武廣客運專線鐵路電力負荷特性分析及預測

賀 輝，楊 潔

（1.湖南省電力公司 調度通信局，長沙 410007；2.婁底電業局，湖南 婁底 417000）

武漢至廣州客運專線鐵路（以下簡稱武廣高鐵）北起新武漢站，南至廣州站，途經湖北、湖南和廣東3省，全長968 km，湖北境內有5個220 kV牽引站，湖南境內有11個220 kV牽引站，廣東境內有6個220 kV牽引站。武廣高鐵每輛列車有8節車廂，可載客1 000人左右，牽引重量為800 t，時速為350 km/h，列車追蹤時間間隔4 min。牽引供電系統采用AT（自耦變壓器）供電方式，牽引變電站間距為50～60 km，牽引變壓器單臺容量為75～100 MVA。

1 高鐵負荷特點

1.1 沖擊負荷明顯

電氣化鐵路負荷是單相負荷，一根線接接觸網，另外一根線接鋼軌，如圖1所示。這種大功率單相整流型負荷具有不對稱、非線性和波動性的特點，在其運行過程中所產生的負序電流和諧波電流注入電力系統后，必然會引起三相電壓不對稱、電壓波形畸變和電壓波動，從而對電能質量產生一定影響，嚴重時還會危及電力系統的正常運行。

圖1 電氣化鐵路牽引供電原理

電氣化鐵路的負荷隨著機車牽引列車的數量、重量以及線路的坡度而變化，牽引列車滿載、列車數量多、速度快、上坡時的負荷就比較大。鐵路部門根據旅客流量和運力安排，實施相應的不同編組、不同追蹤間隔的列車運輸方案。所以，牽引變電站兩供電臂內列車的數量及每輛列車的負載狀態隨時都在變化，變電站的負荷呈現出頻繁波動的狀態。在節假日或鐵路故障后恢復運行等情況下，會出現列車的緊密追蹤，此時牽引變電站將出現負荷高峰。

圖2是2010年11月4日城用線（單個牽引站）、郴州地區（含城用線，共3個牽引站）以及湖南全省（共11個牽引站）的高鐵負荷曲線（采樣間隔為5 min）。從圖2可知，城用線、郴州地區和湖南全省高鐵負荷的沖擊非常明顯。當高鐵負荷疊加到郴州地區的基本負荷上后，負荷的波動非常明顯，如圖3（a）所示。由此可見，武廣高鐵的沖擊負荷對武廣沿線的岳陽、衡陽以及郴州等地的負荷影響很大，嚴重影響其負荷預測的準確率。但是湖南全省的高鐵負荷疊加到全省的基本負荷上后，由于全省的負荷基數大、各種沖擊負荷（如：高鐵及普通電氣化鐵路負荷、鋼廠軋鋼的負荷等）相互疊加，全省負荷曲線的毛刺不是很明顯，對全省的負荷預測影響不大，如圖3（b）所示。

圖2 高鐵負荷曲線

圖3 總負荷曲線

在統計學上可以使用標準差和變異系數等指標表征數據的離散程度。標準差越大，數據之間的差異越大，各數據距離均值越遠，平均數的代表性越低；反之，標準差越小，數據之間的差異越小，各數據距離均值較近，平均數的代表性越高。

雖然標準差能客觀準確地反映一組數據的離散程度，但它是有計量單位的有名數，對于不同現象，或同一現象不同的樣本，標準差不能直接相比，因此本文使用離散系數（變異系數）。常用的離散系數有平均差系數和標準差系數。

標準差系數是將標準差除以相應的平均數，用以反映數量值離差的相對水平，計量單位為百分數，如式（1）所示

式中：Vσ為標準差系數；σ為標準差；lav為日平均負荷。

文獻［2］列出了反映牽引負荷離散程度和波動劇烈程度的波動系數。牽引負荷方均根值lrms表征了一個周期內的二階原點矩，其數學定義如式（2）所示

δ1越大，負荷數據越分散。但是此指標只能比較不同牽引站的負荷，當多個牽引站負荷疊加到基本負荷后，比較效果不是很明顯。定義一個新的波動系數δ2用來衡量所有負荷的波動作用，其數學定義如式（4）所示

通過對2010年11月4日的相關負荷數據進行分析計算，得到如表1所示的標準差系數和波動系數。

表1 負荷標準差系數和波動系數

分析表1可以發現：①單個高鐵牽引站（城用線）負荷的標準差系數和波動系數均最大，表明單個牽引站的沖擊負荷最明顯，負荷數據離散程度也最高；②牽引站的沖擊負荷疊加后，負荷的沖擊作用反而減少了，負荷數據的離散程度也降低了；③高鐵負荷疊加到基本負荷后，標準差系數和波動系數大大減少，且全省總負荷的相關指標小于地區總負荷的相關指標；④將多個牽引站負荷疊加至基本負荷后，憑借δ1已經無法進行比較。

1.2 列車制動時向系統倒送功率

如圖4所示的2010年11月4日城用線高鐵負荷（采樣間隔為1 min）一天內有21次明顯的“負”負荷。出現“負”負荷，表明牽引變電站處于能量回饋狀態。高速動車組在制動工況下，電機處于發電狀態，將動能轉換為電能并通過變流器將其回饋到牽引網，這時牽引網的電壓將被抬高。如果上一級電網較大，電網電壓基本穩定，則牽引變電站相當于一個發電廠，于是就出現了“負”負荷。

