呂順凱

（株洲中車時代電氣股份有限公司 供電系統(tǒng)事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

0 引言

支線鐵路是眾多中小城市和工礦企業(yè)與干線鐵路聯(lián)系的橋梁與紐帶，在繁榮地方經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用［1-2］。自《國務(wù)院關(guān)于改革鐵路投融資體制加快推進(jìn)鐵路建設(shè)的意見》（國發(fā)〔2013〕33號）實施以來，支線鐵路的所有權(quán)和經(jīng)營權(quán)向社會資本全面開放，支線鐵路建設(shè)和擴(kuò)能改造進(jìn)入高速發(fā)展期［3］。新建支線鐵路一般采用電氣化牽引供電方式，既有支線鐵路現(xiàn)已逐步完成或正在進(jìn)行電氣化技術(shù)改造。

按照《銷售電價管理暫行辦法》等相關(guān)規(guī)定，支線鐵路牽引用電成本主要由電度電費(fèi)和基本電費(fèi)2個部分構(gòu)成。電度電費(fèi)是按用戶實際用電量計算的電費(fèi)；基本電費(fèi)可按變壓器容量或最大需量計費(fèi)，由用戶自行選擇，逐月結(jié)算［4-5］。由于線路運(yùn)量小、行車密度較低、牽引負(fù)荷極不均衡、牽引變壓器負(fù)載率低，導(dǎo)致牽引變壓器安裝容量相對偏大。因此，支線鐵路進(jìn)行基本電費(fèi)結(jié)算時，普遍采用適宜極不均衡負(fù)荷的最大需量法［6-7］，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

為進(jìn)一步降低支線鐵路基本電費(fèi)支出，推進(jìn)支線鐵路節(jié)支技術(shù)發(fā)展，基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，研究最大需量控制系統(tǒng)及其工作原理，并通過算例分析，驗證該控制策略的可行性和有效性。

1 支線鐵路需量特點

需量是指在1 個規(guī)定的時間間隔內(nèi)功率的平均值，其表達(dá)式見式（1）：

式中：p為瞬時功率，kW；T0為結(jié)算周期，min；P為T0時間內(nèi)的平均有功功率，即需量，kW；t為時間，min。最大需量指規(guī)定周期內(nèi)所記錄需量的最大值［8-9］。我國通常采用滑差時間為1 min、需量周期為15 min 的滑差式需量計算方法，在此也按照該方式進(jìn)行實測數(shù)據(jù)分析及效果仿真驗證。

支線鐵路多為單線鐵路，為保證運(yùn)行安全，普遍采用半自動閉塞方式，在同一閉塞分區(qū)內(nèi)，同一時刻只允許1趟列車運(yùn)行，行車密度較低。同時，線路列車運(yùn)行圖和牽引質(zhì)量以日為單位，長期固定、重復(fù)，具有高度規(guī)律性。因此，根據(jù)某日牽引負(fù)荷數(shù)據(jù)計算得出的日最大需量，可等效視為月度最大需量。

基于某線路2 個相鄰牽引變電所（分別稱為變電所a和變電所b）牽引負(fù)荷實測數(shù)據(jù)及其需量計算結(jié)果，分析支線鐵路的需量特點。變電所a 和變電所b 的日有功功率和需量趨勢對比見圖1，單個變電所較長時間處于空載或輕載狀態(tài)，牽引負(fù)荷和需量的間歇性和波動性特征明顯；2個變電所的牽引負(fù)荷和需量通常錯峰出現(xiàn)，即任意時刻，較少出現(xiàn)2個變電所均為重載或同時達(dá)到較高峰值需量的情況。

圖1 變電所a和變電所b日有功功率及需量趨勢對比

2 最大需量控制系統(tǒng)

依據(jù)支線鐵路相鄰變電所牽引負(fù)荷和需量錯峰出現(xiàn)特點，設(shè)計一種基于變電所間有功融通的最大需量控制系統(tǒng)（見圖2）。按照功能單元劃分，最大需量控制系統(tǒng)主要由需量管理裝置以及有功融通裝置2部分構(gòu)成。需量管理裝置為控制機(jī)構(gòu)，采集變電所a和變電所b的電壓和電流等電氣量，計算得出實時功率信息，按照預(yù)定控制策略生成有功融通指令。有功融通裝置屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收需量管理裝置發(fā)送的指令，控制相鄰變電所之間的有功融通。

圖2 最大需量控制系統(tǒng)構(gòu)成

需量管理裝置示意見圖3，主要包括需量管理服務(wù)器、通信管理主機(jī)、通信終端單元、電氣量采集單元、電氣量計算單元等。在變電所a 和變電所b 設(shè)置電氣量采集單元、電氣量計算單元、通信終端單元；在分區(qū)所設(shè)置通信管理主機(jī)、需量管理服務(wù)器等；通信終端單元與通信管理主機(jī)之間通過有線或無線通信專網(wǎng)傳輸電氣量信息。

