高速铁路牵引负荷对湖南电网的影响

陈远扬，陈浩，王灿，黄际元，吴佩颖

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015；4.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙410042)

高速铁路牵引负荷对湖南电网的影响

陈远扬1，陈浩1，王灿2，黄际元3，吴佩颖4

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015；4.国网湖南省电力公司经济技术研究院，湖南长沙410042)

结合近年来湖南电网及高速铁路规划布局，本文从电网静态安全潮流控制、无功电压平衡等方面对高铁牵引负荷对湖南电网的影响进行分析。基于以上分析，为减少高铁牵引负荷对电网带来的不利影响，本文为调度运行专业人员合理安排电网运行方式、计划检修工作及调整控制电网运行潮流及电压提供了建议措施。

高铁牵引负荷；冲击性；静态安全；无功电压；潮流控制

近年来，高速铁路作为一种安全可靠、舒适快捷、低碳环保的交通运行方式，已成为中国铁路发展的必然趋势。作为华中地区铁路交通运输的中枢省份，随着京广高铁武广客运段 (2008年底投运)、衡柳高铁 (2013年底投运)以及沪昆高铁长沙至怀化段 (2014年底投运)陆续开通运营，湖南省境内高铁里程数已超过1 000 km，覆盖率达到71%以上，已大大高于全国平均水平。截至目前，湖南高铁已形成了以省会长沙为中心，京广客运专线纵贯南北，沪昆客运专线横穿东西，纵横通达、快捷便利的高铁网络格局，加之尚在规划中的渝湘高铁 (重庆—湖南)、怀邵衡高铁 (怀化—邵阳—衡阳)，湖南高铁发展进程已迈入 “高铁黄金时代”，湖南省高铁网络格局如图1所示。

作为关系日常民生出行的电力一级用户，高速铁路因其高速度、运行平稳等特点对牵引供电系统的稳定性有着较高的要求。同时，高铁牵引负荷的大功率、时变性、冲击性等特点对电网运行也带来了更为深远的影响。近年来，广大科研机构分别从高铁供电可靠性、负荷特性、电能质量等方面进行了深入的研究。文献 〔1—2〕从接触网电压降落、三相电压不平衡度和谐波等方面阐述分析了电铁牵引变接入不同电压等级系统方案的优缺点；文献〔3〕从统计学角度分析不同运行方式的高铁牵引负荷特性和数据分布特征；文献 〔4〕从电能质量相关数据指标上评价了牵引负荷对电力系统的影响；文献 〔5〕根据电气化铁路供电变电站的电能质量测试结果，就谐波、负序等主要测试数据及电气化铁路供电中的主要问题进行整理和分析。

图1 湖南省高铁概况图

为提高机车运行功率及高铁供电可靠性，湖南省境内的高速铁路客运专线除衡柳高铁外，其余(京广、沪昆)均采用220 kV供电电压等级，故高铁对电网的运行影响也扩展到220 kV主网层面。为配合京广、沪昆高铁的陆续投运，湖南电网配合投产了20余座220 kV高铁牵引变，京广、沪昆高铁及其供电线路影响范围见表1。随着智能电网的建设发展及省高速铁路的加速扩展，为保证对高铁可靠供电以及电网安全稳定、优质经济运行，重视和加强对电铁负荷的研究与管理具有重要意义。

表1 湖南境内京广、沪昆高铁及其供电线路影响范围概况表

文中主要以京广、沪昆高铁湖南区段负荷为例，分别从电网静态安全潮流、电压控制、无功平衡等方面，研究京广、沪昆高铁冲击负荷对电网的影响，并结合电网及高铁的发展趋势，充分考虑高铁的相关负荷特性，为调度运行专业人员合理安排电网检修工作及调整控制电网运行潮流及电压提供了建议措施。

