一种多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法与流程

1.本发明涉及电网规划与电能质量评估技术领域，特别涉及一种多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法。


背景技术：

2.时值建设新型电力系统和推进双碳达峰中和之际，交通工具电能替代、电能升级正快速发展。电气化铁路规划落地、扩容增能首当其冲。随着多条铁路线的同时投建和一条铁路线多座牵引变电站同时投建，其引起的电能质量问题，尤其是负序和谐波分量影响日益凸显。如何在项目接入电网设计阶段，引导铁路用户做好预防措施、正确选型设备至关重要，所以现在迫切需要一种基于座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法，以改善设计人员在电网设计阶段，设备选型困难等技术问题。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种多座牵引变电站变共同影响下的负序分量评估方法，包括以下步骤：s100、收集各铁路线牵引变电站的供电指标，包括近、远期的主变型式、主变容量、电压比、供电臂相序、供电臂有效电流、供电臂95%概率最大电流、供电臂紧密运行电流、供电臂功率因数。此外，还有各牵引变电站相序图及其接入系统方案；s200、以牵引变电站所在变电站为核算单元，根据待评估牵引变电站的接入电压等级，在核算单元内结合各牵引变电站供电臂相序制定“同相叠加”的组合方式；s300、以核算单元内牵引变电站的供电指标为基础，结合实际运行中可能出现的正常、偏重、严重三种供电臂不平衡运行工况，制定各牵引变电站供电臂的四种行车运行方式；s400、根据s300中三种供电臂不平衡运行工况对应的经济输送容量和极限输送容量来选择供电线路导线截面；s500、制定整个区域电网及核算单元的电源开机方式、常规负荷水平、牵引变电站接入运行方式的组合；s600、利用上述步骤成果，在etap软件中搭建整个区域电网模型，并根据不同牵引变电站的主变型式建立其高压侧不平衡功率模型，以形成负序背景。
5.s700、基于所形成的负序背景计算评估多座牵引变电站的负序分量。
6.作为进一步的改进，所述步骤s200中核算单元的定义与“同相叠加”的组合方法：s201、核算单元的定义：以待评估铁路线的牵引变电站及前后相邻的两座牵引变电站所在的500kv变电站或220kv变电站供区作为核算单元。核算单元内的牵引变电站均参与多座牵引变电站共同影响下的负序分量计算，考核单元内发电站机组的负序电流和变电
站母线的负序电压。
7.s202、“同相叠加”的组合方法：同相叠加，一方面将增大单一相功率值，一方面可以增加三相的不平衡度。对于待研究牵引变电站，分别与核算单元内其他牵引变电站的同相供电臂进行组合计算，以此涵盖可能出现的各种负序分量叠加工况。
8.s203、多条铁路线组合方法：1）在同一核算单元内，若存在其他铁路线的牵引变电站，需分电压等级考虑。通常情况下，主要考虑高电压等级牵引变电站对低电压等级牵引变电站的影响校核；2）校核方式仍以同相叠加进行计算，主要考虑对待研究牵引变电站与非同线牵引变电站进行同相叠加计算。
9.s204、核算单元内的多种组合方法具体表达如下：核算单元内，待研究对象甲牵引变电站与相邻及周边牵引变电站共有3种组合模式。式中，， ，表示甲牵引变电站与两两相邻牵引变电站组合换算至高压侧的三相不平衡电流（式中convert表示根据不同类型牵引变电站压器进行电流转换）；，，，，，，，表示各牵引变电站供电臂电流。
