城市轨道交通供电系统电能质量限值计算方法

朱明星，钱辰辰，段晓波，李令冬，胡文平，戎士洋

(1.安徽大学电气工程与自动化学院，合肥市 230601；2.河北省电力公司电力科学研究院，石家庄市 050021)

城市轨道交通供电系统电能质量限值计算方法

朱明星1，钱辰辰1，段晓波2，李令冬1，胡文平2，戎士洋2

(1.安徽大学电气工程与自动化学院，合肥市 230601；2.河北省电力公司电力科学研究院，石家庄市 050021)

近年来，由于城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，在国内大中型城市迅速发展，但是城市轨道交通用电属性决定了其为典型的非线性“污染源”负荷。为了保证含城市轨道交通的供配电系统安全稳定运行，需要明确含城市轨道交通电网电能质量限值的计算方法，以利于对其进行电能质量测试与评估。基于这一背景，研究了城市轨道交通接入电网电能质量限值的计算方法，提出了含城市轨道交通负荷的供配电系统电能质量限值计算方法，并对某实际城市轨道交通供配电系统进行了电能质量限值计算，为科学评估含城市轨道交通供配电系统的电能质量提供了评估依据。

城市轨道交通；电能质量；限值；计算方法；评估

0 引 言

城市轨道交通建设作为城市基础设施建设的主题之一，一直是国内外研究的热点。中国经济的发展促使中国城市轨道交通的建设迎来了一个新的高潮，各大城市纷纷制订了规模庞大的轨道交通网络规划，建设工作亦已全面展开。文献[1]提出了24脉波整流机组相比12脉波具有更强的削弱网侧谐波电流的功能，24脉波整流机组将成为地铁中电网建设的主流；文献[2]建立了24脉波整流机组主电路仿真模型，并对直流侧谐波电流和馈入电网的谐波电流进行了分析；文献[3]分析了由整流机组自身所引起的影响网侧谐波电流含量的各种因素；文献[4]研究了城市轻轨供电系统对公共电网电能质量的影响，文献[5]提出了电网评估指标体系的构建及应用，为电能质量评估提供技术支持。

城市轨道交通属于非线性负荷，必将成为电网中的污染源，大量城市轨道交通负荷接入电网，可能会对电网的电能质量带来不利影响，难以保证供配电系统的安全运行，因此必须对含城市轨道交通负荷的供配电系统进行测试分析和评估。

同时考虑到城轨供配电系统内部考核较接于电力公司公共连接点(point of common coupling, PCC)点的限值要求程度不同，将城轨交通供配电系统考核点分为4类，采用不同的评估方法，力求最大限度地降低用户电能质量的技术和管理成本。

为科学评估含城市轨道交通负荷供配电系统的电能质量，首先要解决含城市轨道交通负荷供配电系统的电能质量限值计算问题，本文从城市轨道交通供电方式出发，提出了城市轨道交通供配电系统电能质量限值的计算方法，并利用该方法对某一含城市轨道交通负荷的供配电系统进行电能质量限值计算，为科学评估含城市轨道交通供配电系统的电能质量提够了技术支持。

1 城市轨道交通典型供配电系统

1.1 一次供电方式

城市轨道交通一次供电首先经过轨道交通的中央变电所降到35 kV，然后送至下级牵引供电站，为整流机组供电，整流成为1 500 V的直流送至牵引供电臂。城市轨道交通典型一次侧供电方式如图1所示。从图1可以看出，城市轨道交通的一次侧供电采用双母线供电，以保证系统的安全稳定运行。

图1 城市轨道交通典型一次供电系统图

1.2 二次供电方式

目前，各条轨道交通线路的供电方式类似，牵引供电均采用不可控整流，同时，考虑到24 脉波整流机组直流侧输出的直流电流谐波含量很小，馈入电网的交流电流谐波含量也会降低，减少了对电网的污染，且输出直流电压的纹波系数小，直流电压质量高等优点，城市轨道交通大部分采用24脉冲方式。城市轨道交通二次侧供电方式如图2所示[6]。

图2 城市轨道交通二次供电系统图

根据城轨交通的供电方式，给出某典型城轨负荷接入电网供配电系统如图3所示。

2 城市轨道交通供配电系统电能质量限值计算方法

2.1 电能质量评估点和评估指标

根据电能质量评估内容、评估指标、评估标准和评估目的的不同，将含城市轨道交通供配电系统的评估点分为电力公司评估点和城轨供电系统内部评估点，其中电力公司评估点包括电力公司内部评估点和电力公司与电力用户双向评估点；城轨供电系统内部评估点包括高压评估点和中压评估点。