1 静态安全潮流及电压控制问题

一般而言，牵引供电回路是由牵引变电站、馈电线、接触网、电力机车、钢轨、地或回流线构成。牵引变电力系统输送来的220 kV三相交流电变换为27.5 kV单相电，然后以单相供电方式经馈电线送至接触网，再通过动车的受电弓、主断路器引入到动车主变压器，然后通过接地线连到车轮上，最后通过钢轨回流到变电所中，完成供电过程。高铁供电系统示意图如图2所示。

图2 高铁供电系统示意图

作为一种冲击性单相整流型负荷，高速铁路不可避免地将产生的负序和谐波电流注入电网，必然会引起三相电压不对称、电压波形畸变和电压波动。另外，高铁牵引网采用全并联AT〔5〕供电方式，结构复杂、供电区间长，而牵引负荷是大量高速移动、高行车密度、重载型高速列车〔6〕(一对8辆编组的CRH3型高铁动车组牵引功率可达8.8 MW左右，列车追踪时间间隔约为5～6 min)，故高铁牵引变负荷呈现出与行车密度、载重、行车速度实时相关联的频繁波动状态，且时变性、冲击性均强于一般电气化铁路，在电网结构薄弱的运行方式下易造成电压波动、闪变，恶化供电质量，尤其是高峰时段冲击负荷会对电网静态安全、电压方面造成显著影响，甚至威胁电网供电安全。

高铁负荷占地区负荷比重越大，其波动所带来的冲击对局部地区电网影响就越明显。秋汛丰水期、夏季高负荷高峰期两个典型时段下，对京广、沪昆高铁各区段负荷占所过境地区电网负荷的比例进行统计，见表2。

表2 典型日高峰时高铁区段负荷占地区负荷比例

由表2可得，在两种典型运行方式下，沪昆高铁的怀化段、娄底段以及京广高铁的岳阳段、郴州段占各地区总负荷比例较高。当电网处于检修方式时，高速铁路短时冲击负荷对局部电网的影响将更明显，此时电网静态安全或暂态稳定裕度均受到影响，相关输电断面N—1热稳或功角、电压问题更加突出，其控制限额会进一步收紧。本节从典型性原则出发，选取两种日常计划检修方式下的高铁负荷占比较高的岳阳 (京广高铁沿线)、娄底 (沪昆高铁沿线)电网作为研究对象，分析京广、沪昆高铁对地区相关的断面输送功率或电压的影响。

1.1 静态安全潮流控制

如图3所示，岳阳地区内有塝上、先锋、梅子、坦渡4座高铁牵引变以满足过境的京广高铁负荷需求。电源分布上，220 kV及以上电压等级的电源有220 kV华岳一、二期电厂及500 kV华岳三期电厂。岳阳网络结构与岳阳地区负荷、岳阳电厂开机方式密切相关，若岳阳电厂开机方式大而地区负荷低时，220 kV昆文Ⅰ，Ⅱ线、奇新Ⅰ，Ⅱ线与500 kV昆沙线构成500/220 kV潮流外送电磁环网；当开机方式小而地区负荷高时，由220 kV袁威袁捞、220 kV沙文沙汉与500 kV昆沙线构成500/220 kV潮流内受电磁环网，电网地理接线图如图3所示。某日500 kV昆沙Ⅰ线停电检修，此时上述电磁环网均打开，考虑到系统静态安全及暂态电压稳定问题，对岳阳电厂机组旋备、奇新昆文断面、袁威袁捞断面均给出了控制要求，其中考虑到岳阳电厂220 kV层面机组开机不足 (一期全停、二期2台机组运行)，岳阳电网为典型受端电网，需控制袁威线+袁捞Ⅰ线断面不超300 MW。

图3 岳阳电网地理接线图

对该日9时至20时之间岳阳地区高铁负荷及相关断面数据进行统计分析，并定义断面潮流负载率超过95%为断面重载，高铁负荷占地区总负荷比例超过8%为高铁峰段，结果如图4所示。