10.作为进一步的改进，所述步骤s300中制定各牵引变电站供电臂的四种行车运行方式的定义及组合方法：s301、为全面分析不平衡电流对电网造成的影响，对四种行车运行方式的定义为：（1）、将供电臂中流经有效电流的方式定义为平常运行方式；（2）、将供电臂中流经95%概率最大电流的方式定义为重载运行方式；（3）、将供电臂中流经瞬时最大电流的方式定义为紧密运行方式；（4）、将供电臂中流经40%有效电流的方式定义为轻载运行方式。
11.s302、各相邻牵引变电站供电臂工况组合方式：根据待研究牵引变电站各供电臂与相邻同相供电臂按机车行驶过程工况及对不平衡度严重程度的涵盖，将其分为三种不平衡运行工况：第一种不平衡运行工况：两臂均平常（正常），即两个供电臂流经的电流均为有效电流；第二种不平衡运行工况：一臂平常一臂重载（偏重），即其中一个供电臂流经的电流为有效电流，另一个供电臂流经的电流是供电臂95%概率最大电流；第三种不平衡运行工况：一臂紧密一臂轻载（严重），即其中一个供电臂流经的电流为瞬时最大电流，另一个供电臂流经的电流为40%的有效电流。
12.s303、其他牵引变电站运行组合运行方式：为建立整个区域电网负序背景，同时考虑机车运行的传递性以及计算结果的经济性（跨核算单元彼此影响有限），除核算单元内的待研究牵引变电站供电臂按上述组合方式逐一校核外，其他牵引变电站均按两臂平常组合
方式考虑，并在整条研究铁路线牵引变电站中逐一执行，遵循集中靠拢考核500kv或220kv变电站的原则。
13.作为进一步的改进，所述步骤s400中导线截面的确定方法：s401、牵引变电站高压侧三相电流分布不均，需根据不同供电臂电流计算出高压侧各相不平衡电流；采用损耗等效法来计算等效电流作为经济电流密度考核值来选择导线截面，选择各相中最大值作为极限输送容量考核值来校验导线截面。
14.s402、将两臂均平常（正常）不平衡运行工况电流作为经济电流密度考核方式，选择供电线路导线截面；将一臂平常一臂重载（偏重）、一臂紧密一臂轻载（严重）不平衡运行工况中计算出电流较大值，作为校验导线截面考核值。
15.s403、经济电流密度选择等效电流值和极限电流校核最大电流值的具体计算方法如下：如下：式中，,表示供电臂有效电流；,,分别表示两臂均平常（正常）不平衡运行工况电流时转换至高压侧的三相电流；表示用于经济电流密度进行截面选择的等效电流。进行截面选择的等效电流。
16.式中，,,分别表示供电臂载电流、重载电流和紧密电流；,,分别表示两臂平重（偏重）和紧轻（严重）不平衡运行工况电流时转换至高压侧的极限三相电流；表示用于极限输送容量进行截面校核的最大不平衡电流值。
17.作为进一步的改进，所述步骤s500中制定电网运行方式的具体实现方式为：s501、电源开机方式：1）整个区域电网开机方式。选择全年电源最小需求时段，即全年短路水平典型最小运行方式，此时负序容量与短路容量比值较大，负序分量影响明显；2）核算单元内开机方式。在整个区域电网开机基础上，针对核算单元内电气距离最近的电厂（站）按照开不同台数机组进行计算，以指导最小开机数量。
18.式中，表示开机系数，表示牵引变电站负序容量，表示接入点各方式下的短路容量。
19.s502、常规负荷水平：对应电源开机方式，选择全年典型小负荷水平方式，一般选择丰季小方式（火电为主的系统）或枯季小方式（水电为主的系统）。
20.s503、牵引变电站运行方式的组合：根据可靠性要求，牵引变电站拥有两回供电线路。以待研究牵引变电站为中心，对核算单元内的各牵引变电站按照不同供电线路的组合方式进行逐一核算。
21.作为进一步的改进，所述步骤s600中基于etap建立其高压侧不平衡功率模型的具体方式：s601、在etap中，不平衡负荷可用单相、两相的方式进行表达。针对不同主变型式提出不同表达模型：单相变压器采用单一的单相负荷模型，v/v、v/x变压器采用两相负荷模型，y/d和平衡变压器采用三个单相负荷模型。
22.s602、按照上述方法对各个不同的牵引变电站进行建模，通过模型计算，形成由不平衡负荷构成的负序背景。
