0 引言

电力机车的供电和驱动方式决定了电气化铁路负荷具有非线性、不对称性和波动性的特点，其产生的谐波电流经牵引变压器注入电力系统，电压波形发生畸变，造成电网三相电压不平衡，出现谐波和负序电流超标等电能质量问题。电气化铁路电能质量评估可通过实际测量或建模仿真的方法，获得牵引站接入点处的各项电能质量指标，并对比国标限值进行分析评价，以确定牵引负荷接入系统后对电网的影响，同时为电能质量的综合治理提供依据^[1-2]。

目前，国内已有大量关于电气化铁路电能质量评估方法的研究，主要包括应用于在运电气化铁路的监测评估和新建、改建、扩建等项目接入系统的预测评估。文献^[3]分别采用点对点方法和割集方法计算了电能质量各项指标，并将结果与现场测量值叠加进行评估。文献^[4]对牵引供电系统实际运行数据进行分析，通过电能质量相关指标评价牵引负荷对电力系统的影响。文献^[5]对某V/v接线牵引变电所对电力系统的影响及其治理进行了仿真研究。现有研究的评估对象通常局限于某区域电网的单个或几个牵引站，未能考虑多个牵引站接入的影响。评估方法主要集中在优化评估算法以提高评估结果的准确性和全面性，但不同方法之间较为独立且未能应用于工程实际^[1]。

本文依托国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院（以下简称蒙东电科院）近期承担的“通让铁路电气化改造工程西辽河、宝龙山牵引变电所电能质量评估”项目，介绍了1种电气化铁路接入系统电能质量预测评估方法。该方法基于中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序（PSASP）中的电能质量分析模块，考虑系统运行方式、牵引负荷接入方式和取值等因素设置不同运行工况，对系统公共连接点（PCC）处电能质量各项指标进行仿真计算，分析多个牵引站接入系统对地区电能质量的影响；同时对各个牵引站接入的系统变电站进行电能质量背景谐波测试，分别将仿真结果和测试结果与国标限值要求进行对比，综合得出评估结论和建议。

1 基于PSASP的电气化铁路电能质量预测

评估方法由中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序（PSASP）是1款适用电网运行分析的综合分析软件^[6-8]，其中电能质量计算模块可进行电能质量作业定义，计算电网内的三相不对称谐波潮流，分析三相电压不平衡等^[9]。谐波潮流计算可确定系统中谐波电流的分布以及各部分的电压、电流波形畸变程度；三相电压不平衡分析可分析负序电流在电力系统中各个支路的分布以及在各个节点产生的负序电压。本文选取IEEE交流线模型、常规变压器模型以及RL串联负荷模型进行电能质量模块建模。

电气化铁路电能质量预测评估包括建模仿真评估和背景谐波测试评估两部分，评估流程如图 1所示^[1]。

1.1 电气化铁路电能质量仿真评估

参考铁路部门和相关设计单位提供的机车类型、牵引变压器参数、电源进线方式以及各牵引站低压侧电流等原始资料，电气化铁路电能质量仿真评估步骤如下。

（1） 选取系统运行方式，选择其投产年作为评估水平年；

（2） 采用图模一体化平台搭建该地区网架结构，并加入新建厂站、交流线、负荷和牵引站等元件；

（3） 在地区网架结构的基础上进行潮流计算，得到系统各部分稳态运行时的各项参数；

（4） 基于电能质量计算模块进行仿真，根据牵引负荷大小和接入方式设置不同运行工况，计算各次谐波电流、负序电流和三相不平衡度等指标；

（5） 对比国标限值要求，得出评估结论。

1.2 电气化铁路电能质量背景谐波测试评估

为全面了解电气化铁路沿线供电变电站电能质量情况，同时保证牵引站接入点处电能质量各项指标符合相应的国家标准^[2]，预测评估时需对供电变电站进行背景谐波测试。测试基本要求如下^{[1, 10]}。