圖3 需量管理裝置示意圖

有功融通裝置示意見圖4，主要包括隔離開關(guān)、斷路器、電壓互感器、電流互感器、控制單元、保護(hù)單元、交直交變流器機(jī)組、變壓器以及其他附屬設(shè)備，安裝于分區(qū)所，并聯(lián)接入變電所a和變電所b的饋線。

圖4 有功融通裝置示意圖

3 最大需量控制原理

最大需量控制系統(tǒng)實時檢測變電所a 和變電所b 的有功功率，通過控制變電所間有功融通，實現(xiàn)空載或輕載變電所對重載變電所的功率支撐。暫不考慮損耗及轉(zhuǎn)移閾值，定義有功融通裝置由變電所a 向變電所b融通有功功率時為功率正方向，設(shè)定有功融通功率參考值為P，則其計算式見式（2）：

式中：P1為牽引變電所a 的瞬時總有功功率，P1≥0；P2為牽引變電所b的瞬時總有功功率，P2≥0。

有功融通之后，牽引變電所a 和牽引變電所b 的瞬時總有功功率見式（3）：

由于單個變電所長期處于空載或輕載狀態(tài)，2個相鄰變電所重載錯峰出現(xiàn)，通過雙向有功融通，可同時實現(xiàn)2個變電所的最大需量控制。典型工況下最大需量控制原理見圖5，當(dāng)變電所a 出現(xiàn)重載（負(fù)荷有功功率為P1）且變電所b空載時，有功融通裝置工作，從變電所b 轉(zhuǎn)移有功功率0.5P1至變電所a，變電所a 由公共電網(wǎng)獲取的有功功率減半，等效降低變電所a 的最大需量；當(dāng)變電所b出現(xiàn)重載（負(fù)荷有功功率為P2）且變電所a 空載時，有功融通裝置工作，從變電所a 轉(zhuǎn)移有功功率0.5P2至變電所b，變電所b由公共電網(wǎng)獲取的有功功率減半，等效降低變電所b的最大需量。

圖5 最大需量控制原理

4 最大需量控制策略

工程應(yīng)用時，變電所間有功融通功率幅值受限于有功融通裝置的額定功率。同時，為減少工作損耗，提高系統(tǒng)效率，在不影響最大需量控制能力的前提下，可設(shè)置適當(dāng)?shù)挠泄θ谕ㄩ撝担?dāng)變電所牽引負(fù)荷低于設(shè)定值時，裝置不進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移。因此，制定最大需量控制策略時，除了比較相鄰變電所負(fù)荷有功功率大小關(guān)系，還需綜合考慮預(yù)設(shè)有功融通閾值和有功融通裝置的額定功率對于最大需量控制效果的影響。

設(shè)定預(yù)設(shè)有功融通閾值為P3，有功融通裝置的額定功率為P4，計及多項條件共同約束，制定最大需量控制策略具體如下：

（1） 當(dāng)P1≤P3且P2≤P3時，P=0。即當(dāng)變電所a 和變電所b的有功功率均未超過預(yù)設(shè)閾值時，不進(jìn)行變電所間有功功率融通。

（2） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1＞P2，0.5|P2-P1|≤P4時，P=0.5（P2-P1）。即當(dāng)變電所a或變電所b的有功功率超過預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率大于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一未超過變流器機(jī)組額定功率時，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向為：由變電所b至變電所a，融通功率幅值等于變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一。

（3） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1＞P2， 0.5|P2-P1|＞P4時，P=-P4。即當(dāng)變電所a 或變電所b 的有功功率超過預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率大于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一超過變流器機(jī)組額定功率時，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向為：由變電所b 至變電所a，融通功率幅值等于變流器機(jī)組的額定功率。

（4） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1≤P2，0.5|P2-P1|≤P4時，P=0.5（P2-P1）。即當(dāng)變電所a或變電所b的有功功率超過預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率小于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一未超過變流器機(jī)組額定功率時，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向為：由變電所a至變電所b，融通功率幅值等于變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一。

（5） 當(dāng)P1＞P3或P2＞P3，P1≤P2，0.5|P2-P1|＞P4時，P=P4。即當(dāng)變電所a 或變電所b 的有功功率超過預(yù)設(shè)閾值，變電所a 的有功功率小于變電所b 的有功功率，且變電所b 與變電所a 有功功率差值的二分之一超過變流器機(jī)組額定功率時，進(jìn)行變電所間有功功率融通。有功功率潮流方向為：由變電所a 至變電所b，融通功率幅值等于變流器機(jī)組的額定功率。

最大需量控制流程見圖6。

圖6 最大需量控制流程

5 算例分析

為驗證最大需量控制方案及策略的正確性和有效性，基于上述某線路相鄰牽引變電所a 和變電所b 的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析?？紤]變電所a 和變電所b 的日有功功率的概率分布及負(fù)荷峰值，設(shè)定預(yù)設(shè)有功融通閾值為4 MW，有功融通裝置的額定功率為9 MW，分析結(jié)果見圖7—圖9和表1、表2。

