更新时间：作者：佚名
大家好，感谢邀请，今天来为大家分享一下国能新硕铁路公司研究人员提出牵引供电系统供电能力评估新方法的问题，以及和的一些困惑，大家要是还不太明白的话，也没有关系，因为接下来将为大家分享，希望可以帮助到大家，解决大家的问题，下面就开始吧！
结果显示，上午2:00至2:30期间，对应供电板块评价得分低于70分。以此为依据追踪异常源头，调整相应时段的驱动机构并协助现场维护，从而提高系统运行可靠性和维护效率。
随着高速、重载铁路的不断发展，牵引供电系统的正常运行直接影响工业经济的发展和民生。近年来，国内已有不少关于牵引供电系统供电能力不足案例的文献报道。主要表现为牵引变压器超载、接触网载流能力不足、电压过低等。只有掌握铁路网各子系统的供电能力信息，才能在此基础上进行设计、维护和改造，实现电气化铁路的安全高效运行。
电力系统配电网领域对供电能力给出了明确的定义：在一定的供电区域内，满足一定的安全原则，能够供电的最大负荷考虑到网络的实际运行情况。在此基础上，电力系统领域的供电能力评估方法主要集中于系统潮流计算分析，包括容量负荷比法、考虑运行约束的供电能力评估、N-1安全约束下的最大供电能力分析等。作为特殊的放射状配电网，学者们还利用潮流仿真技术来评估牵引供电系统的供电能力。
然而，对于具体的牵引供电系统，其系统侧短路容量和牵引侧牵引网参数往往难以直接获取，从而难以通过潮流计算准确、实时地获取其供电能力。因此，基于现有监测系统和实时数据开展供电能力评估研究显得尤为重要。尽管有学者对评价体系的构建进行了研究，但只关注于一方面。例如，文献忽略了电气化铁路富含谐波的特性，文献忽略了牵引变压器在运行过程中的寿命损失。为了避免评价体系指标缺失，可以采用负面清单管理制度。
负面清单管理模式于1994年首次应用于金融投资领域，明确告知外资企业不能投资的领域和行业，从而提高投资引进效率，在开放市场的同时保护部分敏感企业。随后，这种管理模式逐渐被应用到其他领域，从问题出发，明确要分析的领域清单。
供电能力评价的主要目的是：在给定的交通需求下，牵引变压器能够在其过载能力允许的范围内实现供电； 在给定的驱动机构下，接触网能够在列车可用功率的质量范围内实现动力传输。
1、供电能力评估框架
1.1 影响牵引供电能力评估的主要因素
牵引变压器的负载容量和接触网供电质量是影响牵引供电系统供电能力的重要因素。如果牵引变压器负载容量不足或接触网供电质量差，将直接影响电力机车的供电质量。如果出现电压超限、谐波谐振、电流过载等严重问题，可能会导致机车低头或停车，影响行车秩序。图1所示为影响牵引供电能力评估的主要因素。
图1 影响牵引供电能力评估的主要因素
1.2 牵引变压器负载能力
对变压器负载容量的研究大多从容量利用率或负载系数开始。但牵引负荷特有的随机波动性和强烈冲击性，使得牵引变压器短期负荷大、平均负荷低。实际情况与仅用变压器容量利用率或负载系数来评价牵引变压器的负载容量的实际情况存在差距。此外，大量交流机车广泛投入使用，其内部电力电子变流装置容易产生大量谐波电流。谐波电流的注入会加剧变压器绕组的集肤效应，引起局部过热、振动、绕组附加发热等问题，降低牵引变压器的容量利用率。
1）绕组热点温度
绕组热点温度可通过直接测量或间接测量获得。若采用直接测量法，采集的数据可直接输入供电能力评估模型；如果采用间接测量方法，则通过温度传感器获取环境温度，间接计算绕组热点温度，最后将温度结果作为综合评价的因素。
2）变压器降额率
变压器的总损耗分为空载损耗和负载损耗。空载损耗受谐波电流影响不大，负载损耗可由式（1）计算。
式(1)
式中：PLL为负载损耗；为铜损； PEC为绕组涡流损耗； POSL是杂散损耗。
式(2)
式（2）中：SN和Urms-N分别为牵引变压器的额定容量和额定电压； S和Urms分别为谐波条件下变压器的运行容量和有效电压值；它们是最大允许电流的单位值。
1.3 接触网供电质量
由于牵引负载的随机波动和高速流动性，以及交、直流机车的高频特性，接触网电压常常发生畸变，甚至引起谐波谐振，引起避雷器和继电保护装置动作，导致电力机车失电，影响行车秩序。另外，在高密度行车过程中，接触网电压可能会因过载而超过下限，导致电力机车因牵引抱闸而停车。
