市域鐵路雙邊供電系統的穩態潮流

靳守杰 ，管美玲 ，李鯤鵬

（1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 611756；2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330；3.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

市域鐵路是都市圈內客運軌道交通的組成部分，隨著我國城市化水平不斷提高，大城市空間結構逐漸由單中心向多中心演化，中心城與外圍新城間交通需求也日益增長，市域鐵路成為解決該交通需求的有效途徑.

市域鐵路兼具干線鐵路和城市軌道交通的特征.針對其運輸需求，借助干線鐵路已經發展起來的同相供電技術[1-2]，市域鐵路的單相交流牽引供電可采用雙邊供電，取消分區所處電分相環節，提升牽引供電系統供電能力及供電可靠性.綜合分析單邊和雙邊供電的技術經濟指標[3]，雙邊供電最大的優點是提高牽引網電壓水平，且在穩態情況下，實施雙邊供電能夠滿足電力系統的要求[4].采用雙邊供電技術會增加既有繼電保護對牽引網故障的識別難度，因此，可采用牽引網分段供電與測控技術[5-7]，將供電臂適當分段，運用同步測量技術，更準確、及時地判別故障類型與部位，將故障限制在最小范圍內，最大限度地保證牽引網的可靠性和可用性.可通過建立雙邊供電等值電路，得到均衡電流的計算模型[3]；或在分區所測量兩側牽引網的電壓，利用兩側牽引網均為空載時，兩側牽引母線的電壓差除以折算至牽引側的系統總阻抗預估均衡電流[8].可在變電所饋線串接電抗器或將牽引變壓器制成高漏抗牽引變壓器[2]，或通過適用于交流電氣化鐵路牽引供電的移相器減小均衡電流[9]，也可以通過選擇合適的外部電源構成樹形雙邊供電，達到沒有均衡電流的目的[10].目前，市域鐵路的研究主要集中于牽引電纜貫通供電方案，并對該方案進行了建模和潮流計算[11].本文主要分析市域鐵路在牽引側雙邊供電運行，改變城市電網在配電網側輻射狀的電網結構，雙邊供電可能跨越較多的電壓等級，構成電磁環網結構，需分析雙邊供電系統中“電磁環網”的潮流分布和對電力系統的影響，給出不同外部電源均衡電流的計算模型，并得到其影響及其相應的控制措施.結合工程案例，推導多個牽引變電所雙邊供電時均衡電流的計算模型，對市域鐵路單相交流牽引供電采用雙邊供電時的潮流、均衡電流進行計算，分析雙邊供電的可行性.

1 電磁環網分析

1.1 電磁環網形成的原因

電磁環網是由2 組不同電壓等級的輸電線路通過變壓器T1、T2 磁回路的聯結并列運行而形成的環形電力網[12]，一般形成于相鄰的2 個電壓等級間，典型的電磁環網如圖1 所示，圖中：、ZS分別為環網中的電壓和等值電阻，S為環網中的潮流.

圖1 典型的電磁環網Fig.1 Typical electromagnetic loop network

1.2 雙邊供電系統中“電磁環網”分析

在雙邊供電系統中，牽引變電所間牽引網聯通成為電力系統的并聯支路，類似于電力系統中的電磁環網，然而二者也有顯著的不同，電力系統中存在三相電壓（電流）），但電氣化鐵路雙邊供電僅是某一相連通而不是三相連通，如圖2 所示[13]，T 為接觸線，R 為鋼軌.

圖2 潮流轉移Fig.2 Flow transfer

雙邊供電系統中“電磁環網”存在潮流轉移和穿越功率的問題.

1）潮流轉移：當相鄰兩牽引變電所SS1、SS2間三相輸電線發生故障時，根據選擇性，僅斷開K1及K2，由于雙邊供電分區所（SP）兩側供電臂被聯通，三相輸電線A 相及B 相功率可經牽引網繼續傳導，牽引變電所連接到高壓側的公共連接點PCC,K、PCC,K+1之間的電氣距離大大增加，系統穩定性水平可能下降，其中，K為牽引變電所序號.

2）穿越功率：牽引網作為電力系統的一個支路，會在電力系統中形成許多環網，電力系統中負荷潮流流過時，產生的穿越功率同時會在牽引網上造成分流，即均衡電流.

