jì)算方法，可計(jì)算出京滬高鐵某牽引變電所不同滑差時(shí)間的最大需量及對(duì)應(yīng)的基本電費(fèi)[10]（見(jiàn)表2，其中最大需量計(jì)費(fèi)單價(jià)為40元/kW，容量計(jì)費(fèi)單價(jià)為30元/kVA）。由表2可知，采用不同滑差時(shí)間，最大需量計(jì)費(fèi)相差不大，滑差時(shí)間為3 s的基本電費(fèi)最高。綜合考慮下，采用3 min滑差時(shí)間計(jì)費(fèi)更為合理。數(shù)據(jù)同時(shí)表明，該牽引變電所采用最大需量計(jì)費(fèi)比采用容量計(jì)費(fèi)方式節(jié)省約30萬(wàn)元/月。

表2 某牽引變電所2種電費(fèi)計(jì)算方法對(duì)比 萬(wàn)元

4 結(jié)束語(yǔ)

提出通過(guò)列車取流特性并結(jié)合運(yùn)行圖預(yù)測(cè)牽引變電所負(fù)荷電流過(guò)程的方法，對(duì)影響列車負(fù)荷電流特性曲線的因素和參數(shù)進(jìn)行分析，并闡述其應(yīng)用案例。為滿足實(shí)際需要，還應(yīng)對(duì)以下方面開(kāi)展深入研究：

（1）進(jìn)一步通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)列車電流特性曲線的滿功率電流、恒速恒功率電流、加速持續(xù)時(shí)間、恒速持續(xù)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；

（2）豐富和完善不同速度等級(jí)下的列車負(fù)荷電流特性曲線。