因此，接触网电压违规程度可以作为衡量接触网供电质量的重要指标。图2所示为动车组的功率性能曲线。当接触网电压过低或过高时，列车的动力性能水平会迅速下降。另外，接触网的载流量直接影响线路的最大传输功率，其最大传输功率由各导体的载流量和导体之间的电流分布决定，而与接触网导体之间的阻抗分布密切相关。
由于电力机车通过受电弓与接触线之间的滑动接触汲取电力，两者不可避免地产生磨损，影响接触线的截面形状，从而影响载流能力，从而直接影响接触网供电的质量。等效阻抗作为反映磨损情况的间接指标，可作为综合评价供电能力的关键指标。
图2 某动车组功率性能曲线
2 供电能力评价体系构建
2.1 评价体系方法分析
负面清单管理模式是指限定指标范围后，指标初始评分为100分。如果指标超过限制，将被扣分，最高扣分为100分。牵引供电系统实际运行过程中，由于重载铁路牵引负荷较大，头端电压设置较高，正常运行时接触网电压可能高于其他线路；高铁客运需求较大，高峰期列车运行间隔较小，接触网电压容易超限。这时，负面清单管理模式可以有效量化接触网超限程度，减少不同类型铁路评估方法的差异。
图3 牵引供电系统供电能力综合评估模型架构
1）绕组热点温度
从前面的分析可以看出，绕组热点温度会受到环境温度、负荷系数、谐波等因素的影响。牵引变压器典型的日负荷曲线如图4所示，负荷周期约为6.0小时。牵引变压器正常运行的要求是：绕组最热点温度不超过140。根据线路类型的不同，负载系数K1的范围为0.50.8，表示变压器绕组的实际负载与额定负载的比值。
图4 典型牵引变压器日负荷曲线
根据图4所示的典型牵引负荷曲线，牵引变压器的过载能力可以满足电气化铁路短期过载需要。结合GB 1094.7-2008的微分方程方法和典型负载曲线的最小负载系数0.5，可以计算出牵引变压器正常运行时的绕组热点温度为68。因此，牵引变压器绕组热点温度的扣分范围可设定为68140之间线性扣分范围，最高扣分100分，具体如下
式(3)
式(3)中：s为扣除后的分数值，取值范围为[0, 100]； T为绕组热点温度（）。
至此，通过实时监测即可完成对变压器绕组的评估。具体可选方法如下：
(1)如果分布式光纤温度传感器放置在变压器内部，可以用测量值对理论计算值进行修正和评分。
(2)通过传感器测量变压器顶部油温，将环境温度和顶部油温代入算法进行计算。
(3) 如果仅测量环境温度，则可以估计绕组热点温度并进行相应评分。
综上所述，基于实时监测的变压器绕组热点温度评分有助于提高评估结果的准确性和可靠性。
2）变压器降额率
综合以上分析，用变压器降额率来描述谐波电流对牵引变压器造成的损害是可行的。变压器降额率为百分比，对应基于负面清单管理模式的100分扣分标准。谐波电流影响的扣除标准可由式（4）得出。
式(4)
通过对时间窗内电流总谐波失真（THD）95%概率为较大值时刻的谐波电流进行离散傅里叶变换（DFT），可以得到各评估时间窗的降额率。
3）基波电压超限程度
基波电压超限程度可以通过基波电压超限幅值和基波电压超限持续时间来描述。结合国家标准规定的接触网电压允许限值和各限值之间的允许时间，采用阶梯扣除法给出扣除标准。电压超限扣除标准见表1。
表1 电压超限扣除标准
4）电压总谐波畸变率
电压的谐波程度可以用电压总谐波畸变率来表征，其计算公式为：
式(5)
式(5)中：THDu为电压总谐波畸变率； Uh为h次谐波电压的均方根值（kV）； U1 是基波电压（kV）的均方根值。
根据现行谐波国家标准规定的THD限值，文献根据电气化铁路的运行特点和大量实测数据给出了扣除标准：
式(6)
式(6)中，THD为总谐波失真率。
2.2 指标权重的确定
由于评价指标各子层相对于目标层的权重不同，因此需要计算各子层相对于目标层的权重，以合理评价系统供电能力。对于评价模型的各个因素，采用层次分析法通过两两比较确定本层的判断矩阵。基于层次分析法的模型最终权重分配结果如表2所示。
表2 基于层次分析法的模型权重分配结果
2.3 供电能力评估步骤
供电能力评价的结构如图5所示，主要包括数据采集、参数计算、模型驱动、评分评价四个部分。