23.作为进一步的改进，所述步骤s700中根据供电臂四种行车运行方式制定不同运行方式的考核标准，具体方式：s701、供电臂四种行车运行方式代表着铁路线机车行走密度及其发生的概率。因此，需要区别对待，进行对应考核。
24.s702、各运行方式对应考核标准为：1）“平平”与“一平一重”发生频率较高，持续时间较长，因此该工况按照2%电压不平衡度进行考核；2）“一紧一轻”发生频率较低，持续时间很短（若干分钟），因此该工况按照4%电压不平衡度进行考核。
25.式中，表示负序电压（式中caculate表示通过各类型牵引变电站计算出平平、平重、紧轻工况下的负序电压），表示系统额定电压，表示系统负序电阻。
26.本发明首先收集各铁路线牵引变电站的供电指标和相序图以及接入系统方案；然后根据待评估牵引变电站接入电压等级，以其所在500kv变电站或是220kv变电站为单元（定义为核算单元），在核算单元内结合各牵引变电站供电臂相序制定“同相加重、异相减轻”的组合方式（突出不平衡电流影响程度）；其次以核算单元内牵引变电站的供电指标为基础，制定各牵引变电站供电臂的四种行车运行方式；接着针对四种行车方式的供电臂电流进行接入电网导线截面的选择；再次，制定整个区域电网及核算单元的电源开机方式、常规负荷水平、牵引变电站接入运行方式；接下来将上述步骤成果以etap软件为依托，搭建整个区域电网模型并建立负序背景；最后进行仿真计算，并制定考核方式分析结果，给出防范（主备供运行方式）建议与（主变与接入导线）设备选型建议。
27.本发明的有益效果：1、与现有方法相比，本发明创建了一整套评估与操作体系，更加完整与全面地评价了多条铁路线、多座牵引变电站共同作用下产生的负序分量对电力系统的影响，将以往方法局限在一个点的效果扩充到了整个系统面；2、本方法不仅可以有效指导铁路牵引变电站供电方案规划和接入系统的电能质量评估，还可以更好的指导铁路牵引变电站设备选型和安排电网运行方式，避免因负序分量造成对电力系统的损害。
附图说明
28.图1是多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法的流程图；图2是本发明核算单元定义示意图；图3是本发明同相叠加组合方法示意图；图4是核算单元的示意图；图5是同相叠加组合方法的示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
30.参见图1，图1为本发明第一种多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法的步骤流程图，牵引变电站简称为牵引变，负序分量评估方法具体包括以下步骤：s100、收集各铁路线牵引变电站的供电指标，包括近、远期的主变型式、主变容量、电压比、供电臂相序、供电臂有效电流、供电臂95%概率最大电流、供电臂紧密运行电流、供电臂功率因数。此外，还有各牵引变电站相序图及其接入系统方案；s200、根据待评估牵引变电站接入电压等级，以其所在500kv变电站或是220kv变电站为单元（定义为核算单元），在核算单元内结合各牵引变电站供电臂相序制定“同相叠加”的组合方式；s300、以核算单元内牵引变电站的供电指标为基础，结合实际运行中可能出现的正常、偏重、严重三种供电臂不平衡运行工况，制定各牵引变电站供电臂的四种行车运行方式；s400、根据s300中供电臂三种不平衡运行工况对应的经济输送容量和极限输送容量来选择供电线路导线截面；s500、制定整个区域电网及核算单元的电源开机方式、常规负荷水平、牵引变电站接入运行方式的组合；s600、利用上述步骤成果，在etap软件中搭建整个区域电网模型，并根据不同牵引变电站的主变型式建立其高压侧不平衡功率模型，以形成负序背景，负序背景是指电网中众多负序源（即三相不平衡负荷或电网参数不平衡造成）发射负序分量（即负序电流、负序电压）作用到电网中每一个节点（变电站），在节点电压上体现出来的不平衡度。这样就形成了一个负序环境，这个负序环境为负序背景。
