交流電氣化支線鐵路最大需量控制技術(shù)

呂順凱

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司 供電系統(tǒng)事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

0 引言

支線鐵路是眾多中小城市和工礦企業(yè)與干線鐵路聯(lián)系的橋梁與紐帶，在繁榮地方經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用［1-2］。自《國(guó)務(wù)院關(guān)于改革鐵路投融資體制加快推進(jìn)鐵路建設(shè)的意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2013〕33號(hào)）實(shí)施以來(lái)，支線鐵路的所有權(quán)和經(jīng)營(yíng)權(quán)向社會(huì)資本全面開(kāi)放，支線鐵路建設(shè)和擴(kuò)能改造進(jìn)入高速發(fā)展期［3］。新建支線鐵路一般采用電氣化牽引供電方式，既有支線鐵路現(xiàn)已逐步完成或正在進(jìn)行電氣化技術(shù)改造。

按照《銷(xiāo)售電價(jià)管理暫行辦法》等相關(guān)規(guī)定，支線鐵路牽引用電成本主要由電度電費(fèi)和基本電費(fèi)2個(gè)部分構(gòu)成。電度電費(fèi)是按用戶實(shí)際用電量計(jì)算的電費(fèi)；基本電費(fèi)可按變壓器容量或最大需量計(jì)費(fèi)，由用戶自行選擇，逐月結(jié)算［4-5］。由于線路運(yùn)量小、行車(chē)密度較低、牽引負(fù)荷極不均衡、牽引變壓器負(fù)載率低，導(dǎo)致?tīng)恳儔浩靼惭b容量相對(duì)偏大。因此，支線鐵路進(jìn)行基本電費(fèi)結(jié)算時(shí)，普遍采用適宜極不均衡負(fù)荷的最大需量法［6-7］，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

為進(jìn)一步降低支線鐵路基本電費(fèi)支出，推進(jìn)支線鐵路節(jié)支技術(shù)發(fā)展，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究最大需量控制系統(tǒng)及其工作原理，并通過(guò)算例分析，驗(yàn)證該控制策略的可行性和有效性。

1 支線鐵路需量特點(diǎn)

需量是指在1 個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)功率的平均值，其表達(dá)式見(jiàn)式（1）：

式中：p為瞬時(shí)功率，kW；T0為結(jié)算周期，min；P為T(mén)0時(shí)間內(nèi)的平均有功功率，即需量，kW；t為時(shí)間，min。最大需量指規(guī)定周期內(nèi)所記錄需量的最大值［8-9］。我國(guó)通常采用滑差時(shí)間為1 min、需量周期為15 min 的滑差式需量計(jì)算方法，在此也按照該方式進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及效果仿真驗(yàn)證。

支線鐵路多為單線鐵路，為保證運(yùn)行安全，普遍采用半自動(dòng)閉塞方式，在同一閉塞分區(qū)內(nèi)，同一時(shí)刻只允許1趟列車(chē)運(yùn)行，行車(chē)密度較低。同時(shí)，線路列車(chē)運(yùn)行圖和牽引質(zhì)量以日為單位，長(zhǎng)期固定、重復(fù)，具有高度規(guī)律性。因此，根據(jù)某日牽引負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算得出的日最大需量，可等效視為月度最大需量。

基于某線路2 個(gè)相鄰牽引變電所（分別稱為變電所a和變電所b）牽引負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其需量計(jì)算結(jié)果，分析支線鐵路的需量特點(diǎn)。變電所a 和變電所b 的日有功功率和需量趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)圖1，單個(gè)變電所較長(zhǎng)時(shí)間處于空載或輕載狀態(tài)，牽引負(fù)荷和需量的間歇性和波動(dòng)性特征明顯；2個(gè)變電所的牽引負(fù)荷和需量通常錯(cuò)峰出現(xiàn)，即任意時(shí)刻，較少出現(xiàn)2個(gè)變電所均為重載或同時(shí)達(dá)到較高峰值需量的情況。

圖1 變電所a和變電所b日有功功率及需量趨勢(shì)對(duì)比

2 最大需量控制系統(tǒng)