(1)电力公司内部评估点：主要评价电力公司对所有用户供电质量和接入电力公司所有用户的用电质量，如图3所示的A点。

(2)电力公司与用户双向评估点：主要评价电力公司供电质量和单个电力用户的用电质量，如图3所示的A1、A2、A3点。

图3 典型城市轨道接入电网的供配电系统图

(3)城市轨道交通用户内部中高压评估点：主要评价城市轨道交通供配电系统内部中高压供电质量和各牵引变电高压负荷用电质量，如图3所示的A11、B1、B11、B12和B1n。

(4)城市轨道交通用户内部低压评估点：城轨供电系统内部中压评估点主要评价城市轨道交通供配电系统内部中压供电质量和城市轨道用户用电质量，如图3所示的C1、C2、Cn、C11、C12、C21、C22、Cn1和Cn2点。

2.2 电力公司评估点的限值计算方法

2.2.1 供电电压质量限值计算方法

(1)在正常运行条件下，电力公司评估点系统频率偏差限值为±0.2 Hz[7]。

(2)电力公司评估点110 kV供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%[8]。

(3)电网正常运转时，电力公司内部评估点负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%；接于电力公司内部评估点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%[9]。

(4)电力公司评估点电压总谐波畸变率限值为2.0%，奇次谐波电压含有率限值为1.6%，偶次谐波电压含有率限值为0.8%[10]。

(5)电力公司内部评估点电压闪变限值为1.0；电力公司评估点电压变动限值与变动频度的关系见表1[11]。

表1 电力公司评估点电压波动限值

2.2.2 用电电流质量限值计算方法

(1)电力公司内部评估点谐波电流限值。

根据文献[10]，设Ihp为基准短路容量时的谐波电流限值，Sc为基准短路容量，Smin为电力公司内部评估点最小短路容量，则电力公司内部评估点A的谐波电流限值Ip按式(1)计算：

(1)

(2)电力公司与电力用户双向评估点谐波电流限值。

根据文献[10]，设Sp为供电容量，Si为协议用电容量，则电力公司与电力用户双向评估点A1、A2和A3的谐波电流限值Ih按下式计算：

(2)

(3)电力公司评估点负序电流限值。

根据文献[9]，设Un为电力公司评估点的电压等级(单位： kV)，ξu为电力公司评估点对应的负序电压限值，Smin为电力公司评估点对应的最小短路容量(单位：MVA)，同时考虑到系统基波阻抗约等于基波负序阻抗，则在系统最小运行方式下，电力公司评估点的负序电流限值可以按照下式进行计算：

(3)

(4)无功功率冲击限值。

根据文献[11]可知，在高压电网中，假设ΔQi为电力公司评估点的无功功率冲击，Smin为电力公司评估点对应的最小短路容量，则电压变动可近似由下式获得：

(4)

因此，可以利用电力公司评估点电压变动限值给出无功功率冲击限值见表2。

表2 电力公司评估点无功功率冲击限值

(5)接于电力公司内部评估点各用户引起的电压长时间闪变限值。

文献[11]规定波动负荷单独引起的闪变值根据用户负荷大小、其协议用电容量占总供电容量的比例以及电力系统公共连接点的状况，分别按三级作不同的规定和处理，本文按照第二级处理。

假设Lp为电力公司内部评估点对应电压等级的长时间闪变值Plt限值；Lh为上一电压等级的长时间闪变值Plt限值；T为上一电压等级对下一电压等级的闪变传递函数，推荐为0.8；F为波动负荷的同时系数，其典型值F=0.2～0.3；Si为各用户的协议用电容量；St为电力公司内部评估点的总供容量，则如图3中的A1、A2、A3点用户引起的电压长时间闪变限值为

(5)

2.3 内部评估点限值计算方法

2.3.1 供电电压质量限值计算方法

(1)在正常运行条件下，系统频率偏差限值为±0.2 Hz[7]。

(2)35 kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过额定电压的10%；20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的7%[8]。

(3)内部评估点A11的负序电压不平衡度限值为1.3%，短时不超过2.6%[9]。

B1的负序电压不平衡度限值由内部评估点的负序电流计算得到，假设B1点额定电压为Un′(单位： kV)，B1点最小短路容量为Smin′(单位：MVA)，B1的负序电流限值为εi(单位：A)，则B1点的负序电压限值(单位：%)计算公式如式(6)所示：

(6)

(4)内部评估点电压变动限值见表3[11]。

表3 内部评估点的电压变动限值

(5)内部评估点属于工厂内部评估点，如果按照国标来考核，用户即使投资大量的电能质量治理装置仍不能达到要求，科学制定中高压用户内部配电网的电能质量和干扰限值可以最大限度地降低用户电能质量的技术和管理成本，本文根据IEC61000-3-6标准[12]给出城轨供电系统内部评估点电压总畸变率限值为6.5%，各次谐波电压限值参见表4。