31.s700、按上述方式，进行多座牵引变电站共同影响下的负序分量仿真计算，并根据供电臂四种行车运行方式制定对应考核方式。根据整个区域电网多工况负序潮流计算结
果，结合超标情况提出相关建议，负序潮流是指负序电流和电压的分布情况。
32.本实施例中，首先收集各铁路线牵引变电站的供电指标和相序图以及接入系统方案；然后根据待评估牵引变电站接入电压等级，以其所在500kv变电站或是220kv变电站为单元（定义为核算单元），在核算单元内结合各牵引变电站供电臂相序制定“同相加重、异相减轻”的组合方式，突出不平衡电流影响程度；其次以核算单元内牵引变电站的供电指标为基础，制定各牵引变电站供电臂的四种行车运行方式；接着针对三种行车方式的供电臂电流进行接入电网导线截面的选择；再次，制定整个区域电网及核算单元的电源开机方式、常规负荷水平、牵引变电站接入运行方式；接下来将上述步骤成果以etap软件为依托，搭建整个区域电网模型并建立负序背景；最后进行仿真计算，并制定考核方式分析结果，给出防范（主备供运行方式）建议与（主变与接入导线）设备选型建议。
33.在进一步的优选实施例中，本发明提供的一种多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法，包括以下步骤：s100、收集各铁路线牵引变电站的供电指标，包括近、远期的主变型式、主变容量、电压比、供电臂相序、供电臂有效电流、供电臂95%概率最大电流、供电臂紧密运行电流、供电臂功率因数。此外，还有各牵引变电站相序图及其接入系统方案。
34.本实施例中，采用某条铁路三座相邻牵引变电站作为本次实例分析原始材料，如表1所示：该牵引变电站为220kv电压等级供电，采用v/x主变型式，各相序用轮换方式布置，功率因数达到0.95，平平负荷约为60mw，平重负荷约为75mw,紧轻负荷约为65mw。
35.s200、根据待评估牵引变电站接入电压等级，以其所在500kv变电站或是220kv变电站为单元（定义为核算单元），在核算单元内结合各牵引变电站供电臂相序制定“同相叠加”的组合方式：所述s200具体包含如下步骤：s201、核算单元的定义：以待评估铁路线的牵引变电站及前后相邻的两座牵引变电站所在的500kv变电站或220kv变电站供区作为核算单元。核算单元内的牵引变电站均参与多座牵引变电站共同影响下的负序分量计算，考核单元内发电站机组的负序电流和变电站母线的负序电压。
36.本实施例中，以第i牵为中心，涉及到第i-1牵和第i 1牵所在的甲、乙、丙三座500kv变电站作为一个核算单元，对核算单元内的各类型机组负序电流和关键变电站母线负序电压进行考核。如图2所示。
37.s202、“同相叠加”的组合方法：同相叠加，一方面将增大单一相功率值，一方面可以增加三相的不平衡度。对于待研究牵引变电站，分别与核算单元内其他牵引变电站的同相供电臂进行组合计算，以此涵盖可能出现的各种负序分量叠加工况。
38.s203、多条铁路线组合方法：1）在同一核算单元内，若存在其他铁路线的牵引变电站，需分电压等级考虑。通常情况下，主要考虑高电压等级牵引变电站对低电压等级牵引变电站的影响校核；2）校核方式仍以同相叠加进行计算，主要考虑对待研究牵引变电站与非同线牵引变电站进行同相叠加计算。
39.本实例中，以第i牵为中心，考虑三种同相叠加组合：1）对第i牵的ab相牵引臂与同线第i-1牵的ab相牵引臂进行同相叠加组合计算；2）对第i牵的ca相牵引臂与同线第i 1牵的ca相牵引臂进行同相叠加组合计算；3）对第i牵的ca相牵引臂与非同线第j牵的ca相牵引
臂进行同相叠加组合计算。如图3所示。
