京沪高铁周立营牵引变电所电能质量治理测试分析

方 策 吴命利

（北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

京沪高铁周立营牵引变电所电能质量治理测试分析

方 策 吴命利

（北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

基于京沪高铁谐波综合治理试点工程，对周立营牵引变电所及相关分区所进行了电能质量测试，分别测试了谐波治理装置投入前与投入后的电压电流数据。对功率因数、谐波和负序等指标进行了统计计算，编写了基于imc测试系统的电能质量分析软件。通过测试数据对比分析，反映了周立营牵引变电所及相关分区所安装的谐波治理装置对电能质量的改善效果，对今后电气化铁路电能质量治理具有参考意义。

电气化铁路；电能质量；谐波治理

电气化铁路属于波动性很大的单相整流负荷，加上列车运行的流动性，在其运行过程中，会在电力系统产生谐波、负序电流，导致电网电压波形畸变、三相电压不对称，剧烈变化的负荷电流还会引起电网电压波动[1-5]。京沪高铁是我国规划的“四纵四横”高速铁路干线之一，其对电网可能造成的影响自建设之初就引起电力部门的重视。

铁道部门和电力部门长期以来一直对电铁谐波限值存在分歧。为保障高速铁路建设，原铁道部与国家电网公司就电铁外部电源问题开展了大量的协调沟通工作。2011年联合印发的“关于印发《铁道部、国家电网公司电气化铁路供电协调领导小组办公室第三次会议纪要》的通知”（计基函[2011]17号）中，要求对京沪高铁周立营、王庄、固镇3个电源相对较弱的牵引变电所进行谐波治理试点。

由于各个不同车型的高速铁路动车组的谐波特性差异较大，加上电力系统供电网络结构和负荷的复杂性，目前国内高速铁路均无可靠适用及成熟的谐波综合治理技术和设备可供借鉴[6]。此次京沪高速铁路的谐波综合治理选在电源薄弱的变电所增设滤波装置的方式实施，依据实测结果确定治理方案和设备容量。这是国内首次在高速电气化铁路牵引供电系统中开展电能质量治理工程，对其投入效果的评估，将对今后电气化铁路电能质量治理的必要性评估和方案选择具有一定的示范意义。

1 测试说明

1.1 测试目的

通过京沪高速铁路牵引供电系统的现场测试，分别测试谐波综合治理设备投入前和投入后的运行情况，获得牵引变电所、分区所的负荷数据，统计负荷特性数据，测量变电所、分区所加装的滤波设备的电流数据，分析得出治理设备的滤波效果。

1.2 测试设备

测试采用德国进口的imc测试系统和北京交通大学开发的EMAP电气综合测试系统，所有的测量参数都基于通道单独设置，测量数据可通过设备的显示单元进行显示，也可以通过 TCP/IP协议连接PC，以便进行后期分析处理。

2 电能质量相关指标

反映电能质量优劣的指标有很多，即使对于同一指标，不同的标准中提出计算方法有时也不尽相同[7]。对电气化铁道来说，最重要也是最常用的电能质量指标是总谐波畸变率和三相电压不平衡度，其分别是由牵引负荷电流的谐波分量和负序分量引起的。根据IEC标准基于imc数据采集设备设计了的电能质量分析软件。

2.1 谐波计算

在某些具体的应用场合，DFT与其快速算法FFT相比可能更有优势[8]。如强行使用FFT计算特定时间段的谐波，可采用充零布满2的N次幂的方法，然后再进行快速傅里叶计算，但计算结果会有一定误差。所以这里各次谐波分解采用离散傅里叶变换（DFT）：

由于

令 θ = 2 π k n/ N ，那么式（1）变为

进一步：

对于电压谐波测量，IEC 61000-4-7中有详细说明，计算特定时间窗无间隙谐波子组的测量数据。此标准中，规定时间窗的宽度为10个（对50Hz系统）基波周期，即为200ms。