(6)内部评估点的电压闪变限值。

内部评估点A11电压长时间闪变限值与电力公司评估点A1电压长时间闪变限值相同，同时考虑到由波动负荷引起的电压波动从低压传递到高压的比例约为0.8～1，则可得出内部评估点B1、B11、B12、B1n的闪变限值与电力公司评估点A1电压长时间闪变限值亦相同。

考虑到内部低压评估点C1、C2、Cn、C11、C12、C21、C22、Cn1和Cn2点所带的负荷特性，因此针对内部低压考核点不需要计算电压闪变限值。

2.3.2 用电电流质量限值计算方法

(1)内部中高压评估点谐波电流限值。

假设根据电力公司与电力用户双向评估点谐波电流限值计算方法计算出A1点的谐波电流限值为Ih，则内部110 kV进线A11点的谐波电流限值也为Ih。同时不考虑背景谐波或背景谐波很小时，根据主变电所变压器变比计算得出内部35 kV进线B1点的谐波电流限值为Ihk，其中k为变压器变比。

表4 内部评估点的各次谐波电压限值

(2)内部各牵引站谐波电流限值。

由于内部低压负荷所产生的谐波电流注入35 kV系统的谐波电流很小，并假设城市轨道交通1台主变带n台牵引站，则内部各牵引站B12、B1n的谐波电流限值相等，为Ihk/n。

(3)内部低压负荷谐波电流限值。

内部低压负荷主要为动力照明用电负荷，并根据用途和重要性分为三级：一级负荷主要包括：变电所操作电源、应急照明、通信系统、信号系统、自动售检票系统、火灾自动报警系统、安全门、人防系统、废水泵、消防水系统设备及阀门、气体灭火系统、消防用风机及相关阀门、挡烟垂帘、用于疏散的自动扶梯、防火卷帘门等。二级负荷主要包括：公共区正常照明、附属房间照明、不用于疏散的自动扶梯(电梯)、污水泵、普通风机及相关阀门、检修电源等。三级负荷主要包括：空调制冷系统设备、广告照明、电热设备、清扫电源及其他不属于一、二级负荷的用电设备，因此内部低压负荷的谐波电流限值应按照GB 17625.1—2003/IEC 61000-3-2：2001 《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16 A)》[13]和GB/Z17625.6—2003/IEC TR 61000-3-4：1998《电磁兼容 限值 对额定电流大于16 A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》[14]进行计算。

(4)内部评估点负序电流限值。

内部评估点A11负序电流限值计算方法与电力公司评估点A1负序电流限值相同。

假设已知A11的负序电流限值为εi,A11，变压器变比为k，则B1的负序电流限值εi=εi,A11k。

(5)内部评估点无功冲击限值。

已知内部评估点B1的最小短路容量，可采用电力公司内部评估点无功冲击限值计算方法得出内部评估点B1的无功冲击限值，同时考虑到B1点与A11点中间只有变压器和线路，因此内部评估点A11的无功冲击限值与B1点相同。

考虑到内部低压评估点C1、C2、Cn、C11、C12、C21、C22、Cn1和Cn2点所带的负荷特性，对内部低压考核点不需要计算无功冲击限值。

3 限值计算方法的应用实例

某城市轨道交通供配电系统如图3所示，已知该供配电系统桥西110 kV母线的最小短路容量Smin，1=1 331 MVA，和平医院站110 kV母线的最小短路容量Smin,2=990 MVA，城市轨道交通的供电容量Sp=180 MVA，城市轨道交通主变的协议用电容量Si=31.5 MVA，城市轨道交通主变一共带3台牵引站。

和平医院主变电所110/35 kV变压器的额定容量为Sn=31.5 MVA，短路电压百分比为10.5%，结合和平医院站110 kV母线的最小短路容量计算得出和平医院站35 kV母线的最小短路容量Smin,3=230.23 MVA。

最后，根据本文介绍的限值计算方法给出该城市轨道交通各评估点的限值如表5和表6所示，其中Δf为各评估点频率限值，eu为各评估点电压偏差限值，THDu为电压总谐波畸变率限值，HRUh为各次谐波电压含有率；εu为负序电压限值；εi为负序电流限值；Pst为电压闪变限值；d为电压波动限值；ΔQ无功冲击限值；Ih为各次谐波电流限值。