依據(jù)支線鐵路相鄰變電所牽引負(fù)荷和需量錯(cuò)峰出現(xiàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于變電所間有功融通的最大需量控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。按照功能單元?jiǎng)澐?，最大需量控制系統(tǒng)主要由需量管理裝置以及有功融通裝置2部分構(gòu)成。需量管理裝置為控制機(jī)構(gòu)，采集變電所a和變電所b的電壓和電流等電氣量，計(jì)算得出實(shí)時(shí)功率信息，按照預(yù)定控制策略生成有功融通指令。有功融通裝置屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收需量管理裝置發(fā)送的指令，控制相鄰變電所之間的有功融通。

圖2 最大需量控制系統(tǒng)構(gòu)成

需量管理裝置示意見(jiàn)圖3，主要包括需量管理服務(wù)器、通信管理主機(jī)、通信終端單元、電氣量采集單元、電氣量計(jì)算單元等。在變電所a 和變電所b 設(shè)置電氣量采集單元、電氣量計(jì)算單元、通信終端單元；在分區(qū)所設(shè)置通信管理主機(jī)、需量管理服務(wù)器等；通信終端單元與通信管理主機(jī)之間通過(guò)有線或無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)傳輸電氣量信息。

圖3 需量管理裝置示意圖

有功融通裝置示意見(jiàn)圖4，主要包括隔離開(kāi)關(guān)、斷路器、電壓互感器、電流互感器、控制單元、保護(hù)單元、交直交變流器機(jī)組、變壓器以及其他附屬設(shè)備，安裝于分區(qū)所，并聯(lián)接入變電所a和變電所b的饋線。

圖4 有功融通裝置示意圖

3 最大需量控制原理

最大需量控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)變電所a 和變電所b 的有功功率，通過(guò)控制變電所間有功融通，實(shí)現(xiàn)空載或輕載變電所對(duì)重載變電所的功率支撐。暫不考慮損耗及轉(zhuǎn)移閾值，定義有功融通裝置由變電所a 向變電所b融通有功功率時(shí)為功率正方向，設(shè)定有功融通功率參考值為P，則其計(jì)算式見(jiàn)式（2）：

式中：P1為牽引變電所a 的瞬時(shí)總有功功率，P1≥0；P2為牽引變電所b的瞬時(shí)總有功功率，P2≥0。

有功融通之后，牽引變電所a 和牽引變電所b 的瞬時(shí)總有功功率見(jiàn)式（3）：

由于單個(gè)變電所長(zhǎng)期處于空載或輕載狀態(tài)，2個(gè)相鄰變電所重載錯(cuò)峰出現(xiàn)，通過(guò)雙向有功融通，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)變電所的最大需量控制。典型工況下最大需量控制原理見(jiàn)圖5，當(dāng)變電所a 出現(xiàn)重載（負(fù)荷有功功率為P1）且變電所b空載時(shí)，有功融通裝置工作，從變電所b 轉(zhuǎn)移有功功率0.5P1至變電所a，變電所a 由公共電網(wǎng)獲取的有功功率減半，等效降低變電所a 的最大需量；當(dāng)變電所b出現(xiàn)重載（負(fù)荷有功功率為P2）且變電所a 空載時(shí)，有功融通裝置工作，從變電所a 轉(zhuǎn)移有功功率0.5P2至變電所b，變電所b由公共電網(wǎng)獲取的有功功率減半，等效降低變電所b的最大需量。

圖5 最大需量控制原理

4 最大需量控制策略

工程應(yīng)用時(shí)，變電所間有功融通功率幅值受限于有功融通裝置的額定功率。同時(shí)，為減少工作損耗，提高系統(tǒng)效率，在不影響最大需量控制能力的前提下，可設(shè)置適當(dāng)?shù)挠泄θ谕ㄩ撝?，?dāng)變電所牽引負(fù)荷低于設(shè)定值時(shí)，裝置不進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移。因此，制定最大需量控制策略時(shí)，除了比較相鄰變電所負(fù)荷有功功率大小關(guān)系，還需綜合考慮預(yù)設(shè)有功融通閾值和有功融通裝置的額定功率對(duì)于最大需量控制效果的影響。

