电气化铁路电能质量趋势分析预测方法

电气化铁路电能质量趋势分析预测方法

张汝溪

中铁九局集团电务工程有限公司辽宁省110000

摘要：电力系统是一个开放的公共系统，担负着向全社会提供电能的职责。因此，在满足电气化铁路供电需求的同时，确保电网的安全稳定运行，实现铁路与电网双赢发展的目标是铁路与电力双方共同的责任。为了掌握电网向电气化铁路供电地区的电能质量现状，国家电网公司组织了一次大规模的电能质量测试，针对我国电气化铁路牵引供电的特点，选择不同供电电压、不同供电方式、不同地区、不同机车负荷等有代表性的电力系统变电站，在该条线路正常运行后即对牵引站接入电网点进行电能质量各项指标的现场实测，并对大量数据进行深入分析。

关键词：电气化铁路；电能质量；预测方法

1相关工作

目前，对于电能质量分析预测领域国内已有许多相关研究。在电气化铁路电能质量方面，文献对电气化铁路的接线类型、运行原理及电能质量特性进行了分析，指出谐波和负序是电气化铁路负荷的主要电能质量特性，会使电网电压波形发生畸变并且造成电网三相电压不平衡，从而影响电网电能质量的稳定。在电能质量大数据方面，一种基于分布式文件系统的海量电能质量监测数据管理方法，该方案将不同电能质量指标的历史监测数据分别压缩后存储在文件中，利用现有监测子站以及相关系统的分布式异构服务器作为文件服务器以存储数据文件。这种方案容错性和伸缩性较差，成本较高。一种电能质量大数据存储分析原型系统，系统基于开源大数据处理技术Ha⁃doop和HBase构建为支持高效存储和分析海量数据的云平台，并设计基于MapReduce并行框架的电能质量数据统计方法。但是MapReduce作为一种批处理的大数据处理框架，通过map和reduce操作在磁盘中处理数据，这就带来了速度较慢且不适合进行迭代式运算的问题，相比之下，Spark在内存中处理数据，更适合进行迭代式的机器学习算法。在电能质量预测方面，针对电气化铁路牵引负荷具有的非线性、单相独立性和随机波动性的特点，提出一种基于MonteCarlo抽样的电铁电能质量预测方法。该文主要关注点为利用已有牵引变电所实际数据来预测分析新建电气化铁路对电网电能质量的影响，将目光放在新建电铁资料匮乏的问题上，没有考虑电能质量数据的时间关联性。适合于配电网的基于线性回归模型、随机时间序列模型和灰色模型的优选组合预测模型，预测电能质量的未来状况。其中的随机事件序列模型考虑了电能质量数据在时间上的关联性，反映了电能质量近期变化的连续性。一种对电能质量稳态指标的预测方法，利用了ARIMA时间序列算法以及神经网络预测模型。在时间序列分析方面，构建了基于Hadoop的气象数据挖掘平台，并在该平台上设计实现了基于ARIMA算法的气象预测系统，该平台的预测误差总体不超过25%。

2电气化铁路的电能质量问题

2.1负序分量对电网的影响

(1)负序电压对电动机的影响。对于异步电动机来说,正序电压产生正序电流和顺时针旋转的电磁转矩,负序电压产生负序电流和逆时针旋转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行十分不利,较小的负序电压加到异步电动机上都将会引起较大的负序电流及负序逆时针旋转的电磁转矩,直接影响异步电动机的效率,威胁其安全可靠运行,严重时甚至会烧毁电动机。对于同步发电机来说,负序分量对发电机的影响最大的是转子的附加损耗与发热,其次就是附加振动,这些都将降低其运行效率。

(2)负序电流对继电保护装置的影响。电气化铁路采用单相工频电力机车,牵引变电站采用YNd11接线方式,因此每列电气牵引列车对电力系统构成两相制负荷。虽然各牵引变电站相序互相错开,整条电气铁路的三相负荷仍不能平衡,且不平衡负荷时大时小,使电气化铁路产生快速波动并能够流入电力系统各处的负序电流。负序电流容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作,比如当负序电流作用时间较长时,常规的距离保护就要转入闭锁状态,使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行;而当电气化铁路负序电流作用于解除闭锁后,此时系统发生振荡,则距离保护可能误动作跳闸。所以,在消除负序电流影响的同时,往往会增加继电保护装置的复杂性、降低继电保护装置的可靠性。

(3)负序电流对电力变压器的影响。由于负序电流造成三相电流不对称,使得电力变压器三相电流中有一相电流偏大,不能有效发挥变压器的额定出力,降低了其使用效率。同时,负序电流还会造成变压器的附加能量损失,并在变压器铁芯磁路中产生附加发热,严重影响设备的运行安全。