（1） 电能质量监测装置应符合国家相关标准规定，仪器应在有效期内，测试精度满足国标要求；

（2） 测试地点选择向牵引站直接供电的变电站或与牵引站对应开关站相连的变电站；

（3） 测试对象为接入PCC点的电压和向PCC点供电的线路间隔或变压器间隔电流；

（4） 主要测试指标为供电母线电压、供电母线各次谐波电压含有率、电压总谐波畸变率和三相电压不平衡度等（谐波次数最低到25次）；

（5） 测试结果的分析参照国标要求，统计各项指标的95%概率大值，对照国标限值要求判断是否超标。

2 牵引站电能质量预测评估 2.1 牵引站概况

通辽— 让湖路铁路（简称通让线）全长412.334 km，其中蒙东段长104.86 km，位于通辽境内。本段计划新建西辽河、宝龙山共2座牵引变电站。该工程计划于2019年5月投入运行。新建牵引站接入系统和供电方案如图 2所示。

电气化铁路采用单相工频（50 Hz）交流制，每座牵引变电站由2路独立、可靠的三相220 kV电源供电，互为热备用。牵引变压器采用220 kV/27.5 kVV/v接线形式；牵引变压器安装容量，西辽河为2×（16+20）MVA、宝龙山为2×（20+20）MVA；牵引变压器采用固定备用方式，正常时1台（组）运行，另1台（组）100%备用，其工作原理如图 3所示。

V/v接线变压器一次和二次侧电流关系为：

(1)

其中，I₁、I₂为两侧供电臂电流；I_L1、I_L2、I_L3为牵引变压器三相电流；K为牵引变压器变比。

2.2 牵引站电能质量仿真评估 2.2.1 谐波电流和谐波电压

电气化铁路通过牵引站高压侧从供电系统受电，低压侧向供电臂送电，各供电臂下的每台运行机车的谐波电流通过牵引变压器汇总注入系统，因此谐波将取决于电力机车类型、牵引变压器的接线形式和接入电压等级。根据铁路负荷特点及谐波叠加特性，在对谐波电流和谐波电压进行分析评估时，考虑牵引站供电臂上流过平均电流和短时最大电流，计算时考虑以下2种工况。

（1） 正常工况，取两侧供电臂流过平均电流计算；

（2） 极端工况，取两侧供电臂流过短时最大电流计算。

国标规定，当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，应修正各次谐波电流允许值^[11]。修正后各牵引站注入系统的谐波电流限值如表 1所示。

通过仿真分别计算牵引站在不同工况下注入系统的各次谐波电流，以极端工况为例，西辽河、宝龙山牵引站谐波电流如图 4和图 5所示。

标称电压为220 kV的公用电网谐波电压（相电压）限值为：奇数次谐波电压含有率为1.6%，偶数次谐波电压含有率为0.8%^[11]。对谐波电流引起的谐波电压进行分析评估时，其仿真计算原则同谐波电流。同样以极端工况为例，西辽河、宝龙山牵引站谐波电压如图 6和图 7所示。

2.2.2 负序电流

国标规定，三相同步电机应能在不平衡系统中连续运行，该系统的各相电流均不超过额定电流，且电流的负序分量（I_）与额定电流（I_n）之比不超过规定的数值。其中，同步电机承受不平衡负载的能力，间接冷却凸极同步发电机组I-/In应不超过8%，转子间接冷却的圆柱形同步电机的I_/I_n 应不超过10%^[12]。

在计算牵引站接入系统后注入电厂的负序电流时，考虑以下2种工况。

（1） 正常工况，两侧供电臂电流均选取短时最大电流计算；

（2） 极端工况，一侧供电臂电流选取短时最大电流、另一侧供电臂电流为0计算。

本文选取通辽地区各主要火电厂和牵引站接入点附近风电场，不同工况下牵引站接入系统后注入电厂的负序电流I2和额定电流In的比值如表 2所示。

2.2.3 三相电压不平衡度

国标规定，接于公共连接点的每个用户引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%^[13]。

对三相V/v型牵引变压器接线方式下牵引负荷接入后在公共连接点处产生的负序影响分析得知，当2 供电臂上电流相等时，负序影响最小，而当2供电臂上一臂有电流，另1臂无电流时，负序影响最大^[1]。因此，对三相电压不平衡度进行评估时，牵引站负荷接入情况考虑以下4种工况。