图4 岳阳地区高铁占比及断面负载

分析可得断面重载约占整个统计区间时间的41.6%，占高铁峰段时间的78.2%，即有超过75%的断面重载都与高铁冲击负荷波动有关。为将断面及时控制在规定范围内，一般需要快速增加华岳电厂220 kV层面机组的出力，而由于火电响应AGC调整出力的延时性，效果不太理想，导致断面负载率超 100%而越限，越限时间约占统计区间的12.1%。

1.2 局部地区电网电压波动

如图5所示，娄底西部通过鹅塘、上渡、中连3座220 kV变电站下网供新化县、冷水江市部分地区负荷，正常方式下由220 kV锑中、豹中、观鹅、柘鹅线与主网联络。某日在锑中线、豹中线同停的方式下，安排锑钢线 (锑都变—冷钢变)停电，地调将冷钢负荷通过110 kV地区电网倒中连、上渡变供电，此时娄底西部电网由观鹅与柘鹅线供电，此时专供鸭田牵引变的鹅鸭线，对该上述局部电网负荷产生冲击的同时，也造成了部分时段主供厂站电压的跌落。

考虑到局部末端系统的静态安全及暂态电压稳定问题，对柘溪电厂开机方式及柘鹅观鹅断面给出控制要求，其中考虑 N—1后仍满足线路不过热稳，需控制柘鹅观鹅潮流之和不超250 MW。

图5 娄底西部电网地理接线图

选取该日6时至13时之间该电网的高铁负荷及实时电压进行统计分析，结果如图6所示。由于在锑钢线7时30分停电前，将冷钢负荷倒至上渡供电区，造成断面短时接近满载，此时主网上渡变母线电压瞬间由229 kV被拉低至223 kV。7时30分后，鹅鸭线高铁负荷陆续对上渡变母线电压造成电压波动，其中电压波动1 kV及以上次数占统计区间36.7%，约占高铁负荷峰段时间的46.7%，也即有近50%超过1 kV电压波动与高铁冲击负荷有关。电压严重时，电压波动达2 kV及以上占统计区间的6.67%，其中有60%以上与高铁冲击负荷有关，上渡变220 kV母线电压最低达到221.56 kV，显然对电压控制是不利的。为将电压控制在合理范围内，需要地调事先将负荷尽量倒走同时投入无功补偿装置，以提高母线电压，减少冲击负荷导致电压跌落的不利影响。

图6 娄底西地区高铁占比及电压波动

基于分析，可以得到京广、沪昆高铁带来的冲击负荷，对局部地区电网静态安全潮流及电压控制均会产生较大的不利影响。目前沪昆高铁负荷主要影响娄邵、怀吉电网结构联系较薄弱的地区，而明年沪昆高铁全线贯通后，高铁负荷将再上一个水平，其冲击负荷对电网正常或检修方式下的影响将更为严重。故安排电网检修方式时，应考虑采用相关厂站母线上的高铁最大冲击负荷作为该母线负荷预测值一部分来进行静态稳定及无功电压校核。特别地当高铁负荷对受电区域总负荷占比较大，应提前合理安排开机方式，或调整负荷分配，预留充足的有功、无功备用，避免高铁冲击负荷频繁造成断面潮流或母线电压越限。

2 空载线路对电压的影响问题

一般而言，为提高高铁的供电可靠性，牵引变电站均接引电力系统两回独立可靠的220 kV高压电源，一主一备，互为备用，如图7所示。白天客运高峰期单一回线路负载运行，另一回空载运行提供备用；夜晚高铁陆续停止运营后，两回线路均空载运行。

图7 牵引变接线图

由于空载线路仍处于带电状态，线路相间和对地电容产生相当数量的容性无功功率 (即充电功率)，而220 kV电压等级的每公里的单根送电线路充电功率约为0.14 Mvar/km〔7〕，相当于各空载供电线路送出变电站投入了若干电容。