40.s300、以核算单元内牵引变电站的供电指标为基础，结合实际运行中可能出现的正常、偏重、严重三种供电臂不平衡运行工况，制定各牵引变电站供电臂的四种行车运行方式：所述s300具体包含如下步骤：s301、为全面分析不平衡电流对电网造成的影响，对四种行车运行方式的定义为：（1）、将供电臂中流经有效电流的方式定义为平常运行方式；（2）、将供电臂中流经95%概率最大电流的方式定义为重载运行方式；（3）、将供电臂中流经瞬时最大电流的方式定义为紧密运行方式；（4）、将供电臂中流经40%有效电流的方式定义为轻载运行方式。
41.其中，有效电流为供电臂中各区间运行列车在计算时间内（一昼夜）瞬时电流之和的均方根值；所述95%概率最大电流指供电臂中对应于非平行运行图区间通过能力95%列车数概率积分最大值计算出来的电流值；按用电运行列车数概率积分曲线的95%概率积分对应的最大列车数与每列列车平均电流计算。
42.所述瞬时最大电流指供电臂中各区间有一个列车处于启动状态，其他列车按带电平均电流计算出来的电流值。
43.s302、各相邻牵引变电站供电臂工况组合方式：根据待研究牵引变电站各供电臂与相邻同相供电臂按机车行驶过程工况及对不平衡度严重程度的涵盖，将其分为三种不平衡运行工况：第一种不平衡运行工况：两臂均平常（正常），即两个供电臂流经的电流均为有效电流；第二种不平衡运行工况：一臂平常一臂重载（偏重），即其中一个供电臂流经的电流为有效电流，另一个供电臂流经的电流是供电臂95%概率最大电流；第三种不平衡运行工况：一臂紧密一臂轻载（严重），即其中一个供电臂流经的电流为瞬时最大电流，另一个供电臂流经的电流为40%的有效电流。
44.s303、其他牵引变电站运行组合运行方式：为建立整个区域电网负序背景，同时考虑机车运行的传递性以及计算结果的经济性（跨核算单元彼此影响有限），除核算单元内的待研究牵引变电站供电臂按上述组合方式逐一校核外，其他牵引变电站均按两臂平常组合方式考虑，并在整条研究铁路线牵引变电站中逐一执行。
45.本实例中，以第i牵为中心，设置了以下三个组合：1）第i-1牵（-bc臂平，ab平） 第i牵（ab臂平，-ca臂平）；第i-1牵（-bc臂平，ab重） 第i牵（ab臂重，-ca臂平）；第i-1牵（-bc臂轻，ab紧） 第i牵（ab臂紧，-ca臂轻）；2）第i 1牵（bc臂平，-ca平） 第i牵（ab臂平，-ca臂平）；第i 1牵（bc臂平，-ca重） 第i牵（bc臂平，-ca臂重）；第i 1牵（bc臂轻，-ca紧） 第i牵（ab臂轻，-ca臂紧）；3）非同线第j牵（bc臂平，-ca平） 第i牵（ab臂平，-ca臂平）；非同线第j牵（bc臂平，-ca重） 第i牵（bc臂平，-ca臂重）；非同线第j牵（bc臂轻，-ca紧） 第i牵（ab臂轻，-ca臂紧）。如表1所示：表1
ꢀ
s400、根据正常、平重、紧轻三种不平衡运行工况对应的经济输送容量和极限输送容量来选择供电线路导线截面：所述s400具体包含如下步骤：s401、牵引变电站高压侧三相电流分布不均，需根据不同供电臂电流计算出高压侧各相不平衡电流；采用损耗等效法来计算等效电流作为经济电流密度考核值来选择导线截面，选择各相中最大值作为极限输送容量考核值来校验导线截面。
46.本实例中，按照前述公式计算，第i-1牵的等效电流为177a，第i牵的等效电流为179a，第i 1牵的等效电流为169a，对应经济电流密度需求选择的典型导线截面为400mm2。如表2所示：表2s402、将两臂均平常（正常）不平衡运行工况电流作为经济电流密度考核方式，选择供电线路导线截面；将一臂平常一臂重载（偏重）、一臂紧密一臂轻载（严重）不平衡运行工况中计算出电流较大值，作为校验导线截面考核值。