（1） 两侧供电臂电流均选取平均电流计算；

（2） 两侧供电臂电流均选取短时最大电流计算；

（3） 供电臂电流选取一侧供电臂为平均电流、另一侧供电臂为0计算；

（4） 供电臂电流选取一侧供电臂为短时最大电流、另一侧供电臂为0计算。

通过仿真得出牵引站接入后系统变电站，即公共连接点处的电压不平衡度如表 3所示。

2.2.4 电压偏差

电力机车在高速运行时，需要克服空气阻力、轮轨摩擦阻力和线路坡道阻力等，此时列车负载率高，需要从接触网取得电能，其所需牵引功率增加，造成公共连接点的电压偏差问题。无功电流的引入增大了网络中的传输电流，网络中的电能损失与电流的平方成正比，由此增大了输电网络中的电压损失。

国标规定，35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%，如供电电压上下偏差同号时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据^[14]。

机车为和谐系列电力机车（HXD），取机车功率因数为0.95，可由最大负荷计算出最大无功容量。电压偏差计算结果如表 4所示。

2.2.5 牵引站接入对风电场的影响分析

电气化铁路牵引负荷的特殊性表现在它的快速移动和频繁波动，机车类型、运行状态、线路条件、载质量等一系列因素都会影响到电力机车的电流特性，牵引电流从零到满载或者从满载到零的大范围变化往往发生在几秒钟内，并且贯穿于整个运行过程。电铁牵引负荷利用惯性从一个牵引供电区域进入下一个牵引供电区域时对系统的冲击，体现了牵引负荷的冲击特性。

根据接入系统方案，宝龙山牵引站接入宝龙山变电站，同时华宝风电场、敖日木风电场、代力吉风电场和三合风电场也接入宝龙山变电站。对宝龙山牵引冲击负荷接入后对各风电场的电压水平进行仿真计算，冲击负荷取宝龙山最大有功负荷60 MW，最大无功容量19.72 Mvar，计算各风电场220 kV母线电压如图 8所示。

2.3 牵引站电能质量背景谐波测试评估

根据通让铁路西辽河、宝龙山牵引站接入系统方案，对为牵引站供电的220 kV变电站进行电能质量测试。测试系统变电站为城园站和宝龙山站。

测试仪器为便携式电能质量分析仪FLUKE437与电力士PX5，仪器均在有效期内，测试精度满足国家标准要求。现场测试的周期为24 h，数据采样周期为30 s。采用仪器配置的软件对采集的原始数据进行各项电能质量指标分析，结果表明城园站和宝龙山站的各相电压总畸变率、各次谐波电压含有率、三相电压不平衡度等电能质量指标均满足国标限值要求。

3 结论和建议

本文依托蒙东电科院近期承担的“通让铁路通辽段电气化改造工程西辽河、宝龙山牵引变电所电能质量评估”项目，介绍了1种地区电气化铁路接入系统的电能质量预测评估方法，得出以下结论。

（1） 采用PSASP软件电能质量模块，综合考虑系统运行方式、牵引站接入方式和牵引负荷情况等因素，针对各项电能质量指标特点设置不同工况进行建模，对西辽河、宝龙山牵引变电站接入系统后产生的影响进行仿真计算分析，结果表明谐波电流、谐波电压、注入发电机的负序电流、三相电压不平衡度和电压偏差均满足国标限值要求。

（2） 电能质量背景谐波和负序测试的结果表明城园站和宝龙山站的各相电压总畸变率、各次谐波电压含有率、三相电压不平衡度等测试结果均满足国标限值要求，背景谐波中含有率较高的谐波次数主要为5次和13次谐波。建议工程即将投产前和投产后，分别开展一次较为全面的电能质量谐波测试，进一步确定电气化铁路接入系统后对电网电能质量的影响。

本文介绍的地区电能质量预测评估方法，在地区网架结构的基础上分别进行仿真计算和现场测试，综合评估各项电能质量指标是否符合国标要求，对于新建、改建或扩建的电气化铁路工程接入系统产生的影响评价工作具有一定借鉴和推广意义。