基于高速列車取流特性的牽引變電所負荷電流預測及應用

2019-07-01 03:51:48李昱

中國鐵路 2019年5期

李昱

（京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038）

0 引言

在牽引供電系統的設計、運營中，牽引變電所負荷電流過程具有重要意義。例如，在設計階段，需要通過預測或計算負荷電流開展變壓器容量設計[1]；在運營階段，需要通過預測負荷電流校核運行圖調整后的變電所供電能力[2]；運營中為達到經濟運行的要求，需要預測未來一定時期內的負荷電流過程，以便確定容量計費方式和最大需量。因此，對負荷電流的預測十分重要。

根據不同需求，可采用不同方法預測負荷電流。典型方法包括：基于概率特征參數的典型負荷曲線方法[3]和基于牽引供電系統仿真軟件的負荷過程計算方法[4]。

文獻[3]給出基于統計的牽引變壓器典型負荷曲線進行變壓器容量設計的方法。其主要思想是：將波動的牽引負荷視為隨機過程，通過測試大運量復線、小運量復線、大運量單線、小運量單線等典型線路的負荷電流過程，獲得負荷電流的數字特征。其主要數字特征包括：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、日有效系數等?；谝欢ㄒ巹t構建階梯狀的典型負荷曲線，使典型負荷曲線的數字特征與實際負荷過程的數字特征接近，因此，可利用典型負荷曲線代替實際負荷曲線。通過構建不同線路特征的典型負荷曲線，并基于該典型負荷曲線，結合變壓器壽命損失開展新線的牽引變壓器容量設計[5]。

隨著牽引供電計算仿真軟件的應用，可通過軟件模擬線路的實際負荷過程，基于該實際負荷過程進行變壓器容量設計較為準確[6]。但牽引供電計算仿真軟件需要詳細的線路參數、列車參數和運行圖，存在參數獲取困難、方法計算復雜的問題，很難被牽引供電系統運營人員快速掌握。

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

在此，給出典型高速列車的取流特性曲線，基于該曲線并結合運行圖即可預測牽引變電所負荷電流，該方法克服了典型負荷曲線難以確定和牽引供電仿真計算復雜的不足。

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，如動車組速度等級、編組數量、牽引網電壓、線路參數、供電臂長度等。

（1）與取流大小有關的因素。影響高速列車取流大小的核心因素是列車速度等級和編組長度。盡管高速列車的種類較多，包含CRH3、CRH380A、CRH380B、CRH380C和復興號等系列，但從速度等級看，此類列車都屬于時速350 km等級；從功率等級看，相同編組長度的列車功率等級均在同一等級。同一速度等級下的高速列車，16輛長編組列車功率等級約為8輛短編組功率等級的2倍。

（2）與取流持續時間有關的因素。影響電流持續時間的核心因素包括列車起始狀態和線路長度。加速滿功率運行的持續時間主要與列車的起始狀態有關。列車停站后，為了達到最高運行速度，出站加速時間長；列車在區間運行時，主要是通過加速來彌補列車通過電分相造成的速度損失，滿功率加速運行的時間短。恒速恒功率運行的持續時間主要與線路長度有關。列車加速到最高速度后，會進入恒速運行狀態，此時列車按照恒功率方式運行，線路越長，恒功率運行時間越長。由于我國高速鐵路牽引供電系統的供電臂長度一般都按照20～25 km設計，因此恒速持續運行的時間容易獲取。

1.2 取流特性曲線及其特征參數

基于速度等級、編組長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。不同編組長度列車在區間運行的變電所取流特性和經停車站后的變電所取流特性見圖1—圖4，典型取流特性的特征參數見表1。

圖1 16輛長編組列車（A型）經過區間變電所的取流特性

圖2 16輛長編組列車（A型）停車出站后的取流特性

圖3 8輛短編組列車（B型）經過區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測電流對比

表1 時速300 km列車取流特性的特征參數

2 牽引變電所母線電流預測

2.1 基于列車電流疊加的母線電流預測

在此提出的牽引變電所母線電流預測方法為：在運行圖基礎上獲得經過該變電所供電范圍每列車經過該變電所的時刻、該車的初始狀態、列車編組長度和速度等級信息，基于以上信息確定該車應選用的電流曲線。根據下一時刻進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，可以獲得全天變電所負荷電流過程曲線。對于進站過程中處于再生制動的列車，可以參照牽引取流曲線。