47.本实例中，第i-1牵的最大相电流为364a，第i牵的最大相电流为370a，第i 1牵的最大相电流为358a，对应极限输送容量需求选择的典型最小导线截面为400mm2。如表3所示：表3综合以上两点，本次研究的三个牵引变电站接入线路均需选择截面为400mm2的架空导线或是具有同等输送容量的电缆。
48.s500、制定整个区域电网及核算单元的电源开机方式、常规负荷水平、牵引变电站接入运行方式：所述s500具体包含如下步骤：s501、电源开机方式：1）整个区域电网开机方式。选择全年电源最小需求时段，即全年短路水平典型最小运行方式，此时负序容量与短路容量比值较大，负序分量影响明显；2）核算单元内开机方式。在整个区域电网开机基础上，针对核算单元内电气距离最近的电厂（站）按照开不同台数机组进行计算，以指导最小开机数量。
49.本实例中，本系统以火电为主，同时经对四季小方式开机系数计算可知，春季小方式开机系数最小，故选择春季小方式作为本次核算运行方式。如表4所示：表4
以第i牵为中心的核算区间内有7座电源厂、站，为核算对各机组的影响，各火电厂仅安排1台开机，其他机组按强迫出力考虑。
50.s502、常规负荷水平：对应电源开机方式，选择全年典型小负荷水平方式，一般选择丰季小方式（火电为主的系统）或枯季小方式（水电为主的系统）。
51.s503、牵引变电站运行方式的组合：根据可靠性要求，牵引变电站拥有两回供电线路。以待研究牵引变电站为中心，对核算单元内各牵引变电站按照不同供电线路的组合方式进行逐一核算，遵循集中靠拢考核500kv或220kv变电站的原则。
52.本实例中，以甲乙丙三座500kv变电站为基础，对三座牵引变电站进行组合，共有6种主备供线路组合运行方式，每种组合方式中，各牵引变电站均安排为尽量考虑该考核供区的线路供带。后续将对这6种方式进行核算，观察牵引变电站对核算单元内的机组和母线影响。如表5所示：表5s600、利用上述步骤成果，在etap软件中搭建整个区域电网模型，并根据不同牵引变电站的主变型式建立其高压侧不平衡功率模型，以形成负序背景。
53.所述s600具体包含如下步骤：s601、在etap中，不平衡负荷可用单相、两相的方式进行表达。针对不同主变型式提出不同表达模型：单相变压器采用单一的单相负荷模型，v/v、v/x变压器采用两相负荷模型，y/d和平衡变压器采用三个单相负荷模型。
54.s602、按照上述方法对各个不同的牵引变电站进行建模，通过模型计算，形成由不平衡负荷构成的负序背景。
55.本实例中，三座牵引变电站主变均采用v/x接线型式，应用牵引变电站换算公式计算可得高压侧各工况下的视在功率（p jq），将其输入etap软件中两相负荷模型；同时，为了校验采用平衡变主变型式的效果，同样也换算了其高压侧各工况下的视在功率，将其输入etap软件中三相负荷模型。
56.s700、按上述方式，进行多座牵引变电站共同影响下的负序分量仿真计算，并根据供电臂四种行车运行方式制定对应考核方式。
57.所述s700具体包含如下步骤：s701、供电臂四种行车运行方式代表着铁路线机车行走密度及其发生的概率。因此，需要区别对待，进行对应考核。
58.s702、各运行方式对应考核标准为：1）“平平”与“一平一重”发生频率较高，持续时间较长，因此该工况按照2%电压不平衡度进行考核；2）“一紧一轻”发生频率较低，持续时间
很短（若干分钟），因此该工况按照4%电压不平衡度进行考核。
59.以上对本发明所提供的一种多座牵引变电站共同影响下的负序分量评估方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明用于帮助理解本发明的核心思想和操作方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
60.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。