表5 城市轨道交通各评估点的限值计算结果

表6城市轨道交通各评估点的谐波电流限值计算结果

Tab.6Harmoniccurrentlimitresultsofeachevaluationpointinurbanrailtransit

4 结 论

城市轨道交通接入电网电能质量限值计算科学合理的方法，是在确保供配电系统安全稳定运行的前提下，尽可能地优化电能质量管理，降低电能质量治理成本。本文正是基本此思路提出了城市轨道交通供配电系统的电能质量计算方法，并得出了以下结论。

(1)电力公司内部评估点严格按照电能质量国家标准进行限值计算；而对于城市轨道交通内部评估点采用电磁兼容标准进行限值计算，在保证PCC点电能质量不超标的情况下放宽了对城轨交通内部电网电能质量考核。

(2)较科学合理地解决了城轨交通负荷与其他用户对PCC点电能质量限值指标的分配工作。

(3)对于各低压负荷，只要其自身满足电磁兼容标准就允许接入电网，不对低压总进线进行考核。

[1]林惠汉，凌文坚，吴世成.24相轴向双分裂整流变压器[J].变压器，2002，39(10)：9-10.

[2]董海燕，田铭兴.地铁直流牵引供电系统整流机组的仿真分析[J].电气传动自动化，2010，32(5)：31-33.

[3]孟飞.城市轨道交通24 脉波整流机组的研究[J].电气化铁道，2011(4)：43-45.

[4]文春雷，刘建军，詹宏，等.城市轻轨供电系统对公共电网电能质量的影响研究[J].电力建设，2011,32(8)：5-10.

[5]韩柳，彭冬，王智冬，等.电网评估指标体系的构建及应用[J].电力建设，2010,31(11)：28-33.

[6]周才发.城市轨道交通牵引变电所主接线的优化研究[J].电气化铁道，2010(4)：47-50.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 15945—2008 电能质量电力系统频率偏差[S].北京：中国标准出版社，2008.

[8]GB/T 12325—2008 电能质量 供电电压偏差[S].北京：中国标准出版社，2008.

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[10]GB/T 14549—93 电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，2008.

[11]GB/T12326—2008 电能质量 电压波动和闪变[S].北京：中国标准出版社，2008.

[12]IEC 61000—3—6 Assessment of emission limits for distorting loads in MV and HV power system[S].

[13]GB 17625.1—2003/IEC 61000—3—2：2001 电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)[S].

[14]GB/Z 17625.6—2003/IEC TR 61000—3—4：1998 电磁兼容 限值 对额定电流大于16 A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制[S].

(编辑：张媛媛)

CalculationMethodofPowerQualityLimitsofUrbanRailTransitPowerSupplySystem

ZHU Mingxing1, QIAN Chenchen1,DUAN Xiaobo2, LI Lingdong1, HU Wenping2, RONG Shiyang2

(1. Electrical Engineering and Automation of Anhui University, Hefei 230601, China;2. Hebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021, China)

In recent years, due to the characteristics of huge capacity, fast speed, safety, on schedule, environmental protection, energy and land saving, and so on, urban rail transit has been rapidly developed in the large and medium-sized cities in China. But the electricity attribute of urban rail transit determines that it is a typical nonlinear “pollution” load. In order to ensure the safe and stable operation of the power supply and distribution system containing urban rail transit, the calculation method of power quality limits of urban rail transit should be put forward for the test and evaluation of power quality. Therefore, this paper studied the calculation method of power quality limits of urban rail transit accessed to power grid, and proposed the calculation method of power quality limits for the power supply and distribution system containing urban rail transit, and used the calculation method for an actual the power supply and distribution system containing urban rail transit. The research results can provide a basis for the scientific evaluation of power quality of power supply and distribution system containing urban rail transit.

urban rail transit; power quality; limit; calculation method; evaluation

河北省电力公司2012综合计划项目(kj2012-048)；青海省重大科技专项(2012-J-A1)。

TM 174

： A

： 1000-7229(2014)09-0039-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.008

2014-03-11

：2014-05-08

朱明星(1968)，男，副教授，硕士研究生导师，长期致力于大型企业用户供配电系统的电能质量技术监督与管理、电能质量监测与分析、电能质量控制、电能质量综合评估、电能质量仿真技术等领域的科研与工程项目；

钱辰辰(1989)，男，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制，微网分析与控制，本文通讯作者，E-mail：ccqian118@163.com；

段晓波(1959)，男，高级工程师，双学士，主要从事电能质量分析与控制、电网分析工作；

李令冬(1942)，男，教授级高级工程师，主要从事工业节电与配电网电能质量控制方面的研究工作；

胡文平(1968)，男，博士，高级工程师，主要从事新能源发电并网、电网分析工作；

戎士洋(1982)，男，硕士，工程师，主要从事新能源发电并网、电网分析工作。