最大需量控制系統(tǒng)日融通功率趨勢見圖7，正值表示由變電所a 向變電所b 融通，負(fù)值表示由變電所b 向變電所a 融通。由圖7 可以看出，在9 MW 額定功率范圍內(nèi)，有功融通裝置能夠按照預(yù)定控制策略，在變電所a和變電所b之間雙向融通有功功率。

圖7 最大需量控制系統(tǒng)日融通功率趨勢

有功融通前后，變電所a 和變電所b 的有功功率趨勢見圖8，采用變電所最大需量控制技術(shù)后，2 個變電所負(fù)荷趨勢曲線更為平緩，間歇性和波動性明顯改善。通過數(shù)據(jù)測算得出，變電所a的95%概率大值負(fù)荷功率由14.95 MW下降至7.81 MW，降幅達(dá)47.76%；變電所b的95%概率大值負(fù)荷功率由14.48 MW下降至7.76 MW，降幅達(dá)46.41%。同時由圖8可以確認(rèn)，當(dāng)變電所a 和變電所b 的有功功率均小于4 MW 時，最大需量控制系統(tǒng)未進(jìn)行有功融通，證明了控制策略的正確性。

圖8 有功融通前后變電所a和變電所b日有功功率趨勢對比

有功融通前后，變電所a 和變電所b 的需量趨勢對比見圖9，采取變電所最大需量控制技術(shù)后，2 個變電所最大需量均得到有效控制。通過數(shù)據(jù)測算得出，變電所a 的最大需量由11.65 MW 下降至5.83 MW，降幅達(dá)49.96%；變電所b 的最大需量由11.48 MW 下降至5.79 MW，降幅達(dá)49.56%。變電所a 和變電所b 的需量趨勢曲線相近且更為平緩，顯著降低對電網(wǎng)的峰值需求壓力。

圖9 有功融通前后變電所a和變電所b日需量趨勢對比

有功融通前后，變電所最大需量對比分析見表1，通過變電所間有功雙向融通，變電所a 和變電所b 合計降低需量11.51 MW，降幅達(dá)49.76%。

表1 有功融通前后變電所最大需量對比分析 MW

按照基本電費(fèi)不同結(jié)算方式及最大需量法是否結(jié)合需量控制技術(shù)，劃分3種電費(fèi)支出方案，各方案的月度支出對比分析見表2。變電所a 和變電所b 的牽引變壓器容量均為20 MVA，如果采用變壓器容量法結(jié)算基本電費(fèi)，依據(jù)湖南省現(xiàn)行變壓器容量電價20元/kVA/月進(jìn)行計算，2 個變電所合計每月需支出80 萬元。目前實際采用最大需量法結(jié)算基本電費(fèi)，按照湖南省現(xiàn)行最大需量電價30元/kW/月進(jìn)行計算，2個變電所合計每月支出69.39萬元，較變壓器容量法節(jié)省10.61萬元/月。應(yīng)用最大需量控制技術(shù)后，每月可進(jìn)一步節(jié)省電費(fèi)34.53萬元，折合414.36萬元/年，節(jié)支效果明顯。

表2 月度基本電費(fèi)支出對比分析 萬元

6 結(jié)論

基本電費(fèi)是牽引供電電費(fèi)支出的重要組成部分，支線鐵路采用最大需量法結(jié)算基本電費(fèi)時，成本更優(yōu)。為進(jìn)一步降低基本電費(fèi)，提升支線鐵路效益，依據(jù)支線鐵路需量特點，研究最大需量控制系統(tǒng)方案，制定了計及多項約束條件的控制策略，并基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，得出如下結(jié)論：

（1）基于變電所間有功融通的最大需量控制技術(shù)合理可行。當(dāng)相鄰變電所負(fù)荷趨勢較為接近，預(yù)設(shè)融通閾值和系統(tǒng)額定功率選取較為合理時，支線鐵路2個變電所的最大需量可同時減小約50%。按照現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合湖南省現(xiàn)行電價測算節(jié)支收益，每年可節(jié)省基本電費(fèi)超400萬元。

（2）有功融通之前，支線鐵路單個變電所長時間處于空載或輕載狀態(tài)，牽引負(fù)荷和需量的間歇性和波動性特征明顯；相鄰變電所的牽引負(fù)荷和需量錯峰出現(xiàn)。有功融通之后，2個變電所的負(fù)荷和需量趨勢曲線更為平緩，功率幅值和時間分布更加均勻，公共電網(wǎng)連接點處的負(fù)序電流和電壓波動及不平衡度將大幅減少，有利于牽引供電系統(tǒng)和公共電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

通過現(xiàn)場調(diào)研及測試分析發(fā)現(xiàn)，我國眾多交流電氣化支線鐵路非常適宜通過變電所間有功融通方式進(jìn)行最大需量控制；運(yùn)營初期的新建高速鐵路和列車行車間隔較大的城際鐵路等線路，具有支線鐵路相似的極不均衡牽引負(fù)荷和相鄰變電所錯峰特性，上述研究內(nèi)容對其也同樣適用。下一步將進(jìn)行最大需量控制技術(shù)工程化實施和驗證，助力我國電氣化鐵路先進(jìn)節(jié)支技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。