根据无功就地平衡原则，为保证局部地区电网电压质量良好，中枢点电压可控制在规定的范围内，需要保证在最大负荷情况下，地区电网的最大无功出力大于无功负荷；在最小负荷情况下，区域电网的最小无功出力小于无功负荷〔6〕。而湖南电网内，湘西南的怀吉电网一直存在因负荷较低、无进相能力小水电机组多等原因无功电源充裕、低谷时段部分厂站电压偏高的特点。

沪昆高铁投运后，怀化电网为配合投产8条高铁供电线路，空载情况下其充电功率概况见表3。

表3 怀化地区高铁供电线路充电功率

采用调度智能系统D5000 PAS(Power Application Software，PAS)潮流计算软件对怀化地区高铁供电线路投运前后的怀化电网主要变电站母线电压进行计算。结果如图8所示，高铁供电线路投运后，在低谷负荷期，若不采取其他调压手段，220 kV电压均被抬高，变化率最大的田家变母线电压上升了1.3%，而怀化西部晃州变母线电压最高达234.2 kV，高铁空载线路充电运行近一步恶化了怀化地区部分厂站的低谷调压问题。故为减少高铁供电线路空载运行给低谷调压带来的影响，应尽量在低谷来临时提前干预，利用高铁牵引站周围的发电机组进相运行及调整变电站无功设备来降低相关厂站的母线电压。

图8 高铁投运前后怀化主要变电站电压

3 结论

文中以高速铁路牵引负荷的接入后的湖南电网为背景，从电网静态安全潮流控制、无功电压平衡等方面，讨论分析了高铁冲击负荷对局部电网潮流断面和电压的影响及高铁供电线路空载充电功率对厂站电压的影响，得到如下结论:

1)在电网检修方式下，高铁短时冲击负荷会加剧某些断面的输送功率，导致断面重载或过载，同时在某些无功电压支撑不足的电网结构下，冲击性负荷会导致牵引站及其周围变电站电压发生大范围的波动。

2)在无功电源充裕的地区，负荷低谷阶段的高铁供电线路的充电无功功率将进一步抬升地区电网的电压，恶化了厂站的低谷调压问题。

3)为减少高铁牵引负荷对电网带来的不利影响，调度运行管理人员应掌握高铁负荷特性，对存在高铁牵引变负载的厂站周围供电线路安排停电前，应严格执行 “先算后停”，并采用高铁最大冲击负荷数据作为受电区母线负荷预测值来校核受电断面是否存在静态安全潮流或电压越限问题，以合理安排检修计划及电网运行方式。

4)在日常潮流调整时可通过提前调整开机方式或负荷转供等措施以控制受电区高铁冲击负荷的负面影响，并应充分利用发电机组进相运行能力，在低谷负荷来临之前，尽量降低无功负荷不足的地区厂站母线电压。

另外，湘西南的怀吉电网存在丰水期水电大方式远距离外送而枯水期水电较小负荷大方式受电的潮流特性，该区段高速列车负荷是否会带来低频振荡等电网动态小干扰问题，仍有待研究。

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Research on the effects of high-speed railway traction load in Hunan power grid

CHEN Yuanyang1，CHEN Hao1，WANG Can2，HUANG Jiyuan3，WU Peiying4
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute，Changsha 410007，China；3.State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Electric Power Corporation，Changsha 410015，China；4.State Grid Hunan Electric Power Corporation Economic＆Technology Institute，Changsha，410042，China)

Considering the planning pattern of Hunan Power Grid and high-speed railway in recent years，the impact of highspeed railway traction load is analyzed from the static security power flow control and reactive voltage power balance.Based on the above analysis，in order to reduce the adverse effects on power grid of railway traction load，some suggestions of making the reasonable operation mode and maintenance program and adjusting the power flow and voltage of the power grid are also given.

high-speed railway traction load；shock performance；static security；reactive voltage power；power flow control

TM714

B

1008-0198(2016)04-0039-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.010

陈远扬(1987)，男，汉族，湖南衡阳人，硕士研究生，从事调度运行工作。

2015-12-09 改回日期:2016-01-08