图5 供电能力评估结构
供电能力评估主要基于一定时间内系统运行情况。时间窗口不宜过短，需要结合变压器最小时间常数、电压越限持续时间等限制以及现场需求设置来设定。供电能力评估流程如下：
1）根据实际牵引变电站采集的馈线电流，计算各供电臂的负载系数，结合环境温度，采用微分方程法计算绕组热点温度的理论值，选取的时间段应小于变压器最小时间常数的一半。然后根据热点温度扣除标准对每个时间段进行评分。
2）根据实时采集的供电臂首端负载电流和电压，分析谐波含量，计算变压器降额率，然后根据相应的扣除标准进行评分。
3) 对供电臂首端电压进行DFT分析，根据扣除标准对评价时间窗口内的基波电压幅值和电压有效值进行分段，得到电压超限幅值对应的持续时间，并根据电压超限程度的扣除标准进行评分。由于电压在一定范围内的持续时间可能会超过5分钟，因此只有当评估时间尺度大于5分钟时才能使用过电压限值计算模块。
4）计算头尾电压差，按照头尾电压差扣除标准进行评分。
5）根据确定的权重系数对各指标进行加权，对供电能力进行综合评分，并给出相应的结果。
3 案例验证分析
为了验证模型的合理性和可靠性，利用神硕铁路保德分区站-桥头牵引变电所-王家寨分区段实测数据进行分析。桥头牵引变电所牵引变压器额定容量为（40+40）MVA，接线方式为V/v接线，牵引侧额定电流为1 454.55A/1 454.55A，冷却方式为自然风冷。变压器的热特性参数如表3所示。
桥头牵引变电站供电臂末端为王家寨变电站，供电臂末端为保德变电站。结合本案例的测试背景、变压器参数和评估要求，将供电能力评估时间窗口设置为2小时，并采用某日凌晨1:00至3:00的实测数据进行分析。
3.1 绕组热点温度指标评价
绕组热点温度指标分为理论计算值和变压器降额率。下面给出具体的计算案例。
表3 变压器热特性参数
1）热点温度理论计算值
由于时间周期Dt应比最小时间常数小一半，而府谷牵引变压器的时间常数为10min，所以时间周期Dt=5min，所以2h内共有24个数据点。以牵引变压器绕组热点温度的理论计算过程为例，说明指标评分过程。环境温度和变压器负载系数如图6所示。
图6 环境温度与变压器负载系数
通过计算得到2小时内绕组热点温度的理论计算值，如图7所示。
图7 2小时内绕组热点温度理论计算值
根据热点温度理论计算值和热点温度扣除标准，对热点温度进行评分。热点温度理论计算值评分结果如图8所示。
2）谐波电流引起的变压器降额率
桥头牵引变电站变压器的电气特性参数如表4所示。
图8 热点温度理论计算值评分结果
表4 变压器电气特性参数
结合上述变压器特性参数，选取5分钟内电流THD 95%概率最大时刻的电流波形数据进行DFT分析，得到50次谐波数据。然后，采用文献[23]中的计算方法，得到2小时内的变压器降额率，如图9所示。
图9 变压器2h内降容率
结合变压器降额率的计算结果，利用式（4）计算谐波电流影响评分，如图10所示。
图10 谐波电流影响评分结果
3.2 电压总谐波畸变率评估
结合热点温度计算时间段，设电压THD的分析时间段为5分钟，选取每5分钟内的最大值、95%概率最大值和平均值作为5分钟的统计值。 相电压总谐波畸变率评分结果如图11所示。
图11 a相电压总谐波畸变率评分结果
3.3 基波电压超限评估
根据基波电压超限幅值和长度扣除标准，计算出基波电压超限程度的全时评价分数，如图12所示。在此基础上，根据所需的时间尺度对分数进行平均，得到该时间尺度内的电压超限分数，即每5分钟的平均评价分数。基波电压超限评分结果如图13所示。
图12 全时段基波电压超限评价分数
图13 基波电压超限评分结果
3.4 综合评价
最终供电能力综合评价结果如图14所示。从图14可以看出，在这2小时内，牵引供电系统的供电能力基本能够满足负荷需求。 2:00和2:30之间的供电能力评估得分较低。可以对相应时间段的驱动机构进行调整，并对供电质量进行详细分析。
4 结论
1）分析了牵引供电系统供电能力的关键影响因素，包括绕组热点温度、变压器降额率、电压谐波畸变率等5个指标，提出了基于层次分析法的四层供电能力评价体系。