(4)负序电流对输电线路的影响。负序电流流过输电线路时,负序功率实际上并不做功,只会造成电能损失。因此,电气化铁路产生的负序电流增加了电网的网损,降低了输电线路的电能输送能力。

2.2谐波对电网的影响

(1)对电动机的影响。对异步电动机来说,异步电动机的定子绕组绝缘是谐波发热的薄弱环节。由于一般用户母线上都接有多台电动机,因而宜按其母线上承受的谐波电压来考虑电动机允许承受的谐波电流。运行经验表明,若3、5、7次谐波电压达到额定电压的10%～20%以上,可导致电动机在短时间内损坏。对同步发电机来说,谐波的主要影响是引起附加损耗和发热,其次就是附加振动、噪声和谐波过电压。

(2)对变压器的影响。变压器本身既是谐波源,也是传送其他谐波源产生的谐波的中间环节。变压器励磁电流中的谐波含量,在正常情况下并不引起本身铁损和发热的增大,但在谐振条件下则会严重危害变压器。

(3)对线路的影响。谐波电流加上集肤效应的影响,将在线路中产生附加损耗,使得输电线路损耗增加。特别是在三相不对称运行时,对中性点直接接地的线损增加尤为显著。另外,在低压配电网络中,零序谐波电流不仅会引起中性线电流大大增加,造成过负荷发热、损耗增加,而且会产生压降,引起零电位漂移,降低供电网络的电能质量。

3解决电气化铁路电能质量问题的方案

牵引供电系统的特性情况会影响到电气化铁路中存在的电能质量问题，因此从牵引供电系统进行治理具有很强的可行性。大容量电力系统装置的研究和开发在理论上具有一定的优越性，在解决铁路电能质量问题受到广泛重视。

电气化铁路牵引供电网主要分成三个方面分别是电力供电系统；牵引变压器和接触网；电力机车。因此在提高铁路电能质量方面的治理方案可以分别从上述三方面入手。

提高牵引变电站接入的供电系统短路容量，可以通过缩短接入点和电源两者之前的距离。这样的工作方式能够提高电力系统抵御问题的能力，控制牵引负荷注入电力系统的负序电流以及谐波电流对其造成的损害。这个方案在理论上是提高铁路电能质量的有效措施。但是改变电力系统原有的接线方式是一项规模很浩大的工程，因此会耗费许多成本，并且这项方案具体操作起来也很困难。另外长期发展看来，短路容量不可能无限量的增长，因此治理效果还是会受到限制。

另外有些牵引变电站采用的是抗匹配平衡变压器以及斯科特变压器。这些特种变压器能够根据自身接线方式和变比设计，在达到一定的负荷量的情况下可以对系统三相电流转变并且完全对称，因此可以达到控制负序电流对系统造成损害的目的。虽然该方案可以解决三相电不平衡造成的质量问题，但是由于牵引变压器系统的侧绕组换相接入，会引起供电臂的电压相位不同，如果在不同区段间加分段绝缘器的话，会使得牵引网的无电区域面积扩大好几倍，电力机车在运行时安全存在着较大的隐患。

而SVC以及STATCOM作为动态装置在国外的铁路电力使用方面很广泛并且效果很好，SVA装置利用晶匣管对波动性的负荷进行可调节性并且连续补偿，另外利用无源滤波器剔除系统中的高次谐波、减少了谐波对电子组件的损害。在我国电气化铁路中使用中，其并联了牵引器的系统侧并且采用三相电，使得该装置更加优化。STATCOM装置是通过将变流器与电抗器与电网并联，可以适当的调节交流侧输出的电压相位以及幅值。它的性能十分良好，工作效率很高并且响应迅速，运行控制范围面很广。它还能够进行双向无功补偿和有功转移，因此可以对负序电流进行无功补偿，更加适用于电气化铁路电能治理中。

结论

在接入新建牵引变电站的世行需要注意，首先应该科学合理地评估电能的质量是否满足要求，同时有针对性地提出解决谐波与负序等问题的治理措施，严格参照我国对电能质量规定的标准来治理各类污染，保证设计、施工和投运的同步性。

针对现有的电气化铁路而言，首先应该准确地测试其电能质量的真实情况，找出其中谐波与负序超标的牵引变电站，结合其谐波与负序的实际超标现状有针对性地提出治理措施。

参考文献：

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[2]杨少兵，吴命利.基于改进蚁群算法的客运专线电力负荷建模与参数辨识[f].中国电机工程学报，2018，7：15781585.