2.2 對比驗證

為了驗證16輛編組、8輛編組列車電流曲線的正確性，找出實測電流中有2列列車在該區間同時運行的情況，將16輛編組、8輛編組單列列車電流曲線相應疊加，并與實測電流進行對比（見圖5）。結果表明，基于列車取流曲線疊加所獲得的牽引變電所電流與實測的牽引變電所電流趨勢基本一致。

3 應用案例

3.1 基于最大需量的電費計算

按照《銷售電價管理暫定辦法》，執行兩部制電價的電力用戶，基本電價按容量或按最大需量計費[9]，由用戶選擇。

（1）按照變壓器容量計費。基本電費按照用戶變壓器容量收取，用戶每月繳納的基本電費由用戶安裝的變壓器容量乘以單位容量的電價得到。計算公式為：基本電費（元）=變壓器安裝容量（kVA）×容量電價（元/kVA）。

容量計費的優點在于能鼓勵用戶主動降低利用率較低的變壓器容量，提高用電負荷，優化電力資源的分配。但也存在用戶通過負荷運行選擇小容量變壓器以消減容量電費的弊端，對電力系統安全穩定運行造成危害。

（2）按照最大需量計費。采用最大需量計費的用戶需要安裝最大需量電能表，當1個月內連續15 min電能表所記錄的平均有功功率最大值不超過1.05倍最大需量契約值時，最大需量計費的計算公式如下：

基本電費（元）=契約值（kW）×最大需量電價（元/kW）。

基本電費按照最大需量計費收取時，有如下規定：①用戶與電力部門訂立最大需量契約值，實際最大需量由供電企業核準，若超出約定值，則加倍收取需量電費；②若電力用戶最大需量申報值不足變壓器容量與不經過變壓器入網的電動機容量總和的40%時，電力部門將按照總容量的40%來核定。如果電力負荷緊張，電力部門要求用戶最大需量限制在40%以內時，按實際申報值核定最大需量；③用戶選擇最大需量計算基本電費時，應提前與供電企業簽署合同，約定最大需量，用電協議有效期為1個季度，變更最大需量契約值的時間間隔不小于1個月。

如果約定最大需量過大，會造成經濟損失，達不到采用最大需量法的經濟效果；如果約定最大需量太小，不能滿足用戶生產生活的需要，反倒不如按照容量計費方法計算。因此采用最大需量計費的關鍵在于選擇合適的最大需量值，才能有助于節約基本電費。

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

（1）最大需量契約值Pc＜S×40%，當實際最大需量不超過契約限額時，Vp=Pc×CkW=CkW×S×40%（Preal≤Pc=S×40%）。

（2）當實際最大需量大于容量總和的40%且不超過契約限值的1.05倍時，最大需量應按照契約值計算，Vp=Pc×CkW（S×40% ＜Preal≤Pc×1.05）。

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

實際最大需量單位基本電價和最大需量的關系見圖6。

圖6 實際最大需量單位基本電價和最大需量的關系

3.2 基于負荷電流過程的最大需量計算

由3.1可知，最大需量計費方式的關鍵環節是需要預測最大需量。當鐵路運營部門能夠基于上述方法預測牽引變電所負荷過程，則可根據負荷電流過程來計算最大需量。

采用滑差式計算為最大需量的計算方法之一，即每隔1個滑差時間計算1次有功功率，然后計算出一段時間內多個有功功率的平均值，比較得出最大值即為最大需量?！耙欢螘r間”是指需量周期，我國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間可與供電企業商議確定，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的最大需量為例進行計算。需量周期設為15 min，滑差時間選為3 s，將第1個有功功率到第300個有功功率求和并計算其平均值，第2個有功功率到第301個有功功率求和并計算其平均值，以此類推，直至第28 501個有功功率到第28 800個有功功率求和并計算其平均值，將計算出的28 501個平均有功功率進行比較，最大值即是當日最大需量，其計算流程見圖7。同理可計算滑差時間為1、3、5 min的當日最大需量。

圖7 滑差式最大需量計算計算流程

基于負荷電流過程和最大需量計算方法，可計算出京滬高鐵某牽引變電所不同滑差時間的最大需量及對應的基本電費[10]（見表2，其中最大需量計費單價為40元/kW，容量計費單價為30元/kVA）。由表2可知，采用不同滑差時間，最大需量計費相差不大，滑差時間為3 s的基本電費最高。綜合考慮下，采用3 min滑差時間計費更為合理。數據同時表明，該牽引變電所采用最大需量計費比采用容量計費方式節省約30萬元/月。