圖4 2010年11月4日城用線負荷曲線

由于再生制動能夠向電網回饋能量，并且不會對輪軌踏面或制動盤造成損傷，所以再生制動是高速電氣鐵路首選的制動方式。

從圖4可知：①13：55的負荷為負向最大-8.84 MW，9：48的負荷為負向最小-0.27 MW，全天“負”負荷平均值為-5.17 MW；②“負”負荷持續的時間一般不會很長，約為2～3 min。通過統計所有牽引線路的“負”負荷，可以發現“負”負荷的平均值一般都大于-10 MW。

由于“負”負荷出現次數有限，出現時刻也不同，當同一地區多個牽引線路負荷疊加后，出現“負”負荷的情況將會大大減小。當范圍擴大到全省時，“負”負荷的出現幾率更小。

1.3 全天向系統倒送充電無功

圖5為2010年11月4日的城用線有功和無功負荷曲線（采樣間隔為5 min）。分析圖5可以發現：①即使沒有有功負荷的時段（0：00～6：00），接觸網也向系統注入無功功率；②該日接觸網注入系統的無功負荷最小為6.03 Mvar，最大為21.17 Mvar，平均為9.22 Mvar；③無功負荷的波動與有功負荷的波動幾乎一致，且無功負荷的沖擊幅度約為有功負荷沖擊幅度的一半。

圖5 2010年11月4日城用線負荷曲線

2 高鐵負荷特性分析

由于列車一般在運行圖指導下運行，個別日期因鐵路調度運行班次或時間可能有所改變。通常2日之間列車運行班次不會發生很大變化，對應的高鐵負荷也有較為明顯的規律性。圖6和圖7為2010年11月城用線負荷和湖南全省高鐵負荷數據的分布曲線（采樣間隔為5 min）。

圖6 2010年11月城用線負荷分布

圖7 2010年11月湖南全省高鐵負荷分布

分析圖2、圖6和圖7可以發現：

（1）武廣高鐵負荷具有顯著的時段特征，負荷集中在6：00～23：40之間，其余時段負荷為0或者很小。

（2）圖6中有負荷時段出現頻率最多的負荷為10 MW，表明單個牽引機車的負荷約為10 MW，當牽引站供電范圍內有2輛列車運行時（上行和下行）供電負荷約為20 MW，且目前同一站點最多有4輛運行列車。列車制動時返送主網的負荷一般約為6 MW。

（3）負荷受滿載和輕載、上坡和下坡、制動和牽引疊加、單組或重聯運行等諸多因素影響，出現了圖6中斜坡段平穩過渡的負荷，其2010年11月城用線負荷數據的分布規律如表2所示（采樣間隔為5 min）。

（4）由于湖南全省的高鐵牽引站多，分布范圍廣，負荷變化平穩，主要負荷在100 MW～150 MW之間，其2010年11月全省高鐵負荷數據的分布規律如表3所示（采樣間隔為5 min）。

表2 2010年11月城用線負荷數據分布規律

表3 2010年11月湖南全省高鐵負荷數據分布規律

（5）2010年11月，單個牽引站最大負荷為43 MW，最小負荷為-9 MW，平均負荷為14 MW，δ2為1.27。湖南全省高鐵負荷的最大值為277 MW，最小負荷為-15 MW，平均負荷為77 MW，δ2為0.38。高鐵負荷波動明顯，對湖南電網自動發電控制（automatic generation control，AGC）和跟蹤調節控制性能評價標準帶來了很大的困難。

全省高鐵負荷的變化范圍為292 MW，因而至少要保證146 MW的AGC快速可調機組容量，結合超短期負荷預測，AGC控制策略可設定為火電可調容量跟蹤基本負荷的變化趨勢，水電可調容量跟蹤高鐵負荷等沖擊負荷，只有這樣才能維持電網的頻率穩定，保證CPS指標合格，從而維持電網的安全穩定運行。

3 高鐵負荷預測

由于高鐵負荷沖擊明顯，變化規律難以把握，對日負荷預測產生一定的影響，因此在實際預測時可以把高鐵沖擊負荷予以單獨考慮。

高鐵負荷對沿線地調的負荷預測影響大，但對全省的負荷沖擊較小。因此預測時把高鐵負荷放在省調統一考慮，具體實行方法如下：①武廣沿線的地區預測不含高鐵的次日負荷預測曲線，其余地區預測含所有負荷的曲線，共14個地區上報了14條曲線；②把前幾天的高鐵負荷曲線按照“近大遠小”的原則分配不同的權重，自動生成次日的全省高鐵總負荷曲線；③省調負荷曲線可由地調上報的14條曲線和全省高鐵曲線相加后，綜合考慮一定的廠用電和主網損耗而得到。

分別以0.4、0.3、0.2、0.1的系數取當日往前推4日的高鐵實際負荷（采樣間隔為15 min）進行加權平均，得到次日的高鐵負荷預測曲線。設當日t時刻的高鐵負荷為ln，t，往前推4日t時刻的高鐵負荷可以表示為ln-1，t，ln-2，t，ln-3，t，ln-4，t，則次日 t時刻的高鐵預測負荷可以表示為 ln+1，t=0.4×ln-1，t+0.3×ln-2，t+0.2×ln-3，t+0.1×ln-4，t。全省高鐵負荷疊加到全省其余基本負荷上，設定全省其余基本負荷預測準確，推算高鐵負荷對全省負荷預測的影響程度，可以測算得到2010年11月高鐵負荷對湖南全省的負荷預測的平均影響率為0.1%。

4 結論

武廣客運專線鐵路牽引負荷具有隨機波動明顯、制動時向系統倒送功率、全天存在充電無功等特點，對沿途地區、省份的短期負荷預測以及電網AGC調節產生嚴重影響。

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