設(shè)定預(yù)設(shè)有功融通閾值為P3，有功融通裝置的額定功率為P4，計(jì)及多項(xiàng)條件共同約束，制定最大需量控制策略具體如下：

（1） 當(dāng)P1≤P3且P2≤P3時(shí)，P=0。即當(dāng)變電所a 和變電所b的有功功率均未超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，不進(jìn)行變電所間有功功率融通。

（2） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1＞P2，0.5|P2-P1|≤P4時(shí)，P=0.5（P2-P1）。即當(dāng)變電所a或變電所b的有功功率超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率大于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一未超過(guò)變流器機(jī)組額定功率時(shí)，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向?yàn)椋河勺冸娝鵥至變電所a，融通功率幅值等于變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一。

（3） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1＞P2， 0.5|P2-P1|＞P4時(shí)，P=-P4。即當(dāng)變電所a 或變電所b 的有功功率超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率大于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一超過(guò)變流器機(jī)組額定功率時(shí)，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向?yàn)椋河勺冸娝鵥 至變電所a，融通功率幅值等于變流器機(jī)組的額定功率。

（4） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1≤P2，0.5|P2-P1|≤P4時(shí)，P=0.5（P2-P1）。即當(dāng)變電所a或變電所b的有功功率超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率小于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一未超過(guò)變流器機(jī)組額定功率時(shí)，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向?yàn)椋河勺冸娝鵤至變電所b，融通功率幅值等于變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一。

（5） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1≤P2，0.5|P2-P1|＞P4時(shí)，P=P4。即當(dāng)變電所a 或變電所b 的有功功率超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率小于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一超過(guò)變流器機(jī)組額定功率時(shí)，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向?yàn)椋河勺冸娝鵤 至變電所b，融通功率幅值等于變流器機(jī)組的額定功率。

最大需量控制流程見(jiàn)圖6。

圖6 最大需量控制流程

5 算例分析

為驗(yàn)證最大需量控制方案及策略的正確性和有效性，基于上述某線路相鄰牽引變電所a 和變電所b 的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析。考慮變電所a 和變電所b 的日有功功率的概率分布及負(fù)荷峰值，設(shè)定預(yù)設(shè)有功融通閾值為4 MW，有功融通裝置的額定功率為9 MW，分析結(jié)果見(jiàn)圖7—圖9和表1、表2。

最大需量控制系統(tǒng)日融通功率趨勢(shì)見(jiàn)圖7，正值表示由變電所a 向變電所b 融通，負(fù)值表示由變電所b 向變電所a 融通。由圖7 可以看出，在9 MW 額定功率范圍內(nèi)，有功融通裝置能夠按照預(yù)定控制策略，在變電所a和變電所b之間雙向融通有功功率。

圖7 最大需量控制系統(tǒng)日融通功率趨勢(shì)

有功融通前后，變電所a 和變電所b 的有功功率趨勢(shì)見(jiàn)圖8，采用變電所最大需量控制技術(shù)后，2 個(gè)變電所負(fù)荷趨勢(shì)曲線更為平緩，間歇性和波動(dòng)性明顯改善。通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)算得出，變電所a的95%概率大值負(fù)荷功率由14.95 MW下降至7.81 MW，降幅達(dá)47.76%；變電所b的95%概率大值負(fù)荷功率由14.48 MW下降至7.76 MW，降幅達(dá)46.41%。同時(shí)由圖8可以確認(rèn)，當(dāng)變電所a 和變電所b 的有功功率均小于4 MW 時(shí)，最大需量控制系統(tǒng)未進(jìn)行有功融通，證明了控制策略的正確性。

圖8 有功融通前后變電所a和變電所b日有功功率趨勢(shì)對(duì)比

有功融通前后，變電所a 和變電所b 的需量趨勢(shì)對(duì)比見(jiàn)圖9，采取變電所最大需量控制技術(shù)后，2 個(gè)變電所最大需量均得到有效控制。通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)算得出，變電所a 的最大需量由11.65 MW 下降至5.83 MW，降幅達(dá)49.96%；變電所b 的最大需量由11.48 MW 下降至5.79 MW，降幅達(dá)49.56%。變電所a 和變電所b 的需量趨勢(shì)曲線相近且更為平緩，顯著降低對(duì)電網(wǎng)的峰值需求壓力。