2 均衡電流分析

2.1 均衡電流影響分析

均衡電流的影響主要體現在：1）電壓損失，均衡電流會在牽引網上產生額外的電壓降.2）電能損失，均衡電流通過牽引網會產生額外電能損失.3）影響牽引變壓器，穿越功率是牽引供電系統實行雙邊供電時額外增加的功率，會額外占用牽引變壓器部分容量；4）對電度計量的影響，若電度表可以反轉，牽引變電所Q1 只多計量均衡電流引起的牽引網損耗；若電度表不能反轉，則從點a、b流入的穿越功率都將被計量表所計量，如圖3 所示[3]，為環網中的電流，k為牽引變壓器統一變比，V、X 對應V 型和X 型接線方式.

圖3 雙邊供電系統電能計量Fig.3 Energy metering in bilateral power supply system

2.2 均衡電流計算

雙邊供電根據外部電源供電方式的差異可分為平行雙邊供電和樹形雙邊供電，有不同的等值電路模型，計算均衡電流時需分開討論.平行雙邊供電的外部電源供電方式包括雙側單回路、雙側雙回路等，即牽引供電系統兩側均有三相電源的供電方式以及非終端情形的單側雙回路供電方式，此時，牽引網作為電力系統的一個支路，會在電力系統中形成許多個環網，產生均衡電流；樹形雙邊供電的外部電源供電方式為包括牽引供電系統作為終端的單側雙回路供電方式、輻射型供電方式或樹形結構供電方式，2 個牽引變電所的電源進線接在變電站同一分段母線的不同分段上，兩牽引變電所一次側進線電壓相等，不會產生均衡電流.

2.2.1 平行雙邊供電均衡電流計算

根據圖4 中三相電力輸電線的電壓差，可以得到

圖4 平行雙邊供電系統等值電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of parallel bilateral power supply system

通過2 臺牽引變壓器原邊和次邊的節點電壓電流關系，可以得到

2.2.2 樹形雙邊供電均衡電流計算

圖5 樹形雙邊供電系統等值電路Fig.5 Equivalent circuit diagram of tree bilateral power supply system

2 臺牽引變壓器原邊和次邊的節點電壓方程為

3 實例分析

以某市域線路為例，其牽引供電系統由110 kV牽引變電所Q1、Q2、Q3、Q4（預留）分段供電.為保證市域鐵路的持續可靠供電，考慮運行時將3 個變比為110 kV/27.5 kV 的牽引變壓器在低壓27.5 kV側合環運行，實現列車運行的不間斷供電.該方案改變了目前城市電網在配電網側輻射狀的電網結構，合環時跨越了較多的電壓等級，構成電磁環網結構，因此需要考慮在正常運行時合環線路的潮流情況，防止合環線路潮流穿越功率太大，超過線路的載流能力.牽引變壓器可以短時（2 h）承受的最大功率為100 MV·A；110 kV 線路采用的是截面積為1 600 mm2的電纜，能承受的最大電流為1 000 A；27.5 kV 剛性接觸網型號為CTA150+HL2213，能承受的最大電流為3 500 A.合環示意如圖6 所示.

圖6 低壓27.5 kV 側合環運行方案Fig.6 Closing ring operation scheme at low voltage 27.5 kV side

對電網的網架結構初步分析，4 個牽引變電所位于3 個500 kV 供電區，3 個500 kV 變電站之間有潮流分布，如圖7 所示.

圖7 電網架構Fig.7 Power grid architecture

圖8 市域線路均衡電流的計算模型Fig.8 Calculation model of equilibrium current for suburban lines

3.1 合環線路均衡電流分析

3.1.1 合環線路均衡電流計算

表1 變電所正常運行時牽引負荷Tab.1 Traction loads at substations

利用疊加原理，得到牽引變電所Q1、Q2、Q3 到合環點的均衡電流分別為

根據電網架構和線路的參數，測得電網正常運行和出現各類故障（110、220 kV 電網側環網故障解環）時各牽引變電所110 kV 高壓側電壓的變化范圍，Q1 高壓側的電壓為110∠-26.052°～110∠-26.881° kV，Q2 高壓側的電壓為110∠-29.409°～110∠-29.513° kV，Q3 高壓側的電壓為110∠-32.897°～110∠-33.236° kV，可計算Q1 與Q2 高壓側的電壓相角差α12變化范圍約為0～4°，Q1 與Q3 高壓側的電壓相角差α13變化范圍約為0～8°，Q2 與Q3 高壓側的電壓相角差α23變化范圍約為0～4° 時合環線路上的均衡電流大小，如圖9 所示.