为了把电压波动的影响考虑在内，计算某次谐波时，需要把DFT输出的该次谐波分量与其直接相邻的两侧频域分量进行能量合成，即计算方均根值[9]。

2.2 三相电压不平衡度

三相电压不平衡度定义为负序电压有效值与正序电压有效值的比值：

3 周立营变电所电能质量

3.1 谐波治理测试安排

此次谐波治理试点工程基于铁路现场的实际测试数据。按照相关牵引变电所、分区所电能质量实测结果，最终确定周立营谐波治理方案采用 APF+RLC并联混合滤波兼补偿负序的方案。牵引变电所两供电臂T-N间分别设补偿容量为10000kVA的有源滤波器，并按背靠背方式运行；在艾各庄和双口两分区所中T-N、F-N间设RLC二阶高通滤波器，电容器安装容量为2×3600kvar。表1为周立营测试方案的实施概况。

表1 周立营测试概况

3.2 全天测试数据分析

1）高压侧电能质量

我们相信，顺应人民群众新期待，推进民生水利新发展的激越旋律，将伴随着代表们的返程足音，在全国各地强劲奏响。

计算出周立营测试时间内全天平均功率因数，见表2。

表2 日平均功率因数

变电所APF滤波器投入与不投入相比较，功率因数提高0.003，分区所RLC滤波器投入后，功率因数却下降 0.019。表明 APF滤波器对高铁功率因数略有改善作用，但 RLC滤波器增加较大容性无功，导致过补，反使功率因数下降。

按每天统计周立营变电所高压侧三相电压总谐波畸变率、不平衡度和负序电流最小值、平均值、95%概率大值和最大值。统计结果见表3。

表3 三相电压总谐波畸变率/%、电压不平衡度/%和负序电流/A

在分区所RLC高通滤波器不投入状态下，投入变电所APF滤波器，三相电压谐波畸变率平均值分别下降 0.03%、0.02%、0.02%，三相电压谐波畸变率95%概率大值分别下降0.03%、0.02%、0.01%。在变电所 APF滤波器不投入状态下，投入分区所RLC高通滤波器，三相电压谐波畸变率反而有些许升高。变电所APF滤波器和分区所RLC高通滤波器同时投入时，三相电压谐波畸变率无明显变化。表明变电所APF滤波器对滤除谐波降低总谐波畸变率有作用，但分区所RLC由于造成低次谐波略微放大，并不能降低总谐波畸变率。

根据高压侧三相的实测数据，在分区所RLC高通滤波器不投入状态下，投入变电所APF滤波器，电压不平衡度有所下降，平均值、95%概率大值分别下降 0.19%、0.38%。在变电所 APF滤波器不投入状态下，投入分区所RLC高通滤波器，负序电流、电压不平衡度反而有些许升高。变电所APF滤波器和分区所RLC高通滤波器同时投入时，电压不平衡度有所下降，平均值、95%概率大值分别下降0.15%、0.32%。负序电流无明显变化。表明 APF滤波器对补偿负序电流有作用，而RLC无作用。

2）牵引侧电能质量比较

统计周立营变电所北京方向T线、F线电压总谐波畸变率、总谐波电流24h最小值、平均值、95%概率大值和最大值。统计结果见表4。

表4 北京方向T线、F线电压总谐波畸变率/%和总谐波电流/A

变电所APF滤波器和分区所RLC高通滤波器同时投入时，T线、F线电压总谐波畸变率有所下降。

3.3 典型时刻数据分析

选取周立营变电所APF滤波器投入时的某个典型时刻，分析了北京方向T线电压、APF滤波器电流及其对应的谐波含量大小，如图1和表5所示。

图1 周立营北京方向APF电流及其谐波含量

表5 APF电流各次谐波含量

根据 APF滤波器典型波形和频谱的实测数据分析可知，滤波器滤除的低次谐波主要集中在13次以内。

北京-上海方向T线电压的波形图和对应的APF电流谐波含量，如图2所示。比对了同一时刻背靠背方式下北京和上海方向有功和无功数值，见表6。

表6 周立营APF有功无功值

根据北京和上海方向APF有功无功实测数据分析可知，北京和上海方向APF有功功率相同，验证了APF采用背靠背变流器方式进行谐波治理，即通过直流侧的相互连接转移两供电臂牵引负荷的有功功率实现负序补偿，而两供电臂的谐波和无功功率则分别进行补偿。