圖9 有功融通前后變電所a和變電所b日需量趨勢(shì)對(duì)比

有功融通前后，變電所最大需量對(duì)比分析見(jiàn)表1，通過(guò)變電所間有功雙向融通，變電所a 和變電所b 合計(jì)降低需量11.51 MW，降幅達(dá)49.76%。

表1 有功融通前后變電所最大需量對(duì)比分析 MW

按照基本電費(fèi)不同結(jié)算方式及最大需量法是否結(jié)合需量控制技術(shù)，劃分3種電費(fèi)支出方案，各方案的月度支出對(duì)比分析見(jiàn)表2。變電所a 和變電所b 的牽引變壓器容量均為20 MVA，如果采用變壓器容量法結(jié)算基本電費(fèi)，依據(jù)湖南省現(xiàn)行變壓器容量電價(jià)20元/kVA/月進(jìn)行計(jì)算，2 個(gè)變電所合計(jì)每月需支出80 萬(wàn)元。目前實(shí)際采用最大需量法結(jié)算基本電費(fèi)，按照湖南省現(xiàn)行最大需量電價(jià)30元/kW/月進(jìn)行計(jì)算，2個(gè)變電所合計(jì)每月支出69.39萬(wàn)元，較變壓器容量法節(jié)省10.61萬(wàn)元/月。應(yīng)用最大需量控制技術(shù)后，每月可進(jìn)一步節(jié)省電費(fèi)34.53萬(wàn)元，折合414.36萬(wàn)元/年，節(jié)支效果明顯。

表2 月度基本電費(fèi)支出對(duì)比分析 萬(wàn)元

6 結(jié)論

基本電費(fèi)是牽引供電電費(fèi)支出的重要組成部分，支線鐵路采用最大需量法結(jié)算基本電費(fèi)時(shí)，成本更優(yōu)。為進(jìn)一步降低基本電費(fèi)，提升支線鐵路效益，依據(jù)支線鐵路需量特點(diǎn)，研究最大需量控制系統(tǒng)方案，制定了計(jì)及多項(xiàng)約束條件的控制策略，并基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，得出如下結(jié)論：

（1）基于變電所間有功融通的最大需量控制技術(shù)合理可行。當(dāng)相鄰變電所負(fù)荷趨勢(shì)較為接近，預(yù)設(shè)融通閾值和系統(tǒng)額定功率選取較為合理時(shí)，支線鐵路2個(gè)變電所的最大需量可同時(shí)減小約50%。按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合湖南省現(xiàn)行電價(jià)測(cè)算節(jié)支收益，每年可節(jié)省基本電費(fèi)超400萬(wàn)元。

（2）有功融通之前，支線鐵路單個(gè)變電所長(zhǎng)時(shí)間處于空載或輕載狀態(tài)，牽引負(fù)荷和需量的間歇性和波動(dòng)性特征明顯；相鄰變電所的牽引負(fù)荷和需量錯(cuò)峰出現(xiàn)。有功融通之后，2個(gè)變電所的負(fù)荷和需量趨勢(shì)曲線更為平緩，功率幅值和時(shí)間分布更加均勻，公共電網(wǎng)連接點(diǎn)處的負(fù)序電流和電壓波動(dòng)及不平衡度將大幅減少，有利于牽引供電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)眾多交流電氣化支線鐵路非常適宜通過(guò)變電所間有功融通方式進(jìn)行最大需量控制；運(yùn)營(yíng)初期的新建高速鐵路和列車(chē)行車(chē)間隔較大的城際鐵路等線路，具有支線鐵路相似的極不均衡牽引負(fù)荷和相鄰變電所錯(cuò)峰特性，上述研究?jī)?nèi)容對(duì)其也同樣適用。下一步將進(jìn)行最大需量控制技術(shù)工程化實(shí)施和驗(yàn)證，助力我國(guó)電氣化鐵路先進(jìn)節(jié)支技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。