圖9 牽引變電所Q1、Q2、Q3 到合環點的均衡電流計算值Fig.9 Calculation values of equilibrium currents from traction substation Q1,Q2,Q3 to loop closing point

由圖9 可知：3 個牽引變電所的電壓相角差為0 時，均衡電流也為0；牽引變電所到合環點的均衡電流隨著該牽引變電所與其余牽引變電所的電壓相角差增大而增大；3 個牽引變電所的穿越功率最大值為1.500、1.375、1.125 MV·A，穿越功率占牽引變壓器容量比最大為3%.

3.1.2 合環線路均衡電流仿真

在MATLAB/simulink 軟件中建立合環線路均衡電流的仿真模型，如圖10 所示，并進行仿真計算，得到牽引變電所Q1、Q2、Q3 到合環點的均衡電流仿真值如圖11 所示.

圖10 合環線路均衡電流的計算模型Fig.10 Calculation model of equilibrium currents in closed-loop lines

圖11 牽引變電所Q1、Q2、Q3 到合環點的均衡電流仿真值Fig.11 Simulation values of equilibrium currents from traction substation Q1、Q2、Q3 to loop closing point

使用合環線路均衡電流的仿真結果驗證均衡電流計算模型的正確性，得出均衡電流的最大值為60.264 A，占比為2.322%.

3.2 合環線路潮流仿真

使用MATLAB/simulink 軟件搭建牽引變電所Q1、Q2、Q3、Q4 在27.5 kV 側合環運行的市域鐵路牽引供電系統模型，如圖12 所示，仿真模型中E、F、G、H、I、J、K 為系統側電力變壓器，L1～L10 為系統側輸電線路阻抗，仿真考慮市域鐵路供電在夜間停運和高峰時段運行2 種工況.

圖12 市域鐵路牽引供電系統仿真模型Fig.12 Simulation model of traction power supply system for suburban railways

夜間解環、夜間合環、高峰時段合環、牽引供電所解列時電網的潮流分布，如圖13 所示，牽引變壓器承受的最大功率為70.36 MV·A，電壓波動最大為0.702 5%，在牽引變壓器承受范圍內；110 kV 線路承受的最大電流為833.418 A，27.5 kV 接觸網承受的最大電流為2595.789 A，均未超過線路載流能力.

圖13 合環線路潮流仿真（MV·A）Fig.13 Power flow simulation for loop closing line (MV·A)

4 結論

市域鐵路單相交流牽引供電系統采用雙邊供電方式時，可能存在電磁環網和均衡電流的問題.

1）電磁環網：雙邊供電系統中“電磁環網”主要存在潮流轉移和穿越功率的問題，潮流轉移可能會影響系統穩定性，穿越功率會在牽引網上造成均衡電流.

2）均衡電流：雙邊供電系統的均衡電流與外部電源供電方式有關，若施行雙邊供電的兩牽引變電所進線處存在電壓差，則會導致在牽引網上產生分流，即均衡電流.外部電源呈樹形結構時，牽引變電所的電源進線來自一個電力變電站同一分段母線的不同分段，電壓差為0，因此樹形雙邊供電不產生均衡電流.國家標準中并沒有明確給出均衡電流的取值范圍，只能通過減小電力系統變電所間等值阻抗或增大牽引供電系統阻抗達到減小均衡電流的目的.

3）以某市域線路為例進行仿真計算可以發現，雙邊供電系統中“電磁環網”對電網的潮流分布的影響均在牽引變壓器、線路的承受范圍內，即雙邊供電在穩態情況下不會對電網的安全運行造成影響；合環線路中均衡電流占比為2.322%，側面反映均衡電流對系統影響較小.但這些結論只針對目前分析的市域線路，其余的市域線路如果要采用雙邊供電還需根據實際情況分析.

致謝：廣州地鐵設計研究院股份有限公司科技項目（R110421H01090）.