图2 周立营北京上海T线电压及其APF电流谐波含量

选取了20日艾各庄分区所RLC高通滤波器投入时的某个典型时刻，分析了T线和F线所接RLC高通滤波器电流和对应的谐波含量大小，如图3和图4所示。

图3 艾各庄分区所高通滤波器T线电流波形和谐波频谱

图4 艾各庄分区所高通滤波器F线电流波形和谐波频谱

RLC二阶高通滤波器在设计之初用于吸收 14次以上的高次谐波电流，但从谐波频谱图中看出，治理效果并不显著，同时鉴于京沪高铁本身很高的电能质量，很难反应滤波设备的滤波能力。

4 结论

测试结果表明，投入APF滤波器对高压侧三相功率因数略有改善，由于高速铁路动车组本身功率因数已经很高，这种改善并不显著。由于电铁低次谐波含量相对高次要大些，APF滤波器投入能有效滤除部分低次谐波电流；而RLC高通滤波器对改善总谐波畸变率没有效果，其主要作用是抑制高次谐波谐振。此次周立营谐波治理试点也说明了京沪高铁电能质量处在较高水平，治理装置安装的必要性不大。

目前我国铁路和电力双方在电铁谐波限值及评估方法上尚未达成一致。从测试结果来看，京沪高铁电能质量并没有像前期电力部门预评估那样严重。把电铁接入电网谐波预评估结果直接用作强制用户采取谐波治理措施的依据，可能会造成国家投资的浪费[10]。建议国家尽快制定符合我国实际条件的谐波预评估机制，为电网和铁路的安全运行创造条件。

[1] 周胜军, 于坤山, 冯满盈, 等. 电气化铁路供电电能质量测试主要结果分析[J]. 电网技术, 2009, 33(13)：54-63.

[2] 王晖, 吴命利. 电气化铁路低频振荡研究综述[J].电工技术学报, 2015, 30(17)： 70-78.

[3] 罗世界, 王维博, 刘勇, 等. 高速牵引供电系统建模及其运行参数对电网谐波的影响[J]. 电气技术,2017, 18(2)： 31-35.

[4] 马放潇, 陈莉. 牵引供电系统谐波谐振特性分析[J].电气技术, 2012, 13(9)： 38-43.

[5] 游广增, 马斌, 朱毅. 牵引变压器接线方式对谐波和负序的影响研究[J]. 电气技术, 2014, 15(3)： 14-18,40.

[6] 罗培, 陈跃辉, 罗隆福, 等. 铁路电能质量控制系统容量优化设计[J]. 电工技术学报, 2016, 31(8)：181-188, 228.

[7] 牟树贞, 齐晓波, 刘芹. 三相电压不平衡度的不同计算方法对比[J]. 陕西电力, 2010, 38(12)： 55-58.

[8] 刘靖, 余楚中. 基于 DFT的微机保护简易算法[J].重庆工学院学报(自然科学版), 2007, 21(4)： 99-102.

[9] IEC/TR 61000-4-7 Electromagnetic Compatibility(EMC) Part 4-7： Testing and measurement techniques-General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto[S]. IEC,2008.

[10] 吴命利, 杨少兵, 翟铁久. 电气化铁路接入电网谐波预评估有关问题分析及谐波国家标准修订建议[J].铁道学报, 2016, 38(8)： 1-7.

Measuring Analysis on the Power Quality Control of Zhouliying Traction Substation in Beijing-Shanghai High-speed Railway

Fang Ce Wu Mingli
(Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Based on the power quality control experimental project in Beijing-Shanghai high-speed railway, the measurement on Zhouliying traction substation and relevant section posts are conducted. Voltage and current data are obtained for before and after the harmonic control devices are put into operation. The power quality index of power factor, harmonics, negative phase sequence are statistically computed, and a power quality analysis software based on imc measuring system is compiled. By the comparison of the test data, the power quality improvement effect for the harmonic control devices on the substation and relevant section posts are reflected, which has a reference value for the future power quality control of electrified railways.

electrified railways; power quality; harmonic control

方 策（1992-），男，硕士研究生，山东烟台人，主要从事电能质量的研究工作。